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Die
Erfindung betrifft eine Batterieladeschaltung und ein Verfahren
zum Laden einer Batterie.
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Derzeit
bekannt sind Ladegeräte,
welche konventionell mit einem Transformator arbeiten. Diese weisen
keinen Verpolungsschutz oder einen Verpolungsschutz mit Hilfe von
Dioden auf. Ein Schutz für
tiefentladene Batterien ist bei diesen Geräten nicht vorgesehen. Eine
exakte Kontrolle des Ladestroms findet nicht statt oder wird als
Phasen-Anschnitt-Steuerung mit Thyristoren erreicht.
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Ferner
sind bekannt elektronische Ladegeräte mit Schaltnetzteilen, die
eine wesentlich exaktere Regelung ermöglichen. Nachteilig an diesen
Geräten ist,
dass zwar das Einschalten nach Erkennen einer Batterie exakt gesteuert
werden kann, häufig
wird an einem nicht optimalen Punkt abgeschaltet, wenn das Ladeende
als erreicht angenommen wird.
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Bei
Batterieladegeräten
besteht die Gefahr, dass ein Benutzer eine Batterie falsch anschließt, sodass
der Ladegerätanschluss
für den
Pluspol mit dem Minuspol der Batterie und der Ladegerätanschluss
für den
Minuspol mit dem Pluspol der Batterie verbunden wird. Bei einem
solchen Verpolen kann das Batterieladegerät und/oder die Batterie beschädigt werden.
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Es
ist aus der
US 6,597,221 ein
Verfahren bekannt, mit dem vor dem Laden der Batterie überprüft wird,
ob eine Batterie angeschlossen ist.
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Aus
WO 03/069760 ist ein Batterieladegerät mit einem
Detektor für
die Spannungsmessung der Batteriespannung bekannt. In der
WO 03/071657 wird ein Batterieladegerät mit einem
Eingangsgleichspannungswandler gezeigt, in dem die Eingangsgleichspannung
gesteuert wird, um den Ausgangsstrom zu reduzieren.
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Bei
dem Batterieladegerät
der
WO 2004/098021 wird
mittels einer Abfolge (Burst) von Spannungsänderungen der Innenwiderstand
der Batterie geändert.
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In
der
EP 0902522 wird
zur Ermittlung des Ladezustands die Spannung über den Innenwiderstand der
Batterie und die Spannung über
einen Strombegrenzungswiderstand gemessen. Zur Überprüfung, ob eine Batterie vorhanden
ist, wird in der
US 6340876 der
Ladestrom und die Ladespannung überprüft.
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Gemäß der
EP 1164 681 wird die Spannung an
den Batteriezellen gemessen, um eine Überladung zu vermeiden. In
der
GB 2331639 wird
der Ladestrom beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie gemessen und
kontrolliert. In
WO 03/017413 und
in
US 2003/094925 wird
ein Ladestrom in Abhängigkeit vom
gemessenen Ladestrom, der Batteriespannung und der verfügbaren Ladeleistung
eingestellt.
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In
der
DE 41 25 915 dient
eine Stromsparschaltung zur Reduzierung der Stromabgabe einer Stromversorgung.
Die
US 5,932,989 stellt
ein Mobiltelefon bereit, bei dem ein Batterieladegerät dem Mobiltelefon
sein Vorhandensein durch eine Spannungsänderung auf einer Datenleitung
anzeigt.
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In
der
US 5949220 wird
ein periodisch sich änderndes
Signal auf Ausgangsanschlüsse,
an die ein externer Kondensator ange schlossen ist, angelegt. Es
wird mittels eines Filters am Ausgangssignal an den Ausgangsanschlüssen festgestellt,
ob eine Batterie an den Ausgangsanschlüssen angeschlossen ist.
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Die
Batterieladegeräte
der
US 6100668 , der
US 2001/0005127 und
der
US 6218812 verändern den
Ladestrom und die Ladespannung in Abhängigkeit davon, wie voll die
Batterie geladen ist.
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In
der
US6225789 wird das
Ende des Ladevorgangs detektiert und ein Rauschen auf einem Ausgangsanschluss
unterdrückt.
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Die
US 6291965 zeigt ein Kommunikationsprotokoll
für die
Kommunikation zwischen einer Spannungsversorgung und einem Batterieladegerät.
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In
der
US 6329790 und der
US 6437549 wird ein Ladezyklus
in mehrer Phasen unterteilt, in denen abwechselnd geladen und nicht
geladen wird. Gemäß der
US 6445161 wird ein Ladezyklus
durch mehrere Entladezyklen unterbrochen. Beim Laden einer Batterie
gemäß
US 6351110 wird kurz vor
Erreichen der vollen Ladespannung der Ladevorgang für eine kurze
Zeitspanne unterbrochen.
