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Ladegerät für Akkumulatoren mit Spannungsstabilisation Die Lebensdauer von Akkumulatoren, insbesondere von Bleiakkumulatoren, ist in starkem Masse vom Ladungsmodus dieser Akkumulatoren abhängig. Zu seltenes und zu schwaches Laden der Akkumulatoren führt zu einer Anreicherung von Bleisulfat in den Platten, das mit der Zeit in eine grobkristalline Form übergeht und während einer späteren Ladung nicht mehr abgebaut wird, was ein Verlust an Kapazität bedeutet. Zu starkes Laden wiederum führt zu einer Durehformation der Gitter der positiven Platten.
Insbesondere muss darauf ;eaclitizt werden. dass gegen das Ende einer Ladung der Akkurnulator nicht zu stark gast. da der entstehende Sauerstoff zur Oxydation der Bleigitter führt. Der Einsatz des Gases ist mit einem Spannungsanstieg an der Akkuzelle gekoppelt. Durch Stabilisation der Spannung des Ladegerätes erreicht man, dass eine gewisse vorgegebene Spannung am Akkumulator. 2,25 Volt pro Zelle für stationäre Batterien oder 2.40 Volt pro Zelle für Traktionsbatterien, nicht überschritten werden kann.
Sobald die vorgegebene Limite erreicht ist. regelt das Ladegerät den Ladestrom soviel zurück, dass die Klemmenspannung des Akkus Gerade auf dem vorgeschriebenen Höchstwert bleibt und schädliches Gasen vermieden wird, bis schluss- endlich bei ganz vollgeladenem Akkumulator nur noch ein kleiner, konstanter Ladungserhaltungsstrom vom Ladegerät abgegeben wird. Schlisst man an ein solch spannungsstabilisiertes Ladegerät einen sehr stark entladenen Akkumulator mit sehr tiefer Klemmenspannung an, könnten unter Umständen sehr grosse Ladeströme auftreten, da der innere Widerstand eines Akkus und auch des Ladegerätes im allgemeinen sehr klein ist.
Daher werden diese spannungsstabilisierten Ladegeräte meistens auch noch mit einer Strombegrenzung ausgerüstet. Solche Gerate besitzen eine U-1-Charakteristik, wie sie z. B. im DIN-Entwurf Nr. 41 773. DK 621314 63; 621355 163 vom November 1966 genauer umschrieben wurde.
Bei bekannten spannungsstabilisierten Batterieladegeräten erfolgt die Zurücksteuerung des Stromes durch Veränderung des Zündwinkels, während dem die Thy- ristoren den Strom durchlassen. Zitiert sei hier die Beschreibung eines SCR Battery Chargers im Molo- rola Semiconductor Circuits Manual 196-1, Seite ä-5-1. Um den Zündimpuls zu erhalten. ist ein Unijunctions- Transistor notwendig. dessen Impulse durch eine Gleichrichter-Zenerdiod:
a-Anordnun_ mit dem Netz- wechseIstroni noch s\ncii:onisiert erden muss. Zur Cbertragung des Imptti.,;@ auf dic Steuerelektrode de < Thyristors ist ein Transformator nonA-endig.
Der nicht unbeträchtlich;: Auf%#,and an Elektronil: verteuert diese bekannten Ladezeriite bedeutend. Besonders bei kleinen 12-Volt Lind 24-Volt Notstromanlauen kann das zur Aufrechterhaltun; der Ladung notwendige Geräte ein Mehrfaches der Batterie selbst kosten.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine einfache und billige Anordnung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung an einer Batterie, die in folgenden Ausführungsbeispielen in den Fig. 1, Fig. und Fig. 3 näher erläutert wird. Fig. l zeigt die Version eines Einweggleichrichters mit Spannungsstabilisation.
Während der positiven Halbwelle in der Sekundär- wickIun!z des Netztransformators (Pos. 1) fliesst der Strom über den Thyristor (Pos. 2) und ladet die Batterie (Pos. 3). Der Zündstrom. der zur Zündung des Thri- stors notwendig ist, fliesst über Wid:rstand (Pos. 4) %om Transformator zur Steuerelektrode des Tliyristors (Pos. 4) vom Transformator zur Steuerelektrode des Thri- stors (Pos. 2). Der Widerstand (Pos. 4) dient zur Beschränkung des Zündstroms.
