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Regeleinrichtung für nebenschlußerregte elektrische Generatoren niederer
Spannung Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für nebenschlußerregte
elektrische Generatoren niederer Spannung, insbesondere für Fahrzeuglichtmaschinen,
bei der ein mit der Feldwicklung des Generators in Reihe liegender Leistungstransistor
während des Regelvorgangs abwechslungsweise aus einem nur kurzzeitig andauernden
Zustand hoher Stromleitung in einen ebenfalls nur kurzzeitigen Zustand geringer
Stromleitung durch einen Steuertransistor gebracht wird, der mit seiner Steuerstrecke
an einem an die Generatorspannung angeschlossenen nichtlinearen Stromleiter liegt,
der bei steigender Generatorspannung einen sich mehr als proportional ändernden
Steuerstrom für den Steuertransistor zu liefern vermag. Regeleinrichtungen dieser
Art werden üblicherweise in unmittelbarer 'Nähe von einer als Antrieb für die Generatoren
dienenden Brennkraftmaschine angeordnet und sind deshalb einer erheblichen Wärmeeinwirkung
ausgesetzt. Die in solchen Regeleinrichtungen verwendeten Transistoren sind jedoch
insofern wärmeempfindlich, als ihr innerer Widerstand mit zunehmender Temperatur
ihrer die p-n-Übergänge enthaltenden, meistens aus Germanium bestehenden Halbleiterteile
sehr stark abnimmt. Wenn man daher keine zusätzlichen Kühleinrichtungen vorsehen
will, ist man gezwungen, die Regeleinrichtungen in entsprechender Entfernung von
der Brennkraftmaschine oder anderen, eine erhebliche Wärmeentwicklung mit sich bringenden
Geräten anzuordnen. Dadurch kann man zwar die von außen her auf die Temperatur der
Regeleinrichtung einwirkenden Einflüsse weitgehend beseitigen, die in der Temperaturempfindlichkeit
der verwendeten Halbleiterelemente liegenden Ursachen sind damit jedoch nicht ausgeschaltet.
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Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, für den mit der Feldwicklung
des Generators in Reihe liegenden Leistungstransistor eine derartige Steuereinrichtung
vorzusehen, daß der Transistor auch bei hohen Betriebstemperaturen noch mit Sicherheit
vollständig gesperrt werden kann, wenn die Spannung des Generators über ihren Sollwert
ansteigt. Dies kann man erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß der zur Steuerung
des Leistungstransistors vorgesehene Steuertransistor als Oszillator für Schwingungen
von mehr als 1000 Hz geschaltet ist und auf ein aus mindestens einem Gleichrichter,
einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes Gleichrichtungsglied arbeitet,
das an die Steuerstrecke (Emitter-Basis-Strecke) des Leistungstransistors angeschlossen
ist und während der beim Regelvorgang jeweils nur kurzzeitig andauernden Schwingungszustände
des Steuertransistors eine positive Sperrspannung für den Leistungstransistor liefert,
falls dieser vom p-n-p-Typ ist, bzw. eine negative Sperrspannung liefert, falls
dieser vom n-p-n-Typ ist.
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In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiele der Erfindung zwei
Regeleinrichtungen für eine elektrische Stromversorgungsanlage für Kraftfahrzeuge
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 das Schaltbild der ersten Regeleinrichtung, Fig. 2
eine Stromspannungskennlinie eines Schaltelements der Regeleinrichtung nach Fig.
1, Fig. 3 ein Schaubild zur Erklärung der Wirkungsweise der Regeleinrichtung nach
Fig. 1; Fig. 4 zeigt das Schaltbild der zweiten Regeleinrichtung, Fig. 5 ein Schaubild
für die mit dieser Regeleinrichtung erreichbaren Erregerströme, Fig. 6 die Stromspannungskennlinie
eines in der Einrichtung nach Fig. 4 verwendeten Schaltelementes, und Fig. 7 zeigt
die Arbeitskennlinie der Einrichtung nach Fig. 4.
