Regeleinrichtung, insbesondere für Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrich tung für rotierende elektrische Stromerzeuger nied riger Spannung mit mindestens einer im Nebenschluss arbeitenden Feldwicklung, insbesondere für Licht maschinen von Kraftfahrzeugen. Neben gesteigerten Anforderungen an die Genauigkeit der Regelung wer den immer höhere Anforderungen an die Funkent störung der Regeleinrichtungen für Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen gestellt.
Bei bekannten Reglern werden elektromagnetisch betätigte Schalter verwen det, die bei zu grosser Lichtmaschinenspannung den durch die Feldwicklung fliessenden Erregerstrom so lange schwächen, bis die Lichtmaschinenspannung auf einen unteren Grenzwert abfällt und der Schalter wegen der inzwischen ebenfalls abgesunkenen magne tischen Erregung wieder die Feldwicklung an die im Anker der Lichtmaschine induzierte und über deren Bürsten abgenommene Klemmenspannung anschaltet. Bei Generatoren mit grösseren Erregerleistungen wird die Kontaktbelastung der Schalter so hoch, dass die Kontakte trotz sorgfältiger Funkenlöschung häufig rasch zerstört werden. Ausserdem ist es schwierig, die beim öffnen und Schliessen der Reglerkontakte ent stehenden Funkstörungen zu unterdrücken.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird deshalb gemäss der Erfindung vorgeschlagen, zur Beeinflus sung des über die Feldwicklung fliessenden Erreger stroms ein Halbleiterelement zu verwenden. Ein be sonders gutes Ergebnis wird erzielt, wenn man in den Erregerstromkreis des Stromerzeugers einen Transistor einschaltet und zur Steuerung des Transi stors einen magnetischen oder thermischen Schalter vorsieht, der in Abhängigkeit von der Höhe der zu regelnden Generatorspannung geschlossen und geöff net wird. Der zur Steuerung des Transistors verwen dete Schalter kann dabei entweder mit Arbeitskon- takten oder mit Ruhekontakten versehen sein. Der besondere Vorteil besteht in beiden Fällen darin, dass der Transistor abwechselnd nur im Sperrzustand oder im Durchlasszustand betrieben wird und daher eine sehr grosse Regelleistung ergibt.
Anstelle von magnetischen oder thermischen Schaltern können auch Schaltelemente zur Steuerung des Transistors verwendet werden, deren Durchlass widerstand in Abhängigkeit von der angelegten Span nung sich bei bestimmten Spannungswerten sprung haft ändert. Wenn diese nichtlinearen Schaltelemente für genügend hohe Stromstärken bemessen sind, kann man sie auch mit der oder den Feldwicklungen des Stromerzeugers unmittelbar in Reihe schalten.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 ein Schaltbild einer Regeleinrichtung mit einem Transistor und einem zur Steuerung des Tran sistors verwendeten magnetischen Schalter mit Ruhe kontakten, Fig.2 das Schaltbild einer ähnlichen Regelein richtung, deren magnetischer Schalter jedoch Arbeits kontakte hat.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Schaltbilder von Regelein richtungen mit fallender bzw. geknickter Kennlinie, während in den Fig. 5, 6 und 7 verschiedene Schaltbilder für Regeleinrichtungen dargestellt sind, bei denen zur Steuerung des Transistors Halbleiter mit nichtlinearen Widerstandskennlinien verwendet sind.
Fig. 8 und 9 zeigen Schaltbilder für Regelein richtungen, bei denen ein nichtlinearer Halbleiter widerstand unmittelbar in die Zuleitung zur Feld wicklung des Stromerzeugers eingeschaltet ist. Fig. 10 und 11 zeigen Schaltbilder von Regel einrichtungen mit Steuerung durch Photodioden.
Fig. 12 und 13 zeigen Schaltbilder von Regel einrichtungen mit zwei Transistoren, von denen einer zur Erzeugung einer selbsterregten Schwingung rück gekoppelt ist.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 1 ist für eine zur Verwendung auf Kraftfahrzeugen vorgesehene Licht maschine bestimmt, die einen mit G bezeichneten Gleichstromanker und eine im Nebenschluss arbei tende Feldwicklung F hat. Die im Anker induzierte Spannung wird durch Bürsten<I>a</I> und<I>b</I> abgenommen und den in der Zeichnung nicht dargestellten Ver brauchern zugeführt. Die Feldwicklung F liegt mit ihrem einen Wicklungsende an der negativen Bürste der Lichtmaschine und mit ihrem anderen am Kol lektor C eines Transistors 10, der die Grösse des durch die Feldwicklung F fliessenden Erregerstroms bestimmt. Zur Steuerung des Transistors ist ein magnetischer Schalter 11 verwendet, dessen Erreger spule in der Zeichnung mit 12 angedeutet und einer seits an die positive, anderseits an die negative Bürste der Lichtmaschine angeschlossen ist.
Der Schaltarm 14 des Schalters ist mit der Basis B des Transistors 10 über einen Widerstand 15 verbunden, während der feststehende Kontakt 13 an die negative Bürste der Lichtmaschine angeschlossen ist. Solange die im Anker induzierte Spannung ihren Sollwert noch nicht erreicht hat, bleibt der Schalter 11 geschlossen. Das Potential der Basis B ist dann nur wenig niedriger als dasjenige der Emitterelektrode E. Es fliesst des halb über die Emitterelektrode E zur Kollektorelek trode C des Transistors 10 und von dort über die Feldwicklung F, ein starker Erregerstrom Je, der zur Folge hat, dass bei genügender Drehzahl der Licht maschine die Spannung an den Bürsten stark an wächst.
Der magnetische Schalter ist so eingestellt, dass der durch die Spule 12 fliessende Magnetisie rungsstrom beim Erreichen der Sollspannung den Schaltarm 14 vom Kontakt 13 abhebt und dadurch die Basis B des Transistors abschaltet. Dies hat zur Folge, dass der Erregerstrom Je und demzufolge die Stärke des Magnetfeldes und auch die Spannung an den Bürsten der Lichtmaschine absinkt, bis der Schal ter 11 wieder in die Ausgangslage zurückkehrt, Bei dieser Schaltung werden die Spannungswerte, bei denen der Transistor aus der Durchlassstellung in die Sperrstellung und umgekehrt gesteuert wird, durch die am magnetischen Schalter 11 getroffene Einstel lung festgelegt.
Das gleiche gilt für die Schaltung nach Fig. 2, bei der anstelle eines magnetischen Schalters mit Ruhekontakten ein mit 21 bezeichneter, ebenfalls magnetischer Schalter verwendet ist, dessen Schalt arm 24 jedoch mit einem Arbeitskontakt 23 zusam menarbeitet. An den Schaltarm 24 ist sowohl ein Widerstand 25, der zur negativen Bürste der Licht maschine führt, als auch die Basiselektrode eines Transistors 20 angeschlossen. Wie beim vorhergehen den Beispiel liegt die Emitterelektrode des Tran- sistors 20 unmittelbar an der positiven Bürste a, die Kollektorelektrode C dagegen über die Feldwicklung F an der negativen Bürste b der Lichtmaschine.
Solange die Lichtmaschinenspannung ihren Soll wert noch nicht erreicht hat, fliesst über die Emitter elektrode zur Kollektorelektrode und von dort über die Feldwicklung F ein starker Erregerstrom, der ein Ansteigen der Lichtmaschinenspannung zur Folge hat und mit steigender Spannung ebenfalls anwächst, bis die Bürstenspannung den Sollwert erreicht, bei dem die Magnetisierungsspule 22 des Schalters 21 den Schalter in die Schliessstellung zu ziehen vermag und dadurch den Transistor 20 in den Sperrzustand bringt. Bei gesperrtem Transistor hat der durch die Feld wicklung fliessende Erregerstrom J¯ einen wesentlich niedrigeren Wert.
