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Impulsgesteuertes Drehzahlrelais Die Erfindung bezieht sich auf ein
impulsgesteuertes Drebzahlrelais, insbesondere zur Verwendung als Anlaßsperrelais
für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Unterbrecherschalter vorgesehen ist, der mit einer
der Drehzahl entsprechenden Folgefrequenz den aus einer Stromquelle über einen Vorwiderstand
entnommenen Strom unterbricht, wobei die beim Schließen und Öffnen entstehenden
Spannungssprünge zur Erzielung einer mit der Drehzahl ansteigenden Ladespannung
an einem Kondensator ausgenutzt werden, der bei jeder Öffnung bzw. Schließung des
Schalters über einen Gleichrichter einen Ladestromimpuls erhält.
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Bei bekannten, in Abhängigkeit von der Drehzahl einer Brennkraftmaschine
aus ihrem einen in den entgegengesetzten Schaltzustand gelangenden Relaisanordnungen
ist mit der Primärwicklung der Zündspule einer Hochspannungszündanlage ein Gleichrichter
und ein Kondensator in Reihe geschaltet und parallel zum Kondensator die Spule des
Relais angeordnet, wobei der Zündunterbrecher in geschlossenem Zustand den Gleichrichter
und den Kondensator kurzschließt, während seiner öffnungsperiode jedoch die Ladung
des Kondensators über die Primärwicklung sicherstellt. Bei diesen Anordnungen muß
der Kondensator eine große Kapazität haben, damit das Relais ruhig arbeitet. Die
am Kondensator entstehende mittlere Gleichspannung steigt jedoch mit der Drehzahl
nur geringfügig an und gibt daher nur eine ungenügende Schaltgenauigkeit. Außerdem
wird die Zündanlage um so stärker beeinflußt, je
weiter die Drehzahl ansteigt,
weil dann die am Kondensator entstehende Ladespannung der Batteriespannung entgegenwirkt.
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Eine wesentliche Erhöhung der Schaltgenauigkeit läßt sich bei einer
nicht auf die Zündanlage einwirkenden Anordnung erzielen, bei der gemäß der Erfindung
in Reihe mit dem Schalter und dem Vorwiderstand die Primärwicklung eines übertragers
liegt, dessen Sekundärwicklung mit einem Gleichrichter in Reihe geschaltet und einerseits
an die Basis, andererseits an den Kollektor eines Transistors angeschlossen ist,
der mit seinem Emitter an einer der beiden Klernmen einer Gleichstromquelle liegt,
während der Kollektor des Transistors außerdem mit einem Wicklungsende der Erregerspule
des Relais und einem zur Basis des Transistors führenden Kondensator verbunden ist,
und ferner von der Basis des Transistors ein Widerstand zur anderen Klemme
der Stromquelle führt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 eine drehzahlabhängige Schalteinrichtung für eine Brennkraftmaschine
mit zwei impulsgesteuerten Relais in schematischer Darstellung, F i g. 2
und 3 Schaubilder für diese Relais, während in F i g. 4 als zweites
Ausführungsbeispiel eine andere Schalteinrichtung mit einem drehzahlabhängigen Relais
dargestellt ist.
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Die Schalteinrichtung nach F i g. 1 ist zur Verwendung auf
einem Kraftfahrzeug bestimmt, das eine bei 10 angedeutete Vierzylinder-Viertaktbrennkraftmaschine
hat. Die Brennkraftmaschine ist mit einem elektrischen Andrehmotor 11 ausgerüstet
und kann mit Hilfe einer in ihrer Auspuffleitung 12 angeordneten Bremsklappe 14
z. B. bei langen Fahrten bergabwärts zur Unterstützung bzw. Entlastung der nicht
dargestellten Bremsanlage des Kraftfahrzeugs herangezogen werden, wenn die Bremsklappe
14 mit Hilfe eines Elektromagneten aus der dargestellten Offenstellung in ihre Schließstellung
verschwenkt wird.
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Die mit unterbrochenen Linien umrahmte Schalteinrichtung 20 ist dazu
bestimmt, die Bremsklappe 14 selbsttätig in ihre Offenstellung zu bringen, sobald
die Drehzahl der Brennkraftmaschine unter einen festgelegten Mindestwert abfällt.
