DE2348894A1 - Spannungsregelanordnung - Google Patents

Description

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81-21.474P 28. 9. 1973

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Spannung sregelanordnung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannungeregelanordnung, insbesondere für die Ausgangsspannung eines Wechselstrom-Magnetinduktors , der sich mit verschiedenen Drehzahlen dreht.

Ein Magnetinduktor mit einem Dauermagneten als Rotor wird gewöhnlich in einem Kraftfahrzeug verwendet, das mit einer Maschine einer kleinen Kapazität ausgerüstet ist.

Ein Schwungradmagnet ist ein kleineres Beispiel eines derartigen

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Magnetinduktors und ist weit bei Krafträdern kleiner Leistung verbreitet. Der Schwungradmagnet besteht im wesentlichen aus einem Zündsystem und einem Generatorsystem. Bei einem Schwungradmagneten ändert sich die in der Spule des Generatorsystems induzierte Spannung mit einer Veränderung der Drehzahl, so daß die Spannungen zur Speisung der Lampen und zur Aufladung der Batterie bei einer niedrigen Drehzahl niedrig und bei einer hohen Drehzahl hoch sind. Dies ist einer der Nachteile des herkömmlichen Magnetinduktors. Jedoch kann dieser Nachteil ausgeschlossen werden, wenn dafür gesorgt wird, daß die Batterie Strom für alle Lampen speist, und wenn dann die Spannung der Batterie gesteuert wird. Wenn in einem derartigen Fall aber die Ausgangsspannung des Generators oder Induktors klein ist, dann wird der Entladungsstrom von der Batterie zu den Lampen sehr groß und bewirkt, daß sich die Batterie schnell entlädt. Um diese schnelle Entladung der Batterie zu verhindern, wird deshalb ein Kunstgriff angewendet, bei dem die an der Front- und Heckseite vorgesehenen Lampen, die gewöhnlich nur bei Dunkelheit leuchten, direkt mit der Ankerspule des Generators verbunden sind, während die Brems- und Richtungsanzeige- oder Blinkleuchten, die bei Nacht und bei Tag benutzt werden, durch die Batterie gespeist werden. Bei dieser Schaltungsanordnung werden vorzugsweise getrennt eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Spannungen der Lampen, die bei Dunkelheit leuchten, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Batteriespannung, vorgesehen, aber die Anordnung der getrennten Steuereinrichtungen ist technisch schwierig und in den Kosten aufwendig.

Weiterhin hat die herkömmliche Anordnung zur Steuerung der Aus-4098U/0520

gangsspannung eines Magnetinduktors den Nachteil, daß bei genau gesteuerten Lampenspannungen die Batteriespannung nicht genau gesteuert werden kann, obwohl diese Anordnung im Vergleich zu einem Fall ohne Lampenspannungssteuerung wesentlich verbessert ist. Dieser Nachteil führt zu einer Schwierigkeit, die in einer Überladung der Batterie liegt, da die Spannung der Batterie während des Betriebs bei Tag hoch eingestellt ist.

Darüber hinaus hat die herkömmliche Regelanordnung den Nachteil, daß bei einer genau gesteuerten Batteriespannung die Lampenspannungen bei niedriger Drehzahl niedrig eingestellt sind, d.h. die Lampen sind während eines Betriebs mit niedriger Drehzahl lichtschwach.

Deshalb werden einige herkömmliche Magnetinduktoren nit Ausgangsleistungen unter ihren Nennleistungen verwendet, um den Unterschied in der Ausgangsleistung zwischen den niedrigen und hohen Drehzahlen zu verringern, während andere Magnetinduktoren rnii einer HilfS-ausgangsspule in jedem Magnetinduktor verwendet werden, wobei diese Hilfsspule dazu dient, die erzeugte Leistung nur dann zu speisen, wenn die Lampen leuchten sollen, und wobei die Hilfsspule von der Lastschaltung getrennt ist, wenn die Lampen nicht verwendet werden. Dennoch, sind derartige Generatoren nicht frei von dem Nachteil, daß die Leistungsfähigkeit bei der Stromerzeugung gering ist, daß die Abmessungen groß sind, und daß die Regelung oder die Fluktuation der Ausgangsleistung nicht zufriedenstellend ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannungs-Regel-4098U/0520