Die Stärke des Magnetfeldes nimmt daher rasch ab, bis die im Anker der Lichtmaschine induzierte Spannung nicht mehr ausreicht, den Schalt arm 24 in der Schliessstellung zu halten. Der Schalt arm 24 hebt dann wieder vom Kontakt 23 ab und trennt dadurch die Basis B von der positiven Bürste der Lichtmaschine. Das vorher beschriebene Spiel beginnt dann von neuem.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 3 stellt eine Ab wandlung der Regeleinrichtung nach Fig. 1 dar, bei der durch Verlegung der Feldwicklung in den Emitter- kreis der Summenstrom aus Kollektor- und Basis strom als Erregerstrom ausgenützt und ausserdem der Basiswiderstand eingespart wird. Sie enthält einen elektromagnetischen Schalter 31 mit einem beweg lichen Schaltarm 34, der mit einem feststehenden Arbeitskontakt 33 zusammenarbeitet und von zwei Magnetisierungsspulen betätigt wird.
Die in der Zeichnung mit 32 bezeichnete Spule besteht aus zahl reichen Windungen dünnen Drahtes und ist als Span nungsspule mit ihrem einen Wickelende unmittelbar an die positive Bürste, mit ihrem anderen Wickelende unmittelbar an die negative Bürste der Lichtmaschine angeschlossen. Die mit 36 bezeichnete Spule des Schal ters ist als Stromspule ausgebildet und weist nur wenige Windungen starken Drahtes auf. Sie ist in den Zug der Anschlussleitungen zwischen der positiven Bürste und einer mit 38 bezeichneten Batterie eingeschaltet.
Solange der Schaltarm 34 gegen den feststehen den Kontakt 33 anliegt und dadurch die Basis B des Transistors 30 mit der negativen Bürste der Lichtmaschine verbindet, fliesst ein starker Erreger strom JE. durch die Feldwicklung F der Lichtmaschine. Dieser Erregerstrom JE hat zur Folge, dass auch bei gleichbleibender Drehzahl der Lichtmaschine die im Anker induzierte Spannung ansteigt und schliesslich einen Wert erreicht, bei dem die Spannungsspule den Schaltarm 34 vom Kontakt 33 abhebt und dadurch den von der Basis B zur negativen Bürste fliessenden Steuerstrom des Transistors unterbricht. Dann fällt auch der durch die Feldwicklung F fliessende Erreger strom stark ab, und die Spannung an den Bürsten der Lichtmaschine beginnt zu sinken.
Wenn die Licht maschinenspannung so weit abgesunken ist, dass der durch die Spannungsspule 32 fliessende Strom den Schaltarm 34 nicht mehr zu halten vermag, legt sich dieser unter der Kraft einer in der Zeichnung nicht dargestellten Rückführfeder wieder gegen den fest stehenden Kontakt 33 und steuert dadurch den Transistor 30 in seinen Durchlassbereich, und das vorher beschriebene Spiel beginnt von neuem.
Die Stromspule 36 ist so eingeschaltet, dass sie die Spannungsspule 32 in ihrer Wirkung unterstützt, wenn der Lichtmaschine ein Verbraucherstrom Jv entnommen wird. Dies hat zur Folge, dass der Schaltarm 34 mit zunehmender Grösse des Belastungs stromes J,. bereits bei niedrigeren Spannungswerten abhebt, so dass sich eine geneigte Reglerkennlinie ergibt. Um eine Entladung der Batterie 38 dann zu vermeiden, wenn die Lichtmaschine wegen einer zu geringen Antriebsdrehzahl eine zu niedrige Spannung erzeugt, ist ein elektrisches Ventil V vorgesehen, das nur in der Richtung des eingezeichneten Strom pfeiles J" durchlässig ist, in der Gegenrichtung jedoch sperrt. Als Ventil eignet sich eine Halbleiterdiode besonders gut.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 4 hat gegenüber der vorher beschriebenen Regeleinrichtung eine Strom-Spannungs-Kennlinie, die nur bis zu einer be stimmten Stärke des der Lichtmaschine entnommenen Stromes geradlinig verläuft, dann aber mit einem deutlichen Knick abbricht und daher eine Über lastung der Lichtmaschine verhindert. Um diesen Verlauf zu erzielen, sind zur Steuerung eines mit 40 bezeichneten Transistors zwei getrennte magne tische Schalter vorgesehen: ein Spannungsrelais 41, dessen Magnetisierungsspule 42 an die Bürste der Lichtmaschine angeschlossen ist, sowie ein Strom relais 45, dessen Magnetisierungsspule 46 aus weni gen Windungen dicken Drahtes besteht und in die Verbindungsleitungen zwischen der Plus-Bürste der Lichtmaschine und der Plus-Elektrode einer in der Zeichnung schematisch angedeuteten Batterie 48 ein geschaltet ist.
Die Spannungsspule 42 arbeitet mit einem beweglichen Schaltarm 44 zusammen, dessen zugehöriger fester Kontakt 43 mit dem zum Strom relais gehörigen Schaltarm 47 in Reihe geschaltet ist. Nur wenn beide Schaltarme in der gezeichneten Schliessstellung sind, kann über die Basiselektrode B des Transistors ein Strom fliessen, der seinerseits einen kräftigen Erregerstrom über die Feldwicklung F zur Emitterelektrode E und von dort über die Kollektor elektrode C zur Minusbürste aufrechterhält.
Wenn die Spannung an den Bürsten der Lichtmaschine ihren Sollwert überschreitet, öffnet das Spannungs relais den Basisstromkreis des Transistors und setzt dadurch die Erregung der Lichtmaschine kurzzeitig so lange herab, bis sie einen unteren Grenzwert erreicht hat, bei dem die Spannungsspule 42 den Schaltarm 44 nicht mehr in seiner Offenstellung zu halten vermag und der Basisstromkreis wieder geschlossen wird.
Unabhängig von der Höhe der Lichtmaschinen spannung wird der durch die Feldwicklung F fliessende Erregerstrom vom Stromrelais 45 gesteuert. Wenn nämlich der Lichtmaschine ein Verbraucherstrom Iv entnommen -wird, dessen Stärke einen vorher be stimmten Wert überschreitet, spricht das Strom relais 45 an und schaltet ebenfalls die Basiselektrode B von der Minus-Bürste der Lichtmaschine ab, so dass die Lichtmaschine nicht überlastet werden kann und mit einer wesentlich herabgesetzten Erregung weiterläuft, ohne Schaden zu nehmen.
Wie beim Aus führungsbeispiel nach Fig. 3 ist in die Verbindungs leitung zwischen der Plus-Bürste der Lichtmaschine und der Batterie 48 eine Halbleiterdiode V einge schaltet, die bei zu niedriger Lichtmaschinenspannung eine Entladung der Batterie über die Lichtmaschine verhindert.
Bei den Regeleinrichtungen nach den Fig. 5 bis 7 sind zur Steuerung des Erregerstroms der Licht maschine ebenfalls Transistoren verwendet, jedoch als Sollwertgeber kontaktlose Schaltelemente verwendet.
Bei der Regeleinrichtung nach Fig. 5 ist die Kollektor-Elektrode C des Transistors 50 unmittel bar mit der Minusbürste verbunden, während die Feldwicklung F einerseits an die Plus-Bürste und anderseits an die Emitterelektrode E angeschlossen ist. Die Basis B liegt über einen Widerstand R mittel bar an der Minus-Bürste. In die Verbindungsleitung zwischen der Plus-Bürste und der Basiselektrode B ist ein Sollwertgeber D eingeschaltet, der bewirkt, dass die Erregung der Lichtmaschine periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Der Sollwertgeber D weist bis zu bestimmten Spannungswerten einen hohen Durchlass widerstand, oberhalb dieser Spannungswerte einen niedrigen Durchlasswiderstand auf.
Wenn in der dar gestellten Schaltung die Lichtmaschinenspannung niedrig und demzufolge der Durchlasswiderstand des Sollwertgebers D hoch ist, fliesst ein erheblicher Strom Je durch die Erregerwicklung F der Lichtmaschine von der Emitterelektrode E zur Kollektorelektrode C und von dort zur negativen Bürste der Lichtmaschine. Mit steigender Erregung steigt auch die Spannung zwischen den Bürsten<I>a</I> und<I>b</I> der Lichtmaschine und demzufolge auch der durch den Transistor flie ssende Erregerstrom an. Die so entstehende Aufschau- kelung der Lichtmaschinenspannung führt schliesslich zu Spannungswerten, die den Sollwertgeber zum Um kippen bringen, so dass er einen niedrigen Durchlass widerstand bekommt.