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Die elektrische Anlage enthält eine Lichtmaschine, die durch eine
nicht dargestellte Brennkraftmaschine angetrieben wird, sowie eine elektrische Sammlerbatterie
11, die über eine Minusleitung 10 und eine Plusleitung 12 mit den Klemmen a und
b der Lichtmaschine verbunden ist. Die im Nebenschluß erregte Lichtmaschine hat
eine in der Zeichnung mit F angedeutete Feldwicklung, die mit einem ihrer Wicklungsenden
an die Minusleitung 10 angeschlossen ist und mit ihrem anderen Wicklungsende an
der Kollektorelektrode eines Leistungstransistors T 1 liegt. Der Emitter des Leistungstransistors
ist mit der Plusleitung 12 verbunden.
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Zur Steuerung des Leistungstransistors T 1 ist ein
zweiter
Transistor T2 vorgesehen, der mit seiner Emitterelektrode ebenfalls an der Plusleitung
12 liegt. Seine Basiselektrode ist über eine Zenerdiode D 1 mit dem verstellbaren
Abgriff eines Potentiometers P verbunden. das zwischen der Minusleitung 10 und der
Plusleitung 12 angeordnet ist. Am verstellbaren Abgriff des Potentiometers kann
die Höhe der von der Lichtmaschine gelieferten und mittels der Regeleinrichtung
auf diesem Wert gehaltenen Sollspannung eingestellt «-erden. Die Zenerdiode D 1
ist in Sperrrichtung an die Basis des Steuertransistors T2 angeschlossen. Sie läßt
in dieser Richtung nur einen geringen Strom durch, solange die am Potentiometer
P abgegriffene Teilspannung Up unter dem in Fig. 2 angedeuteten Wert Uz bleibt.
Wenn die an der Zenerdiode D 1 wirksame Spannung diesen Wert überschreitet, nimmt
der durch die Diode fließende Strom sehr rasch zu.
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An den Kollektor des Steuertransistors T2 ist die Primärwicklung 15
eines Hochfrequenzübertragers angeschlossen, der auf seinem bei 16 angedeuteten
Kern außer der Primärwicklung noch eine Sekundärwicklung 17 und eine dritte, zur
Rückkopplung dienende Wicklung 18 trägt. Diese ist mit einem ihrer Enden an den
Emitter des Steuertransistors T2 angeschlossen. Ihr anderes Wicklungsende liegt
über einen Kondensator 19 an der Basis des Steuertransistors T2, von dem ein Widerstand
20 zur Plusleitung 12 führt. Die Sekundärwicklung 17 des Hochfrequenzübertragers
gehört zum Steuerkreis des Leistungstransistors T1. Sie ist mit einem ihrerWicklungsenden
an die Plusleitung 12 angeschlossen. Ihr anderes Wicklungsende führt zu einem Gleichrichter
D2, einer Kristalldiode, deren Anode mit der Basis des Leistungstransistors T1 und
einem Belag eines zwischen die Basis und die Plusleitung 12 eingeschalteten elektrischen
Kondensators 22 angeschlossen ist. An die Basis des Transistors T 1 ist außerdem
ein Widerstand 23 angeschlossen, der zur Minusleitung 10 führt.