anordnung anzugeben, die leicht herstellbar ist und eine ausgezeichnete Kennlinie aufweist; die Regelanordnung soll nicht nur die in eine elektrische Wechselstromlast eingespeiste Spannung konstant halten, wenn die Last in der Lastschaltung liegt, sondern auch eine ausgezeichnete Ladekennlinie aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Batterie über einen Gleichrichter mit der Ausgangsspule des Generators verbunden ist, während eine Lampe als Last über einen Schalter mit der gleichen Spule verbunden ist, daß ein Thyristor zwischen den Anschlüssen der Ausgangsspule liegt, so daß die Spannung an der Ausgangsspule, d. h. die Ausgangsleistung, entsprechend der Leitung und dem Abschalten des Thyristors gesteuert ist, und daß die Steuerschaltung zur Steuerung des Thyristors zwei Spannungsfühler zur Steuerung des Thyristors durch die Batteriespannung, wenn der der Lampe zugeordnete Schalter geöffnet ist, und durch die Spannung ander Lampe, wenn der Schalter geschlossen ist, aufweist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung einer Spannung Siegelanordnung für einen Magnetinduktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 von oben nach unten Signalformen der Spannungen am Thyristor in der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung, nämlich

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den durch den Thyristor fließenden Strom, die Klemmenspannung der Batterie und den durch die Batterie fließenden Strom,

Fig. 3 ein ausführlicheres Beispiel der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung,

Fig. 4 eine Schaltung eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 ein genaueres Beispiel der in der Fig. 4 gezeigten Schaltung,

Fig. 6 und 7 Kennlinien der erfindungsgemäßen Regelanordnung, und

Fig. 8 eine Abwandlung der in der Fig. 4 gezeigten Schaltung, mit dem Unterschied, daß anstelle eines Transistors ein zweiter Thyristor vorgesehen ist.

In den Figuren werden für sich entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.

In der Fig. 1 ist ein Ende der Anker spule 1 eines Magnetinduktors über einen Gleichrichter 2 mit der positiven Klemme einer Batterie 3 verbunden, während das andere Ende der Anker spule 1 mit der negativen Klemme der Batterie 3 verbunden ist. Die Erregung einer durch die Batterie 3 gespeisten Lamp© 4 wird durch einen Schalter 5 gesteuert,

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und die Erregung einer von der Ankerspule 1 gespeisten Lampe 6 wird durch einen Schalter 7 gesteuert. Ein Thyristor 8 mit einer Steuerelektrode liegt zwischen den Anschlüssen der Ankerspule 1, wobei die Anode des Thyristors 8 mit dem einen Ende der Ankerspule 1 verbunden ist, das an die positive Klemme der Batterie 3 angeschlossen ist» und wobei die Kathode des Thyristors 8 mit dem anderen Ende der Ankerspule 1 verbunden ist, das an die negative Klemme der Batterie 3 angeschlossen ist. Die Steuerelektrode des Thyristors 8 ist über einen Transistor 10 und einen Widerstand 9 mit der Batterie 3 verbunden. Die Basis des Iransistors 10 ist verbunden einerseits mit einem Wechselspannungs-Steuerglied 101, das betätigt wird, wenn der Schalter geschlossen ist, und andererseits mit einem Gleichspannungs-Steuerglied 102 für die Batterie 3, das betätigt wird, wenn der Schalter 7 geöffnet ist. Das Steuerglied 101 hat zwei Ausgangsanschlüsse, von denen der eine über eine Diode 11 mit einem Ende des direkt an die Lampe 6 angeschlossenen Schalters 7 und der andere mit der negativen Klemme der Batterie 3 verbunden ist. Das Steuerglied 102 hat drei Ausgangsanschlüsse, von denen der erste über den Gleichrichter 11 mit dem einen Ende des Schalters 7, der zweite mit der positiven Klemme der Batterie 3 und der dritte mit der negativen Klemme der Batterie 3 verbunden ist.