Es entsteht dann am Wider stand R ein hoher Spannungsabfall, der den Tran sistor so weit sperrt, dass nur noch ein kleiner Erre gerstrom durch die Feldwicklung F fliessen kann. Da durch sinkt die Spannung der Lichtmaschine rasch auf einen Wert ab, bei dem der Sollwertgeber D wieder von seinem niedrigen Durchlasswiderstand zu einem hohen Durchlasswiderstand zurückkippt und den Transistor wieder öffnet. Als Sollwertgeber mit diesen Kippeigenschaften eignen sich Halbleiterdioden besonders gut, die Kennlinien mit einem stark fallen den Ast haben.
Bei den Regeleinrichtungen nach Fig. 6 und 7 sind zur Steuerung des in den Erregerstromkreis der Lichtmaschine eingeschalteten Transistors Wider- stände verwendet, deren Werte durch Zufuhr von Wärme in weiten Grenzen geändert werden kann.
Bei der Regeleinrichtung nach Fig. 6 ist in die Verbindungsleitung zwischen der Basis B und der Kollektorelektrode C des Transistors 60 ein Kaltleiter K eingeschaltet, der von einer Heizwicklung H umge ben ist. In Reihe mit der Heizwicklung H liegt eine Kristalldiode D, die mit der Plus-Bürste der Licht maschine in Verbindung steht. Die Kristalldiode D wird in Sperrichtung betrieben. Ihr Sperrwiderstand ist gross, solange die angelegte Spannung unterhalb einem als Durchbruchsspannung bezeichneten Wert bleibt, oberhalb der Durchbruchsspannung dagegen klein. Bei niedriger Generatorspannung wird über die Feldwicklung F ein starker Erregerstrom aufrechter halten, da der Widerstand des Kaltleiters K niedrig und der über die Heizwicklung H fliessende Heiz strom Jh, ebenfalls niedrig ist.
Bei steigender Licht maschinenspannung wird auch der durch die Feld wicklung F fliessende Erregerstrom Je grösser, so dass die Lichtmaschinenspannung schliesslich einen Wert erreicht, bei dem die an der Kristalldiode D liegende Spannung die Durchbruchsspannung erreicht und der Heizstrom Jh, auf erhebliche Werte ansteigt. Dies hat zur Folge, dass der Widerstand des Kaltleiters K in kurzer Zeit so weit anwächst, dass der Transistor 60 gesperrt wird und der Erregerstrom Je sowie die Lichtmaschinenspannung abzusinken beginnt. Wenn die Durchbruchsspannung unterschritten ist, wird der Heizstrom Jh, wieder sehr klein, und der Widerstand des sich abkühlenden Kaltleiters K wird rasch wieder so niedrig, dass der Transistor seinen Durchlasszustand erreicht und das beschriebene Spiel von neuem be ginnen kann.
Die Schaltung nach Fig.7 weist anstelle eines Kaltleiters einen Heissleiter L auf, der von einer Heiz- wicklung H umgeben ist. Der Heissleiter liegt in der Verbindungsleitung der Basis B und der Plus-Bürste der Lichtmaschine, während in die Verbindungslei tung von der Basis B zur Minus-Bürste ein Begren zungswiderstand R eingeschaltet ist. In den Zug der Heizwicklung H ist, wie bei der Regeleinrichtung nach Fig. 6, eine Kristalldiode D eingeschaltet, deren Widerstand unterhalb der Durchbruchsspannung gross, oberhalb der Durchbruchsspannung klein ist.
Solange die Lichtmaschinenspannung unter der Durchbruchsspannung liegt, ist der die Heizwicklung H durchfliessende Heizstrom J,, noch klein und dem zufolge der Widerstand des Heissleiters L gross. Es fliesst dann über den Transistor 70 ein kräftiger Erre gerstrom J" der ein rasches Anwachsen der Licht maschinenspannung bewirkt.
Sobald die an der Diode D liegende Spannung die Durchbruchsspannung er reicht, wächst der Heizstrom Jh, an und heizt den Heissleiter L auf, dessen Widerstand mit der Tempe ratur fällt, bis er schliesslich einen Wert erreicht, bei dem der Transistor in einen schlecht leitenden Zu stand versetzt wird und die Generatorspannung wegen des abklingenden Erregerstroms<I>Je</I> zu sinken beginnt. Der Heizstrom Jh, fällt dann zusammen mit der Licht- maschinenspannung stark ab, wobei der Heissleiter sich wieder abkühlen kann, bis sein Widerstand einen Wert erreicht, bei dem der Transistor wieder geöffnet wird und einen stärker werdenden Erregerstrom durch die Feldwicklung F zu leiten vermag.
Die Schaltbilder nach Fig.8 und 9 betreffen Regeleinrichtungen zur kontaktlosen Spannungsrege lung, bei denen der im Erregerstromkreis fliessende Strom unmittelbar durch Halbleiterdioden D beein flusst wird. Die zu regelnde Lichtmaschine nach Fig. 8 hat zwei Feldwicklungen F1 und F2. Von diesen ist die mit F1 bezeichnete Wicklung mit dünnem Draht und hoher Windungszahl ausgeführt, während die Wick lung F., wenige Windungen hat und aus einem dicke ren Draht besteht. Der Widerstand der Feldwicklung F1 ist etwa dreimal so gross wie derjenige der Wick lung F2. Beide Wicklungen sind hintereinanderge schaltet. Zur Wicklung F1 liegt die Diode D parallel, die aus Germanium besteht und in ihrer Sperrichtung einen stark abfallenden Kennlinienast aufweist.
Diese Kennlinienform hat zur Folge, dass die Diode D ge sperrt bleibt, bis die Lichtmaschine sich über die beiden Wicklungen F1 und F2 auf eine Spannung erregt hat, bei der die Diode trotz Betriebs in der Sperrichtung einen hohen Leitwert bekommt und da durch die Wicklung F1 wenigstens zum Teil kurz schliesst. Dadurch beginnt die Erregung der Licht maschine und mit ihr auch die Spannung an den Bürsten abzusinken, bis die Lichtmaschinenspannung schliesslich einen Wert erreicht, bei dem die Diode in ihren Sperrzustand zurückkippt und den Erreger strom zwingt, die Feldwicklung F1 zu durchfliessen, so dass sich die Lichtmaschine erneut wieder selbst erregt und das Spiel von neuem beginnt. Anstelle der zwei ten Feldwicklung F,, kann man auch einen Wider stand R vorsehen, der etwa ein Drittel des Gleich stromwiderstandes der Wicklung F1 ausmacht.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 weist die Lichtmaschine ebenfalls zwei Feldwicklungen F1 und F2 auf. Die mit F2 bezeichnete Feldwicklung ist der Wicklung F1 entgegengeschaltet und liegt in Reihe mit einer Germanium-Diode D, die in ihrem Kenn linienverlauf einen scharfen Knick aufweist. Der Widerstand der Wicklung F, ist so gewählt, dass die Diode an diesem Knick betrieben wird, wenn die Lichtmaschine ihre Sollspannung aufweist. Sobald die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert überschrei tet, wächst der durch die Wicklung F., fliessende Strom J.., stark an und hebt die in der Wicklung F1 erzeugte magnetische Erregung zum grossen Teil auf, so dass die Lichtmaschinenspannung zu sinken be ginnt.
Dadurch sinkt aber auch die Betriebsspannung der Diode D in ein Gebiet ab, in dem der Durchlass- widerstand der Diode grösser ist; demzufolge geht der die Gesamterregung herabsetzende Strom J", noch stärker zurück, als es der Erniedrigung der Spannung zwischen den Bürsten der Lichtmaschine entsprechen würde, und die Gesamterregung durch die Wicklungen F1 und F2 beginnt wieder zu steigen. Mit steigender Spannung kommt auch die Diode wieder in ein Arbeitsgebiet höherer Leitfähigkeit, und das beschrie bene Spiel beginnt von neuem.
Die in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausfüh rungsbeispiele weisen im Steuerkreis des Leistungs transistors lichtempfindliche Halbleiter auf. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 ist eine Photodiode P zwischen die Basis B und die Minus-Bürste des Generators eingeschaltet. Sie arbeitet mit einer Glüh lampe 80 zusammen, die an die beiden Bürsten der Lichtmaschine G angeschlossen ist. Zwischen der Photodiode P und der Glühlampe 80 ist eine Blende angebracht, die in der Zeichnung nur schematisch an gedeutet ist und einen feststehenden Teil 81 sowie einen beweglichen Teil 82 aufweist.
