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Elektrische Lichtanlage für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Lichtanlage für Kraftfahrzeuge, die einen während seines Betriebes durch einen Schnel1regler auf wenigstens annähernd gleichbleibender Spannung gehalte- nen Stromerzeuger und einen in eine Zuleitung vom Stromerzeuger zu einer Batterie eingeschalteten
Gleichrichter enthält, der bei stillstehendem Stromerzeuger eine Entladung der Batterie über den Stromerzeuger verhindert.
Es sind bereits Lichtanlagen der eingangs beschriebenen Art bekannt geworden, bei denen die Entladung der Batterie über die stillstehende oder ungenügend erregte Lichtmaschine mit Hilfe eines Selenoder Kupferoxydul-Gleichrichters verhindert wird. Bei derartigen Lichtanlagen fliessen der Batterie und den an die Batterie anschliessbaren Verbrauchern erhebliche Ströme in der Grösse von 20 Ampère und mehr zu, wenn die nur für eine geringe Spannung bemessene Lichtmaschine ihre volle Leistung abgeben muss.
Diese Ströme haben in den Gleichrichtern eine erhebliche Erwärmung nur Folge, die zur Vermeidung einer dauernden Schädigung der Gleichrichter nach aussen abgeführt werden muss. Bei den seither bekannten Gleichrichtern für derartige Zwecke hat man daher an die gleichrichtenden Elemente Kühlrippen von verhältnismässig grosser Oberfläche angebracht. Dies erfordert jedoch einen erheblichen Raumaufwand. Ausserdem sind derartige Kühlrippen durch auftretende Öldämpfe einer starken Verunreinigung ausgesetzt und vermögen in diesem Fall nach geringer Betriebszeit keine ausreichende Wärmeabfuhr sicherzustellen.
Darüber hinaus sind auch Halbleitergleichrichter mit p-n Übergang bekannt, die zur Kühlung mit Peltier-Elementen versehen sind. Es wäre denkbar, solche Halbleitergleichrichter (vgl. deutsche Auslege- schrift Nr. 1002471) in Lichtanlagen für Kraftfahrzeuge als Rückstromsperre zu verwenden.
Bei diesen bekannten Konstruktionen wäre aber die Wärmeableitung im Hinblick auf die hohe Strombelastung usw. nicht günstig gelöst.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, dass der, wenigstens einen p-n Übergang aufweisende Halbleiterkörper des Gleichrichters an einen im Querschnitt dicken metallischen Anschlussbolzen angelötet ist, der zur Ableitung der beim Betrieb des Gleichrichters entstehenden Wärme an seinem der Sperrzone abgewendeten freien Ende ein vom Durchlassstrom des Halbleiterkörpers durchflossenes Ansatzstück trägt, das zusammen mit dem Anschlussbolzen ein Peltier-Element bildet.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Lichtanlage mit einer Regeleinrichtung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Halbleitergleichrichter zur Verwendung in der Lichtanlage und Fig. 2 die Lichtanlage samt der Regeleinrichtung in ihrem elektrischen Schaltbild.
Der zur Verwendung in der Lichtanlage bestimmte Halbleitergleichrichter nach Fig. l hat einen topf förmigen Grundkörper 10 aus Kupfer, der an seiner äusseren Bodenseite 11 einen mit Innengewinde 12 versehenen Ansatz 13 trägt. Das Gewinde ist zur Aufnahme einer nicht gezeichneten Klemmschraube zum Anschliessen eines ebenfalls nicht dargestellten Zuleitungskabels bestimmt. An der inneren Boden - fläche des Grundkörpers ist mit einer Zinnschicht14 eine Scheibe 15 aus n-Germanium durch Lötung befestigt. Auf dieser sitzt ein als Zuleitungselektrode dienender Kupferbolzen 16, der mit seiner einen Stirnseite durch eine Zwischenlage 18 aus Indium, das gleichzeitig'als Legierungsmetall dient, auf der Germaniumscheibe festgelötet ist.
Auf seiner andern Stirnseite trägt er ein mit einer Lötschicht 19 befestigtes Ansatzstück 20 aus Wismut-Tellurit, das zusammen mit dem Kupferbolzen ein Peltier-Element bildet.
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Wenn in der in Fig. l angegebenen Pfeilrichtung Strom durch das Anschlussstück 20 und den Kupfer- bolzen 16 zum Grundkörper 10 fliesst, wird dem Germaniumplättchen 15 Wärme entzogen, die am An- satzstück 20 durch aufgepresste Kuhlscheiben 21 abgeführt werden kann. Es ist deshalb möglich, den
Gleichrichter zusammen mit nicht dargestellten weiteren Schaltelementen in ein in Fig. 1 mit unterbro- chenen Linien angedeutetes Gehäuse 23 einzubauen und die entstehende Wärme nach aussen abzuleiten.