Eine Fünfschicht-Kipp- diode (Pos. 5) ist zwischen der Steuerelektrode des Thyristors (Pos. 2) und dem Abgriff Spannungst:i- lers (Pos. 6. 7 & 8), der mit den Endpunkten an (]ei,
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Batteriepolen angeschlossen ist. Der bekanntere englische Fachausdruck für Fünfschicht-Kippdiode, auch nur Fünfschichtdiode genannt, wäre Bilateral-Switchp. Der englische und deutsche Ausdruck decken sich nicht ganz, da der Bilateral-Switch eine dritte Elektrode zur Beeinflussung der Kippspannung besitzt und eine Triode ist.
Die dritte Elektrode wird aber meistens, so auch in den Schaltungen des vorliegenden Patentes nicht benützt, also wird der Bilateral-Switch als Diode verwendet. Die Fünfschicht-Kippdiode (Pos. 5) hat die Eigenschaft, dass wenn die Spannung an ihr einen gewissen Wert, vorteilhafterweise 8,3 Volt, überschreitet, sie vom isolierenden in den leitenden Zustand hinüberwechselt, wodurch die Spannung an ihr ungefähr auf 1 Volt absinkt. Durch die Ladung über den Thyri- stor (Pos. 2) steigt die Spannung am Akkumulator langsam an.
Ebenso muss die Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors (Pos. 2) gegenüber dem Minuspol der Batterie um denselben Betrag ansteigen, da die zur Zündung notwendige Spannungsdifferenz von der Kathode zur Steuerelektrode des Thyristors (Pos. 2) immer dieselbe bleibt. Dadurch steigt aber auch die Spannung an der Fünfschicht-Kippdiode (Pos. 5). Für eine gewisse maximale Batteriespannung, deren Höhe durch Veränderung des Teilverhältnisses am Spannungs- teiler (Pos. 6, 7 & 8) eingestellt werden kann, tritt der Zustand ein, dass die Fünfschicht-Kippdiode (Pos. 5) vor dem Thyristor (Pos. 2) zündet.
Der Zündstrom wird dadurch der Steuerelektrode entzogen und die Zündung des Thyristors (Pos. 2) und damit auch die Ladung der Batterie unterbleibt. Nach einiger Zeit sinkt die Spannung an der Batterie, der Thyristor (Pos. 2) zündet wieder und das Regelspiel kann sich wiederholen. Es handelt sich also um eine Zweipunktregelung, im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Reglern, die man als Proportionalregler bezeichnen würde. Die Pendelungen der Ladung im Schwebeladezustand haben auf die Lebensdauer der Batterie keinerlei nachteilige Wirkung.
Das Regelsystem, das in Fig. 1 anhand eines Einweggleichrichters gezeigt ist. kann sinngemäss auf Vollwe;-zleichrichtunL. \3,i,2 in Fi_. ? für eine Brückenschaltung. Fio. 3 für eine Mittelpunktschaltung und Fig. 4 für eine Graetzschaltung gezei_t ist. übertragen werden. Wenn grössere Thyristoren mit grösseren Anforderungen inbezug auf den Zündstrom an_esteuert werden müssen, genügt der Strom. der die Fünfschicht-Kippdio- de führen kann. nicht mehr.
Es ist in solchen Fällen, wie in Fig. la veranschaulicht, eine Stromverstärkung mit einem Transistor 45 nötig. dessen Basis über einen Kollektor-Basis-Widerstand 46 gespeist wird und dessen Basisstrom über einen Schutzwiderstand 47 von der Fünfschicht-Kippdiode (Pos. 5) entzogen wird. Da in der Sperrphase der Transistor hohen Spannungen ausgesetzt ist. kann es preislich vorteilhafter sein, einen billigen Transistor 45 mit kleinen Sperreigenschaften und eine relativ ebenfalls billige Diode 48 in Serie zu schalten.
In einer solchen Schaltung (Fig. la) ist dann die spannungsempfindliche Fünfschicht-Kippdiode über 3 temperaturitbli:inL,ioe Diodenstrecken, nämlich Steuerelektrode-Kathode des Th,.-ristors z. Basis-Kollektor- strecke des Transistors 45 und Diode 48 verbunden, und es kann notwendig werden, den Temperaturgang der stabilisierten Spannung mit einem Ne,-,ativ-Temperatur- Koeffizient-Widerstand 81 im Spannungsteiler (Pos. 6, 7 8) zu kompensieren. Die Dioden Pos.