Der bewegliche Blendenteil 82 sitzt an einem Anker 83, der einer elektromagnetischen Spule 84 zugeordnet ist und in Abhängigkeit von dem durch die Spule fliessenden Strom derart verstellt wird, dass die Blendenöffnung klein ist, wenn die Lichtmaschinenspannung über ihrem Sollwert liegt. In diesem Falle kann nur wenig oder gar kein Licht auf die Diode treffen. Diese stellt daher einen hohen Widerstand dar und sperrt den in Reihe mit der Feldwicklung F liegenden Leistungs transistor. Der höhere Widerstand im Erregerkreis hat zur Folge, dass die Lichtmaschinenspannung zu sinken beginnt. Der in der Spule 84 fliessende Strom vermag dann den Anker 83 nicht mehr in seiner Anzugstellung zu halten.
Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Rückstellfeder zieht dabei den beweg lichen Blendenteil 82 vom feststehenden Teil 81 weg und gibt den von der Glühlampe 80 ausgehenden Lichtstrahlen den Weg zur Photodiode P frei. Die Photodiode wird wieder niederohmig und steuert den Transistor 85 in den Durchlassbereich. Die Licht maschinenspannung beginnt dann wieder zu steigen, und das beschriebene Spiel wiederholt sich.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 sind vor der Photodiode P zwei. Bleche 90 und 91 ange ordnet, die eine feste, jedoch einstellbare Blende für die von der Glühlampe 92 ausgehenden Lichtstrahlen bilden. Die Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke auf der Photodiode von der zu regelnden Generatorspan nung wird durch eine Zenerdiode Z erzielt, die in Sperrichtung in den Lampenstromkreis eingeschaltet ist und eine im Sperrbereich scharf geknickte Kenn linie hat. Die Anordnung ist so getroffen, dass die Zenerdiode Z ihre Durchbruchsspannung erreicht und einen zum Aufleuchten der Lampe 92 ausreichenden Strom zulässt, sobald die Lichtmaschinenspannung bis zu ihrem Sollwert angestiegen ist.
Infolge der Be leuchtung wird die vorher hochohmige Photodiode leitend und sperrt dadurch den Transistor 95, dessen Basis über einen Widerstand 96 mit der Minus-Bürste und über die Photodiode P mit der Plus-Bürste ver bunden ist. Im Sperrzustand führt der Transistor nur einen niedrigen Strom über die Feldwicklung F. Die Lichtmaschinenspannung sinkt daher so weit ab, bis die an der Zenerdiode abfallende Teilspannung den Durchbruchswert unterschreitet. Dann kann der zum Leuchten der Glühlampe 92 erforderliche Strom nicht mehr aufrechterhalten werden. Die Photodiode wird hochohmiger und öffnet den Transistor wieder, der dann einen kräftigeren, zu erneutem Spannungs anstieg führenden Erregerstrom bewirkt.
Die in den Schaltbildern nach Fig. 12 und 13 dargestellten Regeleinrichtungen enthalten zwei Tran sistoren 110 und 120 (bzw. 140), gegenüber nur je einem Halbleiterelement nach den - Fig. 1 bis 11. Diese Regeleinrichtungen haben jedoch den Vorteil einer wesentlich höheren Regelgenauigkeit. Ausserdem können sie den besonderen Betriebsbedingungen von Lichtmaschinen besser angepasst werden.
Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen ist der Anker der Lichtmaschine, zu deren Regelung die dargestellte Einrichtung bestimmt ist, mit G bezeich net. Ihre Feldwicklung F, die im Nebenschluss zum Anker G liegt, ist mit ihrem einen Ende an die nega tive Bürste a der Lichtmaschine angeschlossen, wäh rend ihr anderes Ende mit der Kollektorelektrode Cl eines Flächentransistors 110 verbunden ist, dessen Emitterelektrode El an der positiven Bürste b der Lichtmaschine liegt.
Die Grösse des über die Feld wicklung F fliessenden Erregerstroms Je und damit die Höhe der im Anker G induzierten und an den Bür sten<I>a</I> und<I>b</I> abgenommenen Spannung hängt ab von der Grösse des über die Basiselektrode Bi des Tran sistors 110 fliessenden Basisstromes Jb, der über einen Widerstand 111 von etwa 100 Ohm zur Masse bzw. zur negativen Bürste a geführt wird. Zur Steue rung des Transistors 110 ist der zweite Transistor 120 vorgesehen, der so geschaltet ist, dass er eine selbsterregte elektrische Schwingung erzeugt. Zu die sem Zweck ist in seinem Ausgangskreis ein Transfor mator vorgesehen, dessen Eisenkern in der Zeich nung mit - 121 bezeichnet ist und drei im gleichen Wickelsinne ausgeführte Wicklungen 122, 123, 124 trägt.
Die mittlere Wicklung 123 hat etwa 90 Win dungen bei 20 mHy und liegt mit ihrem einen Ende an der mit der negativen Bürste a verbundenen Masse leitung; ihr anderes Ende ist mit der Kollektorelek- trode C2 des Transistors 120 verbunden. In die Ver bindung von der Plus-Bürste b der Lichtmaschine zur Emitterelektrode E2 dieses Transistors ist eine Hilfsbatterie H mit einer Spannung UI., von etwa 2 Volt derart eingeschaltet, dass die Emitterelektrode E2 niedrigeres Potential als die Plus-Bürste b hat.
Auf der Eingangsseite des Transistors 120 ist die Basiselektrode B2 einerseits über einen einstellbaren Widerstand 125 von etwa 10 Ohm mit der Plus- Bürste <I>b</I> und der Plus-Platte der Hilfsbatterie<I>H,</I> anderseits mit der Minus-Bürste a der Lichtmaschine durch folgende in Reihe liegende Schaltelemente ver bunden:
einen Widerstand 126 von etwa 40 bis 50 Ohm, einen Heissleiter 127, dessen Widerstand in kaltem Zustand etwa 10 Ohm beträgt, und die nieder- ohmige Wicklung 124, vor der ein Gleichrichter 128 abzweigt, der zusammen mit einem an die Wicklung 122 des Transformators 121 angeschlossenen zweiten Gleichrichter 129 an der Basiselektrode B1 des Tran sistors 10 liegt.
Der Heissleiter 127, der in kaltem Zustand einen höheren Widerstand als im warmen Zustand hat, ist von einer Heizwicklung 130 umgeben, die im Zuge der Zuleitung 131 liegt, die von der Plus-Bürste b der Lichtmaschine zu der mit 132 bezeichneten Batte rie führt. An diese können verschiedene Verbraucher angeschlossen werden, von denen im Schaltbilde nur ein mit<B>133</B> bezeichneter mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Um zu vermeiden, dass die Batterie sich über die Lichtmaschine entladen kann, ist in die Zuleitung ein Gleichrichter 134 aus Halbleitermetall eingeschaltet.
Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung lässt sich leicht übersehen, wenn man davon ausgeht, dass die an den Bürsten<I>a</I> und<I>b</I> abgenommene Spannung<I>U</I> der Lichtmaschine im Ansteigen begriffen und der Widerstand 125 so eingestellt sei, dass bei Erreichen der Sollspannung die am Widerstand 125 abfallende Teilspannung die Basis B2 auf gleiches Potential wie die negativ vorgespannte Emitterelektrode E2 des Transistors 120 bringt. Dadurch wird der Transistor 120 leitend und es setzt ein Kollektorstrom J2 ein, der im Wicklungsteil 124 eine durch den Pfeil Uz angedeutete Spannung induziert.
Die in der Wicklung 124 erzeugte Spannung Uz ist so gerichtet, dass sie die Basis B2 des Transistors 120 gegenüber der Emitterelektrode E2 negativ macht und daher einen stark anwachsenden Basisstrom (des sen Maximalwert durch die Grösse der induzierten Spannung U2 und die Grösse der Widerstände 126 und 127 gegeben ist) und demzufolge auch einen stark anwachsenden Kollektorstrom J2 erzeugt. Die vom Kollektorstrom J2 während seines Anstiegs indu zierte Spannung U2 ändert sich nur wenig. Der Kol lektorstrom erreicht jedoch bald seinen Maximalwert, der durch den Maximalwert des Basisstromes und die Baudaten des Transistors festgelegt ist.
