-
-
Spannungsregler für Nebenschlußgeneratoren
-
Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler für Nebenschlußgeneratoren,
vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, der mit einer einen Leistungs-Schalttransistor
ansteuernden Hybridschaltung versehen ist, wobei durch entsprechende Ansteuerung
der Basis des Transistors dessen Kollektor-Emitter-Strecke die Generatorspannung
bei schwankender Drehzahl und Belastung an die erforderliche Batterie-Ladespannung
anpaßt, sowie eine Schaltungsanordnung und Verfahren zur Herstellung einer Hybridschaltung
für einen derartigen Positiv- oder Negativ-Spannungsregler.
-
Derartige Spannungsregler sollen klein, kompakt und somit unempfindlich
gegen Stöße und Vibrationen sein. Zur Vermeidung von langen Verbindungsleitungen
sollen derartige Spannungsregler direkt an den Generator anbringbar sein. Darüber
hinaus ist es erforderlich, daß solche Spannungsregler in einem weiten Temperaturbereich
sicher arbeiten.
-
Es ist bekannt, die Spannungsregler-Schaltung auf einem Keramiksubstrat
anzuordnen. Dabei werden je nach Anwendungserfordernis positiv- oder negativ-regelnde
Schaltungen vorgesehen, wobei für einen Positiv- oder Negativ-Regler jeweils unterschiedliche
Schaltungen mit den jeweils unterschiedlichen Leistungs-Schalttransistoren erforderlich
sind. Als positiv-regelnde Schaltungen (Positiv-Regler) werden solche bezeichnet,
bei denen die Erregerwicklung des Generators fest am negativen Potential der elektrischen
Anlage angeschlossen ist, wobei die Regelung im Strompfad des positiven Erregerwicklungsanschlusses
erfolgt, bei
negativ regelnden Schaltungen (Negativ-Regler) sind
die Polaritätsverhältnisse entsprechend umgekehrt, d.h. hier ist die Erregerwicklung
des Generators fest mit dem positiven Potential der elektrischen Anlage verbunden,
und die Regelung erfolgt im Strompfad des negativen Erregerwicklungsanschlusses.
-
Bei den bekannten Anordnungen sind die Leistungs-Schalttransistoren
jeweils mit ihrer 'Kühlfläche' auf das die übrige Schaltung tragende Keramiksubstrat
aufgelötet.
-
Diese bekannten Anordnungen sind vom mechanischen Aufbau her gesehen
äußerst kompakt und arbeiten im großen und ganzen zufriedenstellend.
-
Jedoch wird die im Leistungstransistor auftretende Verlustwärme bei
diesen Anordnungen auf das Keramiksubstrat übertragen und von hier aus erst an die
Umgebung abgeführt. Hierbei werden das gesamte Keramiksubstrat und somit auch die
Bauelemente der Ansteuerschaltung erwärmt und der Temperaturgang der gesamten Schaltung
ungünstig beeinflußt, so daß über den gesamten Anwendungsbereich von niedrigster
bis höchster ( Umgebungstemperatur ) Betriebstemperatur eine optimal an die Batterie
angepaßte Ladespannung nicht erzielt wird, bzw. es muß die maximal zulässige Schaltleistung
des Reglers reduziert werden, damit die auftretende Erwärmung die Ansteuerschaltung
nicht übermäßig beeinflußt.
-
Darüber hinaus sind für jede Regelungsart (Positiv-/Negativ-Regler)
aufgrund unterschiedlicher Schaltungsauslegung bei bekannten Reglern separate, unterschiedliche
Hybridbausteine herzustellen und auf Lager zu halten.
-
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, bei einem Spannungsregler
der eingangs genannten Art die Wärmeübertragung vom Leistungs-Schalttransistor zum
übrigen Teil der Schaltelemente zu verringern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Leistungs-Schalttransistor
ein Transistor mit einer Kühlfläche verwendet wird, wobei der Transistor mit seinen
ggf. abgewinkelten Anschlußfahnen so in die Hybridschaltung eingesetzt ist, daß
die Kühlfläche zu der dem Keramiksubstrat abgewandten Seite weist. Weitere vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung sind
in den Ansprüchen 2 und 3 enthalten.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, eine Schaltungsanordnung
für einen Spannungsregler so auszubilden, daß für die zwei unterschiedlichen Reglerbauarten,
wie Positiv-Regler und Negativ-Regler, nur noch ein einheitliches Grundbauteil Anwendung
findet.
-
Diese weitere Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Schaltungsträger
ein Keramiksubstrat vorgesehen ist, daß auf dem Keramiksubstrat miteinander verbundene
Leiterbahnen. für Positiv- und Negativ-Regelung vorgesehen sind, und daß beim Abgleichvorgang
vorzugsweise mittels Laserstrahl-Technik, jeweils nicht benötigte Verbindungs-Leiterbahnen
durchtrennt werden.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß bei dem erfindungsgemäßen Spannungsregler der lastabhängige Wärmeeinfluß des
Leistungs-Schalttransistors auf die Regelschaltung vollständig eliminiert ist. Daher
kann die Batterie-Ladespannung optimal an die Batteriespannung angepaßt werden,
ohne daß sich störende Einflüsse und Rückwirkungen durch die Belastung, d.h. Stromfluß
durch den Schalttransistor, auf die Ladespannung auswirken.
