CH665506A5

CH665506A5 - Schaltungsanordnung zum betreiben einer last.

Info

Publication number: CH665506A5
Application number: CH1674/84A
Authority: CH
Inventors: Georg Dorfmeister
Original assignee: Schrack Elektronik Ag
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1984-04-02
Publication date: 1988-05-13
Also published as: ATA115883A; AT387875B; GB2138977B; GB2138977A; DE3411904A1; GB8408483D0

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung wurde z.B. durch die DE-AS 2 948 054 bekannt.

Schaltungsanordnungen der oben bezeichneten Art sind insbesondere für Elektrokleingeräte vorgesehen, die an verschiedene Netzspannungen angeschlossen werden können, welche unterschiedlich grosse Netzwerke aufweisen. Ein in diesem Zusammenhang bestehendes Problem besteht darin, dass gleichgültig in welchen Grenzen die Netzspannung schwankt immer gewährleistet sein soll, dass der maximal zulässige Ladestrom der Kleinakkumulatoren, welche für den Betrieb der Elektrokleingeräte vorgesehen sind, nicht überschritten werden darf, da es ansonsten zu einer Zerstörung dieser Akkumulatoren kommt. Es wurde daher vorgeschlagen, eine Kompensation des Schwingzustandes des Sperrwandlers in Abhängigkeit von Eingangsspannungsschwankungen in der Art vorzunehmen, dass abhängig von Eingangsspannungsschwankungen die Schwingfrequenz des Wandlers beeinflusst wird. Eine derartige Kompensation kann aber naturgemäss nur unvollständig wirken und ist beschränkt auf einen relativ kleinen Eingangsspannungs-schwankungsbereich. Sie ist unvollständig, d.h. es treten weiterhin Schwankungen im Ladestrom auf, so dass es nicht möglich ist den Ladestrom innerhalb kleiner Grenzen konstant zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher die eingangs genannte Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, dass gewährleistet ist, dass bei Eingangsspannungsschwankungen von etwa 100 bis 250 V der Laststrom, insbesondere der Ladestrom des Akkumulators, in engen Grenzen konstant gehalten werden kann. Erfindungagemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Schaltungsanordnung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale aufweist. Durch diese Massnahmen erfolgt somit eine Regelung des Laststromes, insbesondere des Akkumulatorstromes, was eine hohe Konstanz des Laststromes gewährleistet.

Um ein hohes Mass an Proportionalität zwischen dem Mittelwert des Laststromes und der am ersten Stromfühler anliegenden Gleichspannung zu erzielen kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der erste Stromfühler durch ein RC-Glied gebildet ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn dessen Zeitkonstante grösser als die Periodendauer der Schwingfrequenz des Sperrwandlers ist.

Durch diese Massnahme ist es insbesondere im Hinblick auf den gemeinsamen Bezugspunkt für den ohmschen Widerstand und dem Laststromfühler möglich unter Vermeidung von Operationsverstärkern die beiden Steuergrössen zuzuführen.

Um auf eine besonders einfache Art und Weise eine Anpassung des Steuerkreises an den Schaltkreis zu ermöglichen, kann weiters vorgesehen sein, dass der Hauptstromstrecke des zweiten elektronischen Schalters eine zweite Sekundärwicklung des Sperrwandlers, gegebenenfalls über ein Rückkopplungsnetzwerk parallel geschaltet ist. Dabei ist eine Anpassung durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses der zweiten Sekundärwicklung des Sperrwandlers mit Bezug auf dessen erste Sekundärwicklung möglich.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass zur Speisung eines Motors vom Akkumulator und/oder vom Sperrwandler der zweiteilige Laststromfühler umschaltbar ausgebildet ist.

