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Regeleinrichtung für Lichtmaschinen von Fahrzeugen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Regeleinrichtung für Lichtmaschinen von Fahrzeugen, die ein in den
Erregerstromkreis der Lichtmaschine eingeschaltetes, steuerbares Halbleitergerät
mit einem Emitter, einem Kollektor und einer Basiselektrode enthält.
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Um sicherzustellen, daß bei Lichtmaschinen mit einer im Nebenschluß
angeordneten Feldwicklung eine ausreichend rasche Selbsterregung eintritt, wenn
die Lichtmaschine aus dem Stillstand heraus angetrieben wird, muß dafür gesorgt
werden, daß das mit der Feldwicklung in Reihe liegende Halbleitergerät sich in seinem
stromleitenden Zustand bereits dann befindet, wenn die an den Lichtmaschinenausgangsklemmen
auftretende Spannung erst kleine Werte angenommen hat. Der von der Regeleinrichtung
eingestellte Mittelwert des über die Feldwicklung fließenden Erregerstroms soll
bei jedem Betriebszustand der Lichtmaschine derart festgelegt werden, daß bei einer
ausreichend hohen Mindestdrehzahl der Lichtmaschine die von der Lichtmaschine an
ihre Verbraucher abgegebene Spannung praktisch unabhängig von der Größe des der
Lichtmaschine entnommenen Laststroms auf einem gleichbleibenden Wert gehalten wird.
Um dies zu erreichen, müssen Schaltelemente vorgesehen werden, die einen in Abhängigkeit
von der wirksamen Betriebsspannung stark veränderten Durchlaßwiderstand haben und
auf die Ernitter-Kollektor-Strecke des Halbleitergeräts derart einwirken, daß der
über die Emitter-Kollektor-Strecke gehende Erregerstrom stark herabgesetzt wird,
sobald die Lichtmaschinenspannung einen vorgegebenen Sollwert zu überschreiten droht.
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Es sind bereits als »Tecnotron« bezeichnete Halbleitergeräte mit einem
stabförmigen Halbleiter und einer an einem der beiden Stabenden sitzenden Anode
sowie einer am anderen Stabende angeordneten Kathode bekanntgeworden, die an ihrem
eine starke Einschnürung aufweisenden Mittelabschnitt eine Metallmanschette tragen,
an die in Reihe mit einer Gleichstromquelle ein zu verstärkendes Wechselspannungssignal
angeschlossen werden kann. Bei derartigen Geräten ändert sich der zwischen Anode
und Kathode fließende Strom proportional mit der Größe der angelegten Steuerspannung.
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Weiter sind Regeleinrichtungen für Fahrzeuglichtmaschinen mit im Nebenschluß
liegender Feldwicklung bekanntgeworden, bei denen der Erregerstrom über einen mit
seiner Emitter-Kollektor-Strecke zur Feldwicklung in Reihe liegenden Leistungstransistor
geführt ist, der von einem über eine nicht lineare Brücke oder eine Zenerdiode an
die zu regelnde Ausgangsspannung der Lichtmaschine angeschlossenen Vortransistor
dann gesperrt wird, wenn der Spannungssollwert erreicht bzw. überschritten wird.
Wegen des Vortransistors und der als Sollwertgeber dienenden Brückenschaltung bzw.
Zenerdiode sind diese bekannten Regeleinrichtungen verhältnismäßig aufwendig, zumal
bei plötzlicher Entlastung der vorher stark belasteten Lichtmaschine infolge des
dann vorherrschenden starken Erregerfeldes hohe Überspannungen auftreten können
und daher besondere Schutzmaßnahmen für den Vortransistor und den Sollwertgeber
erforderlich machen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelungseinrichtung
zu schaffen, die nur ein einziges Halbleitergerät enthält, in dem ein nach Art eines
Transistors arbeitendes Verstärkerelement zusammen mit einer spannungsempfindlichen
Halbleiterstrecke zu einer Baueinheit vereinigt ist.