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Die Regeleinrichtung nach Fig.1 arbeitet folgendermaßen: Wenn die
Lichtmaschine G aus dem Stillstand heraus in Umdrehung versetzt wird, so erregt
sie sich infolge der in ihren Eisenteilen vorhandenen magnetischen Remanenz zunächst
auf eine - wenn auch nur geringe - Spannung, die zur Folge hat, daß über ihre Feldwicklung
F und den in diesem Falle stromleitenden Leistungstransistor T1 ein kleiner Erregerstrom
Je fließt, der seinerseits die Erregung der Lichtmaschine stark erhöht, so
daß sich die Lichtmaschine bei ausreichender Drehzahl rasch auf ihre Sollspannung
erregt. Der Abgriff am Potentiometer P ist so eingestellt, daß die während des vorher
beschriebenen Anlaufs der Lichtmaschine gesperrte Zenerdiode D 1 stromleitend wird,
sobald die Lichtmaschinenklemmenspannung ihren Sollwert überschreitet. Der dann
von der Basis des Steuertransistors T2 über die Zenerdiode D 1 fließende
Steuerstrom bringt den seither gesperrten Steuertransistor in ein Arbeitsgebiet,
in dem er eine verhältnismäßig hohe Verstärkung hat. Sobald der Steuertransistor
in dieses Verstärkungsgebiet gelangt, bildet sich über die Primärwicklung 15, die
Rückkopplungswicklung 18 und den Kondensator 19 eine selbsterregte, bei etwa
10000 bis 50000 Hz liegende elektromagnetische Schwingung aus. die
über den Kern 16 auch auf die Sekundärwicklung 17 übertragen wird. Die in der Sekundärwicklung
17 induzierte hochfrequente Wechselspannung wird durch die Kristalldiode D2 gleichgerichtet
und erzeugt an dem Ladekondensator 22 eine Gleich-Spannung. Die Kristalldiode D2
ist in der durch die Pfeilspitze angedeuteten Richtung stromdurchlässig und ergibt
daher an der mit der Basis des Leistungstransistors T 1 verbundenen Belegung des
Kondensators 22 ein höheres Potential als an dessen mit der Plusleitung 12 verbundenen
Belegung. Dies hat zur Folge, daß der seither stromleitende Leistungstransistor
auch dann vollkommen gesperrt wird, wenn er sich durch Einstrahlung oder Wärmeleitung
von außen her auf einer hohen Temperatur befindet.
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Sobald der Transistor T 1 gesperrt wird, bildet sich über den zur
Feldwicklung F parallelgeschalteten Gleichrichter D3 ein Ausgleichstrom aus, und
der durch die Feldwicklung F fließende Erregerstrom nimmt demzufolge rasch ab. Mit
dem Erregerstrom beginnt auch die an den Bürsten a und b der Lichtmaschine
abgenommene Lichtmaschinenspannung zu sinken. Sobald sie um etwa 0,05 bis 0,1 V
unter ihren Sollwert von 12.6 V abgefallen ist, gelangt die Zenerdiode D 1 in einen
Arbeitsbereich, in dem sie einen hohen Widerstand hat und nicht mehr in der Lage
ist, einen Basisstrom lb zu führen, der dazu ausreicht, den Transistor T2 in einem
Gebiet hoher Verstärkung zu halten. Die selbsterregte Schwingung des Steuertransistors
T2 reißt dann ab, und der Ladekondensator 22 entlädt sich sehr rasch über den Widerstand
23, so daß der Leistungstransistor T 1 wieder stromleitend wird. Der inzwischen
stark abgefallene Erregerstrom Je steigt dann schnell wieder an und bewirkt,
daß die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert wieder erreicht. Dann kann das beschriebene
Spiel von neuem beginnen.
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In Fig. 3 ist der zeitliche Ablauf der vom Steuertransistor T2 erzeugten
Schwingung dargestellt. Während der mit t1 bezeichneten Zeiträume ist der Steuertransistor
stark stromleitend und kann dann vermöge seiner erheblichen Verstärkung eine durch
die dicht beieinanderliegenden Linienzüge 50 angedeutete Hochfrequenzschwingung
erzeugen. Während der mit t2 bezeichneten Zeiten dagegen ist der Steuertransistor
gesperrt. Die Spannung Uc des Kondensators 22 sinkt daher in diesen Intervallen
rasch so weit ab, daß der Leistungstransistor T 1 wieder stromleitend wird und die
Erregung der Lichtmaschine so stark erhöhen kann, daß die Lichtmaschinenspannung
wieder steigt.
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Der besondere Vorteil der beschriebenen Verwendung eines als Oszillator
dienenden Steuertransistors liegt darin, daß die Regeleinrichtung auch bei verhältnismäßig
hohen Temperaturen arbeitet und weitgehend temperaturunempfindlich ist. Die Temperatureinflüsse
können noch stärker vermindert werden, wenn man einen aus Silizium hergestellten
Steuertransistor verwendet.