Hierdurch ist es möglich eine optimale Anpassung der Schaltung einerseits an den Ladebetrieb und andererseits an den Lastbetrieb zu erreichen. Hierdurch wird insbesondere im Lastbetrieb sicher gestellt, dass der Motor direkt vom Netz mit Energie versorgt wird (und nicht vom Akkumulator) und andererseits die richtige die für das Schalten des zweiten elektronischen Schalters erforderliche richtige Grösse der Steuerspannung vorliegt. Andererseits ist gewährleistet, dass dann wenn der Motor nicht eingeschaltet ist, die Batterie vom Netz, mit dem richtigen Wert des Ladestromes geladen wird.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 und Fig. 2 jeweils Schaltbilder möglicher Ausführungsformen der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, die als Akkumulatorladeschaltung dient. Der Schalttransistor 1 bildet gemeinsam mit dem Wandlertransformator 2 und der Gleichrichterdiode 3 den Leistungsteil einer Sperrwandlerschaltung. Es ist dabei an die Eingangsklemmen AB des Sperrwandlers eine Serienschaltung, bestehend aus der Primärwicklung 4 des Transformators, der Hauptstrecke des Transistors 1 und einem Stromfühlwiderstand 5, angeschlossen und bildet den Primär kreis des Sperrwandlers. Der Sekundärkreis des Sperrwandlers umfasst eine Serienschaltung bestehend aus der Sekundärwicklung 6 des Transformators 2, der sekundären Gleichrichterdiode 3, dem Akkumulator 7 als Last und einem zweiten Stromfühlwiderstand 8. Der Rückkopplungszweig des Sperrwandlers besteht einerseits aus einer Serien-Parallel-Schaltung der Kondensatoren 9, 10 und s

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des Widerstandes 11 von der Steuerelektrode des ersten Schaltertransistors 1 zum Yerbindungspunkt der Sekundärwicklung 6 des Transformators mit der sekundären Gleichrichterdiode 3 und andererseits aus einem zweiten Schaltertransistor 12, der mit seiner Hauptstrecke parallel zur Serienschaltung der Hauptstrecke des Transistors 1 und des Stromfühlerwiderstandes 5 angeordnet ist. Der Steuereingang des Transistors 1 ist weiter über den Widerstand 20 an die Verbindung der Hauptstrecke dieses Transistors mit der Primärwicklung 4 des Transformators 2 geführt. Der Hauptstrecke des Transistors 12 ist eine Diode 13 antiparallel geschaltet. Der Steuereingang des Transistors 12 ist sowohl über einen Widerstand 14 an das an die Hauptstrecke des Transistors 1 angeschlossene Ende des Stromfühlwiderstandes 5 als auch über einen Widerstand 15 an das mit der Sekundärwicklung 6 verbundene Ende der Parallelschaltung des Stromfühlwiderstandes 8 und des Kondensators

16 geführt.

An die Eingangsklemmen A, B des Sperrwandlers kann als Betriebsspannung Gleichspannung grosser Welligkeit angelegt werden. Soll die Schaltung aus dem Wechselstromnetz versorgt werden, so kann der Sperrwandler eine Gleichrichterschaltung

17 mit den Eingangsklemmen A', B' bestehend aus einer Gleichrichterbrückenschaltung 18 und einem Siebkondensator 19 mit kleiner Kapazität vorgeschaltet werden. Zusätzlich zu dem an den Ausgang des Sperrwandlers geschalteten Akkumulator 7 kann ein Motor 2 über einen zweipoligen Einschalter 22 parallel zum Akkumulator 7 geschaltet werden, wobei über den zweiten Einschaltkontakt des Schalters 22 ein Widerstand 23 parallel zur Parallelschaltung aus dem Widerstand 8 und dem Kondensator 16 geschaltet werden kann.