Wenn sich dieser Maximalwert eingestellt hat, verschwindet die in den Wicklungen induzierte Spannung U2 und das Potential der Basiselektrode B2 springt auf einen höheren Wert zurück, so dass der Basisstrom Jb nicht mehr in der seitherigen Höhe aufrechterhalten wer den kann. Dadurch wird auch der Kollektorstrom J2 gedrosselt. Die Induktivität der Wicklung 123 wirkt dieser Änderung des Kollektorstromes entgegen und erzeugt einen Spannungsimpuls, der in der Zeichnung mit einem in unterbrochenen Linien ausgeführten Spannungspfeil U'2 angedeutet ist.
Durch diesen Span nungsimpuls wird der Transistor 120 vollends in den nichtleitenden Zustand gesteuert, in dem er so lange gehalten wird, bis der Spannungsimpuls U'2 abge klungen ist. Dann kann das beschriebene Spiel von neuem beginnen, wenn die Lichtmaschinenspannung U wieder ihren Sollwert erreicht.
Da die in der Wicklung 124 infolge der Ände rungen des Kollektorstromes J2 erzeugten Spannun gen U2 und U2' auf das Potential der Basis B2 und damit auf den Eingangskreis des Transistors 120 im Sinne einer Verstärkung dieser Änderungen wirken, entsteht eine selbsterregte elektrische Schwingung, bei welcher der Transistor 120 zwischen einem Be triebszustand mit hohem und einem Betriebszustand mit niedrigem Kollektorstrom J2 nach Art eines mono stabilen Sperrschwingers hin- und zurückkippt, sooft die ansteigende Lichtmaschinenspannung bis zu dem am Widerstand 125 eingestellten Sollwert angestiegen ist.
Die Spannungsimpulse U., und U2' werden über die Gleichrichter 128 und 129 auf einen Ladekonden sator 135 gegeben, dessen Grösse der Zeitkonstante der Lichtmaschine angepasst ist. Er hat einen Wert von etwa 50 F und ist parallel zu dem Basiswider stand 111 an die Basis B1 des ersten Transistors 110 angeschlossen. Jeder der Spannungsstösse bewirkt, dass das Potential der Basis Bi kurzzeitig angehoben wird und den Erregerstrom Je stark drosselt, wodurch die Lichtmaschinenspannung abgesenkt wird.
Das Absinken der Lichtmaschinenspannung unter den Sollwert hat zur Folge, dass der Transistor 120 so lange gesperrt bleibt und daher keine die Licht maschinenspannung absenkenden Impulse auf den Transistor 110 zu geben vermag, bis die Licht maschine sich wieder selbst auf ihre Sollspannung erregt hat.
Um eine Überlastung der Lichtmaschine durch zu hohe Verbraucherströme zu vermeiden, ist ihr Laststrom über die Heizwicklung 130 geführt. Je grösser dieser Laststrom ist, um so grösser ist die in der Heizwicklung 130 erzeugte Wärme und um so niedriger wird der Widerstand des Heissleiters 127. Dadurch verschiebt sich das Spannungsteilerverhältnis an der Basiselektrode B2 derart, dass bereits bei einer kleineren Lichtmaschinenspannung die am Wider stand 125 abfallende Teilspannung ausreicht, den Transistor 120 zu öffnen. Es stellt sich daher an den Bürsten der Lichtmaschine eine geregelte Spannung ein, die mit steigender Belastung zu kleineren Werten abfällt.
Damit an der Feldwicklung keine schädlichen Spannungsspitzen auftreten können, wenn der im Erregerkreis liegende Leistungstransistor 110 in den Sperrzustand gesteuert wird, empfiehlt es sich, einen in Fig. 1 gestrichelt angedeuteten, mit 136 bezeich neten Gleichrichter parallel zur Feldwicklung derart einzuschalten, dass er bei konstanter Erregung prak tisch keinen Strom durchlässt. Wenn man als Gleich richter einen Halbleiter verwendet, kann es sich emp fehlen, in den Zug der Zuleitung zu dem Gleich richter 136 einen Begrenzungswiderstand 137 einzu schalten. Bei Lichtmaschinen grosser Leistung kann es ferner zweckmässig sein, zur Feldwicklung einen Dämpfungswiderstand 138 parallel zu schalten.
Das in Fig. 13 dargestellte Beispiel unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 12 im wesentlichen dadurch, dass anstelle der dort vorgesehenen Hilfs- Batterie H zwei in Reihe geschaltete Gleichrichter 141 und 142 vorgesehen sind, die einerseits am Pluspol der Lichtmaschine und anderseits am Emitter E des Steuertransistors 140 angeschlossen sind. Sie bilden zusammen mit einem Widerstand 143, der zwischen der Emitterelektrode E und der Minus-Bürste der Lichtmaschine liegt, einen Spannungsteiler, der zu sammen mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen 144 und 145 eine elektrische Brücke ergibt, in deren Diagonalzweig die Emitter-Basisstrecke des Tran sistors 140 liegt.
Die Gleichrichter 141 und 142 haben stark gekrümmte Kennlinien und ergeben daher in ähnlicher Weise, wie das bei Fig. 12 durch die Batterie H erfolgt, eine Vergleichsspannung, die als Bezugsgrösse für die mit dem Widerstand 144 einstell bare Sollspannung dient. Wie beim vorherigen Bei spiel ist die Kollektorelektrode C an den Verbin dungspunkt der Wicklungen 122 und 123 des in Fig.13 nicht näher dargestellten Transformators angeschlossen.
Zur Erzeugung einer Vergleichsspannung zwi schen der Emitterelektrode E und der Plus-Bürste der Lichtmaschine kann man anstelle der beiden Gleich richter 141 und 142 auch eine Halbleiterdiode vor sehen, die im Sperrbereich einen nahezu rechtwink ligen Kennlinienverlauf hat. Eine solche sogenannte Zenerdiode ist in der Zeichnung mit unterbrochenen Linien angedeutet und mit 146 bezeichnet. Gegen über der Verwendung von Gleichrichtern hat eine solche Diode den Vorteil, dass der mit ihr zur Erzie lung eines Spannungsteilers in Reihe zu schaltende Widerstand 147 verhältnismässig hochohmig gewählt werden kann.
Damit die Regeleinrichtung nach Fig. 13 eine bei wachsender Belastung absinkende Sollspannung ent hält, kann man in die Verbindungsleitung von der Plus-Bürste der Lichtmaschine zum einstellbaren Widerstand 144 einen gestrichelt angedeuteten Wider stand 148 einschalten, der einen Wert von etwa fünf Milli-Ohm hat. An den Verbindungspunkt dieses Widerstandes mit dem einstellbaren Widerstand 144 wird dann die Batterie 132 über eine Halbleiterdiode 149 angeschlossen. Je nach der Grösse des der Licht maschine entnommenen Belastungsstromes fällt am Widerstand 148 eine Spannung ab, die bewirkt, dass der Transistor 140 bereits bei kleineren Werten der Lichtmaschinenspannung stromführend wird und über die Transformatorwicklungen wie beim Beispiel nach Fig. 12 Sperrimpulse zur Herabsetzung der Licht maschinenerregung auf den Leistungstransistor 110 gibt.
Control device, in particular for alternators of motor vehicles The invention relates to a control device for rotating electrical power generators of low voltage with at least one shunted field winding, in particular for alternators of motor vehicles. In addition to increased demands on the accuracy of the control who made the ever increasing demands on the radio interference of the control devices for alternators of motor vehicles.
In known regulators, electromagnetically operated switches are used which, if the alternator voltage is too high, weaken the excitation current flowing through the field winding until the alternator voltage drops to a lower limit value and the switch, because of the magnetic excitation that has now also decreased, the field winding to the im The armature of the alternator is induced and the terminal voltage is switched on via its brushes. In generators with greater excitation power, the contact load on the switches is so high that the contacts are often quickly destroyed despite careful spark extinction. In addition, it is difficult to suppress the radio interference that occurs when the controller contacts are opened and closed.