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In
der
WO 99/63613 wird
ein Batterieladegerät
mittels eines Mikroprozessors gesteuert.
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Batterien,
die seit langem entladen sind, werden nach der
DE 102 42 184 mit Hilfe eines Boostmodus,
in dem die Ladespannung kurzfristig größer als die Ladeschlussspannung
gesetzt wird, wieder aufgeladen. Die
DE
199 52 020 zeigt eine Umschaltung zwischen einem Betrieb
mit einer externen Spannungsversorgung und einem Batteriebetrieb.
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In
der
JP 2001231180 wird
mit Hilfe von Thyristoren vermieden, dass zu hohe und zu niedrige
Ladespannungen an einer Batterie anliegen.
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In
der
US 2004/0113591 wird
der Ladevorgang einer Batterie kurzfristig unterbrochen, um die Batteriespannung
zu messen.
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Trotz
aller bekannten Schutzmaßnahmen kann
es während
des Ladevorgangs zu einer Beschädigung
des Batterieladegeräts
oder gar zu einer Explosion kommen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Batterieladeschaltung anzugeben,
die dies verhindert.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Die
Erfindung sieht eine Ladeschaltung zur Aufladung einer Batterie
vor, bei der ein Netzteil vorgesehen ist, dessen abgegebene Leistung
mit einer Leistungsstelleinrichtung einstellbar ist. Das Netzteil weist
zwei Ausgangsanschlüsse
und eine mit der Leistungsstelleinrichtung betätigbar verbundene Spannungsregeleinrichtung,
die einen Spannungsführungsanschluss
zur Eingabe eines Spannungsführungswerts
für die
an den Außenanschlüssen bereitzustellende
Spannung hat. Außerdem
sind Außenanschlüsse für den Anschluss
einer Batterie vorgesehen, wobei die Außenanschlüsse zumindest zeitweise mit
den Ausgangsanschlüssen
des Netzteils in Verbindung stehen. In einer Auswertungsschaltung,
die betätigbar
mit der Spannungsregeleinrichtung verbunden ist, wird die im Anschluss
an eine Betätigung
der Spannungsregeleinrichtung einen Systemzustand der Ladeschaltung
ermittelt. Die Auswerteschaltung unterbricht beim Detektieren eines vorbestimmten
Systemzustands der Ladeschaltung im Anschluss an eine Betätigung der
Spannungsregeleinrichtung die Zufuhr von elektrischer Energie zu den
Außenanschlüssen.
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Der
vorbestimmte Systemzustand der Ladeschaltung, bei dem die Zufuhr
von elektrischer Energie zu den Außenanschlüssen unterbrochen wird, kann
dabei etwa ein charakteristischer Anstieg der an den Außenanschlüssen anliegenden
Spannung oder auch ein Ausbleiben eines charakteristischen Anstiegs
des durch die Außenanschlüsse fließenden Stroms
sein. Es ist auch denkbar, dass der vorbestimmte Systemzustand der
Ladeschaltung, bei dem die Zufuhr von elektrischer Energie zu den
Außenanschlüssen unterbrochen
wird, ein Ausbleiben eines charakteristischen Anstiegs der durch
das Netzteil abgegebenen Leistung sein.
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Der "vorbestimmte Systemzustand" gibt gemäß der Erfindung
Aufschluss darüber,
ob eine Batterie angeschlossen ist, und nicht etwa ein zusätzlicher
Verbraucher. Dies gewährleistet
einen einfachen und kostengünstigen
Aufbau der Ladeschaltung, wobei zusätzliche Sicherheit gewonnen
wird. Es hat sich nämlich
herausgestellt, dass mit der erfindungsgemäßen Ladeschaltung die im Stand
der Technik auftretenden Probleme vermieden werden können. So
wird bei einem Abklemmen der Batterie die Zufuhr von Energie zu
den Außenanschlüssen unterbrochen
und der den Ladezustand steuernde Mikroprozessor wird in den Ausgangszustand
zurückgesetzt.
Bei den im Stand der Technik bekannten Ladeschaltungen und insbesondere
bei den aus der
WO 03/069760 ,
der
WO 03/071657 und
der
WO 2004/098021 bekannten
Geräten
kann es nämlich beim
Abklemmen der Batterie und beim erneuten An klemmen zu Explosionen
kommen, wenn die Batterie versehentlich verpolt angeklemmt wird.
Die Erfindung erkennt dies auf einfache Weise und vermeidet unerwünschte Fehlfunktionen.