Außerdem soll sie verhindern, daß der Andrehmotor 11 in Betrieb genommen
werden kann, solange sich die nicht dargestellte Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
dreht.
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Zur Steuerung der Schalteinrichtung 20 dienen Stromimpulse, die von
einer mit der Brennkraftmaschine 10 zusammenarbeitenden Hochspannungszündanlage
geliefert werden. Die Hochspannungszündanlage umfaßt eine Zündspule 21 mit einer
Primärwicklung 22, einem Eisenkern 23 und einer Sekundärwicklung 24, ferner
einen Verteiler 25 und einen üblichen Zündunterbrecher, der aus einem mit
der Nockenwelle 26 der Brennkraftmaschine umlaufenden vierhöckrigen Unterbrechernocken
27, einem Unterbrecherhebel 28 und einem Zündkondensator
29 besteht. Jeweils ein Wicklungsende der Primärwicklung
22
und der Sekundärwicklung 24 der Zündspule 21 sind miteinander verbunden und über
die Primärwicklung 35 eines zur Schalteinrichtung 20 gehörenden Transformators
30 an die Plusklemme einer Sammlerbatterie 36 angeschlossen, aus der
sowohl die Zündanlage als auch der Andrehmotor 11
der Brennkraftmaschine mit
Strom versorgt werden kann.
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Die Primärwicklung 35 sitzt auf einem bei 36 angedeuteten
Eisenkern des Transformators 30, dessen Sekundärwicklung 37 an einem
ihrer Wicklungsenden mit der Basis B eines p-n-p-Transistors 40 verbunden ist, der
mit seinem Emitter über eine für die Schalteinrichtung gemeinsame Plusleitung 42
an den Pluspol der Batterie 35 geführt ist. Das andere Wicklungsende der
Sekundärwicklung 37 ist an die Ableitungselektrode eines Halbleitergleichrichters
43 angeschlossen, dessen Zuleitungselektrode mit dem Kollektor C des Transistors
40 in Verbindung steht. Von der Basis des Transistors 40 führt ein Widerstand 45
zu einer an Masse anschließbaren Klemme 46 der Schalteinrichtung 20. An diese ist
außerdem eines der beiden Wicklungsenden eines Relais 47 angeschlossen, das mit
seinem anderen Wicklungsende am Kollektor C des Transistors 40 liegt. Zwischen
der Basis und dem Kollektor des Transistors liegt außerdem ein Ladekondensator 48,
während zwischen dem Kollektor und der Plusleitung 42 die Erregerwicklung 49 eines
zweiten Relais angeordnet ist. Das zweite Relais 49 hat einen beweglichen Schaltarm
50, der in der dargestellten Ruhelage den zum Relais 49 gehörenden Kontakt
51 berührt. Der Schaltarm ist ebenfalls an die Plusleitung 42 angeschlossen
und gelangt in seine Arbeitsstellung, bei der er den Arbeitskontakt 52 berührt,
sobald der Relaiswicklung 49 unter den weiter unten näher beschriebenen Voraussetzungen
ein ausreichend großer Strom zugeführt wird.
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Mit dem Relais 49 soll verhindert werden, daß die Brennkraftmaschine
durch Betätigen des mit dem nicht dargestellten Bremspedal gekuppelten Brernskontaktes
54 und durch die hierbei in die Schließstellung gelangende Bremsklappe 14 so weit
abgedrosselt wird, daß sie beim Auskuppeln stehenbleiben würde. Die Relaiswicklung
49 darf daher den Schaltarm 50 nur dann und so lange in seine Schließstellung
bringen und dabei die Einschaltung des Elektromagneten 55 erlauben, als die
Drehzahl der Brennkraftmaschine mit ausreichendem Sicherheitsabstand über der in
F i g. 2 mit no bezeichneten Leerlaufdrehzahl liegt.