To avoid these disadvantages, it is therefore proposed according to the invention to use a semiconductor element to influence the excitation current flowing through the field winding. A particularly good result is achieved if you turn on a transistor in the excitation circuit of the power generator and provide a magnetic or thermal switch to control the transistor, which is closed and geöff net depending on the level of the generator voltage to be regulated. The switch used to control the transistor can either be provided with working contacts or with break contacts. The particular advantage in both cases is that the transistor is operated alternately only in the blocking state or in the on state and therefore results in a very large control power.
Instead of magnetic or thermal switches, switching elements can also be used to control the transistor, the on-state resistance of which changes abruptly at certain voltage values as a function of the voltage applied. If these non-linear switching elements are dimensioned for sufficiently high currents, they can also be connected directly in series with the field winding or windings of the current generator.
In the drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown schematically. It shows: Fig. 1 is a circuit diagram of a control device with a transistor and a magnetic switch used to control the Tran sistor with break contacts, Fig. 2 is the circuit diagram of a similar Regelein direction, but the magnetic switch has working contacts.
3 and 4 show circuit diagrams of Regelein directions with falling or kinked characteristic curve, while in Figs. 5, 6 and 7 different circuit diagrams for control devices are shown in which semiconductors with non-linear resistance characteristics are used to control the transistor.
Fig. 8 and 9 show circuit diagrams for Regelein directions in which a nonlinear semiconductor resistor is turned on directly in the lead to the field winding of the power generator. Fig. 10 and 11 show circuit diagrams of control devices controlled by photodiodes.
12 and 13 show circuit diagrams of control devices with two transistors, one of which is fed back to generate a self-excited oscillation.
The control device according to FIG. 1 is intended for a light machine intended for use on motor vehicles, which has a DC armature denoted by G and a field winding F working in the shunt. The voltage induced in the armature is removed by brushes <I> a </I> and <I> b </I> and fed to the consumers not shown in the drawing. The field winding F is with its one winding end on the negative brush of the alternator and with its other on the Kol lector C of a transistor 10, which determines the size of the field winding F flowing excitation current. To control the transistor, a magnetic switch 11 is used, the excitation coil of which is indicated in the drawing with 12 and is connected on the one hand to the positive, on the other hand to the negative brush of the alternator.
The switch arm 14 of the switch is connected to the base B of the transistor 10 via a resistor 15, while the fixed contact 13 is connected to the negative brush of the alternator. As long as the voltage induced in the armature has not yet reached its nominal value, the switch 11 remains closed. The potential of the base B is then only slightly lower than that of the emitter electrode E. It flows half over the emitter electrode E to the collector electrode C of the transistor 10 and from there over the field winding F, a strong excitation current Je, which has the consequence that if the alternator speed is sufficient, the voltage on the brushes increases significantly.
The magnetic switch is set so that the magnetization current flowing through the coil 12 lifts the switching arm 14 from the contact 13 when the target voltage is reached, thereby turning off the base B of the transistor. This has the consequence that the excitation current Je and consequently the strength of the magnetic field and also the voltage on the brushes of the alternator drops until the switch 11 returns to the starting position. In this circuit, the voltage values at which the transistor from the Open position is controlled in the blocked position and vice versa, set by the setting made on the magnetic switch 11.
The same applies to the circuit according to FIG. 2, in which instead of a magnetic switch with normally closed contacts, a designated 21, also magnetic switch is used, the switching arm 24, however, together with a working contact 23 men works. To the switching arm 24, both a resistor 25, which leads to the negative brush of the light machine, and the base electrode of a transistor 20 is connected. As in the previous example, the emitter electrode of the transistor 20 is directly connected to the positive brush a, while the collector electrode C is connected to the negative brush b of the alternator via the field winding F.
As long as the alternator voltage has not yet reached its target value, a strong excitation current flows through the emitter electrode to the collector electrode and from there via the field winding F, which causes the alternator voltage to rise and also increases as the voltage rises until the brush voltage reaches the target value , in which the magnetizing coil 22 of the switch 21 is able to pull the switch into the closed position and thereby brings the transistor 20 into the blocking state. When the transistor is blocked, the excitation current J¯ flowing through the field winding has a significantly lower value.
The strength of the magnetic field therefore decreases rapidly until the voltage induced in the armature of the alternator is no longer sufficient to keep the switching arm 24 in the closed position. The switching arm 24 then lifts off again from the contact 23 and thereby separates the base B from the positive brush of the alternator. The previously described game then begins again.
The control device according to FIG. 3 is a modification of the control device according to FIG. 1, in which the total current from the collector and base current is used as excitation current by relocating the field winding in the emitter circuit and the base resistance is also saved. It contains an electromagnetic switch 31 with a movable union switching arm 34 which cooperates with a fixed normally open contact 33 and is operated by two magnetizing coils.
The coil designated in the drawing with 32 consists of numerous turns of thin wire and is connected as a tension coil with its one winding end directly to the positive brush, with its other winding end directly to the negative brush of the alternator. The designated 36 coil of the scarf age is designed as a current coil and has only a few turns of strong wire. It is switched on in the train of connection lines between the positive brush and a battery labeled 38.
As long as the switching arm 34 rests against the fixed contact 33 and thereby connects the base B of the transistor 30 to the negative brush of the alternator, a strong excitation current JE flows. through the field winding F of the alternator. This excitation current JE has the consequence that the voltage induced in the armature increases even if the speed of the alternator remains the same and finally reaches a value at which the voltage coil lifts the switching arm 34 from the contact 33 and thereby the control current flowing from the base B to the negative brush Transistor interrupts. Then the excitation current flowing through the field winding F also drops sharply, and the voltage on the brushes of the generator begins to drop.
When the light machine voltage has dropped so far that the current flowing through the voltage coil 32 is no longer able to hold the switching arm 34, this lays itself under the force of a return spring, not shown in the drawing, against the fixed contact 33 and thereby controls the Transistor 30 into its pass band, and the game described above begins again.
The current coil 36 is switched on in such a way that it assists the voltage coil 32 in its effect when a consumer current Jv is drawn from the alternator. This has the consequence that the switching arm 34 with increasing size of the load current J 1. already stands out at lower voltage values, resulting in an inclined regulator characteristic. In order to avoid discharging the battery 38 when the alternator generates too low a voltage due to a too low drive speed, an electric valve V is provided, which is only permeable in the direction of the current arrow J ", but blocks in the opposite direction A semiconductor diode is particularly suitable as a valve.
The control device according to Fig. 4 has a current-voltage characteristic curve compared to the previously described control device, which is straight only up to a certain strength of the current drawn from the alternator, but then breaks off with a clear kink and therefore prevents overloading of the alternator . To achieve this, two separate magnetic switches are provided to control a transistor labeled 40: a voltage relay 41, whose magnetizing coil 42 is connected to the brush of the generator, and a current relay 45, whose magnetizing coil 46 is thick with a few turns There is wire and in the connecting lines between the plus brush of the alternator and the plus electrode of a battery 48 indicated schematically in the drawing is connected.
The voltage coil 42 cooperates with a movable switching arm 44, the associated fixed contact 43 of which is connected in series with the switching arm 47 belonging to the current relay. Only when both switching arms are in the drawn closed position, a current can flow through the base electrode B of the transistor, which in turn maintains a strong excitation current through the field winding F to the emitter electrode E and from there through the collector electrode C to the minus brush.
When the voltage on the brushes of the alternator exceeds its setpoint, the voltage relay opens the base circuit of the transistor and thereby briefly reduces the excitation of the alternator until it has reached a lower limit at which the voltage coil 42 no longer touches the switching arm 44 able to hold in its open position and the base circuit is closed again.
Regardless of the level of the alternator voltage, the excitation current flowing through the field winding F is controlled by the current relay 45. If a consumer current Iv is drawn from the alternator, the strength of which exceeds a predetermined value, the current relay 45 responds and also switches off the base electrode B of the minus brush of the alternator, so that the alternator cannot be overloaded and continues to run with a significantly reduced excitement without being damaged.
As in the exemplary embodiment according to FIG. 3, a semiconductor diode V is in the connection line between the plus brush of the alternator and the battery 48, which prevents the battery from discharging via the alternator when the alternator voltage is too low.