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Diese Aufgabe ist bei einer Regeleinrichtung erfüllt, die gemäß der
Erfindung einen Halbleiter enthält, der außer einem Emitter, einem Kollektor und
einer Basis noch eine mit Feldverdrängung arbeitende, auf die Strombahnen zwischen
Emitter und Basis einwirkende Hilfselektrode hat, die an die zu regelnde Spannung
angeschlossen ist. Zweckmäßigerweise wird diese Hilfselektrode als Hilfskollektor
ausgebildet und zusammen mit dem an die Erregerwicklung angeschlossenen Hauptkollektor
an einer der beiden Breitseiten des plättchenförmig ausgebildeten Halbleiterkörpers
des Halbleitergeräts angeordnet. Der Emitter des Halbleiterkörpers soll dann an
einer dem Hauptkollektor gegenüberliegenden Stelle der anderen Breitseite sitzen,
während die Basis an einer Stelle angeordnet ist, deren Abstand vom Emitteranschlußpunkt
größer ist als der Abstand vom Emitter zum Hauptkollektor bzw. als der Abstand vom
Emitter zum Hilfskollektor. Eine besonders
starke Feldverdrängungswirkung
in Abhängigkeit von der an den Hilfskollektor angelegten Lichtmaschinenspannung
läßt sich dann erzielen, wenn gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung an einer
dem Hilfskollektor gegenüberliegenden Zone der den Emitteranschluß tragenden Halbleiterbreitseite
eine Vertiefung angebracht ist, durch die der Durchgangsquerschnitt vom Emitter
zu der jenseits der Vertiefung liegenden Basis stark vermindert ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an einem in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbespiel, einem Halbleiterregler für eine Kraftfahrzeuglichtmaschine
beschrieben und näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 das Schaltschema des Halbleiterreglers
und Fig. 2 ein Schaubild zur Erklärung der Wirkungsweise des Reglers nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Schaltschema nach Fig. 1.
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Die in Fig. 1 bei 10 angedeutete 24-Volt-Gleichstromlichtmaschine
wird durch eine nicht näher dargestellte Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine angetrieben
und arbeitet mit einer Sammlerbatterie 11 zusammen, deren Pluspol mit der Plusbürste
12 der Lichtmaschine über eine Leitung 13 verbunden ist. Im Zug der Leitung 13 liegt
ein niederohmiger Widerstand 14 von etwa 0,02 Ohm und eine Halbleiterdiode 15, die
bei Stillstand oder ungenügender Erregung der Lichtmaschine eine Entladung der Batterie
über die Lichtmaschine verhindert. Von der Minusbürste 16 der Lichtmaschine zur
Minusklemme der Batterie 11 führt eine Leitung 17. An diese ist die bei 18 angedeutete,
im Nebenschluß arbeitende Feldwicklung der Lichtmaschine 10 angeschlossen. Das andere
Ende der Feldwicklung liegt an einer als Kollektorelektrode wirkenden Legierungszone
20, die durch Einlegieren von p-Leitfähigkeit erzeugenden Werkstoffen in eine aus
n-Germanium hergestellte Halbleiterscheibe 21 erzeugt ist. Die Halbleiterscheibe
ist in Fig. 1 stark vergrößert in ihrem Querschnitt dargestellt und hat eine Stärke
von etwa 0,3 bis 0,4 mm. Gegenüber der Kollektorzone 20, die an der einen
der beiden Breitseiten der Halbleiterscheibe 21 sitzt, ist durch Einlegieren einer
geringen Menge von p-Leitung erzeugendem Halbleitermaterial eine Emitterzone 22
erzeugt worden, die über eine Leitung 23 sowohl mit dem Widerstand 14 als
auch mit der Halbleiterdiode 15 verbunden ist. An der gleichen Breitseite des Halbleiterkörpers
21, an der die als Hauptkollektor wirkende Legierungszone 20 sitzt, befindet sich
eine neben dieser in geringem Abstand angeordnete weitere Legierungszone 25. Diese
hat die Aufgabe, als Hilfskollektor wirksam zu werden und den von der Emitterzone
22 zum Hauptkollektor 20
fließenden und von dort über die Erregerwicklung
18 geführten Erregerstrom in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhe der zwischen den
Leitungen 13 und 17
wirksamen Ausgangsspannung der Lichtmaschine dann stark
herabzusetzen, wenn die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert zu überschreiten droht.
Die beiden einander unmittelbar gegenüberstehenden Legierungszonen 22 und
20 arbeiten mit einer Basiselektrode 26 zusammen, die in der Nähe des Randes
der Halbleiterscheibe 21 einen ohmschen Kontakt bildet. Die Basis ist von der Emitterzone
22 wesentlich weiter entfernt als die Kollektorzone 20 und die Hilfskollektorzone
25. An einer unmittelbar unter der Hilfskollektorzone 25 liegenden Stelle ist in
die Halbleiterscheibe 21 eine Kerbe 28 eingeschliffen, die so tief in den Halbleiterkörper
hineinreicht, daß zwischen dem Kerbengrund 29 und der p-n-Grenzschicht zwischen
der Hilfskollektorzone 25 und dem n-leitenden Grundwerkstoff der Halbleiterscheibe
21 nur ein sehr kleiner Durchgangsquerschnitt für die von der Emitterzone
22 zur Basis 21 führenden, in Fig. 1 mit 30 angedeuteten Strombahnen
verbleibt.