-
Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, bei der erfindungsgemäßen
Anordnung den Schalttransistor mit einem zusätzlichen, ggf. von dem Rotorluftstrom
des Generators gekühlten Kühlblech zu versehen. Hierbei wird dann entweder die abgebbare
Verlustleistung und somit die max. zulässige Schaltleistung des Reglers beträchtlich
erhöht (es können höhere Leistungen/ Ströme geschaltet werden) oder es kann ein
kleinerer Transistortyp in die Schaltung eingesetzt werden.
-
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowie dem
Verfahren zur Herstellung einer Hybridschaltung ist darüber hinaus der Vorteil gegeben,
daß die Stück-Herstellkosten eines Hybrid-Bausteines für einen Spannungsregler entschieden
vermindert werden, da aufgrund des einheitlichen Grundbauteiles die Fertigungs-Losgrößen
für den Hybridbaustein verdoppelt werden können. Für Positiv- und Negativ-Regler
findet das gleiche Grundbauteil Anwendung. Lediglich bei der Bestückung des Hybridbausteines
mit den Subminiatur-Bauelementen werden die
polaritätsabhängigen
Dioden entsprechend der erforderlichen Polung für die jeweilige Reglerart in der
jeweiligen Lage (Richtung) eingesetzt sowie entsprechende PNP- oder NPN-Transistoren
vorgesehen. Derartige Transistoren sind als mechanisch baugleiche Komplementärtypen,
bei denen Emitter-, Basis- und Kollektoranschluß an gleicher Stelle liegen, allgemein
erhältlich.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 die Ansicht des mechanischen
Aufbaus eines Spannungsreglers, Fig. 2 die Seitenansicht des Spannungsreglers gem.
Fig. 1, Fig. 3 das Schaltbild eines Positiv-Spannungsreglers, Fig. 4 das Schaltbild
eines Negativ-Spannungsreglers, Fig. 5 einen Ausschnitt des mechanischen Aufbaus
eines Positiv-Spannungsreglers in vergrößerter Darstellung und Fig. 6 einen Ausschnitt
des mechanischen Aufbaus eines Negativ-Spannungsreglers in vergrößerter Darstellung.
-
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Spannungsregler besteht im wesentlichen
aus einer Hybridschaltung 1 und dem darauf aufgelöteten Leistungs-Schalttransistors
T1. Die Hybridschaltung ist eine in an sich bekannter Weise auf einem Keramiksubstrat
2 aufgebrachte Schaltungsanordnung mit gedruckten Leiterbahnen und Kohleschichtwiderständen
sowie aufgelöteten Subminiatur-Bauelementen, wie Dioden, Steuertransistoren und
Kondensatoren. Lediglich Leistungsbauelemente sind nachträglich in einem zusätzlichen
Verfahrensschritt beim Herstellungsablauf aufgelötete Dioden D3 bzw. Transistoren
T1.
-
Der Leistungs-Schalttransistor Tl mit der Gehäuseform TO-220 AB ist
mit abgewinkelten Anschlußfahnen 3 versehen und deren Enden 4 sind auf die Keramiksubstratplatte
2 gelötet. Es versteht sich von selbst, daß von den Lötstellen weiterführende Leiterbahnen
zur weiteren Schaltung vorgesehen sind. Die Abwinkelung der Anschlußfahnen und das
Auflöten ist so vorgenommen, daß
die zum Anbringen eines Wärmeleitbleches
vorgesehene Fläche 5 (Metallfläche) des Transistorgehäuses zu der dem Keramiksubstrat
2 abgewandten Seite weist.
-
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist an der Kühlfläche 5 des Transistors
ein Wärmeleitblech 6 mittels der Nietbefestigung 7 angebracht. Die Gehäuseseite
des Transistors, .die auf der Keramiksubstratplatte aufliegt, bzw. zu dieser weist,
besteht aus Kunststoffmaterial.
-
Im Transistor entstehende Wärme wird nunmehr vom angebauten Kühlblech
6 abgestrahlt, wobei vorgesehen sein kann, daß das Kühlblech in montiertem Zustand
in den Luftstrom des Generatorrotors ragt. Die zur Keramiksubstratplatte weisende
Transistorfläche ist, wie vorstehend bereits erwähnt, aus Kunststoffmaterial, so
daß hier kaum Wärme abgestrahlt und auf das Keramiksubstrat übertragen wird.
-
Anschlußpfosten 8, die auf die Keramiksubstratplatte 2 aufgelötet
und elektrisch mit der Hybridschaltung verbunden sind, dienen der elektrischen Verbindung
mit dem hier nicht näher dargestellten Generator. Der Übersichtlichkeit halber wurde
in der Darstellung in Fig. 1 das am Transistor T1 befestigte Wärmeleitblech 6 (Kühlblech)
nicht gezeichnet.