In the control devices according to FIGS. 5 to 7, transistors are also used to control the excitation current of the light machine, but contactless switching elements are used as setpoint generators.
In the control device according to FIG. 5, the collector electrode C of the transistor 50 is directly connected to the minus brush, while the field winding F is connected on the one hand to the plus brush and on the other hand to the emitter electrode E. The base B is indirectly connected to the minus brush via a resistor R. In the connection line between the plus brush and the base electrode B, a setpoint generator D is switched on, which causes the excitation of the alternator to be switched on and off periodically. The setpoint generator D has a high forward resistance up to certain voltage values, and a low forward resistance above these voltage values.
If the alternator voltage is low in the circuit provided and consequently the forward resistance of the setpoint generator D is high, a considerable current flows through the field winding F of the alternator from the emitter electrode E to the collector electrode C and from there to the negative brush of the alternator. As the excitation increases, so does the voltage between the brushes <I> a </I> and <I> b </I> of the alternator, and consequently the excitation current flowing through the transistor also increases. The resulting surge in the alternator voltage ultimately leads to voltage values that cause the setpoint generator to tip over so that it has a low forward resistance.
There is then a high voltage drop at the resistance R, which blocks the Tran sistor so far that only a small excitation current can flow through the field winding F. As a result, the voltage of the alternator quickly drops to a value at which the setpoint generator D flips back from its low on resistance to a high on resistance and opens the transistor again. Semiconductor diodes that have characteristics with a steeply falling branch are particularly suitable as setpoint generators with these tilting properties.
In the control devices according to FIGS. 6 and 7, resistors are used to control the transistor switched into the exciter circuit of the generator, the values of which can be changed within wide limits by the addition of heat.
In the control device according to FIG. 6, a PTC thermistor K is switched on in the connecting line between the base B and the collector electrode C of the transistor 60, which is surrounded by a heating coil H. In series with the heating coil H is a crystal diode D, which is connected to the plus brush of the alternator. The crystal diode D is operated in the reverse direction. Their blocking resistance is high as long as the applied voltage remains below a value referred to as the breakdown voltage, while it is small above the breakdown voltage. When the generator voltage is low, a strong excitation current is maintained via the field winding F, since the resistance of the PTC thermistor K is low and the heating current Jh flowing through the heating winding H is also low.
As the generator voltage increases, the excitation current flowing through the field winding F also increases, so that the generator voltage finally reaches a value at which the voltage on the crystal diode D reaches the breakdown voltage and the heating current Jh increases to considerable values. This has the consequence that the resistance of the PTC thermistor K increases so far within a short time that the transistor 60 is blocked and the excitation current Je and the alternator voltage begin to decrease. If the breakdown voltage is undershot, the heating current Jh becomes very small again, and the resistance of the PTC thermistor K, which is cooling down, quickly becomes so low again that the transistor reaches its on state and the described game can begin again.
The circuit according to FIG. 7 has, instead of a PTC thermistor, a thermistor L which is surrounded by a heating winding H. The heat conductor is in the connecting line of the base B and the plus brush of the alternator, while a limiting resistor R is switched on in the connecting line from the base B to the minus brush. In the train of the heating winding H, as in the control device according to FIG. 6, a crystal diode D is switched on, the resistance of which is high below the breakdown voltage and small above the breakdown voltage.
As long as the alternator voltage is below the breakdown voltage, the heating current J ,, flowing through the heating winding H is still small and accordingly the resistance of the hot conductor L is high. It then flows through the transistor 70, a powerful excitation current J "which causes a rapid increase in the light machine voltage.
As soon as the voltage across the diode D reaches the breakdown voltage, the heating current Jh increases and heats the thermistor L, the resistance of which falls with the temperature until it finally reaches a value at which the transistor becomes poorly conductive stand is relocated and the generator voltage begins to decrease because of the decaying excitation current <I> Je </I>. The heating current Jh then drops sharply together with the alternator voltage, whereby the hot conductor can cool down again until its resistance reaches a value at which the transistor is opened again and is able to conduct an increasingly stronger excitation current through the field winding F.
The circuit diagrams according to FIGS. 8 and 9 relate to control devices for contactless voltage regulation, in which the current flowing in the excitation circuit is directly influenced by semiconductor diodes D. The alternator to be controlled according to FIG. 8 has two field windings F1 and F2. Of these, the winding labeled F1 is made with thin wire and a high number of turns, while the winding F., has a few turns and consists of a thick wire. The resistance of the field winding F1 is about three times as great as that of the winding F2. Both windings are switched one behind the other. The diode D, which consists of germanium and has a steeply sloping characteristic curve branch in its reverse direction, is parallel to the winding F1.
This characteristic curve shape has the consequence that the diode D remains blocked until the alternator has excited itself via the two windings F1 and F2 to a voltage at which the diode gets a high conductance despite operation in the reverse direction and because of the winding F1 at least partially briefly. As a result, the excitation of the alternator begins to decrease and with it the voltage on the brushes, until the alternator voltage finally reaches a value at which the diode flips back into its blocking state and forces the excitation current to flow through the field winding F1, so that the The alternator energizes itself again and the game starts all over again. Instead of the second field winding F ,, you can also provide a counter stand R, which makes up about a third of the DC resistance of the winding F1.
In the embodiment according to FIG. 9, the alternator also has two field windings F1 and F2. The field winding labeled F2 is connected against the winding F1 and is in series with a germanium diode D, which has a sharp kink in its characteristic curve. The resistance of the winding F is selected so that the diode is operated at this bend when the alternator has its nominal voltage. As soon as the alternator voltage exceeds its target value, the current J .. flowing through the winding F., increases sharply and largely eliminates the magnetic excitation generated in the winding F1, so that the alternator voltage begins to decrease.
However, this also causes the operating voltage of the diode D to drop to an area in which the forward resistance of the diode is greater; consequently the total excitation reducing current J "decreases even more than it would correspond to the lowering of the voltage between the brushes of the alternator, and the total excitation through the windings F1 and F2 begins to increase again. As the voltage increases, the diode comes back into a work area of higher conductivity, and the game described begins all over again.
The Ausfüh shown in Figs. 10 and 11 approximately have light-sensitive semiconductors in the control circuit of the power transistor. In the embodiment according to FIG. 10, a photodiode P is connected between the base B and the minus brush of the generator. It works with an incandescent lamp 80 which is connected to the two brushes of the alternator G. Between the photodiode P and the incandescent lamp 80, a screen is attached, which is only indicated schematically in the drawing and has a fixed part 81 and a movable part 82.
The movable diaphragm part 82 sits on an armature 83 which is assigned to an electromagnetic coil 84 and is adjusted as a function of the current flowing through the coil in such a way that the diaphragm opening is small when the alternator voltage is above its nominal value. In this case, little or no light can hit the diode. This therefore represents a high resistance and blocks the power transistor lying in series with the field winding F. The higher resistance in the excitation circuit means that the alternator voltage begins to decrease. The current flowing in coil 84 can then no longer hold armature 83 in its tightening position.
A return spring, not shown in the drawing, pulls the movable union part 82 away from the fixed part 81 and gives the light rays emanating from the incandescent lamp 80 the path to the photodiode P free. The photodiode becomes low-resistance again and controls the transistor 85 in the pass band. The alternator voltage then begins to rise again, and the game described repeats itself.
In the embodiment of FIG. 11, there are two in front of the photodiode P. Sheets 90 and 91 are arranged, which form a fixed, but adjustable aperture for the light rays emanating from the bulb 92. The dependence of the illuminance on the photodiode on the generator voltage to be regulated is achieved by a Zener diode Z, which is switched on in the reverse direction in the lamp circuit and has a characteristic curve that is sharply bent in the blocking range. The arrangement is such that the Zener diode Z reaches its breakdown voltage and allows sufficient current to light up the lamp 92 as soon as the alternator voltage has risen to its setpoint.
As a result of the lighting, the previously high-resistance photodiode is conductive and thereby blocks the transistor 95, the base of which is connected via a resistor 96 to the minus brush and via the photodiode P to the plus brush. In the blocking state, the transistor only carries a low current through the field winding F. The alternator voltage therefore drops until the partial voltage dropping across the Zener diode falls below the breakdown value. Then the current required to illuminate the incandescent lamp 92 can no longer be maintained. The photodiode has a higher resistance and opens the transistor again, which then causes a stronger excitation current that leads to a renewed increase in voltage.