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Die äußere Schaltung des oben beschriebenen Halbleitergeräts wird
durch zwei Spannungsteiler ergänzt. Der erste Spannungsteiler wird von den Widerständen
34 und 35 gebildet. An den Verbindungspunkt der beiden Widerstände ist die Basiselektrode
26 angeschlossen, während der Verbindungspunkt der den zweiten Spannungteiler bildenden
Widerstände 36 und 37 mit der Hilfskollektorzone 25 verbunden ist. Von der Hilfskollektorzone
zur Hauptkollektorzone 20 führt ein Kondensator 38, der dazu bestimmt ist, bei geringfügigen
Änderungen des vom Emitter 22 zum Kollektor 20 fließenden Erregerstroms diese Änderungen
so zu verstärken, daß die Emitter-Kollektor-Strecke aus einem Betriebszustand hoher
Leitfähigkeit sehr rasch in einen Betriebszustand niedriger Leitfähigkeit gesteuert
wird, wenn der Erregerstrom beim Überschreiten der Lichtmaschinensollspannung verringert
wird, während er umgekehrt das Zurückkippen in den ursprünglichen Zustand hoher
Leitfähigkeit unterstützt, wenn die Erregung der Lichtmaschine bei diesem periodisch
abwechselnden Regelungsvorgang so weit abgesunken ist, daß die Lichtmaschinenspannung
ihren Sollwert geringfügig unterschreitet.
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Im einzelnen arbeitet die beschriebene Regeleinrichtung folgendermaßen:
Wenn die Lichtmaschine 10 aus dem Stillstand heraus angetrieben wird, entsteht
infolge des in ihren Eisenteilen verbliebenen magnetischen Restfeldes eine Spannung
zwischen den Leitungen 13 und 17, die rasch anwächst, da in diesem Falle die Emitter-Kollektor-Strecke
des Halbleitergeräts stromleitend ist und der über diese Strecke gehende Erregerstrom
ff eine zunehmende Erregung der Lichtmaschine und daher eine zunehmende Steigerung
ihrer Ausgangsspannung bewirkt. Um die Emitter-Kollektor-Strecke stromleitend zu
halten, muß von der Emitterzone 22 über die bei 30 angedeuteten Strombahnen ein
Basisstrom JA fließen, da die Emitter-Basis-Strecke und die Emitter-Hauptkollektor-Strecke
wie bei einer bekannten Transistoranordnung arbeiten. Der Basisstrom Jw muß dabei
den durch die Kerbe 28 verringerten Durchgangsquerschnitt unter dem Hilfskollektor
25 passieren. Die vom Emitter zum Hauptkollektor führende Strecke muß so lange stromleitend
bleiben und den vollen Wert des Erregerstromes lf führen, bis die Lichtmaschinenspannung
ihren Sollwert von 28 Volt erreicht. Hierbei liegt praktisch die volle Lichtmaschinenspannung
an der Erregerwicklung 18, da zwischen Emitter und Hauptkollektor ein Spannungsabfall
von nur etwa 1 Volt entsteht, solange diese Strecke sich in ihrem voll stromleitenden
Zustand befindet. Sobald jedoch der Sollwert erreicht wird, setzt die im folgenden
beschriebene Spannungsregelung, die durch den Hilfskollektor 25 bewirkt wird, ein.
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So lange das am Hilfskollektor 25 wirksame, durch das Verhältnis der
Widerstände 36 und 37 zu der jeweiligen Höhe der Lichtmaschinenspannung in einer
festen Beziehung stehende Potential V, des Hilfskollektors 25 nur geringe Werte
annimmt, bildet
sich um die Legierungszone herum eine nur sehr dünne,
bei 40 angedeutete Raumladungszone. Je höher jedoch die Spannung am Hilfskollektor
wird, um so mehr breitet sich die Raumladungszone 40 gegen die Kerbe 29 hin aus.
Dadurch wird der für die Strombahnen 30 zur Verfügung stehende Durchgangsquerschnitt
immer mehr verkleinert, so daß der wirksame Widerstand RA für die vom Emitter zur
Basis gehenden Strombahnen sehr rasch anwächst, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist.
Wenn die am Hilfskollektor 25 liegende Spannung V, den Wert V, überschreitet, nimmt
der Widerstand RA so rasch zu, daß bei einer geringfügigen Steigerung der Lichtmaschinenspannung
der Emitter-Basis-Strom JA sehr stark zurückgeht und demzufolge auch der
vom Emitter zum Hauptkollektor fließende Erregerstrom Jf erheblich verkleinert wird.