-
In der Fig. 3 ist die elektrische Schaltung eines Positiv-Reglers
dargestellt, während die Fig. 4 die Schaltung eines Negativ-Reglers zeigt. Man erke.nnt,
daß beide Schaltungen an sich gleichartig aufgebaut sind, lediglich die Transistoren
sind entweder PNP- oder NPN-Typen, und die jeweils erforderlichen Dioden sind mit
entgegengesetzter Polung in den beiden Schaltungen vorgesehen. PNP- und NPN-Transistoren
sind als sogenannte Komplementärtypen mit gleicher Pin-Konfiguration bezüglich Emitter-,
Basis- und Kollektoranschluß allgemein erhältlich. Dieses wird bei der vorliegenden
Erfindung ausgenutzt, indem nämlich bei gleicher Grundschaltung (Leiterbahn- und
Widerstandsanordnung auf einem Keramiksubstrat) die Entscheidung, ob ein Positiv-
oder Negativ-Regler erstellt werden soll, bei der Bestückung des Substrats mit Bauelementen
getroffen wird.
-
Hier werden dann jeweils entweder NPN- oder PNP-Transistoren aufgelötet.
Die Dioden D1, D3, D4 können, da sie in mechanisch symmetrischen Gehäusen im Handel
erhältlich sind, in der für die jeweilige Schaltungsart erforderlichen Polung auf
das Substrat aufgesetzt werden.
-
Lediglich die Zenerdiode D2 ist nur in einem Gehäuse erhältlich, das
eine unsymmetrische Anschluß-Pin-Anordnung aufweist. Eine Sonderbauform dieser Diode
mit entgegengesetzter Anschlußpolarität ist aus Kostengründen nicht vertretbar,
so daß hier vorgesehen ist, daß diese Diode bei beiden Reglerausführungen in gleicher
mechanischer Lage auf das Substrat aufgelötet wird. Die elektrische Umpolung für
die eine oder andere Schaltungsausführung wird dadurch erzielt, daß auf dem Keramiksubstrat
zunächst miteinander verbundene Leiterbahnen für beide ' Polaritätsrichtungen' vorgesehen
sind. Je nach erforderlicher Polung der Diode D2 werden 2 Leiterbahnverbindungen
getrennt, so daß die bestehenbleibenden Verbindungen die jeweils erforderliche Polung
der Diode bewirken.
-
In den Schaltungen ist ein Widerstand R1 vorgesehen, der bei einem
Funktionsabgleich jedes Reglers auf einen bestimmten Wert abgeglichen werden muß.
Hierfür wird vorteilhafterweise eine Laserstrahl-Technik vorgesehen, wobei mittels
eines präzisen Laserstrahles Material des aufgedruckten Kohleschichtwiderstandes
abgetragen wird. Dieses Verfahren ist an sich bekannt und soll hier nicht weiter
erörtert werden. Wesentlich ist lediglich, daß diese ohnehin schon zur Anwendung
kommende Technik nunmehr auch benutzt wird, um vor dem Funktionsabgleich die beiden
Leiterbahntrennungen vorzunehmen.
-
Weiterhin sei noch erwähnt, daß bei den beiden Schaltungen Fig. 3
und 4 die äußeren Anschlüsse D+ und D- jeweils vertauscht sind. Die entsprechende
Zuordnung kann jedoch problemlos in dem jeweiligen Generator erfolgen, in den der
Regler eingesetzt wird.
-
In den Fig. 5 und 6 ist die Verschaltung und Anordnung der Leiterbahnen
auf dem Keramiksubstrat mit den entsprechenden Bauelementen ausschnittsweise vergrößert
dargestellt.
-
Dabei entspricht dieser Ausschnitt dem in der Fig. 1 mit dem Kreis
9 umgebenen Bereich.
-
Für den in Fig. 5 dargestellen Positiv-Regler wird die entsprechende
Polung der Diode D2 dadurch erreicht, daß hier die Leiterbahnen 10 und 11 an den
Stellen 10' und 11' durchtrennt werden, während für den in der Fig. 6 dargestellten
Negativ-Regler vorgesehen ist, daß hier zwecks richtiger Polarität der Diode D2
die Leiterbahnen 12 und 13 an den Stellen 12' und 13' durchtrennt werden. Zur besseren
Übersicht und Verständlichkeit wurden in den Fig. 5 und 6 noch die Bezeichnungen
der Dioden-bzw. Transistoranschlüsse mit den gebräuchlichen Buchstaben vorgesehen.
-
Der Vollständigkeit halber sei hier noch erwähnt, daß die Anwendung
vorstehend näher erläuterter Verfahrensweise nicht nur auf eine bestimmte Diode
bzw. ein bestimmtes Bauteil beschränkt ist sondern vorteilhafterweise in allen Fällen
anwendbar ist, in denen keine anschlußsymmetrischen Bauelemente. verfügbar sind
oder aus Kostengründen nicht einsetzbar sind.
-
- Leerseite -