Außerdem
ist bei diesen Geräten
der Ladezustand des Akkus nicht konstant, sondern er schwankt. Die
Lebensdauer des Relais und des Akkus ist geringer als möglich.
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Bei
der Erfindung wird vorteilhafterweise die Führungsgröße nur für einen begrenzten Zeitraum verändert. Dadurch
wird ein erhöhter
Stromverbrauch z. B. durch ständiges
Umladen an den Außenanschlüssen vermieden.
Dies tritt bei der in der
US
5,949,220 beschriebenen Batterieladeschaltung auf, bei
der die Spannung zwischen zwei Außenanschlüssen auf eine Spannung Vref
geregelt wird. Sobald die Spannung eine Schwelle Ve (= 99 % der
vollen Ladespannung Vt; Ve<Vref<Vt) erreicht hat,
wird abwechselnd ein positiver Strom und ein negativer Strom in
einen der Außenanschlüsse für die Batterie eingeprägt. Der
positive und negative Strom wird nur eingeprägt, wenn die Spannung an den
Außenanschlüssen im
Bereich zwischen Ve und Vt liegt. Zudem ist an den Außenanschlüssen für die Batterie
ein Kondensator angeschlossen. Ist keine Batterie angeschlossen,
soll die Spannung an den Außenanschlüssen zwischen
Ve und Vt variieren, wobei dort jedoch nicht angegeben ist, wie
die normale Spannungsregelung auf Vref ausgeschaltet ist. Die Variation
der Spannung an den Außenanschlüssen wird mittels
eines Hochpassfilters detektiert. Nachteilhaft ist bei der
US 5,949,220 der hohe Stromverbrauch durch
den abwechselnden positiven und negativen Strom und der zusätzliche
Schaltungsaufwand für den
Hochpassfilter.
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Zur
Unterbrechung der Zufuhr von elektrischer Energie zu den Außenanschlüssen kann
in wenigstens einer der Zuleitungen zu den Außenanschlüssen ein durch die Auswerteschaltung
betätigbarer
Schalter vorgesehen sein, der auch als Relais ausgebildet sein kann.
Dadurch wird eine besonders einfache Betätigung auch durch Mikrocontroller
ermöglicht.
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Die
Auswerteschaltung kann beim Detektieren des vorbestimmten Systemzustands
der Ladeschaltung ein akustisches oder optisches Signal ausgeben
oder die Zufuhr von elektrischer Energie zum Netzteil unterbrechen.
Dadurch wird ein besonders sicherer Betrieb gewährleistet.
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Wenn
die Auswerteschaltung einen Eingangsanschluss zur Abtastung einer
Spannung aufweist, die eine an den Außenanschlüssen anliegende Spannung anzeigt,
bzw. einen Eingangsanschluss zur Abtastung einer Spannung aufweist,
die einen durch die Außenanschlüsse fließenden Strom
anzeigt, dann lassen sich typische Systemzustände der Ladeschaltung besonders
einfach und genau abtasten. Die Auswerteschaltung kann hierzu auch
einen Eingangsanschluss zur Abtastung einer Spannung aufweisen,
die eine vom Netzteil übertragene
Leistung anzeigt.
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Eine
besonders einfach und zuverlässig
aufgebaute Spannungsregeleinrichtung hat einen Regelverstärker, bei
dem ein Eingangsanschluss eine Spannung von den Ausgangsanschlüssen des
Netzteils empfängt
und bei dem der andere Eingangsanschluss mit dem Spannungsführungsanschluss
zur Eingabe des Spannungsführungswerts
für die
an den Außenanschlüssen bereitzustellende
Spannung verbunden ist. Dann betätigt
der Ausgang des Regelverstärkers über eine
Verbindungseinrichtung das Netzteil. Die Verbindungseinrichtung
kann dabei auch ein Optokoppler sein, was eine potentialfreie Betätigung gewährleistet.
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Daneben
kann auch eine Stromregeleinrichtung zur Begrenzung des durch die
Außenanschlüsse fließenden Stroms
vorgesehen sein, wobei die Stromregeleinrichtung einen Regelverstärker aufweist,
bei dem ein Eingangsanschluss eine den durch die Ausgangsanschlüsse des
Netzteils fließenden
Strom anzeigende Spannung empfängt
und bei dem der andere Eingangsanschluss mit einem Stromführungsanschluss
der Auswertungsschaltung zur Eingabe eines Stromführungswerts
für die
Begrenzung des durch die Außenanschlüsse fließenden Strom
verbunden ist. Der Ausgang des Regelverstärkers betätigt dann über eine Verbindungseinrichtung
das Netzteil.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Ausgänge des Regelverstärkers der
Spannungsregeleinrichtung und des Regelverstärkers der Stromregeleinrichtung
die Verbindungseinrichtung jeweils über Entkopplungsvorrichtungen
betätigen,
die als einfache Dioden ausgebildet sein können.