Um den Anschluss von weiteren Schaltelementen, beispielsweise der weiter unten beschriebenen Regel- einrichtung nach Fig. 2 zu erleichtern, ist der Kupferbolzen 16 mit einer angepressten Abplattung 24 ver- sehen, die eine geeignete Sitzfläche für die erforderlichen, in der Zeichnung jedoch nicht dargestellten
Anschlussmittel ergibt. Der abgeplattete Abschnitt wird in diesem Falle zweckmässigerweise mit einer quer zur Bolzenachse verlaufenden Gewindebohrung 25 versehen. Dann kann man den Leitungswiderstand des Ansatzstückes als elektrisches Schaltelement ausnUtzen. Da man es ohne weiteres in der Hand hat, den elektrischen Leitungswiderstand des Ansatzstückes 20 durch geeignet gewählte Längen- und Dicken- abmessungen zu beeinflussen, kann man die dargestellte Anordnung ihrem jeweiligen Verwendungszweck anpassen.
Eine besonders zweckmässige Verwendung der beschriebenen Anordnung ergibt sich bei einer elek- trischen Regeleinrichtung für eine Kraftfahrzeuglichtmaschine, deren Schaltbild in Fig. 2 dargestellt ist.
Die mit F bezeichnete Feldwicklung der Gleichstromlichtmaschine, die von einem zur Fortbewe- gung eines Kraftfahrzeuges bestimmten, in der Zeichnung nicht dargestellten Antriebsmotor in Umdre- hung versetzt werden kann, liegt im Nebenschluss zum Lichtmaschinenanker G. Sie ist mit einem ihrer
Wicklungsenden an die negative Bürste a der Lichtmaschine angeschlossen, während ihr anderes Ende mit der Kollektorelektrode C eines Flächentransistors 30 verbunden ist, der zusammen mit einem zweiten Transistor 40 die Regeleinrichtung bildet. Die Emitterelektrode El des Transistors 30 liegt an der positiven Bürste der Lichtmaschine. Der zur Erregung der Lichtmaschine erforderliche, die Feldwicklung F durchfliessende Erregerstrom geht daher über den Transistor 30.
Die Grösse dieses Stromes und damit die Höhe der im Anker G induzierten und an den Bürsten a und b abgenommenen Spannung hängt ab von der
Grösse des über die Basiselektrode B des Transistors 30 fliessenden Basisstroms Ib, der über einen Widerstand 31 von etwa 100 Ohm zur Masse bzw. zur negativen Bürste a geführt wird.
Der zur Steuerung des Transistors 30 dienende zweite Transistor 40 ist so geschaltet, dass er eine se1bsterregte elektrische Schwingung erzeugt. Zu diesem Zweck ist in seinem Ausgangskreis ein Transformator vorgesehen, dessen Eisenkern 41 drei im gleichen Wickelsinne ausgeführte Wicklungen 42, 43, 44 trägt. Die mittlere Wicklung 43 hat etwa 90 Windungen bei 20 mHy und liegt mit ihrem einen Ende an der mit der negativen Bürste a verbundenen Masseleitung ; ihr anderes Ende ist mit der Kollektorelektrode C des Transistors 40 verbunden. In die Verbindung von der Plus-Bürste b der Lichtmaschine zur Emitterelektrode E dieses Transistors sind zwei in Reihe liegende Gleichrichter 45 und 46 eingeschaltet.
Diese bilden zusammen mit einem Widerstand 47 den nichtlinearen Zweig einer Brücke, die die Vergleichsspannung für den Rege1einsatz liefert. Der andere Zweig dieser Brücke wird von einem einstellbaren Widerstand 48 von etwa 10 Ohm und einem Widerstand 49 von etwa 80 Ohm gebildet. In der Diagonale der Brücke liegt die Steuerstrecke des Transistors 40, der mit seiner Basis B, an den Verbindungspunkt der Widerstände 48 und 49 und mit seinem Emitter E2 an den Widerstand 47 sowie an den Gleichrichter 46 angeschlossen ist.
Von der an Masse liegenden niederohmigen Wicklung 44 des Transformators zweigt ein Gleichrichter 51 ab, der zusammen mit einem an die Wicklung 42 des Transformators 41 angeschlossenen zweiten Gleichrichter 52 an der Basiselektrode B, des Transistors 30 liegt.
