<Desc/Clms Page number 1>
Regeleinrichtungen für Nebenschlussgeneratoren, insbesondere Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung nach Patentanspruch des Hauptpatentes, wobei das elektromagnetische, mit seinen Kontakten in den Erregerstromkreis des Generators eingeschaltete Spannungsrelais in einem Gehäuse untergebracht ist und ausser einer an die zu regelnde Spannung angeschlossenen Spannungsspule noch eine Steuerspule enthält, die mit einem p-n-Halbleiter mit stark ausgeprägtem Kennlinienknick in seiner Durchlassrichtung in Reihe geschaltet und mit diesem zusammen parallel zu einem niederohmigen Widerstand von z.
B. weniger als 0,05 Ohm angeordnet ist, der in einer Verbindungsleitung vom Generator zu den Verbrauchern liegt.
Bei den Regeleinrichtungen nach dem Hauptpatent werden p-n-Halbleiter, vorzugsweise Germa- nium-Halbleiter verwendet, die in der Durchlassrich- tung einen hohen Widerstand haben, wenn .die an den Halbleiter angelegte Spannung unterhalb von 0,3 Volt bleibt, oberhalb dieses Wertes jedoch eine Flussstrom- steilheit von z. B. mindestens 3 A/V aufweisen.
Dadurch ist es möglich, den in die Verbindungsleitung von der Lichtmaschine zu ihren Verbrauchern eingeschalteten Widerstand und die an diesem Widerstand entstehende Wärmeentwicklung sehr niedrig züi halten, weil dann bereits ein vom Laststrom am Widerstand erzeugter Spannungsabfall von etwa 0,4 bis 0,5 Volt dazu ausreicht, über den Halbleiter und die Steuerspule einen solch kräftigen Steuerstrom fliessen zu lassen, dass die Erregung der Lichtmaschine erheblich herabgesetzt und damit gleichzeitig die Spannung der Lichtmaschine stark erniedrigt wird.
Da für eine gegebene Lichtmaschinenleistung die zulässigen Lastströme um so grössere Höchstwerte annehmen dürfen, je niedriger die Sollspannung der Lichtma- schine liegt, ist es insbesondere bei 6-Volt-Anlagen schwierig, die am Widerstand entstehende Wärme aus dem Gehäuse des Reglers herauszuführen. Es entsteht nämlich beispielsweise bei einer 240-Watt-Ma- schine mit einem zulässigen Laststrom von 40 A eine Verlustleistung von etwa 16-20 Watt an dem erwähnten Widerstand, durch welche das Spannungsrelais stark erwärmt werden und daher einen erheblichen Temperaturgang erhalten würde.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird daher gemäss der Erfindung vorgeschlagen, dass bei der Regeleinrichtung der eingangs beschriebenen Art wenigstens ein Teil der Verbindungsleitung ausserhalb des Gehäuses sich erstreckt und als niederohmiger Widerstand ausgebildet ist. Zweckmässigerweise wird der Querschnitt dieses Teils der Verbindungsleitung so klein gewählt, dass sich beim zulässigen Höchstwert des Lichtmaschinen-Laststromes eine Querschnittsbelastung von mindestens 10 A/mm2, vorzugsweise von 15 A/mrn2 ergibt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 das elektrische Schaltschema einer Lichtanlage für Kraftfahrzeuge, Fig. 2 den in der Lichtanlage nach Fig. 1 verwendeten Regler bei abgenommener Gehäusekappe als Raumbild und Fig. 3 in der Ansicht von unten, Fig. 4 den beim Regler nach Fig. 2 und 3 verwendeten p-n-Halbleiter im Längsschnitt in etwa 2,5- facher Vergrösserung und Fig. 5 das Stromspannungskennlinienfeld des Halbleiters nach Fig. 4.
Die Lichtanlage nach Fig. 1 umfasst eine Gleich- stromnebenschlusslichtmaschine G, eine mit dieser zu-
<Desc/Clms Page number 2>
sammenarbeitende Batterie B und mehrere an die Batterie anschliessbare Verbraucher, von denen in der Zeichnung nur eine bei L angedeutete Lampe dargestellt ist, der beim Schliessen ihres zugeordneten Schalters S Strom aus der Batterie zugeführt wird.