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An Stelle der in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten
Transistoren vom p-n-p-Typ kann man selbstverständlich auch Transistoren vom n-p-n-Typ
vorsehen. In diesem Falle ist es jedoch erforderlich, daß die am Ladekondensator
22 durch Gleichrichtung der Hochfrequenzschwingungen erzeugte Gleichspannung ebenfalls
als Sperrspannung für den Leistungstransistor wirkt. Man kann dies dadurch erzielen,
daß man die Diode D 2 mit ihrer Kathode an die Basis des Leistungstransistors T1
anschließt, wenn man in dem Schaltbild nach der Zeichnung die Polarität des Generators
und der Batterie jeweils vertauscht.
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Die in Fig. 4 in ihrem Schaltbild dargestellte Regeleinrichtung ist
zur Zusammenarbeit mit einer Gleichstrom-Lichtmaschine G bestimmt, die von einer
in
der Zeichnung nicht dargestellten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
angetrieben wird. Die Lichtmaschine vermag beim Sollwert ihrer Klemmenspannung von
12,6 V einen in der Zeichnung mit JL bezeichneten Laststrom von 20 A zu liefern
und benötigt dazu einen Erregerstrom Je von etwa 3 A, wenn sie mit einer Drehzahl
n von 2000 U/min angetrieben wird. Die für den Sollwert von 12,6 V beim angegebenen
Laststrom IL von 20 A erforderliche Erregung beträgt demgegenüber nur 0,5
A, wenn die Antriebsdrehzahl der Lichtmaschine bei 80 000 U/min liegt. Wie man aus
den in Fig. 5 dargestellten Kennlinien weiterhin entnehmen kann, muß der Erregerstrom
Je bei einer Antriebsdrehzahl von 2000 U/min einen Wert von 1,8 A und bei 8000 U/min
einen Wert von 0,2 A haben, falls der Laststrom TL der Lichtmaschine einen sehr
niedrigen Wert von etwa 2 A hat. Damit der Leistungstransistor - wie im vorher beschriebenen
Ausführungsbeispiel - periodisch arbeiten kann, ist er so gewählt, daß er bei einer
Kollektorspannung von etwa 1 V einen Höchststrom von 4 A zu liefern vermag.
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Ein Großteil der in der Regeleinrichtung nach Fig.4 verwendeten Schaltelemente
stimmt mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig.1 überein. Für diese
Schaltelemente sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Ebenso wie
dort ist der Steuertransistor T2 als Oszillator geschaltet. Abweichend vom ersten
Ausführungsbeispiel liegt jedoch der die Frequenz der selbsterregten Schwingung
bestimmende Kondensator 19 parallel zu der mit dem Kollektor des Steuertransistors
verbundenen Primärwicklung 15 des Hochfrequenzübertragers, während dessen Rückkopplungswicklung
18 in die Verbindungsleitung zwischen der Basis des Steuertransistors T1 und dem
Stromverzweigungspunkt A eingeschaltet ist, an den im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel
eine in ihrer Durchlaßrichtung betriebene Kristalldiode D 4 angeschlossen ist.
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Diese Kristalldiode enthält einen Halbleiterkörper aus hochgereinigtem
Germanium, dem zur Erzielung einer negativen (n-) Leitfähigkeit hochgereinigtes
Antimon in einer solchen Menge beigefügt wurde, daß auf je 1015 bis 101s Germaniumatome
1 Antimonatom entfällt. Das Antimon wirkt als Verunreinigungselement und ergibt
einen verhältnismäßig niederohmigen Halbleiterkörper mit einem spezifischen Widerstand
von etwa 0,01 Ohm - cm. An dem Germaniumkörper ist mit einer Indiumpille in an sich
bekannter Weise ein als Kathode wirkender Anschluß befestigt, der mit dem Abgriff
des Potentiometers P verbunden ist. Die Kristalldiode D4 arbeitet in gleicher Weise
wie die Zenerdiode D 1 des ersten Ausführungsbeispiels als Sollwertgeber. Sie bestimmt
nämlich bei steigender Generatorspannung denjenigen Wert, bei dem der Steuertransistor
T2 stromleitend wird und sich in der an Hand des ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen
Weise über den Hochfrequenztransformator selbsterregt und dadurch den Leistungstransistor
T 1 in seinen Sperrzustand bringt.