Im folgenden soll vereinfacht die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 1 beschrieben werden. Sobald an den Eingangsklemmen A, B, mit A als positiver Klemme Gleichspannung ausreichender Grösse anliegt, fliesst über den Widerstand 20 ein kleiner Steuerstrom in die Basis des Transistors 1 und bewirkt, dass der Transistor 1 leitend zu werden beginnt. Dadurch vermindert sich die Kollektor-Emitter-Spannung dieses Transistors und die Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung an den Klemmen A, B und der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 1 wird an der Primärwicklung 4 des Transformators 2 anliegen. Dadurch wird transformatorisch eine Spannung gleicher Polarität in der Sekundärwicklung 6 induziert (dabei ist das mit einem Punkt bezeichnete Ende der Wicklung 6 positiv). Über das Rückkoppelnetzwerk 9 bzw. 10 und 11, das die Verbindung zuwischen dem positiv orientierten Ende der Sekundärwicklung 6 und der Steuerelektrode des Transistors 1 darstellt, wird dadurch ein zusätzlicher Steuerstrom in die Basis des Transistors 1 geliefert. Dadurch wird dieser Transistor schliesslich vollständig durchgesteuert. Entsprechend dem linearen Anstieg des Stromes durch eine Induktivität, an die eine konstante Spannung gelegt wird, tritt im Primärkreis des Wandlers ein dreieckförmig zunehmender Strom auf, der auch den Stromfühlwiderstand 5 durchfliesst und dort zu einem Spannungsabfall führt. Diese Spannung wird über den Widerstand 11 an die Basis des Abschalttransistors 12 geführt. Sobald die durch die Eingangscharakteristik des bipolaren Transistors 12 festgelegte Schwelle überschritten wird beginnt der Transistor 12 zu leiten und übernimmt den bis dahin als Steuerstrom dem Transistor 1 zugeflossenen Strom aus dem Rückkoppelnetzwerk 9 bzw. 10, 11. Dadurch wird der Transistor 1 abgeschaltet. Sobald der Strom im Primärstromkreis des Sperrwandlers abnimmt kehren sich die Polarität der Spannungen an den Wicklungen des Transformators um und der Schaltertransistor 1 wird über den im Rückkoppelnetzwerk 9 bzw. 10, 11 jetzt in umgekehrter Richtung fliessenden Strom endgültig ausgeschaltet und solange ausgeschaltet gehalten bis die Spannung an den Wicklungen des Transformators 2 zusammengebrochen, d.h. der Fluss im Kern des Transformators vollständig abgebaut ist; erst dann kann der Strom durch den Widerstand 20 den Transistor 1 wieder teilweise einschalten und der Schwingzyklus beginnt von neuen. Während des Abschaltvorganges verhindert die Diode 13 eine zu grosse auftretende negative Basis-Emitter-Spannung des Transistors 1 und ermöglicht so ein Umladen der beiden Kondensatoren 9 und 10.

Während der nun folgenden Phase der Schwingung, während der die während der vorhergehenden Leitendphase des Transistors 1 im Kern des Transformators aufgebaute magnetische Energie wieder abgebaut wird, fliesst Ladestrom für den Akkumulator 7 im Sekundärkreis des Wandlers bestehend aus der Serienschaltung der Sekundärwicklung 6 des Transformators 2, der Diode 3, des Akkumulators 7 und dem Stromfühlwiderstand 8. Die am Stromfühlwiderstand 8 auftretende, dem Ladestrom des Akkumulators proportionale Spannung wird durch den Kondensator 16 integriert und über den Widerstand 15 an die Basis des Abschalttransistors 12 gelegt. Dadurch wird erreicht, dass entsprechend dem Ladestrom des Akkumulators die Primärstromschwelle für die Abschaltung des Transistors 1 während seiner Leitphase verändert wird. Es wird dadurch, dass der Ladestrom des Akkumulators selbst für die Steuerung des Wandlers herangezogen wird erreicht, dass der mittlere Ladestrom des Akkumulators selbst bei stark schwankender Eingangsspannung des Wandlers annähernd konstant gehalten wird. Über die Grösse des Widerstandes 8 kann der Ladestrom des Akkumulators in einfacher Weise festgelegt werden. Dadurch kann z.B. auch erreicht werden, wie in Fig. 1 durch den Motor 21, den Schalter 22 und dem zusätzlichen Widerstand 23 angedeutet, dass ein an den Ausgang angeschlossener Motor entweder, wenn der Akkumulator ausreichend geladen ist und keine Versorgungsspannung an den Eingangsklemmen des Wandlers anliegt direkt aus dem Akkumulator betrieben werden kann oder bei Netzversorgung über den Sekundärstrom des Wandlers betrieben werden kann. Dieser kann über den parallel zum Stromfühlwiderstand 8 angeschlossenen Widerstand 23 entsprechend den Betriebsstrom des Motors in weiten Grenzen gewählt werden. So ist es z.B. möglich den Akkumulator mit einem Ladestrom von 60 mA zu versorgen, für den angeschlossenen Motor jedoch 1 A Betriebsstrom zu liefern. Dieser Ladestrom für den Akkumulator bzw. Betriebsstrom für den Motor wird z.B. für einen Eingangswechselspannungsereich (an den Klemmen A', B' ) von 100 bis 250 V annähernd kon- . stant gehalten.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin-dungsgemässen Schaltungsanordnung zum Laden eines Akkumulators bzw. zur Versorgung eines Motors mit posistiver Ausgangsspannung. Dadurch dass in der Schaltung entsprechend Fig. 2 die Polarität der Sekundärwicklung 6 im Vergleich zur Fig. 1 invertiert ist, kann die darin induzierte Spannung nicht als Rückkoppelspannung für den Schaltertransistor 1 herangezogen werden. Es ist daher eine zusätzliche Sekundärwicklung 24 des Transformators 2 vorhanden, die im Verein mit dem Rückkoppelnetzwerk 9, 10, 11 für die Steuerung des Wandlers die Aufgabe der Wicklung 6 der Fig. 1 übernimmt. Entsprechend der Polarität des Ladestromes, die im Vergleich zu der Polarität des Ladestromes in Fig. 1 invertiert ist, ist in der Fig. 2 der Ladestromfühlwiderstand 8 in der Verbindungsleitung des Akkumulators mit dem Bezugspotential der Schaltung (Klemme B) angeordnet. Ferner ist in Fig. 2 der zweipolige Einschalter 22 so angeordnet, dass gleichzeitig der Motor 21 parallel zum Akkumulator 7 und ein Widerstand 25 parallel zum Stromfühlwiderstand 8 geschaltet werden kann. Von diesen Strukturunterschieden abgesehen, ist die Funktionsweise der Schaltung entsprechend Fig. 2 analog zu der in Fig. 1 beschriebenen Schaltung. Es weisen dabei einander entsprechende Bauteile jeweils gleiche Bezugszeichen auf. Auch hier wird dasselbe vorteilhafte Verhalten bezüglich Stabilität des Ladestromes des Akkumulators zusätzlich bei Motorbetrieb eine Stabilität des gesamten Laststromes gegenüber Schwankungen der Eingangsspannung

