De dynamo / spanningsregelaar in onze Panhards

Dit artikel is oorspronkelijk geschreven door Jean-Paul Cesar en verscheen in februari 2020 in het clubblad van de CPLF Bretagne. Het is bewerkt (vertaald en aangepast/uitgebreid) door Ries Kruidenier.

De spanningsregelaar is een onderdeel in onze auto’s dat de daar in gemonteerde gelijkspanningsdynamo in het gareel houdt. De gelijkspanningsdynamo is een doorontwikkeling van de wisselspanningsdynamo, die als eerste werd uitgevonden en die we hier als eerste onder de loupe nemen.

De Wisselspanningsdynamo

In 1832 ontdekte Faraday de ‘elektrische inductie’ en op basis daarvan konden wisselspanningsdynamo’s gebouwd worden die gebruikt werden voor elektrische verlichting met booglampen.De eenvoudigste wisselstroomdynamo, die iedereen kent, is de fietsdynamo.

De Fietsdynamo (Wisselspanningsdynamo met draaibare permanente magneet)

Aandrijving

Draaibare permanente magneet

IJzeren kern

Wisselspanning

Het is niet noodzakelijk dat de magneet roteert en de spoel stil staat, het mag ook andersom. Hieronder beide mogelijkheden.

De wisselspanningsdynamo                                De wisselspanningsdynamo

met draaiende permanente magneet                  met draaiende spoel en stilstaande permanente magneet

De eerste dynamo’s leverden een spanning die gedurende iedere omwenteling eerst positief en dan negatief was, een zgn. wisselspanning en die was niet bruikbaar voor het laden van accu’s. Gelijkstroom kon toe alleen alleen met batterijen worden opgewekt.

In 1870 vond Gramme de gelijkstroomdynamo uit door de twee ringen waarvan de spanning met koolborstels wordt afgenomen (zie vorig fig. rechts) te vervangen door één ring met twee van elkaar geïsoleerde segmenten. Nu wordt na iedere halve omwenteling, juist als de spanning negatief dreigt te worden, de spanning omgepoold en zo gelijkgericht. Er ontstaat een spanningsverloop zoals rechts onder, twee positieve pulsen per omwenteling en hiermee kan een accu wel worden opgeladen.

Dynamo met multipolaire rotor

Een gelijkspanningsdynamo met, zoals hierboven maar één winding op de rotor, levert een hele lage en zoals je ziet erg hobbelige uitgangsspanning. Om dat te verbeteren werd de dynamo geperfectioneerd met meer polen en meer windingen per pool. Het principe bleef gelijk, maar de uitgangsspanning werd zoals je ziet veel beter.

De uitgangsspanning van zo’n dynamo is afhankelijk van meerder factoren, namelijk:

• het toerental

• de sterkte van het magnetisch veld

• het aantal windingen van de spoelen op de rotor

Het toerental van de dynamo zal in onze auto sterk variëren en er zal dus nog wat moeten gebeuren om de laadspanning constant op zo’n 14 volt te houden!

In onze dynamo’s is daarom de permanente magneet vervangen door een elektromagneet (niets anders dan een spoel om twee ijzeren polen) waarvan de sterkte naar behoefte wordt aangepast door de ‘spanningsregelaar’.

Op de volgende bladzijde zie je een dergelijke dynamo schematisch getekend. De windingen op de rotor en de koolborstels zijn weggelaten.

De polen zijn geen permanente magneten, er is dus eerst stroom nodig voordat de dynamo kan starten (aanlopen). Dit is in de praktijk geen probleem omdat eenmaal gemagnetiseerd ijzer altijd een beetje, zogenaamd remanent, magnetisme behoudt. In de praktijk gebeurt het soms dat dit magnetisme, o.a. door fout aansluiten, verdwijnt. Het remanent magnetisme kan dan hersteld worden door de veldspoel even, met de goede polariteit, op 12 volt aan te sluiten.

Belangrijk om te weten:

Er bestaan geen aparte dynamo’s voor + of – aan de massa. Een dynamo wordt pas + of – na zijn ‘doop’, die bestaat uit het, met de juiste polariteit bekrachtigen, c.q. opwekken van het eerste remanent magnetisme.

Exploded view van de dynamo van onze auto’s

Bekrachtiging van onze dynamo’s

Bekrachtigen betekent in deze context niets anders dan een zodanige stroom door de veldwikkeling sturen, dat de uitgangsspanning van de dynamo de gewenste 14 volt bedraagt. Deze taak wordt door de spanningsregelaar uitgevoerd en dat kan op twee manieren:

• Bekrachtiging met de min aan de massa door D3 en D5 spanningsreglaars.