Wenn bei dieser Schaltung der Schalter 7 geschlossen ist, verschwindet der vom Steuerglied 102 zur Basis des Transistors 10 fließende Strom i„, so daß der durch das Steuerglied 101 zur Steuerung der Anschlußspannung der Lampe 6 gesteuerte Strom i in die Basis des Transistors 10 fließt, um die Spannung an der Lampe

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ζΛι steuern. Wenn andererseits der Schalter 7 geöffnet ist, verschwindet der durch die Diode 11 in das Glied 101 fließende Strom_} so daß der Strom i verschwindet und das Glied 102 die Spannung der Batterie 3 steuert.

Der Betrieb des Thyristors 8 wird anhand der Fig. 2 näher erläutert. Die in den Thyristor 8 einzuspeisende Ausgangsspannung- V_A des Magnetinduktors hat nicht genau einen sinusförmigen Verlauf; aber zur Vereinfachung wird angenommen, daß sie einen derartigen sinusförmigen Verlauf aufweist, wie dieser teilweise durch eine ausgezogene linie und teilweise durch eine Strichlinie in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn der Schalter 7 geschlossen ist, beginnt der Transistor 10 in dem Zeitpunkt zu arbeiten, wenn der Phasenwinkel cot = θ beträgt, um den Thyristor 8 (SCR in Fig. 1) einzuschalten. Dann ist die Ausgangsspannung des Magnetinduktors, die an der Lampe 6 liegt, nahezu auf Null verringert, so daß die Ausgangs spannung nicht in die Batterie 3 eingespeist wird. Wenn der Phasenwinkel ost auf ^vorrückt, startet der umgekehrt vorgespannte Thyristor 8, so daß dieser Thyristor 8 abgeschaltet werden soll. Aber der Thyristor 8 verbleibt wegen des Blindwiderstandes der Anker spule 1 in seinem leitenden Zustand, so daß der Thyristor 8 die Spannung zwischen den Phasenwinkeln ίΓ und 2 $ steuert. Wenn die Ankerspule 1 keinen Blindwiderstandsanteil aufweist, wird die erzeugte Leistung in.die Lampe 6 für die Phasen 41 bis 2 41 eingeprägt. Tatsächlich liegt jedoch der durch den Thyristor 8 fließende Strom für cüt = θ bis cot = θ_ο vor, und der Strom beeinflußt so-

1 Λ

wohl die positiven als auch die negativen Teile des sinusförmigen Signalverlaufes. Wenn deshalb der Thyristor 8 lediglich entsprechend

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der Spannung der Batterie 3 gesteuert ist, verändert sich die Lampenspannung oder die durch die Lampe 6 verbrauchte Leistung entsprechend dem geladenen Zustand der Batterie 3, insbesondere entsprechend der Klemmenspannung der Batterie. Wenn die Batterie 3 ausreichend aufgeladen ist, nähert sich O₁ dem Wert Null, während Q₀

1 i

kurz hinter,2 Jl liegt,- so daß die Lampe sehr lichtschwach wird. Wenn andererseits die Batterie 3 nicht ausreichend geladen ist, nähern sich θ und Q dem Wert Jl , so daß die Lampe überlastet ist

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und die Gefahr ihres Durchbrennens besteht. Es ist deshalb vorteilhaft, den Thyristor 8 durch die Klemmenspannung der Batterie zu steuern, wenn der Schalter 7 geöffnet ist, und durch die an der Lampe 6 liegende Spannung, wenn der Schalter 7 geschlossen ist.