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Die
Erfindung umfasst auch eine Stromversorgung mit einer solchen Ladeschaltung,
wobei eine Batterie an den Außenanschlüssen angeschlossen ist.
Damit können
auf einfache Weise unterbrechungsfreie Stromversorgungen bereitgestellt
werden, die mit handelsüblichen
KFZ-Batterien betrieben werden können.
Für den
Betrieb von Computern o. ä.
wird dabei an der Batterie ein Spannungswandler zurück auf Netzspannungsniveau
angeschlossen.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Laden einer Batterie, wobei
das Netzteil nach dem Verbinden der Außenanschlüsse mit den Ausgangsanschlüssen dazu
veranlasst wird, eine konstante erste Ladespannung an die Außenanschlüsse anzulegen.
Zu wiederkehrenden Zeiten wird danach das Netzteil dazu veranlasst,
eine konstante zweite Ladespannung an die Außenan schlösse anzulegen, wobei ein Systemzustand
der Ladeschaltung abgetastet wird. beim Detektieren eines vorbestimmten Systemzustands
der Ladeschaltung im Anschluss an das Anlegen der zweiten Ladespannung
an die Außenanschlüsse, der
das Abklemmen der Batterie anzeigt, wird die Zufuhr von elektrischer
Energie zu den Außenanschlüssen unterbrochen.
Es kann auch ein akustisches oder optisches Signal abgegeben werden
oder die Zufuhr von elektrischer Energie zum Netzteil wird unterbrochen.
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Die
Erfindung lässt
sich auf ein Batterieladegerät
mit durch Mikrocomputer gesteuertem Netzteil anwenden, wobei durch
Testimpulse das Vorhandensein einer angeschlossenen Batterie erkannt wird.
Dazu wird der Effekt ausgenutzt, dass die Ausgangsspannung des Netzteiles
in zeitlichen Abständen,
z. B. s, für
kurze Zeit, z. B. 20 ms, um einen bestimmten Betrag, z. B. 1,6 V,
erhöht
wird. Aus dem dann sich ergebenen Verhalten von Strom und Spannung
kann ein Fachmann erkennen, ob der Verbraucher eine Batterie ist
oder nicht.
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Auf
Grund des Innenwiderstandes der Batterie und der Spannungsquelle
folgt die Batteriespannung nämlich
nicht unmittelbar den Einstellungen am Netzteil.
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Das
erfindungsgemäße Ladegerät verfügt über eine
Konstant_Spannungs_Regelung (voltage mode) und über eine Konstant_Strom_Regelung (current
mode). Somit ergibt sich eine rechteckige Ausgangskennlinie. Welche
Regelung Anwendung findet ergibt sich daraus, welcher Einstellungswert zuerst
erreicht wird, Spannung oder Strom.
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Die
Ausgänge
der Regelverstärker
oder zumindest ein Ausgang sind dem Mikrocomputer zugeführt, so
dass dieser die Betriebsart ermitteln kann.
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Ein
Fachmann kann erkennen, dass bei einer angeschlossenen Batterie
die Spannung an der Batterie der erhöhten Einstellung des Netzteiles
nicht folgen wird und die Regelung somit in Konstant Strom übergeht,
was durch den Mikrocomputer ausgewertet wird.
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Eine
Auswertung der Anschlüsse
für die Stromerfassung
und für
Spannungserfassung ergibt eine eindeutige Aussage. Fehlt die Batterie,
bleibt man in der voltage mode, und die Ausgangsspannung des Netzteiles
folgt der Vorgabe durch den Regelverstärker. Fehlt die Batterie, wird über ein
Relais die Ausgangsspannung in geeigneter Zeit abgeschaltet z. B.
nach 2 s.
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Die
Strombegrenzung kann dem Messwert des Stromes in geeigneter Weise
folgen, z. B. dass für
den Test auf das Vorhandensein der Batterie der Strom auf den gemessenen
Wert plus einer Steigerung von z. B. 2 A festgelegt wird. Der Mikrocomputer übergibt
den Regelverstärkern
nach Auswertung seiner Messergebnisse die Vorgaben, z. B. über geeignete
Digital-Analog-Wandler,
die auch Bestandteil des Mikrocomputers selbst sein können.
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Der
Test kann auch durch einen negativ gerichteten Testimpulses der
Ausgangsspannung erreicht werden. Ist eine Batterie vorhanden, dann
wird kurzzeitig die Spannung am Ausgang des Ladegerätes durch
den Innenwiderstand der Batterie und ihrer Zuleitungen zurückgehen.