• Bekrachtiging met de plus aan de massa door D1 spanningsregelaars.

Alle Panhard dynamo’s worden worden bekrachtigd met D3 of D5 spanningsregelaars.

Hiernaast de schematische weergave van een dynamo die volgens het D3 en D5 systeem via de plus bekrachtigd wordt.

De aansluitingen van zowell de dynamo als de spanningsregelaar kennen de volgende aanduidingen:

• D of D+ de uitgang van de dynamo

• Ex of Exc de bekrachtiging van de veldwikkeling

• De derde aansluiting van de dynamo is de massa

De Spanningsregelaar Ducellier type D3-D5 (regeling via de +) zoals gemonteerd op

onze Panhards

De spanningsregelaar is een kastje waarin meer functies zijn ondergebracht dan dan de naam doet vermoeden, hij vervult de volgende taken:

• Hij regelt de stroom door de veldwikkeling zodanig dat de uitgaande spanning van de dynamo op zo’n 14 volt blijft.

• Hij zorgt er voor dat de stroom uit de dynamo, ook als er iets mis gaat (kortsluiting etc.) altijd zodanig beperkt blijft dat de dynamo heel blijft.

• Hij koppelt de dynamo aan het laadcircuit zodra de spanning van de dynamo hoger is dan die van de accu en ontkoppeld als die spanning weer lager wordt.

Spanningsregelaars zijn evenmin als dynamo’s, voor + of – aan de massa gebouwd, ze zijn voor beide systemen te gebruiken.

Toch schijnen niet alle combinaties goed samen te werken, onze magazijnmeester Wim Boers raadt daarom aan de originele combinaties te gebruiken, zie daarvoor de tabel aan het einde van dit artikel.

Werking van de spanningsregeling

De feitelijke spanningsregelaar is een relais, dus een elektromagneet (ijzeren kern met spoelen) die een schakelaar bedient. Het werkt als volgt:

• • In rust, de motor loopt nog niet, is contact c4/c5 gesloten.

  • De motor start, de dynamo begint te draaien, het remanent magnetisme wekt spanning op in de dynamo die via c4/c5 stroom af gaat geven naar de veldwikkeling, het magnetisch veld wordt sterker, de spanning die de dynamo afgeeft loopt op en daarmee de veldstroom en ook weer de spanning. De dynamo loopt aan.

  • Bij een spanning hoger dan dan de geplande 14 volt verbreekt het relais c4/c5 en krijgt de veldwikkeling een duidelijk lagere stroom doordat die stroom nu via weerstand R loopt en daardoor beperkt wordt. Door de lagere spanning valt het relais weer af, c4/c5 sluit weer en de spanning kan weer toe nemen. Onder deze omstandigheden staat het relais dus voortdurend om te schakelen.

  • Bij hogere toerentallen (en/of laagstroomgebruik) kan de spanning, ook na het inschakelen van weerstand R, te hoog oplopen, het relais trekt verder aan en dan sluit het contact c4/c6. De veldwikkeling ligt nu aan aarde, de spanning gaat naar nul, maar voor die tijd grijpt het relais weer in en c4/c6 opent. Ook dit contact zal dus vaak openen en sluiten.

  • Samenvattend, door voortdurend te schakelen weet de spanningsregelaar de spanning op, als het goed is 14,6 volt te houden.

De werking van de stroombeperking

Het relais dat voor de spanningsregeling gebruikt wordt heeft twee spoelen die zich duidelijk onderscheiden qua draaddikte. Alle stroom die de dynamo levert loopt door de spoel met het dikke draad (rood in bovenstaande figuur). Deze spoel is zo bemeten dat wanneer de stroom boven het maximum komt dat de dynamo mag leveren, het relais onmiddellijk geheel aantrekt. Contact c4/c6 sluit en de spanning gaat naar nul. Het relais valt hierdoor weer af, de stroom wordt (als er niets veranderd is) weer te groot, het relais trekt weer aan enz. enz. Kortom weer een klapperend relais. Eigenlijk zou dit voorkomen moeten worden door een zekering, maar daarin heeft Panhard nooit voorzien.

Het aan- en afschakelen

In het kastje ‘spanningsregelaar’ zit naast het al beschreven relais, nog een tweede en ook dit relais heeft twee spoelen.

We kunnen hier de volgende situaties onderscheiden:

• • Alles is in rust,

    • er staat geen spanning op de spanningsspoel

    • contact c1 is geopend

    • de accu is dus afgeschakeld van de dynamo

  • De motor en dynamo draaien

    • de dynamo levert voldoende spanning aan spoel B1 en contact c1 sluit

    • de accu wordt geladen, lampen etc. kunnen branden

    • de stroom die de dynamo levert loopt door spoel B2 en versterkt het magnetisch veld veroorzaakt door B1, contact C1 sluit extra stevig en dit maakt grotere stromen, tot zo’n 20 A mogelijk.