In die Verbindungsleitung 55 von der Plusbürste b der Lichtmaschine zu der mit 57 bezeichneten Batterie ist ein Germaniumflächengleichrichter 60 der in Fig. 1 dargestellten Art so eingeschaltet, dass sein in Fig. 1 mit 20 bezeichnetes Ansatzstück als Lastwiderstand R nach Fig. 2 wirkt. Das Ansatzstück ist derart bemessen, dass es einen Widerstand von 10 Milli-Ohm für den Verbraucherstrom Iv bildet, der von der Lichtmaschine zur Batterie 57 und zu den an diese anschliessbaren, mit 58 angedeuteten Verbrauchern der Lichtanlage fliesst.
Der Gleichrichter 60, der für den vollen Laststrom der Lichtmaschine bemessen sein muss, verhindert an Stelle eines sonst üblichen mechanischer Rückstromschalters, dass die Batterie sich über die Lichtmaschine entlädt, wenn diese bei Stillstand ihres Antriebsmotors oder wegen zu niedriger Drehzahl der antreibenden Brennkraftmaschine sich nicht auf die Batteriespannung erregen kann.
Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung lässt sich leicht übersehen, wenn man davon ausgeht, dass die an den Bürsten a und b abgenommene Spannung U der Lichtmaschine im Ansteigen begriffen und der
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Widerstand 48 so eingestellt sei, dass bei Erreichen der Sollspannung die am Widerstand 48 abfallende Teilspannung die Basis B2 auf gleiches Potential wie die negativ vorgespannte Emitterelektrode Endes Transistors 40 bringt. Dadurch wird der Transistor 40 leitend und es setzt ein den Wicklungsteil 43 durch-
EMI3.1
J2induziert.
Diese in der Wicklung 44 erzeugte Spannung U ist so gerichtet, dass sie die Basis B des Transistors
40 gegenüber der Emitterelektrode E noch stärker negativ macht und daher einen stark anwachsenden
Basisstrom (dessen Maximalwert durch die Grösse der induzierten Spannung U2 und die Grösse der Wider- stände 48 und 49 gegeben ist) und demzufolge auch einen stark anwachsenden Kollektorstrom Jz erzeugt.
Die vom Kollektorstrom J2 während seines Anstieges induzierte Spannung U ändert sich nur wenig. Der
Kollektorstrom erreicht jedoch bald seinen Maximalwert, der durch den Maximalwert des Basisstromes und die Baudaten des Transistors festgelegt ist. Wenn sich dieser Maximalwert eingestellt hat, ver- schwindet die in den Wicklungen induzierte Spannung U und das Potential der Basiselektrode B springt auf einen höheren Wert zurück, so dass der Basisstrom Jb nicht mehr in der bisherigen Höhe aufrechterhalten werden kann. Dadurch wird auch der Kollektorstrom J2 gedrosselt. Die Induktivität der Wicklung
43 wirkt jedoch dieser Änderung des Kollektorstromes entgegen und erzeugt in der Wicklung 44 einen
Spannungsimpuls, der in der Zeichnung mit einem in unterbrochenen Linien ausgeführten Spannungs- pfeil U'2 angedeutet ist.
Durch diesen Spannungsimpuls wird der Transistor 40 vollends in den nichtlei- tenden Zustand gesteuert, in dem er so lange gehalten wird, bis der Spannungsimpuls U'2 abgeklungen ist. Dann kann das beschriebene Spiel von neuem beginnen, sobald die Lichtmaschinenspannung U wieder ihren Sollwert erreicht.
Da die in der Wicklung 44 infolge der Änderungen des Kollektorstromes J2 erzeugten Spannungen U2 und U'au das Potential der Basis B und damit auf den Eingangskreis des Transistors 40 im Sinne einer
Verstärkung dieser Änderungen wirken, entsteht eine selbsterregte elektrische Kippschwingung, bei welcher der Transistor 40 zwischen einem Betriebszustand mit hohem und emem Betriebszustand mit niedri- gem Kollektorstrom Jz nach Art eines monostabilen Sperrschwingers hin- und zurückkippt, so oft die an- steigende Lichtmaschinenspannung bis zu dem am Widerstand 48 eingestellten Sollwert abgestiegen ist.