Die Höhe
des negativ gerichteten Impulses kann der Fachmann so wählen, dass
sie mit Sicherheit höher
ist als das Maximum der Spannungsabfälle. Ähnlich wie bei der Spannungserhöhung folgt
die Ausgangsspannung des Netzteiles nicht der Vorgabe, so dass auf
das Vorhandensein der Batterie geschlossen werden kann.
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Der
Testimpuls kann nach Erkennen einer fehlenden Batterie auch mindestens
einmal wiederholt werden, um die Testaussage zu verifizieren. Dadurch
wird einem unerwünschtem
Abschalten und einer Fehlfunktion vorgebeugt.
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Vor
Zuschaltung der Batterie wird die Spannung der Batterie gemessen,
und der Mikrocomputer entscheidet auf Grund der Höhe der Spannung
und der Polarität
sowie des gewählten
Bereiches des Ladegerätes,
ob eine Ladung erfolgen kann oder nicht. Eine Zuschaltung der Batterie
erfolgt nur bei richtiger Polarität und Spannung, z. B. wird
eine Batterie mit 9 V nicht im 6 V Bereich akzeptiert und zugeschaltet. Zusätzlich erfolgt
ein Abgleich der Ausgangsspannung des Ladegerätes derart, dass die Spannungsdifferenz
zwischen Ladegerät
und Batterie im Einschaltmoment minimiert wird, um einen Einschaltstromstoss
zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
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Die
Erfindung bietet sich besonders während der Erhaltungsladung
an, wobei die Erkennung einer abgeschalteten bzw. angeschlossenen
Batterie bereitgestellt wird.
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Für die Sicherung
einer stets vollen Batterie stehen nach dem Abschluss der Ladung
grundsätzlich
Methoden zur Verfügung,
Float Charge und Pulse Maintenance Charge.
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Einer
der Grundgedanken der Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass
die Pulserhaltungsladung den Nachteil hat, dass erst nach Ladungsrückgang zu
einer vorbestimmten Spannung ein Erhaltungsimpuls ausgelöst wird.
Das bedeutet, dass die Batteriespannung ständig zwischen zwei Werten pendelt,
man hat also zu einem beliebigen Zeitpunkt keine volle Batterie
mit Sicherheit zur Verfügung.
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Außer dem
besteht der Nachteil, dass im Falle eines Pufferbetriebes der angeschlossene
Verbraucher eine wechselnde Spannung erhält und zwischen den Impulsen
die Leistung vollständig
der Batterie entnommen wird. Ein Einsatz als unterbrechungsfreie
Stromversorgung verbietet sich bei einer solchen Schaltung. Um diesen
Nachteil zu vermeiden, wird die Erhaltungsladung mit konstanter
Spannung durchgeführt,
vorzugsweise mit 13 bis 13,9 V, im untenstehend gezeigten Ausführungsbeispiel
mit 13,8 V, was für
viele Funkanwendungen auch eine genormte Betriebsspannung darstellt.
Die Batterie muss dabei dem Verbraucher nur die Differenz aus maximalem
Ladestrom und Verbraucherstrom zuliefern, z. B. Stromspitze des
Verbrauchers 10A, Ladestrom 7A, Batterie liefert kurzfristig 3 A.
Dabei bleibt die Spannung konstant bei 13,8 V.
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Wird
bei einer solchen für
den Nutzer günstigen
Betriebsart die Batterie abgeklemmt, kann das Ladegerät über Spannungs- und Strommessung
das Abklemmen der Batterie nicht sicher erkennen, da die eindeutige
Zuordnung zur Ursache von Spannungs- und Stromänderungen nicht möglich ist.
Daher besteht die Gefahr, dass der Benutzer eine Batterie abklemmt
und ein zweiter Benutzer dieselbe Batterie mit falscher Polarität wieder
anklemmt. Das Relais konnte aber nach Abklemmen der Batterie nicht
abgeschaltet werden, da kein eindeutiges Kriterium genutzt werden
konnte.
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Erfindungsgemäß wird auch
in einer solchen Betriebsart dem Benutzer eine Sicherheit mit Verpolungsschutz
zu bieten. Gelöst
wurde diese Aufgabe mit der erfindungsgemäßen Methode.