Ausserdem enthält die Lichtanlage einen in Fig. 2 und 3 näher dargestellten Regler, der die Aufgabe hat, die vom Generator an die Batterie und die Verbraucher abgegebene Spannung Ug auf einem während des Betriebes gleichbleibenden Wert zu halten und dann, wenn die angeschlossenen Verbraucher so nie- derohmig sind, dass der ihnen zufliessende Laststrom JL einen für die Lichtmaschine als Dauerbelastung zulässigen Höchstwert überschreiten würde, die Erregung der Lichtmaschine und damit die Klemmenspannung der Lichtmaschine so weit herabsetzt, dass dieser Wert nicht überschritten werden kann.
Die Regeleinrichtung enthält zwei elektromagnetische Relais, von denen das eine eine Spannungsspule 10, einen beweglichen Schaltarm 11 und einen Ruhekontakt 12 hat, während das andere eine Stromspule 13, einen beweglichen Schaltarm 14 und einen Arbeitskontakt 15 aufweist.
Der bewegliche Schaltarm 11 des Spannungsrelais ist sowohl mit einem Ende der in Fig. 1 mit 16 angedeuteten Feldwicklung der Lichtmaschine G verbunden als auch mit einem in Reihe zur Feldwicklung 16 geschalteten Feldwiderstand 18. Die Spannungsspule 10 liegt mit ihrem einen Wicklungsende an der Masseleitung 20 und ist über diese mit der Minusbürste b der Lichtmaschine verbunden, während ihr anderes Wicklungsende an den beweglichen Schaltarm 14 und gleichzeitig über die Stromspule 13 und die Plusleitung 21 an die Plusbürste a der Lichtmaschine angeschlossen ist.
Auf dem gleichen Magnetkern 22, auf dem die Stromspule 13 sitzt, ist ausserdem eine feindrähtige und mit hoher Windungs- zahl ausgeführte Wicklung 23 angebracht, die mit der Stromspule 13 in der Weise zusammenarbeitet, dass der Schaltarm 14 nur dann gegen seinen Arbeitskontakt 15 angezogen wird, wenn die Lichtmaschinenspannung Ug mindestens die Höhe der Batteriespannung erreicht hat, dagegen die Verbindung zwischen Generator und Batterie unterbricht, sobald dieser Wert unterschritten wird.
Wenn die Lichtmaschine G mit genügend hoher Drehzahl aus dem Stillstand heraus angetrieben wird, erregt sie sich über ihre im Nebenschluss arbeitende Feldwicklung 16 sehr rasch, da beim Anlaufen der Kontaktarm 11 den Ruhekontakt 12 berührt und dadurch den Feldwiderstand 18 kurzschliesst.
Sobald die Lichtmaschinenspannung einen Wert erreicht, der einen zum Abheben des Schaltarms 11 vom Ruhekontakt 12 ausreichenden Strom in der Spannungsspule 10 ergibt, kommt der Feldwiderstand 18 zur Wirkung, der den durch die Feldwicklung 15 fliessenden Erregerstrom stark herabsetzt und zur Folge hat, dass die Lichtmaschinenspannung entsprechend zurückgeht, bis sie einen unteren Sollwert erreicht, bei dem der Schaltarm 11 in der Einzugsstellung nicht mehr gehalten werden kann und unter der Wirkung einer in der Zeichnung nicht dargestellten Rückführ- feder in die Ausgangslage zurückkehrt und dabei den Feldwiderstand wieder kurzschliesst.
Der eben beschriebene Vorgang wiederholt sich dann von neuem, und zwar unabhängig davon, ob die Lichtmaschine über die Stromspule 13 belastet wird oder nicht.
Um zu vermeiden, dass die Lichtmaschine durch zu grosse Lastströme JL unzulässig beansprucht wird, ist in einem zur Stromspule 13 parallelen Stromkreis 24 ein p-n-Halbleiter 25 angeordnet. In Reihe mit diesem liegt eine Steuerwicklung 26, die mit der Spannungsspule 10 auf einen gemeinsamen, in Fig. 2 mit 27 angedeuteten Eisenkern angeordnet ist. Der in Fig. 4 im Schnitt vergrössert dargestellte Halbleiter enthält in einem Kupfertopf 28 eine etwa 0,3 mm dicke Scheibe 29 aus niederohmigem n-Germanium mit einer Leitfähigkeit von etwa 0,1 Ohm/cm. Auf diese Scheibe ist mit einer gleichzeitig als Legierungswerkstoff dienenden Indiumpille 30 ein Kupferdraht 31 festgelötet.