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und wählbare stark unterschiedliche Ladeströme des Akkumulators bzw. Gesamtlastströme insbesondere auch Betriebsströme des Motors erreicht. Der besondere Vorteil dieser Schaltung gegenüber der in Fig. 1 beschriebenen Schaltung besteht hauptsächlich darin, dass die für die Rückkopplung wirksame Spannung hier über das Windungszahlverhältnis der Wicklungen 24 und 6 des Transformators 2, unabhängig von der Ladespannung des Akkumulators eingestellt werden kann, währenddessen die für die Rückkopplung zur Verfgügung stehende Spannung in der Schaltung entsprechend Fig. 1 gleich der Ladespannung des Akkumulators ist. Daher ist die Schaltung entsprechend Fig. 2 5 besonders als Ladeschaltung für Akkumulatoren mit wenigen hintereinander geschalteten Zellen, d.h. kleiner Akkumulatorspannung, geeignet.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last, insbesondere zum Laden eines Akkumulators (7) aus einer elektrischen Energiequelle, wobei diese Energiequelle entweder eine Gleichstromenergiequelle oder eine Wechselstromenergiequelle mit nachgeschaltetem Gleichrichter (18) ist und wobei parallel zur Energiequelle eine Reihenschaltung vorgesehen ist, welche die Primärwicklungen (4) eines Sperrwandlers (2), einen ersten elektronischen Schalter (1) mit einer Steuerelektrode und einen ohmschen Widerstand (20) enthält, dass ferner ein zweiter elektronischer Schalter (12) vorgesehen ist, dessen einer Hauptan-schluss mit der Steuerelektrode des ersten elektronischen Schalters (1) verbunden ist und dass der Sperrwandler (2) eine Sekundärwicklung (6) aufweist, die über einen Gleichrichter (3) an die Last angeschlossen ist, wobei an der Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters (12) eine dem Strom durch die Primärwicklung (4) des Sperrwandlers (2) proportionale elektrische Steuergrösse angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters (12) weiters mit einem im Sekundärkreis des Sperrwandlers (2) geschalteten Laststromfühler (8) verbunden ist, von dem die Messgrös-se als zusätzliche, dem Laststrom proportionale Steuergrösse dient.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laststromfühler durch ein RC-Glied (8, 16) gebildet ist, dessen Zeitkonstante grösser als die Periodendauer der Schwingfrequenz des Sperrwandlerkreises (4, 6, 1, 12) ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters (12) über jeweils einen Bewertungswiderstand (14, 15) an den ohmschen Widerstand (5) und an den Laststromfühler (8) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromstrecke des zweiten elektronischen Schalters (12) eine zweite Sekundärwicklung (24) des Sperrwandlers (2), über ein Rückkopplungsnetzwerk (9, 10, 11), parallel geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speisung eines Motors (21) vom Akkumulator (7) und/oder vom Sperrwandler (2) der Laststromfühler (8) umschaltbar ausgebildet ist.