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Die Kristalldiode D4 hat eine in Fig. 6 im einzelnen näher dargestellte
Stromspannungskennlinie, die bei einem mit Uk bezeichneten Wert der an ihren beiden
Anschlüssen wirksamen Spannung U einen stark ausgeprägten Knick hat. Der Wert Uk
liegt bei etwa 0,25 V. Dieser Wert wird erreicht, wenn die Klemmenspannung der Lichtmaschine
ihren Sollwert von 12,6V überschreitet. Solange sich die an der Kristalldiode D4
liegende Spannung unterhalb des Wertes Uk befindet, vermag die Kristalldiode nur
einen sehr kleinen Strom von weniger als 0,02A zu führen, der nicht ausreicht, um
den Steuertransistor T2 in ein solches Arbeitsgebiet zu bringen, in dem er die für
die Selbsterregungsbedingungen erforderliche Verstärkung hat. Steigt jedoch die
Lichtmaschinenspannung über ihren Sollwert auch nur geringfügig an, so bringt der
dann sehr rasch anwachsende, durch die Kristalldiode D 5 fließende Strom den Steuertransistor
D 1 in sein Selbsterregungsgebiet.
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Weiterhin abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel liegt an der Kathode
der Kristalldiode D 4 ein Widerstand 30, der mit seinem anderen Anschlußende an
den Kollektor des Leistungstransistors T1 angeschlossen ist. Außerdem führt vom
Anschlußpunkt A eine zweite Kristalldiode D 5 zum Pluspol der bei
11 angedeuteten, mit der Lichtmaschine G zusammenarbeitenden Batterie. In der Verbindungsleitung
12 von der Plusklemme b der Lichtmaschine zum Pluspol der Batterie 11 ist ein Widerstand
32 zwischen dem Anschlußpunkt der Emitterelektrode des Steuertransistors T2 und
dem Anschlußpunkt des Potentiometers P angeordnet. Um bei stillstehender oder ungenügend
erregter Lichtmaschine eine Entladung der Batterie in der zum Strompfeil TL entgegengesetzten
Richtung zu vermeiden ist außerdem eine für einen Höchststrom von 25 A bemessene
Germaniumdiode D 6 zwischen dem Anschlußpunkt des Potentiometers P und der Plusklemme
der Batterie 11 vorgesehen.
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Im einzelnen arbeitet die Regeleinrichtung nach Fig. 4 ganz ähnlich
wie die Regeleinrichtung nach Fig. 1, solange der der Lichtmaschine entnommene Laststrom
TL unterhalb seines zulässigen Höchstwertes von 20 A bleibt. Der zwischen dem Kollektor
des Leistungstransistors und dem Verbindungspunkt A liegende Widerstand 30 stellt
dabei in besonders wirkungsvoller Weise sicher, daß der Leistungstransistor T 1
aus einem Zustand, bei dem er einen hohen Erregerstrom Je über die Feldwicklung
F zu führen vermag, sprunghaft in einen anderen Betriebszustand übergeführt «wird,
sobald die in Fig.3 angedeuteten impulsförmigen Hochfrequenzschwingungszüge einsetzen
und den Leistungstransistor zu sperren versuchen. Umgekehrt kippt der Leistungstransistor
wieder sehr rasch in den zur Steigerung der Lichtmaschinenerregung erforderlichen
stromleitenden Ausgangszustand zurück, sobald die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert
zu unterschreiten versucht und der Steuertransistor T1 daher in der eingangs beschriebenen
Weise gesperrt wird. Dieses sprunghafte Hin- und Herkippen des Leistungstransistors
T 1 bringt den Vorteil mit sich, daß sowohl für die Dauer t.1 der hochfrequenten
Schwingungszüge 50 nach Fig. 3 als auch während der zwischen diesen Schwingungszügen
liegenden Pausen t2 die am Leistungstransistor T 1 entstehende Verlustleistung nur
sehr niedrig ist. Dies hat seinen Grund darin, daß im Sperrzustand des Leistungstransistors
zwar eine hohe Spannung an seinem Kollektor liegt, der durch den Transistor fließende
Strom jedoch nur sehr klein ist, während umgekehrt im Betriebszustand hoher Stromleitung
der durch den Transistor T1 fließende Strom lt zwar bis auf It = Jmax = 4
A ansteigt, die dabei wirksame Kollektorspannung jedoch einen Wert von etwa 1 bis
1,5 V nicht überschreiten kann und die Kollektorverlustleitung demzufolge ebenfalls
niedrig bleibt.