Fig. 3 zeigt ein genaueres Beispiel der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung.- In der Fig. 3 bilden ein Widerstand 12, eine Diode 13, ein Widerstand 14 und ein Kondensator 15, der parallel zum Widerstand 14 liegt, das Glied 101 (Fig. l), das die an der Lampe 6 liegende Spannung erfaßt und den Basisstrom des Transistors 10 steuert. Ein Widerstand 16, ein Kondensator 17, ein Widerstand 18, ein Transistor 19 und eine Diode 20 bilden einen Teil des Gliedes 102 (Fig. l), das zur Unterbrechung des Stromes i_o dient, der vom Glied 102 wegfließt} wenn der Schalter 7 geschlossen ist. Wenn insbesondere der Schalter 7 geschlossen ist, fließt ein Strom in die Basis des Transistors 19 über die Diode 11 und die Widerstände 16 und 18. Der Transistor 19 wird seinerseits leitend gemacht, um den durch die Diode 20 fließenden Strom auf "Null" zu verringern. Eine aus Widerständen 21 und und einer Z-Diode 23 bestehende Schaltung bildet den anderen Teil

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des Gliedes 102, der zur Erfassung der Spannung der Batterie 3 sowie zur Steuerung des Basisstromes i_ des Transistors 10 dient, während die Kathode und die Anode der Diode 20 jeweils mit der Basis des Transistors 10 und dem Fühler für die Batteriespannung verbunden sind. Das Steuerglied 102 arbeitet nur, wenn der Schalter 7 geöffnet ist und der durch die Diode 11 fließende Strom aufhört.

Die Diode 13 arbeitet wie folgt: Wenn die Diode 13 nicht vorgesehen wäre, würde bei geöffnetem Schalter 7 ein Strom in die Basis des Transistors 19 über einen Stromweg aus dem Widerstand 21, der Z-Diode 23, der Diode 20, dem Widerstand 12, dem Widerstand 16 und dem Widerstand 18 fließen, um den Transistor 19 leitend zu machen. Die Diode 13 verhindert, daß der Transistor 19 so leitend wird.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Kennlinien der erfindungsgemäßen Regelanordnung.

Die Fig. 6 zeigt die Beziehungen der Batteriespannung Vn > des Batteriestromes I_n und der Lampenspannung V. zur Drehzahl (U/min) des Generators, wenn der Schalter 5 geöffnet und der Schalter 7 zur Erregung der Lampe 6 geschlossen ist. In dieser Figur stellen die ausgezogenen Linien die Kennlinien der erfindungsgemäßen Anordnung und die Strichlinien die Kennlinien der herkömmlichen Regelanordnung dar.

Aus der Fig. 6 geht hervor, daß die durch die vorliegende Regelanordnung gesteuerte Lampenspannung V oberhalb 3000 U/min flach

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wird, während sich die Lampenspannung V_T beider herkömmlichen Regelanordnung abhängig von der Drehzahl stark verändert, und daß die Helligkeit der Lampe konstant bleibt, mit dem Ergebnis, daß die Nutzlebensdauer der Lampe verlängert wird- Darüber hinaus werden Batteriespannung und -strom oberhalb 3000 U/min nahezu flach, so daß eine Überladung der Batterie verhindert werden kann.

Fig. 7 zeigt die Beziehungen der Batteriespannung V„ und des Batteriestromes I_n zur Drehzahl des Generators. In dieser Figur stellen die at*„ cezogenen Linien die Kennlinien der erfindungsgemäßen Regelanordnung und die Strichlinien die Kennlinien der herkömmlichen Regelanordnung dar.

Aus der Fig. 7 geht hei·vor, daß Batteriespannung und -strom, die durch die vorliegende Regelanordnung gesteuert werden, oberhalb 2000 U/min mit einem Ladestrom von weniger als 0,5 A flach werden, während sich Batteriespannung und -strom abhängig von der Drehzahl bei der herkömmlichen Regelanordnung stark verändern. Insbesondere kann mit der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete Ladekennlinie erhalten werden, während bei der herkömmlichen Regelanordnung die Schwierigkeit einer Überladung der Batterie besieht.