  • De dynamo levert geen stroom meer (defect) of de motor stopt

    • de accu geeft nog genoeg spanning af (12 à 13 V) om via het al gesloten contact C1, dat contact gesloten te houden

    • de accu gaat zich ontladen over de dynamo, maar deze grote stroom loopt omgekeerd door spoel B2 en verzwakt daardoor het magnetisch veld van B1, het relais valt af

    • C1 staat weer open en de accu is afgeschakeld.

Laadstroom indicatie

Veel van onze auto’s hebben een ampère (= stroom) meter aan boord. Deze meter (A in de vorige fig) geeft zowel het laden als ontladen aan en is opgenomen in de verbinding tussen de accu en de accu aansluiting op de spanningsregelaar. Alle stroom, zowel heen als terug wordt op de meter weergegeven.

Ook in de auto’s zonder zo’n luxe ampèremeter is een laadindicatie aanwezig in de vorm van een meestal rood signaallampje op het dashboard. Dit lampje is geschakeld tussen de plus van de accu en de Dyn aansluiting van de spanningsregelaar. Zolang de motor stilstaat en de dynamo geen spanning levert, zal het lampje branden. De stroom loopt dan vanuit de accu door het lampje en door de (rotor van) de dynamo naar aarde. Gaat de dynamo draaien/spanning leveren, dan is deze spanning tegengesteld aan die van de accu en het lampje gaat met het toenemen van die spanning langzaam zwakker branden en zodra de dynamospanning ongeveer gelijk is aan de accuspanning, doven. Je zou misschien verwachten dat zodra de dynamospanning hoger is dan de accuspanning, het lampje weer gaat branden, maar inmiddels is contact C1 (vorige fig.) gesloten en het lampje kortgesloten.

Problemen met de spanningsregelaar

Spanningsregelaars zijn in het algemeen behoorlijk betrouwbaar, maar de contacten van de relais worden continue belast en dat betekent ook continue slijtage, vergelijk het met banden.

De Ducellier spanningsregelaar opbouw en problemen

Uit ervaring blijken de volgende problemen het meest voor te komen:

• oxidatie van de aansluitingen

• oxidatie / slijtage contact c4/c5

• oxidatie van de aansluitingen van de weerstand R (ongeveer 22Ω)

Het is niet onmogelijk om deze problemen op te lossen, maar vaak zijn spanningsregelaars met problemen gewoon versleten en niet te redden. Willen toch een poging wagen dan staan de volgende mogelijkheden open:

• Losnemen en reinigen van de aansluiting spreekt

• de contacten c4/c5/c6 kunnen eventueel met fijn schuurpapier (400) gereinigd worden.

Probeer nooit de spanning van de veertjes te veranderen, ze zijn van bimetaal om temperatuurwisselingen te corrigeren en de praktijk leert dat hier geen winst te behalen valt.

Controle van een spanningsregelaar

Een spanningsregelaar kan op de werkbank tot op zekere hoogte gecontroleerd worden. Een regelbaar voedingsapparaat dat 0-15 V gelijkspanning levert biedt de mogelijkheid van een dynamische test van (alleen) de spanningsregeling:

• sluit de + en – van het apparaat aan op respectievelijk D en Massa

• sluit een 12 v lampje aan op Exc en aarde

• draai langzaam de spanning op, als de spanningsregelaar OK is dan gaat het lampje steeds feller branden totdat het ergens tussen de 13,5 en 14,6 volt uit gaat.

Maar ook met een universeelmeter zijn er mogelijkheden:

• Zet de meter op het laagste weerstandsbereik en controleer dan het volgende:

• De weerstand tussen Dyn en Massa, dat is de weerstand van B1 + B3 + R1 moet tussen de 30 en 50 Ω liggen.

• De weerstand tussen Dyn en Exc moet 0 zijn, als je daartussen ongeveer 10 Ω meet (ongeveer de weerstand R) dan is contact c4/c5 dat in rust gesloten is defect.

• Met geopende kap is het relais toegankelijk. Sluit dan c4/c6 met de hand en meet tussen Exc en Massa, het resultaat moet 0 Ω zijn, als dat niet het geval is, dan zal contact c6 de schuldige zijn.

Weerspannige dynamo

Mocht een dynamo die overigens OK lijkt, geen spanning af te willen geven, dan bestaat de kans dat het remanent magnetisme verloren is gegaan. Probeer dan altijd even Exc en Bat via een 12V 21 W lampje een een paar seconden te verbinden. Het remanent magnetisme is dan met zekerheid hersteld.