Die Spannungsimpulse U und U'werden über die Gleichrichter 51 und 52 auf einen Ladekondensa- tor 35 gegeben, dessen Grösse der Zeitkonstante der Lichtmaschine angepasst ist. Er hat einen Wert von etwa 50 uF und ist parallel zu dem Basiswiderstand 31 an die Basis B1 des ersten Transistors 30-ange- schlossen. Jeder der Spannungsstösse bewirkt, dass das Potential der Basis B1 kurzzeitig angehoben wird und den Erregerstrom Je stark drosselt, wodurch die Lichtmaschinenspannung abgesenkt wird. Das Absin- ken der Lichtmaschinenspannung unter den Sollwert hat zur Folge, dass der Transistor 40 so lange gesperrt bleibt und daher keine die Lichtmaschinenspannung absenkenden Impulse auf den Transistor 30 zu geben vermag, bis die Lichtmaschine sich wieder selbst auf ihre Sollspannung erregt hat.
Durch den Widerstand R des Ansatzstückes 20 wird erreicht, dass die Regeleinrichtung eine bei wach- sender Belastung absinkende Sollspannung einhält. Je nach der Grösse des der Lichtmaschine entnomme- nen Belastungsstromes Jv fällt nämlich am Widerstand R eine Spannung ab, die sich zu der am Wider- stand 48 entstehenden Spannung addiert. Der Transistor 40 wird daher bereits stromleitend, ehe die Licht- maschinenspannung ihren für kleine Verbraucherströme geltenden Sollwert wieder erreicht hat und ver- mag über die. Transformatorwicklungen 43 und 44 bzw. 42 Sperrimpulse zur Herabsetzung der Lichtma- schinenerregung auf den Leistungstransistor 30 zu geben. Dies ergibt eine mit steigender Belastung ab- fallende Regelkennlinie.
Der besondere Vorteil bei der Verwendung der Anordnung nach Fig. l bei der Schaltung nach Fig. 2 besteht darin, dass der Widerstand des zur elektrothermischen Kühlung erforderlichen Ansatzstückes gleichzeitig als Schaltelement dient. Solange der über den Gleichrichter 60 fliessende Verbraucherstrom
Jv klein ist, wird im Gleichrichter nur wenig Wärme erzeugt und die thermoelektrische Kühlwirkung ist nur gering. Die Kühlwirkung steigt jedoch mit wachsendem Verbraucherstrom. Gleichzeitig bewirkt der
Widerstand R des Ansatzstückes 20 die erforderliche Spannungsabsenkung.
Es ist selbstverständlich möglich, die lediglich beispielsweise an Hand der Anordnung nach Fig. l be- schriebene Massnahme, ein bolzenförmiges Anschlussstück durch Anlöten eines Ansatzstückes mit hoher
Thermokraft zu einem Peltier-Element zu ergänzen, auch bei Flächentransistoren mit bolzenförmigen
Anschlusselektroden zu verwenden, um dadurch eine zusätzliche Kühlung des Halbleiterkörpen. zu erzie- len.
Dabei ist ein Metallrohr als Basis verwendet, während zwei zum Metallrohr gleichachsig angeord- nete Kupferbolzen, von denen der eine als Emitter-, der andere als Kollektorelektrode dient, mit ihren
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einander zugekehrten Stirnseiten an einem an seinem Umfang in der Bohrung des Rohres verlöteten Germaniumplättchen mittels Indium, das gleichzeitig als Legierungs- und Lötmetall dient, befestigt sind.
Man kann in diesem Falle auf jedem der beiden freien Bolzenenden ein Ansatzstück befestigen, bei jedoch der Werkstoff für den einen Bolzen eine hohe positive Thermospannung, derjenige für den an- dem. Bolzen eine hohe negative Thermospannung haben soll, damit der in Durchlassrichtung fliessende Arbeitsstrom des Transistors die Wärme nach beiden Seiten hin vom Halbleiterplättchen weg in Richtung auf die Bolzenden hin abführen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Lichtanlage für Kraftfahrzeuge, die einen während seines Betriebes durch einen Schnellregler auf wenigstens annähernd gleichbleibender Spannung gehaltenen Stromerzeuger und einen in eine Zuleitung vom Stromerzeuger zu einer Batterie eingeschalteten Gleichrichter enthält, der bei stillstehendem Stromerzeuger eine Entladung der Batterie über den Stromerzeuger verhindert, dadurch gekennzeichnet, dass der, wenigstens einen p-n-Übergang aufweisende Halbleiterkörper des Gleichrichters an einen im Querschnitt dicken metallischen Anschlussbolzen angelötet ist, der zur Ableitung der beim Betrieb des Gleichrichters entstehenden Wärme an seinem der Sperrzone abgewendeten freien Ende ein vom Durchlass-Strom des Halbleiterkörpers durchflossenes Ansatzstück trägt,
das zusammen mit dem Anschlussbolzen ein Peltier-Element bildet.