In Fig. 4 ist eine Schaltung eines anderen Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Fig. 5 zeigt ein genaueres Beispiel der in der Fig. 4 dargestellten Schaltung. Der Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 4 ist der folgende : In der Fig. 1 ist einer der Anschlüsse des Gleichspannungs-

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Fühler- oder Erfassungsgliedes 102 direkt mit der positiven Klemme der Batterie verbunden, während in Fig. 4 der entsprechende Anschluß des Gliedes 102 mit dem Übergangspunkt der Diode 2 und des Thyristors 8 verbunden ist, um die Batteriespannung und den Potentialabfall über der Diode 2 zu erfassen. Insbesondere fließt in der Schaltung der Fig. 3 immer ein Leckstrom durch die Widerstände 21 und 22, so daß sich bei einem lange ruhenden Generator die Batterie zu stark entlädt, während bei der in der Fig. 5 gezeigten Schaltung die Diode 2 einen derartigen Leckstrom unterbricht.

Wenn der Betrag der in der Batterie 3 gespeicherten Ladungen erfaßt werden kann, kann der in die Batterie 3 fließende Ladestrom gesteuert werden. Insbesondere ist die Spannungssteuerung durch Erfassung der Spannung an den Klemmen der Batterie oder durch Erfassung der Spannung an der Anode der Diode 2 möglich.

Wie oben beschrieben wurde, ist die erfindungsgemäße Regelanordnung so ausgelegt, daß eine Wechselspannungsregelung durchgeführt wird, wenn eine Wechselspannungslast mit den Ausgangsanschlüssen des Generators verbunden ist, und daß eine Regelung der Batteriespannung durchgeführt wird, wenn keine Wechselspannungslast angeschlossen ist. Demgemäß kann mit der vorliegenden Regelanordnung ein stabiles Ausgangssignal erzeugt werden, selbst wenn die Drehzahl des Generators fluktuiert, so daß eine ausgezeichnete Ladekennlinie erhalten werden kann.

In den Schaltungen der Fig. 1, 3, 4 und 5 ist das Gatter oder Tor 409814/05 2 0

des Thyristors 8 durch den Transistor 10 gesteuert; aber der Transistor 10 ist nicht das einzige Bauelement zur Ansteuerung des Thyristors 8, sondern kann durch einen Schalter, wie. beispielsweise eine Z-Diode oder einen gesteuerten Halbleitergleichrichter (Thyristor) ersetzt werden. In der Fig. 8 ist eine abgewandelte Schaltung dargestellt, bei der der Transistor 10 durch einen Thyristor 80 ersetzt ist.

Wenn der Schalter 7 geschlossen ist, wird die Spannung an der Ausgangsspule 1 zur Lampe 6 und weiter zur Batterie 3 über die Diode 2 gespeist. Die zur Lampe 6 gespeiste Spannung wird durch das Steuerglied 101 erfaßt. Wenn die Lampenspannung einen vorbestimmten Wert erreicht, wird der Thyristor 80 eingeschaltet, um den Thyristor 8 in seinen leitenden Zustand anzusteuern. Wenn der Schalter 7 geöffnet ist, erfaßt das Steuerglied 102 die Spannung der Batterie 3, und der Thyristor 80 wird eingeschaltet, um den Thyristor 8 entsprechend dem geladenen Zustand der Batterie 3 leitend zu machen. In der Schaltung der Fig. 8 kann der Thyristor 8 auch durch Verbindung des Obergangspunktes A der Steuerglieder 101 und 102 mit dem Gatter des Thyristors 8 betrieben werden; aber in einem derartigen Fall ist der Betrieb des Thyristors 8 etwas instabil. In den Schaltungen der Fig. 3 und 5 dient die Z-Diode 23 für einen genauen Betrieb des Transistors 10, aber die Schaltung der Fig. 8 kann ohne eine derartige Z-Diöde als Diode 23 arbeiten. Ohne Z-Diode hat die Schaltung jedoch eine herabgesetzte Tentperaturkennlinie und eine geringere Stabilität im Betrieb.