10, 101 und 102 in Fig. 2 und 3 sind notwendig, um den Rückstrom von der Batterie über die Steuerelektrode des Thyristors (Pos. 2) über die Fünfschicht-Kippdiode (Pos. 5) zu unterbinden, der sonst den letzteren von einer Halbphase in die nächste in gezündeten Zustand halten würde und so die Wiederzündung des Thyristors (Pos. 2) verunmöglichen würde.
Die Dioden (Pos. 111 und Pos. 112) in Fig. 3 verhindern, dass der Zündstrom z. B. für Thyristor Pos. 21, der über den Widerstand Pos. 41 zufliesst, über Widerstand Pos. 42 wieder abfliesst und so die Zündung unterbleibt.
Anstatt der Fünfschichtdiode Pos. 5 kann irgendein elektrischer Zweipol verwendet werden, der keine Proportionalität zwischen Spannung und Strom aufweist und dessen Verhältnis Spannung zu Strom für grössere Spannung kontinuierlich oder sprunghaft absinkt. Als solche Dipole kommen in Frage Anordnungen, die Dioden, Zenerdioden, TransistorJn. Unijunctionstransi- storen, Thyristoren, galvanische Elemente oder Glimmlampen enthalten. Wesentlich an all diesen Elementen ist, dass sie beim Überschreiten einer bestimmten vorgegebenen Spannung ihre Eigenschaften möglichst brüsk ändern. 1m folgenden wird deshalb immer allgemein von spannungsempfindlichem Element gesprochen.
Die Gleichrichtereinrichtung scheint zur Zeit für Batterieladung besonders vorteilhaft zu sein. Sie arbeitet auch mit Widerstandslast, wenn dem Lastwiderstand ein genügend grosser Kondensator parallelgeschaltet wird, sodass die Zeitkonstante des entstandenen R-C-Gliedes beträchtlich grösser ist als eine Periodendauer des gleichgerichteten Wechselstromes.
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Charger for accumulators with voltage stabilization The service life of accumulators, especially lead accumulators, depends to a large extent on the charging mode of these accumulators. Charging the batteries too seldom and too weakly leads to an accumulation of lead sulphate in the plates, which over time turns into a coarsely crystalline form and is no longer degraded during a later charge, which means a loss of capacity. Too much charging in turn leads to a deformation of the grid of the positive plates.
In particular it must be eaclitizt that the accumulator does not gas too much towards the end of a charge. because the resulting oxygen leads to the oxidation of the lead grid. The use of the gas is coupled with an increase in voltage on the battery cell. By stabilizing the voltage of the charger, a certain predetermined voltage is achieved on the accumulator. 2.25 volts per cell for stationary batteries or 2.40 volts per cell for traction batteries cannot be exceeded.
As soon as the specified limit is reached. the charger regulates the charging current back so much that the terminal voltage of the battery just remains at the prescribed maximum value and harmful gases are avoided until finally, when the battery is fully charged, only a small, constant charge maintenance current is emitted by the charger. If a very strongly discharged accumulator with a very low terminal voltage is connected to such a voltage-stabilized charger, very high charging currents could possibly occur, since the internal resistance of a battery and also of the charger is generally very small.
Therefore, these voltage-stabilized chargers are usually also equipped with a current limiter. Such devices have a U-1 characteristic, as z. B. in the DIN draft No. 41 773. DK 621314 63; 621355 163 from November 1966 was described in more detail.
In known voltage-stabilized battery chargers, the current is returned by changing the ignition angle during which the thyristors let the current through. The description of an SCR battery charger in the Molorola Semiconductor Circuits Manual 196-1, page ä-5-1, is quoted here. To get the ignition pulse. a unijunctions transistor is necessary. whose impulses through a rectifier zener diode:
a-arrangement with the NetzwechseIstroni still has to be s \ ncii: onized. To transfer the Imptti.,; @ To the control electrode of the thyristor, a transformer is nonA-ended.
The not inconsiderable ;: On% #, and to Elektronil: makes these known charging times significantly more expensive. Especially with small 12-volt and 24-volt emergency power loops, this can be used to maintain; Devices required for charging cost several times the battery itself.
The object of the present invention is a simple and inexpensive arrangement for maintaining a constant voltage on a battery, which is explained in more detail in the following exemplary embodiments in FIGS. 1, 3 and 3. Fig. 1 shows the version of a half-wave rectifier with voltage stabilization.
During the positive half-wave in the secondary winding of the mains transformer (item 1), the current flows through the thyristor (item 2) and charges the battery (item 3). The ignition current. which is necessary to ignite the thristor flows through the resistor (pos. 4)% from the transformer to the control electrode of the thistle transistor (pos. 4) from the transformer to the control electrode of the thristor (pos. 2). The resistor (item 4) is used to limit the ignition current.