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Der
Mikrocomputer gibt in periodischen Abständen, z. B. 1 oder 2 Sekunden
eine erhöhte
Spannung von z. B. 16 V für
den Spannungsregelkreis der Ausgangsspannung vor. Dieser Impuls
ist zeitlich begrenzt auf z. B. 20 ms. Ist am Ausgang des Ladegerätes eine
Batterie angeschlossen, und befindet sich die Regelung des Netzteiles
im Spannungsmode, d.h. die Spannung bestimmt die Regelschleife,
da der Strom unterhalb des Maximalwertes liegt, wird die Spannung
jedoch auf Grund des niedrigen Innen-Widerstandes der Batterie nicht
auf den vorgegebenen Wert von z. B. 16 V ansteigen, sondern die
Regelung geht in Strommode über,
d.h. der Strom bestimmt die Ausgangsleistung des Netzteiles.
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Aus
dem Verhalten der Ausgangsspannung und des Regelverstärkers für Strom
kann auf das Vorhandensein einer geladenen Batterie am Ausgang des
Ladegerätes
geschlossen werden.
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Das
Absenken der Spannung bedeutet, dass der Optokoppler seinen Eingangsstrom
nun vom Ausgang des Regelverstärkers
für Strom
erhält,
also dass der Strom geregelt wird. Die Spannung am Ausgang ist noch
20ms nahezu identisch mit der Spannung am Beginn des Impulses.
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Ist
keine oder eine defekte Batterie angeschlossen, wird die Spannung
auf den Impulswert ansteigen, wenn der entnommene Strom unterhalb
des Grenzwertes liegt. Das bedeutet, dass der Optokoppler seinen
Strom nicht vom Ausgang des Regelverstär kers erhält, dieser also hohe Spannung
am Ausgang hat. Gleichzeitig steigt die Ausgangsspannung am Netzteil.
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Diese
beiden Kriterien zeigen also, ob eine Batterie angeschlossen ist
oder nicht. Eine Auswertung der Information erfolgt zweckmässigerweise
mit Hilfe eines Mikrocomputers, der gleichzeitig alle anderen Betriebszustände steuert
und so gegebenenfalls den Schalter, im Ausführungsbeispiel das Relais,
abschaltet.
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Während der
Produktion des Netzteiles wird mit Hilfe der MCU eine Justierung
der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes zur Kompensation der
Offsetwerte der Operationsverstärker
sowie der Toleranzen von Referenzspannung und Widerständen durchgeführt.
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Dazu
wird an UB+ und UB– eine
Referenz für Spannung
angeschlossen, derart, dass 2 Referenzpunkte von der MCU gemessen
werden, z. B. 4 V und 14,4 V. Die Ergebnisse der Spannungsmessung
werden als 2 Punkte auf einer Geraden interpretiert, so dass alle
weiteren Spannungen damit verglichen werden. z. B. kann der Punkt
14,4 V direkt für
die Einstellung des DAC_V so verwendet werden, dass die selbe Ausgangsspannung
in der Betriebsart 14,4 V entsteht, d.h. der selbe Messwert am ADC
der MCU. Damit sind in diesem Punkt alle Toleranzen eliminiert. Zwischenwerte
und ausserhalb liegende Werte werden interpoliert.
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In
analoger Weise wird mit dem Strom verfahren. Dazu wird das Netzteil
auf z. B. 14,4 V mit 7A geschaltet, am Ausgang UB+ und
UB– wird
mit geschaltetem Relaiskontakt eine hochgenaue Stromsenke für 2 Werte,
z. B. 1 A und 3 A, angeschlossen. Aus den ermittelten Messwerten
am ADC Eingang der MCU lassen sich alle weiteren Werte ableiten,
indem man mit den zwei Werten ebenfalls eine Gerade definiert.
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Das
beschriebene Verfahren wird dann analog dazu benutzt, das Netzteil
funkenfrei auf die Batterie mit Hilfe Relaiskontakt zu schalten.
Dazu wird über
ADC Eingang durch die MCU die Batteriespannung gemessen und über den
Ausgang DAC_V die Ausgangsspannung von Netzteil so gesteuert, dass zwischen
Ausgangsspannung des Netzteiles und Batteriespannung nur eine minimale
Potenzialdifferenz vorhanden ist. So ist ein Potenzialausgleich
nahezu ohne Leistung und damit Funken möglich. Zweckmässigerweise
werden die ermittelten Abgleichwerte in einem nicht flüchtigen
Speicher abgelegt, z. B. der EEPROM Bereich der eingesetzten MCU.
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Es
kann auch ein Impulstest im Burst-Mode mit 16 V erfolgen. In dieser
Betriebsart erfolgt der Test mit Hilfe eines negativen Impulses
der Ausgangsspannung des Ladegerätes,
die Ausgangsspannung wird z. B. um ca. 4 V abgesenkt (16,0 V → 12 V).