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Das Hin- und Herkippen des Leistungstransistors T 1 erfolgt mit einer
im Vergleich zu den hochfrequenten Schwingungszügen 50 verhältnismäßig langsamen
Frequenz.
denn die für einen Kippschwingungsvorgang benötigten Zeiten tl+t2=tk betragen im
Mittel etwa tk=0,05 bis 0,5 sec. Die erforderliche Änderung der Lichtmaschinenerregung
kommt folgendermaßen zustande: a) Bei sehr kleiner Belastung der Lichtmaschine werden
die zwischen den Schwingungszügen 50 liegenden Pausen t 2 stark verkürzt, während
die Zeitabschnitte t 1 der Schwingungszüge erheblich verkürzt werden.
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Der mittlere, in der Feldwicklung F der Lichtmaschine wirksame Erregerstrom
hat dann den Wert j. = Jmax'
Wenn tl+t2 etwa 0,2 sec und t2=0,0'1 sec beträgt, so ergibt sich bei einem Maximalstrom
des Leistungstransistors von Jmax = 4A ein mittlerer Erregerstrom J", von 0,2 A,
der bei Leerlauf und bei einer Antriebsdrehzahl von 8000 U/min nach Fig. 5 die geforderte
Sollspannung von 12,6 V ergibt.
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b) Bei voller Belastung der Lichtmaschine mit 20 A muß der mittlere
Erregerstrom bei einer Antriebsdrehzahl von 2500 U/min 3 A betragen. Damit dieser
Mittelwert zustande kommt, muß der Leistungstransistor über 1/4 der Kippschwingungszeit
tk=tl+t2 gesperrt und während des übrigen Teiles jeder Kippschwingung voll stromleitend
sein. In diesem Fall darf daher die Dauert 1 der hochfrequenten Schwingungszüge
50 nicht größer als 0,05 sec sein, wenn tk unverändert bei 0,2 sec bleibt. Der oben
beschriebene, nur von der Höhe der Klemmenspannung der Lichtmaschine abhängige Regelvorgang
wird durch einen anderen Regelvorgang abgelöst, sobald der der Lichtmaschine entnommene
Laststrom JL seinen Höchstwert von 20 A erreicht. Der Leitwert des Widerstandes
32 in der Plusleitung 12 ist nämlich so gewählt, daß dann zwischen dem Emitter des
Steuertransistors T 2 und dem Pluspol der Batterie 11 von dem durch den Widerstand
32 und die Rückstromdiode D6 fließenden Laststrom ein Spannungsabfall erzeugt wird,
der die in gleicher Weise wie die Kristalldiode D4 arbeitende zweite Kristalldiode
D 5 stark stromleitend macht, so daß diese einen zum Pluspol der Batterie fließenden
Steuerstrom J5 zu führen vermag. Dieser Steuerstrom bringt den Steuertransistor
in sein Verstärkungsgebiet und löst daher die in Fig.3 angedeuteten Schwingungszüge
aus, so daß der Leistungstransistor mehr und mehr gesperrt wird. In Fig. 7 ist in
einem Schaubild der Regelkennlinienverlauf der Einrichtung nach Fig. 4 dargestellt.
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Der durch die Linie 35 angedeutete Zweig der Kennlinie gilt für den
Fall, daß die Lichtmaschine einen zwischen 0 und 20A liegenden Laststrom JL liefern
muß. Sobald jedoch der Laststrom beispielsweise infolge eines Kurzschlusses in der
Batterie oder in einem durch eine GlühlampeL und einen Schalter S in Fig. 4 angedeuteten
Verbraucherkreis die Kristalldiode D 5 stromleitend macht, fällt die Lichtmaschinenspannung
in der durch den zweiten Zweig 36 angedeuteten Weise sehr rasch ab, ohne daß die
über die Kristalldiode D4 mögliche Spannungsregelung zur Wirkung kommen kann.