The control devices shown in the diagrams according to FIGS. 12 and 13 contain two transistors 110 and 120 (or 140), compared to only one semiconductor element according to FIGS. 1 to 11. However, these control devices have the advantage of a much higher control accuracy. They can also be better adapted to the special operating conditions of alternators.
As in the previous exemplary embodiments, the armature of the alternator, which the device shown is intended to control, is denoted by G. Your field winding F, which is shunted to the armature G, is connected at one end to the nega tive brush a of the generator, while its other end is connected to the collector electrode Cl of a flat transistor 110, the emitter electrode El on the positive brush b the alternator.
The size of the excitation current Je flowing through the field winding F and thus the level of the voltage induced in the armature G and taken from the brushes <I> a </I> and <I> b </I> depends on the size of the Via the base electrode Bi of the transistor 110 flowing base current Jb, which is led via a resistor 111 of about 100 ohms to ground or to the negative brush a. To control the transistor 110, the second transistor 120 is provided, which is connected in such a way that it generates a self-excited electrical oscillation. For this purpose, a transformer is provided in its output circuit, the iron core of which is designated in the drawing by -121 and carries three windings 122, 123, 124 executed in the same winding direction.
The middle winding 123 has about 90 turns at 20 mHy and one end is connected to the ground line connected to the negative brush a; its other end is connected to the collector electrode C2 of the transistor 120. In the connection from the plus brush b of the alternator to the emitter electrode E2 of this transistor, an auxiliary battery H with a voltage UI., Of about 2 volts is switched on so that the emitter electrode E2 has a lower potential than the plus brush b.
On the input side of the transistor 120, the base electrode B2 is on the one hand via an adjustable resistor 125 of about 10 ohms with the plus brush <I> b </I> and the plus plate of the auxiliary battery <I> H, </I> on the other hand Connected to the minus brush a of the alternator by the following switching elements in series:
a resistor 126 of about 40 to 50 ohms, a hot conductor 127, the resistance of which in the cold state is about 10 ohms, and the low-ohmic winding 124, in front of which a rectifier 128 branches off, which together with a connected to the winding 122 of the transformer 121 connected second rectifier 129 to the base electrode B1 of the Tran sistor 10 is located.
The hot conductor 127, which has a higher resistance in the cold state than in the warm state, is surrounded by a heating coil 130, which lies in the course of the lead 131, which leads from the plus brush b of the alternator to the battery designated 132. Various loads can be connected to this, of which only one labeled <B> 133 </B> is indicated with broken lines in the circuit diagram. In order to prevent the battery from being discharged via the alternator, a rectifier 134 made of semiconductor metal is connected in the supply line.
The mode of operation of the regulating device can easily be overlooked if one assumes that the voltage <I> U </I> of the alternator taken at the brushes <I> a </I> and <I> b </I> is increasing understood and the resistor 125 set such that when the target voltage is reached, the partial voltage drop across the resistor 125 brings the base B2 to the same potential as the negatively biased emitter electrode E2 of the transistor 120. As a result, the transistor 120 becomes conductive and a collector current J2 sets in, which induces a voltage indicated by the arrow Uz in the winding part 124.
The voltage Uz generated in the winding 124 is directed in such a way that it makes the base B2 of the transistor 120 negative with respect to the emitter electrode E2 and therefore a strongly increasing base current (its maximum value due to the size of the induced voltage U2 and the size of the resistors 126 and 127 is given) and consequently also generates a rapidly increasing collector current J2. The voltage U2 induced by the collector current J2 during its rise changes only slightly. However, the Kol lektorstrom soon reaches its maximum value, which is determined by the maximum value of the base current and the data of the transistor.
When this maximum value has been reached, the voltage U2 induced in the windings disappears and the potential of the base electrode B2 jumps back to a higher value, so that the base current Jb can no longer be maintained at the previous level. This also reduces the collector current J2. The inductance of the winding 123 counteracts this change in the collector current and generates a voltage pulse, which is indicated in the drawing by a voltage arrow U'2 in broken lines.
By means of this voltage pulse, the transistor 120 is completely switched to the non-conductive state, in which it is held until the voltage pulse U'2 has decayed. Then the game described can begin again when the alternator voltage U reaches its setpoint again.
Since the voltages U2 and U2 'generated in the winding 124 as a result of the changes in the collector current J2 act on the potential of the base B2 and thus on the input circuit of the transistor 120 in the sense of amplifying these changes, a self-excited electrical oscillation occurs in which The transistor 120 flips back and forth between an operating state with a high and an operating state with a low collector current J2 in the manner of a monostable blocking oscillator, as often as the increasing alternator voltage has risen to the setpoint value set at resistor 125.
The voltage pulses U., and U2 'are given via the rectifiers 128 and 129 to a charging capacitor 135, the size of which is adapted to the time constant of the alternator. It has a value of about 50 F and is parallel to the base resistor 111 to the base B1 of the first transistor 110 connected. Each of the voltage surges causes the potential of the base Bi to be briefly raised and the excitation current Je to throttle, which lowers the alternator voltage.
The drop in the alternator voltage below the setpoint has the consequence that the transistor 120 remains blocked and therefore cannot give the generator voltage lowering pulses to the transistor 110 until the alternator has re-energized itself to its setpoint voltage.
In order to avoid overloading the alternator due to excessive consumer currents, its load current is routed via the heating winding 130. The greater this load current, the greater the heat generated in the heating coil 130 and the lower the resistance of the hot conductor 127. This shifts the voltage divider ratio at the base electrode B2 in such a way that even with a lower generator voltage, the value at the resistor 125 the falling partial voltage is sufficient to open the transistor 120. A regulated voltage is therefore established at the brushes of the alternator, which drops to lower values with increasing load.
So that no harmful voltage peaks can occur on the field winding when the power transistor 110 in the exciter circuit is switched to the blocking state, it is advisable to switch on a rectifier indicated by dashed lines in FIG Excitation practically does not let any current through. If a semiconductor is used as the rectifier, it may be advisable to switch on a limiting resistor 137 in the train of the feed line to the rectifier 136. In the case of high-power alternators, it can also be useful to connect a damping resistor 138 in parallel with the field winding.
The example shown in FIG. 13 differs from that according to FIG. 12 essentially in that, instead of the auxiliary battery H provided there, two series-connected rectifiers 141 and 142 are provided, which are connected on the one hand to the positive pole of the alternator and on the other hand to the emitter E. of the control transistor 140 are connected. Together with a resistor 143, which lies between the emitter electrode E and the minus brush of the alternator, they form a voltage divider, which together with two series-connected resistors 144 and 145 results in an electrical bridge, in the diagonal branch of which the emitter-base path of the Tran sistors 140 is located.
The rectifiers 141 and 142 have strongly curved characteristics and therefore, in a manner similar to that carried out in FIG. 12 by the battery H, result in a comparison voltage which serves as a reference value for the setpoint voltage which can be set with the resistor 144. As in the previous example, the collector electrode C is connected to the connection point of the windings 122 and 123 of the transformer, not shown in detail in FIG.
To generate a comparison voltage between tween the emitter electrode E and the plus brush of the alternator, instead of the two rectifiers 141 and 142, a semiconductor diode can also be seen that has an almost rectangular characteristic curve in the blocking region. Such a so-called Zener diode is indicated in the drawing with broken lines and designated 146. Compared to the use of rectifiers, such a diode has the advantage that the resistor 147 to be connected in series with it to achieve a voltage divider can be selected to be relatively high-resistance.
So that the control device of Fig. 13 holds a decreasing nominal voltage with increasing load, you can turn on a resistance indicated by dashed lines in the connection line from the plus brush of the alternator to the adjustable resistor 144, a resistance indicated by broken lines 148, which has a value of about five milli-ohms . The battery 132 is then connected via a semiconductor diode 149 to the connection point of this resistor with the adjustable resistor 144. Depending on the magnitude of the load current drawn from the alternator, a voltage drops across the resistor 148, which causes the transistor 140 to carry current even at lower values of the alternator voltage and, via the transformer windings, as in the example according to FIG. 12, blocking pulses to reduce the alternator excitation on the power transistor 110 there.