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Am
Beginn und am Ende des Testimpulses wird die Batteriespannung durch
die MCU gemessen. Der verwendete ADC der MCU hat z. B. eine Auflösung von
10 bit bei 20 V Umfang. 1 bit entspricht somit 20 mV. Der ermittelte
Digitalwert am Anfang wird als Ausgangsbasis benutzt und der Wert
am Ende des Testimpulses davon subtrahiert. Ist die Differenz z.
B. > 1 V (50 bit),
so ist keine Batterie angeschlossen und das Gerät wird abgeschaltet.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann sicher festgestellt werden, ob eine Batterie während des
Ladevorgangs vom Ladege rät
entfernt worden ist und der Ausgang des Ladegeräts kann sofort abgeschaltet
werden. Damit wird erreicht, dass ein Ladegerät an seinen Ausgangsklemmen
keine Spannung hat, wenn keine Batterie angeklemmt ist.
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Ein
Vorteil dieser exakten Erkennung – ob eine Batterie angeschaltet
ist – besteht
darin, dass die Batterie vollständig
geladen werden kann, und dass nach Abklemmen der Batterie die Ausgangsklemmen
des Ladegeräts
sofort spannungslos geschaltet werden. Das bedeutet, dass zuverlässig kein Funke
entsteht und damit das Ladegerät
sicher für den
Benutzer ist. Das Verfahren gewährleistet,
dass der gesicherte Einschaltzyklus von neuem beginnt, so dass auch
im Falle einer Fehlbedienung keine kritische Situation auftreten
kann.
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Dadurch,
dass mit der Erfindung der notwendige Abschaltpunkt exakt bestimmbar
ist, können
die Nachteile der Pulserhaltungsladung vermieden werden, ohne auf
Sicherheit verzichten zu müssen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Anwesenheits-Feststellung einer
angeschlossenen Batterie an ein Ladegerät mit elektronischer Steuerung
bereit.
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Ladegeräte mit elektronischer
Steuerung weisen üblicherweise
eine rechteckige U/I Kennlinie auf. Bei einer Ladespannung unterhalb
eines Grenzwertes erfolgt die Ladung mit konstantem Strom, darüber hinaus
wird die Spannung konstant gehalten und der Strom sinkt.
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Der
Regelkreis besteht üblicherweise
aus 2 Kreisen, je einen für
Strom und für
Spannung. Der Kreis, der das Erreichen des jeweiligen Grenzwertes für Strom
oder Spannung signalisiert, begrenzt die Ausgangsleistung und hält diesen
Grenzwert konstant.
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Das
Erfassen der Werte für
Strom und Spannung kann sowohl digital über einen Analog-Digital-Wandler
oder analog mit Hilfe von Operations-verstärkern erfolgen. Üblicherweise
wandelt man die Information Strom mit Hilfe eines Sense-Widerstands in
eine proportionale Spannung um.
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Gemäß der Erfindung
können
zwei Regelkreise für
Strom und Spannung vorgesehen sein, deren Ausgänge geodert sind, so dass der
Kreis mit Eintritt des Grenzwertes wirksam wird. Dioden bewirken
die Oderung und Entkoppelung.
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Derjenige
Regelverstärker,
der nicht das Erreichen des Grenzwertes signalisiert, nimmt die
volle positive Spannung U ref3 am Ausgang an und entkoppelt sich
durch die jeweilige Diode.
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Die
Ausgangsspannungen der Regelverstärker bieten daher die Information
an, auf welchem Teil der Kennlinie gearbeitet wird, konstante Ausgangsspannung
oder konstanter Ausgangsstrom.
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Das
Netzteil schaltet die Batterie nur dann zu, wenn die Spannung den
Minimalwert in der richtigen Polarität aufweist. Nach dem Zuschalten
ist aber die Ladespannung ständig
vorhanden, so dass hier die Gefahr besteht, dass die Batterie abgeklemmt
wird und das Ladegerät
diesen neuen Zustand nicht erkennen kann. Eine Auswertung des Ladestroms
ist nur begrenzt und nicht sicher möglich, da die Batterie je nach
Größe, Alter
und Ladezustand von maximalem Strom (Strom konstant) bis mini malem
Strom (Spannung konstant, Akku klein und voll) geladen werden kann.
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Daher
besteht die Gefahr, dass die Batterie kurz abgenommen und falsch
angeschlossen wird und so ein gefährlicher Kurzschluss unter
Umgehung der Einschaltbedingungen hervorgerufen werden kann.