In den Schaltungen der Fig. 3 und 5 bilden der Kondensator IS und 409814/0520

der Widerstand 14 ein Lade- und Entladeglied. Der Transistor 10 wird durch die im Kondensator 15 gespeicherten Ladungen betrieben, d. h. durch die am Kondensator 15 liegende Spannung, und danach fließen die Ladungen über den Widerstand 14 ab.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   ( 1. J Spannung sregelanordnung, gekennzeichnet durch einen Wechselstromgenerator mit einer Ausgangsspule (l),

   eine Lampe (6) als Last, die über einen Schalter (7) mit der Ausgangsspule (l) des Generators verbunden ist,

   eine Batterie (3), die über ein Gleichrichterbauelement (2) mit der Ausgangsspule (l) des Generators verbunden ist,

   einen Thyristor (8), der mit den Ausgangsanschlüssen des Generators verbunden ist, und

   ein Steuerglied (101, 102) zur Steuerung des Thyristors (8), wobei das Steuerglied (101, !j.02) zwei Spannungsfühler aufweist, deren erster er die Klemmenspannung der Batterie (3) und deren zweiter die Spannung an der Lampe (6) erfaßt, und wobei der Thyristor (8) gesteuert ist durch das Signal vom zweiten Spannungsfühler (101), wenn der Schalter (7) geschlossen ist, und durch das Signal vom ersten Spannungsfühler (102), v/enn der Schalter (7) geöffnet ist.
2. 2. Spannungsregelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (101, 102) ein Schaltbauelement zur

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   Ansteuerung des Thyristors (8) aufweist, und daß das Schaltbauelement gesteuert ist durch den zweiten Spannungsfühler (101), wenn der Schalter (7) geschlossen ist, und durch den ersten Spannungsfühler (102), wenn der Schalter (7) geöffnet ist.
3. 3. Spannungsrecjelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühlanschluß des ersten Spannungsfühlers (102) mit der Klemme der Batterie (3) verbunden ist, während der Fühlanschluß des zweiten Spannungsfühlers (101) zwischen der Lampe (6) und dem Schalter (7) liegt.
4. 4. Spannungsiegelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühlanschluß des ersten Spannungsfühlers (102) zwischen dem Gleichrichterbauelement (2) und der Ausgangsspule (l) des Generators liegt, während der Fühlanschluß des aweiten Spannungsfühlers (101) zwischen der Lampe (6) und dem Schalter (7) liegt.
5. 5. Spannungsregelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spannungsfühler (102) einen Spannungsteiler aus Widerständen aufweist, und daß der Fühlanschluß des zweiten Sp#nnungsfühlers (101) über eine Diode mit dem Spannungsteiler verbunden ist. ^
6. 6." Spannungsregelanordnung, gekennzeichnet durch

   einen Wechselstromgenerator einschließlich einer Ausgangsspule (l),

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   eine Lampe (6) als Last, die über einen Schalter (7) mit dem Ausgang des Generators verbunden ist,

   eine Batterie (3), die über ein Gleichrichterbauelement (2) mit der Ausgangsspule (l) des Generators verbunden ist,

   ein erstes Steuerglied (102), das die Spannung der Batterie (3) erfaßt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen,

   ein zweites Steuerglied (101), das die Spannung an der Lampe (6) erfaßt, um ein Ausgangs signal zu erzeugen, und

   einen Thyristor (8) zwischen den Anschlüssen der Ausgangsspule (l), der durch die Ausgangs signale des ersten und zweiten Steuergliedes (101, 102) ansteuerbar ist.
7. 7. Spannungsregelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steuerglied (102) eine Schalteinrichtung aufweist, so daß das erste Steuerglied (102) abhängig vom Betrieb der Schalteinrichtung aufhört ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn der Schalter (7) geschlossen ist.

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