Nooit Exc en Bat direct doorverbinden, want dat levert een verbrand c4/c5 contact op.

Originele onderdelen en hun vervanging

Onze Panhards zijn oorspronkelijk voorzien van de volgende dynamo’s en spanningsregelaars:

Ducellier 8214 A

Ducellier 8277 A D3

Ducellier RG12 D5

Paris-Rhone YD21 YD214

Al deze dynamo’s zijn ontworpen voor:

• 14 V

• Max. stroom 20 A

• Max. vermogen 300 W

Er zijn veel andere spanningsregelaars compatibel:

• Paris-Rhone YD216, YD214, YD 212, YD217

• Ducellier 6073, 8199, 8275, 8294, 8303, 8311, 8324, 8342, 8432A, D5

Het is eigenlijk alleen oppassen voor spanningsregelaars die in het Frans als ‘Cox’, worden aangeduid, want dat zijn veel zwaardere regelaars voor allerlei VW typen. Ze kunnen wel 38/40 A aan en zijn bedoeld voor 500 W dynamo’s. Hieronder een plaatje van zo’n Cox die dus niet op onze Panhard dynamo’s past.

Aansluitingen van dynamo en spanningsregelaars

Er worden veel verschillende aanduidingen gebruikt, hieronder de meest voorkomende:

• Aansluiting dynamo op spanningsregelaar Dyn, D+, D, Arm, 15

• Aansluiting accu op spanningsregelaar: Bat, B+, B, A

• Aansluiting veldstroom: Exc, DF,67

• Massa Spanningsregelaar: M, D-, Gnd, E, in schema’s,

Overigens wordt de massa van een spanningsregelaar vaak niet als een aansluitklem uitgevoerd, dat is ook bij dynamo’s het geval. Er wordt dan vertrouwd op het contact tussen het huis van het apparaat en het chassis van de auto. Zorg dus dat die contacten niet door lak en/of oxidatie verhinderd worden.

De ontwikkeling ging en gaat door

De oorspronkelijke wisselspanningsdynamo werd dus al in de negentiende eeuw met een mechanische modificatie van gelijkrichting voorzien. Later werd de zo ontstane gelijkspanningsdynamo van een elektromechanische spanningsregelaar voorzien en die combinatie bleek uitermate geschikt om in auto’s de benodigde elektriciteit te leveren. Dit systeem werd nog tot in de vijftiger jaren met steeds betere materialen verfijnd, maar toen was zowel het het hoogte- als eindpunt van deze ontwikkeling bereikt.

Nieuwe elektronische componenten bleken grotere mogelijkheden te bieden en de auto industrie greep terug op de wisselspanningsdynamo, die in combinatie met wat goedkope en slijtvaste elektronische componenten een beter alternatief was. De voordelen van de wisselspanningsdynamo met elektronica zijn:

• Al bij stationair toerental wordt een stevige stroom geleverd en de accu bijgeladen.

• Grotere betrouwbaarheid

• Nauwelijks slijtage

• Groter vermogen

Nadelen zijn vrijwel afwezig en er zijn voldoende goedkope en in onze auto’s passende modellen voor lage prijzen (< €100) te koop, de enige aanpassing die gerealiseerd moet worden is een passende poelie.

De voordelen lijken misschien niet spectaculair, maar zijn toch voor velen overtuigend genoeg om, ook in hun Panhard, de originele dynamo te vervangen door zo’n modern ding. Op de volgende foto mijn 24BT voorzien van een (Mazda?) wisselspanningsdynamo.

Schakeling wisselspanningsdynamo

Bij deze dynamo is er geen sprake van een aparte spanningsregelaar. Er is slechts één klein lampje nodig. De stroom door dit lampje zorgt er voor dat de dynamo kan aanlopen en heeft daarbij hetzelfde gedrag als het eerder beschreven laadstroomlampje bij een gelijkstroomdynamo. Het brandt als alles stil staat en het gaat uit als de dynamo op spanning komt / gaat laden. Hieronder het heel eenvoudige schema.

Moderne wisselstroomdynamo’s

Overigens is de hier getoonde wisselstroomdynamo een model van al weer zo’n dertig jaar terug. Echt moderne, inmiddels watergekoelde dynamo’s kunnen veel grotere stromen leveren dan de 40 A van dit model, maar voor onze Panhards is dat overbodige luxe, ze worden hier niet verder behandeld.

Panhard dynamo/spanningsregelaar combinaties

Panhard Automobielclub Nederland