Zum Zusammenlöten wird innen auf den Boden des Kupfertopfes ein Zinnplättchen gelegt, auf dieses die Scheibe 29 und darauf die Indiumpille aufgesetzt und über das Ganze eine in die Bohrung des Kupfertopfes eingreifende, in der Zeichnung nicht dargestellte Graphitform geschoben, die eine gleichachsig zum Kupfertopf angebrachte Bohrung zur Aufnahme des Anschlussdrahtes 31 hat.
Das Ganze wird dann in einem Vakuumofen auf 520-550 C erhitzt und etwa 10 Minuten auf dieser Temperatur gehalten, wobei das schmelzflüssig gewordene Indium bis zu einer Tiefe von 0,15 mm in das n-Germanium einlegiert und in dieser Legierungszone p-Leitfähigkeit hervorruft. Die hierdurch entstehende, in Fig. 4 mit unterbrochenen Linien 32 angedeutete p-n-Grenz- schicht ergibt die in Fig. 5 dargestellte Stromspannungskennlinie des Halbleiters 25.
Danach vermag der Halbleiter nur einen sehr schwachen, annähernd linear bis etwa 0,04 A ansteigenden Strom J zu führen, solange die zwischen dem Anschlussdraht 31 und dem Kupfertopf 28 wirksame Spannung U unterhalb von 0,2 Volt bleibt, während im Bereich von 0,2 bis 0,3 Volt die Kennlinie mit einer starken Krümmung in eine Steilheit von mindestens 10 A/Volt übergeht.
Durch den über die Wicklung 26 und den Halbleiter 25 fliessenden Strom J wird die magnetische Erregung des Spannungsrelais vergrössert; seine Kontakte 11 und 12 öffnen daher schon dann, wenn die Generatorspannung Ug einen unter dem Sollwert liegenden Wert erreicht. Die auf diese Weise sich einstellende Generatorspannung liegt um so tiefer, je höher der Laststrom JL ansteigt und je höher demzufolge der Spannungsabfall UT, auf dem zwischen den Punkten 40 und 41 sich erstreckenden, einen Widerstand von etwa 0,01 n aufweisenden Leitungsstück 42 und der Spannungsabfall Us an der Stromspule 13 werden.
Diese beiden vom Laststrom JL hervorgerufenen Spanntbngen wirken zusammen als Betriebsspannung für den aus dem Halbleiter 25 und der Steuerwicklung 26 gebildeten Stromkreis, in dem
<Desc/Clms Page number 3>
der Steuerstrom J fliesst. Wie Fig. 3 deutlicher erkennen lässt, ist das Leitungsstück 42 ausserhalb des Reglergehäuses 50 verlegt und zusammen mit einer Leitung 44, die zu dem ebenfalls ausserhalb des Reglergehäuses an dessen Unterseite angeordneten Halbleiter 25 führt, zu einer Doppelleitung zusammengefasst.
Die Leitung 42 ist bei 41 mit ihrem einen Ende an eine Anschlussschiene 46 angelötet, die an der Unterseite des Reglergehäuses angenietet ist. Ihr anderes Ende ist zusammen mit dem freien Ende der Leitung 44 bei 40 mit dem einen Ende eines Kabels 47 verlötet, dessen anderes Ende an die in Fig. 1 mit 48 angedeutete Plusklemme der Lichtmaschine angeschlossen ist.
Das zwischen den Verbindungspunkten 40 und 41 sich erstreckende Leitungsstück 42 ist hinsichtlich Länge und Querschnitt so bemessen, dass sein Widerstand etwa in der Grösse des Gleichstromwiderstandes der Stromspule 13 liegt und beim Auftreten des zulässigen Höchstwertes des Lichtmaschinenlaststroms Jt, einen Spannungsabfall von mindestens 0,15 Volt, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3 Volt ergibt. Zweckmässigerweise bemisst man den Querschnitt des Leiters so knapp, dass die Querschnittsbelastung beim Höchstwert des Laststromes mindestens 10 A/nun2, vorzugsweise 15 A/mm2 erreicht.
Da die Länge des Leitungsstückes in diesem Fall etwa 25 cm beträgt, ergibt sich eine ausreichende Abstrahlung der auf dem Leitungsstück 42 entstehenden Verlustwärme, ohne dass hiervon das im Gehäuse 50 untergebrachte Spannungsrelais beeinflusst wird.