A five-layer breakover diode (pos. 5) is between the control electrode of the thyristor (pos. 2) and the voltage switch (pos. 6. 7 & 8), which is connected to the end points at (] ei,
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Battery poles is connected. The more well-known English technical term for five-layer breakover diode, also just called five-layer diode, would be bilateral switchp. The English and German expressions do not entirely coincide, as the bilateral switch has a third electrode to influence the breakover voltage and is a triode.
The third electrode is mostly not used in the circuits of the present patent, so the bilateral switch is used as a diode. The five-layer breakover diode (item 5) has the property that when the voltage across it exceeds a certain value, advantageously 8.3 volts, it changes over from the insulating to the conductive state, which causes the voltage across it to drop to approximately 1 volt . Charging via the thyristor (item 2) slowly increases the voltage on the accumulator.
The voltage at the control electrode of the thyristor (item 2) must also increase by the same amount compared to the negative pole of the battery, since the voltage difference between the cathode and the control electrode of the thyristor (item 2) required for ignition always remains the same. This also increases the voltage on the five-layer breakover diode (item 5). For a certain maximum battery voltage, the level of which can be set by changing the division ratio on the voltage divider (items 6, 7 & 8), the situation occurs that the five-layer breakover diode (item 5) is in front of the thyristor (item. 2) ignites.
The ignition current is withdrawn from the control electrode and the thyristor (item 2) is not ignited and the battery is not charged. After a while the voltage on the battery drops, the thyristor (item 2) ignites again and the control cycle can repeat itself. It is therefore a two-point control, in contrast to the controllers mentioned at the beginning, which would be called proportional controllers. The oscillations of the charge in the floating state of charge have no detrimental effect on the service life of the battery.
The control system shown in Fig. 1 using a half-wave rectifier. can apply mutatis mutandis to Vollwe; -ZleichrichtunL. \ 3, i, 2 in Fig. ? for a bridge circuit. Fio. 3 for a midpoint circuit and FIG. 4 for a Graetz circuit is shown. be transmitted. If larger thyristors with greater requirements in relation to the ignition current have to be activated, the current is sufficient. who can guide the five-layer tilting diode. no more.
In such cases, as illustrated in FIG. La, a current amplification with a transistor 45 is necessary. whose base is fed via a collector-base resistor 46 and whose base current is drawn from the five-layer breakover diode (item 5) via a protective resistor 47. Since the transistor is exposed to high voltages in the blocking phase. it can be cheaper to connect an inexpensive transistor 45 with small blocking properties and a relatively inexpensive diode 48 in series.
In such a circuit (Fig. La) the voltage-sensitive five-layer breakover diode is then over 3 temperaturitbli: inL, ioe diode sections, namely control electrode-cathode of the Th, .- ristor z. Base-collector path of transistor 45 and diode 48 are connected, and it may be necessary to compensate for the temperature variation of the stabilized voltage with a Ne, -, ativ temperature coefficient resistor 81 in the voltage divider (pos. 6, 7 8) . The diodes pos.
10, 101 and 102 in Fig. 2 and 3 are necessary to prevent the reverse current from the battery via the control electrode of the thyristor (item 2) via the five-layer breakover diode (item 5), which would otherwise prevent the latter from a half-phase in the next would hold in the ignited state and thus make re-ignition of the thyristor (pos. 2) impossible.
The diodes (pos. 111 and pos. 112) in Fig. 3 prevent the ignition current from e.g. B. for thyristor pos. 21, which flows in via resistor pos. 41, flows out again via resistor pos. 42 and so the ignition does not take place.
Instead of the five-layer diode pos. 5, any electrical two-terminal pole can be used which has no proportionality between voltage and current and whose voltage-to-current ratio drops continuously or abruptly for higher voltages. As such dipoles arrangements come into question, the diodes, Zener diodes, transistorJn. Contain unijunction transistors, thyristors, galvanic elements or glow lamps. It is essential to all of these elements that they change their properties as brusquely as possible when a certain predetermined voltage is exceeded. In the following, we will therefore always speak of a voltage-sensitive element in general.
The rectifier device currently appears to be particularly advantageous for battery charging. It also works with a resistive load if a sufficiently large capacitor is connected in parallel with the load resistor, so that the time constant of the resulting R-C element is considerably greater than a period of the rectified alternating current.