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Demgegenüber ist das bei 47 angedeutete Relais dazu bestimmt, die
über einen von Hand betätigbaren Schalter 60 zum Einschaltschütz
61 des Anlaßmotors führende Versorgungsleitung zu unterbrechen, sobald die
Brennkraftmaschine läuft. Das Relais 47 ist mit einem beweglichen Schaltarm
63 ausgerüstet, der mit einem Ruhekontakt 64 und einem Arbeitskontakt
65 zusammenarbeitet. Mit dem Arbeitskontakt 65 ist eine Anschlußklemme
66 verbunden, zu der die Versorgungsleitung 62 des Anlasserschützes
61 geführt ist.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise wird zunächst davon ausgegangen, daß
der Gleichstromwiderstand der Erregerwicklung 49 des zweiten auf die Motorbremseinrichtung
einwirkenden Relais etwa gleich groß wie der Gleichstromwiderstand der Erregerwicklung
47 des ersten zur Sperrung des Andrehmotors 11 dienenden Relais ist. Solange
die Brennkraftmaschine stillsteht, vermag der Transistor 40 einen starken Strom
J, über die Erregerwicklung 47 zu führen, da seine BasiselektrodeB über denWiderstand
45 mit der an der Minusklemme der Batterie 36 liegenden Masse in Verbindung
steht. Der Schaltarm 63 befindet sich dann in seiner Einzugsstellung, bei
der er den Arbeitskontakt 65 berührt. Der Andrehmotor 11 kann dann
durch Einlegen des Schalters 60 betätigt werden. Dieser treibt dann die Kurbelwelle
mit einer Anwurfdrehzahl n" an und bewirkt, daß die Brennkraftmaschine
10 anspringen kann. Der mit der Nockenwelle 26 gekuppelte, mit halber
Kurbelwellendrehzahl umlaufende Unterbrechernocken 27 bringt bei jeder Nockenwellenumdrehung
den Unterbrecherhebel 28 viennal in seine öffnungsstellung. Bei jeder öffnungsbewegung
des Unterbrecherhebels 28 wird der über die Primärwicklung 22 der Zündspule
21 und die Primärwicklung 35 des Eingangstransformators 30 der Schalteinrichtung
20 fließende Strom unterbrochen und in der Sekundärwicklung 37 ein Spannungsstoß
induziert, durch den der Kondensator 48 um einen jeweils gleichen Betrag aufgeladen
wird. Mit steigender Ladung des Kondensators 48 geht der über die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 40 der Erregerwicklung 47 des Anlaßsperrelais zufließende Strom
J,
zurück. Da mit steigender Drehzahl die jeweils gleich groß bleibenden Ladeimpulse,
die dem Kondensator 48 zugeführt werden, um so schneller aufeinanderfolgen und daher
am Kondensator 48 eine Spannung erzeugen, die mit der Drehzahl linear ansteigt,
fällt mit steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine der arithmetische Mittelwert
J, des Stromes J, in der in F i g. 2 dargestellten Weise linear
ab.
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In F i g. 2 ist mit einer zur Drehzahlachse n parallelen Linie
70 derjenige Stromwert J" angedeutet, bei dem die in der Relaiswicklung 47
erzeugte Erregung nicht mehr ausreicht, um den Schaltarm 63 in seiner Einzugsstellung
zu halten. Dieser Wert wird bei dem in F i g. 1 mit n angedeuteten Drehzahlwert
unterschritten, der noch unterhalb der bei no angedeuteten Leerlaufdrehzahl der
Brennkraftmaschine liegt. Der Einzugswert für die Relaiswicklung 47 ist in F i
g. 2 durch die Linie 72 angedeutet. Diesen Wert erreicht der über
den Transistor 40 fließende Strom J, dann, wenn die Brennkraftmaschine unter
ihre Lerlaufdrehzahl n. auf eine Drehzahl n , abfällt, bei der die Brennkraftmaschine
nicht mehr selbsttätig weiterlaufen kann und deshalb zur Ruhe kommt. Durch die große
Kapazität des Kondensators 48 von etwa 100 J und den Widerstandswert der
in seinem Entladungskreis liegenden Erregerwicklung 47 sowie des Widerstandes 45
wird dabei erreicht, daß die Spannung am Kondensator 48 mit einer zeitlichen Verzögerung
von mehr als einer Sekunde dem Drehzahlabfall der Brennkraftmaschine folgt.