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Sobald jedoch das Potential des Hauptkollektors 20 bei Verringerung
des Erregerstromes Jf von dem beim Einsatz der Stromregelung wirksamen Wert von
27 Volt abzusinken beginnt, wird gleichzeitig die zwischen dem Hilfskollektor 25
und dem Emitter 22 wirksame Spannung V, vergrößert, da der vorher auf den Potentialunterschied
zwischen dem Hilfskollektor und dem Hauptkollektor 20 aufgeladene Kondensator 38
wenigstens für kurze Zeit seine Ladung beibehält. Diese gleicht sich über den Gleichstromwiderstand
der Erregerwicklung 18 und den Widerstand 36 aus und erzeugt einen Ausgleichs-oder
Verschiebungsstrom JU, der die in Fig. 3 angedeutete Richtung hat und dem über den
Widerstand 36 fließenden Querstrom J, entgegengesetzt gerichtet ist. Die hierdurch
entstehende Erhöhung der zwischen dem Emitter un dem Hilfskollektor wirksamen Spannung
V, hat zur Folge, daß der Emitter-Basis-Widerstand R,,1, weiter ansteigt und der
vom Emitter zum Hauptkollektor fließende, dem Basisstrom leb proportionale Erregerstrom
Jf nach dem in Fig. 2 angegebenen Schaubild weiter abfällt. Auf diese Weise kommt
eine starke Rückkopplungswirkung zustande, durch die der Erregerstrom für kurze
Zeit auf sehr niedrige Werte verringert wird. Mit dem Erregerstrom sinkt jedoch
auch die Spannung der Lichtmaschine ab und mit dieser die zwischen dem Emitter 22
und dem Hilfskollektor 25 wirksame, durch die Spannungsteilerwiderstände 36 und
37 festgelegte Spannung V, die Raumladungszone 40 wird schmaler und läßt daher einen
steigenden Basisstrom J@,b durch den größer gewordenen Durchgangsquerschnitt zur
Basiselektrode 26 fließen. Der dann ebenfalls steigende Erregerstrom Jf erzeugt
an der Erregerwicklung 18 einen größer werdenden Spannungsabfall und das Potential
des Hauptkollektors wird im Gegensatz zu dem vorher beschriebenen Sperrvorgang jetzt
stärker positiv. Da der Kondensator 38 sich auf den in Fig. 3 angedeuteten Ausgangszustand
wieder aufladen muß, entsteht ein Ausgleichsstrom, der zu dem in Fig. 3 bei
Ja angedeuteten Strom entgegengesetzt gerichtet ist und den Spannungsabfall
am Widerstand 36 vergrößert, die wirksame Spannung am Hilfskollektor 25 demgemäß
verkleinert. So lange dieser Ausgleichsstrom fließt, bleibt die Raumladungszone
40 am Hilfskollektor klein und gestattet es, daß der Erregerstrom Jf auf seinen
vollen Wert anwächst und dabei die Lichtmaschinenspannung wieder anhebt. Sobald
diese ihren Sollwert wieder erreicht, kann das beschriebene Reglerspiel von neuem
beginnen. Außer diesem Spannungsregelungsvorgang wird noch ein Stromregelungsvorgang
wirksam, wenn der Laststrom JL, der von der Lichtmaschine über die Leitung 13 zur
Batterie 11 bzw. zu nicht dargestellten, an die Batterie angeschlossenen Verbrauchern
fließen kann, einen durch die Baugröße der Lichtmaschine festgelegten Höchstwert
zu überschreiten droht. Zur Stromregelung dient eine zweite Basiselektrode 42, die
in der Nähe der Emitterzone 22 am Rand der Halbleiterscheibe 21 sperrschichtfrei
festgelötet ist. Eine Verbindungsleitung 43 führt von dort zur Plusleitung 13. Der
am Widerstand 14 entstehende, durch den Laststrom JL der Lichtmaschine erzeugte
Spannungsabfall UL ist daher in bezug auf die nach Art einer Zenerdiode wirkende
Diodenstrecke zwischen der Basis 42 und dem Emitter 22 so gepolt, daß diese Strecke
in Sperrichtung beansprucht und erst dann entgegengesetzt zu ihrer Durchlaßrichtung
stromleitend wird, wenn der Spannungsabfall UL den
Durchbruchswert dieser
Strecke überschreitet. Der dann von der Basis 42 zum Emitter 22 einsetzende Strom
wirkt dem zur Basis 26 in Abhängigkeit von der Lichtmaschinenspannung fließenden
Strom J,,, entgegen und hat eine starke Erniedrigung des Feldstromes ff zur Folge.