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Das zweite Relais 49 zeigt ein umgekehrtes Verhalten wie das eben
beschriebene Anlaßsperrelais, weil zu seiner Erregerwicklung der Transistor 40 parallel
geschaltet ist. Dieser stellt beim Stillstand der Brennkraftmaschine einen sehr
niedrigen Parallelwiderstand zur Erregerwicklung 49 dar, so daß über diese beim
Stillstand der Brennkraftmaschine praktisch kein Strom fließen kann. Erst wenn durch
rasch aufeinanderfolgende, in der Sekundärwicklung 37 induzierte Ladestromstöße
die Spannung am Kondensator 48 erhöht und der Transistor 40 zunehmend
gesperrt
wird, kann über die Erregerwicklung 49 ein anwachsender Erregerstrom J, nach
Masse fließen, dessen zeitlicher Mittelwert in F i g. 2 durch die unterbrochene
Linie 75 in Abhängigkeit von der Drehzahl angedeutet ist. Der Einschaltwert
JE der Erregerwicklung 49 ist so gewählt, daß der Strom J,
einen solchen
Wert erst bei einer Drehzahl r#., erreicht, die über der Leerlaufdrehzahl no der
Brennkraftmaschine liegt. Wenn die Drehzahl der Brennkraftinaschine dagegen auf
einen in F i g. 2 bei n4 angedeuteten Wert abfällt, der zwar unterhalb der
zugehörigen Einschaltdrehzahl n., jedoch noch mit genügendem Abstand oberhalb der
Leerlaufdrehzahl n. der Brennkraftmaschine liegt, fällt das Relais 49 wieder ab.
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Während es für das Anlaßsperrelais günstig ist, wenn die Aussehaltdrehzahl
ni weit oberhalb der die Wiedereinschaltung bewirkenden Drehzahl n', liegt, ist
es erwünscht, daß das zur Steuerung der Bremsklappe 14 der Brennkraftmaschine verwendete
Relais bei einer möglichst wenig über der Leerlaufdrehzahl n. der Brennkraftmaschine
liegenden Drehzahl den Stromkreis zum Betätigungsmagneten der Bremsklappe schließt,
wenn die Brennkraftmaschine über die Leerlaufdrehzahl hinaus beschleunigt wird.
Außerdem soll das Relais beim Abbremsen des Fahrzeugs ebenfalls bei einer dicht
oberhalb der Leerlaufdrebzahl n. liegenden Drehgeschwindigkeit diesen Stromkreis
wieder unterbrechen. Dies kann durch geschickte Ausnutzung der Welligkeit des über
die Erregerwicklung 49 fließenden Stromes J, bewirkt werden, wenn man das
Relais so einstellt, daß die Differenz zwischen dem Einzugsstromwert und dem Abfallstromwert
des Relais nur geringfügig größer als die Welligkeit des Stromes J" ist.
In F i g. 3 ist mit einem gebrochenen Linienzug 77 der zeitliche Verlauf
des Stromes J2 angedeutet. Dieser pendelt um den mit einer strichpunktierten
Linie 78 angedeuteten zeitlichen Mittelwert herum. Der dargestellte Mittelwert
soll sich bei einer geringfügig oberhalb der Leerlaufdrehzahl no liegenden Drehzahl
n 5 in der oben beschriebenen Weise einstellen. In Fig. 3 ist weiterhin
mit einer Linie 79 der bereits definierte Einzugsstromwert JE der
Relaiswicklung 49 und der bei niedrigeren Werten liegende Abfallstromwert
JA
mit der Linie 80 angedeutet. Zwischen diesen beiden Werten pendelt
der Magnetisierungsstrom J2 der Relaiswicklung 49 hin und her, ohne bei der genannten
Drehzahl n 5 den Einzugswert JE zu erreichen und den Abfallwert
JA zu unterschreiten. Sobald jedoch die Brennkraftmaschine über n. hinaus
beschleunigt wird, verschiebt sich die Stromkurve 77 nach oben und schneidet
dabei die Linie 79. In diesem Fall wird der Schaltarin 50 in seine
Einzugsstellung gelangen. Er wird jedoch bereits dann wieder in die Abfallstellung
zurückgeführt werden, wenn die bei 77 angedeutete Stromkennlinie bei geringfügigem
Absinken der Drehzahl nach unten hin verschoben wird und dabei während der durch
schraffierte Flächen angedeuteten Zeiten den Abfallwert JA der Relaiswicklung
49 unterschreitet. Hierdurch wird erreicht, daß trotz einer verhältnismäßig großen
Differenz zwischen dem Einzugswert JF und dem Abfallwert JA
bereits
bei sehr kleinen Unter- oder Überschreitungen der Drehzahl n 5 das Relais
in die eine oder die andere Schaltstellung gebracht wird und dort verbleibt. Das
Relais schaltet in diesem Fall praktisch bei der gleichen Drehzahl n.' und zwar
unabhängig davon, ob diese Drehzahl beim Beschleunigen oder beim Abbremsen erreicht
wird. Es ist deshalb möglich, für die Drehzahl n. einen dicht oberhalb der Leerlaufdrehzahl
n. liegenden Wert zu wählen.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 werden die zur Steuerung
der Schalteinrichtung dienenden Impulsströme durch einen nicht dargestellten Nocken
und einen mit diesem zusammenarbeitenden Unterbrecherhebel 81 erzeugt, der
über einen Vorwiderstand 82 und die Primärwicklung 83 eines Transformators
84 zwischen der Plus- und der Minusklemme einer Batterie 85 angeordnet ist.
Auf der Sekundärseite des Transformators 84 sind zwei Wicklungen 86 und
87 vorgesehen, die über je einen von zwei Gleichrichtern
88 und 89 in jedem Schließungs- und öffnungsaugenblick des Unterbrechers
81 Ladestromstöße in den Kondensator 91 liefern. Dieser hat die gleiche
Wirkung wie der in F i g. 1 mit 48 bezeichnete Kondensator und liegt zwischen
der Basis B und dem Kollektor C eines Transistors 92,
der abweichend
von der in F i g. 1 dargestellten Anordnung mit seinem Emitter
E an die Basis eines zweiten p-n-p-Transistors 93 angeschlossen ist.
Die beiden Transistoren liegen mit ihren Kollektoren an dem Verbindungspunkt zwischen
der Erregerwicklung 90 eines Relais und einem Widerstand 95, die miteinander
in Reihe geschaltet zwischen der Plusklemme der Batterie 85 und der mit Masse
verbundenen Minusklemme 97 angeordnet sind. Wie beim Ausführungsbeispiel
nach F i g. 1 ist die Basis B des Transistors 92 über einen Widerstand
96 an Masse angeschlossen.
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Durch die Verwendung der beiden Sekundärwicklungen 86 und
87 erhält man bei der in F i g. 4 dargestellten Schalteinrichtung
eine höhere Schaltgenauigkeit, die infolge der beiden in Kaskade geschalteten Transistoren
92 und 93 und der dadurch entstehenden hohen Stromverstärkung noch
weiter gesteigert wird.
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Die in F i g. 4 dargestellte Schalteinrichtung eignet sich
besonders gut zur Sperrung des Anlasserstromkreises in solchen Fällen, bei denen
der Anlasserstrom so groß ist, daß die Spannung der Batterie stark abfällt, wenn
der Anlasser betätigt wird. Im Gegensatz zu der in F i g. 1 dargestellten
Anordnung, bei der das Relais 47 mit seinem Arbeitskontaktpaar 63, 65 in
den Anlasserstromkreis eingeschaltet ist und mit seiner Erregerwicklung in Reihe
mit der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 40 liegt, besteht bei der Anordnung
nach F i g. 4 nicht die Gefahr, daß beim Einlegen des Druckknopfes
60 die infolge des hohen Anlasserstromes absinkende Batteriespannung das
Relais zum Abfall bringt, so daß der Anlasserstromkreis unterbrochen wird und bei
wiederkehrender Spannung erneut eingeschaltet wird. Diese Möglichkeit läßt sich
dadurch verhindern, daß das Relais 90 mit seinem Ruhekontaktpaar in den Steuerstromkreis
des Anlasserschützes eingeschaltet und parallel zu dem bzw. den durch die Impulse
gesteuerten Transistoren angeschlossen wird.