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Die
Erfindung vermeidet es, zyklisch das Relais auszuschalten, die Einschaltbedingung
zu überprüfen und
dann wieder einzuschalten. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass
damit ein hoher Verschleiß am
Relais hervorgerufen wird und auch Geräusche durch das Schalten erzeugt
werden. Es ist auch ein größerer Zeitraum
zwischen Überprüfungen möglich, damit
ist aber kein Schutz vollständig
möglich.
So wird alle Minute überprüft, ein
etwaiges Abklemmen verläuft
aber viel schneller.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabenstellung der sicheren Erkennung einer korrekt angeschlossenen
Batterie dadurch ermöglicht,
dass in der Phase der Konstant-Spannungsladung, welche durch Auswertung
mindestens eines Operationsverstärker-Ausganges erkannt
wird, nach Unterschreitung eines minimalen Ladestroms die Ladespannung kurzzeitig
(Impuls) erhöht
wird.
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Eine
angeschlossene Batterie weist in der Phase der Konstant-Spannungsladung einen
niedrigen Innen-Widerstand auf. Dadurch steigt mit diesem erhöhten Spannungsimpuls
die Batteriespannung nicht impulsförmig an, das Ladegerät geht in
Konstant-Strombetrieb über, was
an mindestens einem Operationsverstärker-Ausgang erkannt werden kann.
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Dieser
Test wird in solchen Zeitabständen durchgeführt (z.
B. alle 100 ms), dass eine Fehlbedienung ausgeschlossen wird.
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Bei
den Ladegeräten,
die die Pulserhaltungsladung durchführen, ist je nach Batteriegröße ein relativ
langer Ladeimpuls sowie die nicht sichere Umschaltung bei minimalem
Ladestrom nachteilig. Weiterhin besteht die Notwendigkeit, schon
vor Ladeende die Ladung zu beenden, da der Strom abgesunken ist.
Ferner nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist die Tatsache,
dass je nach Batteriezustand und Zeit die Batterie nicht vollständig ist,
da z. B. erst bei Unterschreitung von z. B. 12,7 V ein Nachladen erfolgt.
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Bei
der Erfindung wird nach Unterschreitung eines minimalen Ladestromes
bei Ladeendspannung auf Erhaltungsladung mit z. B. konstant 13,8
V umgeschaltet. In diesem Moment ist die Ladespannung kleiner als
die Batteriespannung, es fließt
also kein oder nur ein sehr geringer Strom, der zum Abschalten der
Batterie führen
würde.
Daher kann jetzt mit der erfindungsgemäßen Lösung sicher erkannt werden,
dass eine ordnungsgemäße Batterie
vorhanden ist.
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Die
Batterie wird, wie von großen
Batterieherstellern empfohlen, konstant auf 13,8 V im Ausführungsbeispiel
gehalten und verfügt
damit jederzeit über
die volle Batteriekapazität
und nicht wie bei der Pulserhaltung mit veränderlicher Spannung von Ladeendspannung
bis Einsatzspannung des nächsten Ladeimpulses
(12,8 V). Man erkennt, dass es dort Zeiträume gibt, in denen die Batteriespannung
bis 1 V unterhalb der Ladeerhaltungsspannung liegt und somit nicht
ständig
gewährleistet
ist, dass die Batterie die maximale Energiedichte aufweist.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen
näher veranschaulicht.
Dabei zeigt
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1 eine
erfindungsgemäße Batterieladeschaltung;
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2 den
Strom und Spannungsverlauf beim Laden einer Batterie mit einer Batterieladeschaltung
nach 1.
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In 1 wird
eine Netzspannung UAC, z. B. mit 230 V Wechselspannung, über den
Netzeingang 3 eingespeist. Das Netzteil 1 hat
zwei Steuereingangsanschlüsse,
an die ein Kollektoranschluss und ein Emitteranschluss eines Ausgangstransistors 2 eines
Optokopplers angeschlossen sind.
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Ein
erster Ausgangsanschluss des Netzteils 1 ist mit einem
ersten Anschluss des Schalters 16 und einem Anschluss des
Widerstands R2 5 verbunden. An seinem zweiten Ausgang ist
der jeweils mit einem Anschluss des Widerstands R1 4 und
des Widerstands R4 7 angeschlossen. Der zweite Anschluss
des Widerstands R1 4 ist sowohl mit einem zweiten Außenanschluss 22,
als auch mit einem ersten Anschluss des Widerstands R3 6 verbunden.
Die zweiten Anschlüsse
der Widerstände
R2 5 und R3 6 sind miteinander kurzgeschlossen.
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Ein
Verstärker 9 dient
zur Stromerfassung. Sein invertierender Eingang ist so mit dem zweiten Anschluss
des Widerstands R4 7 verbunden, während sein nicht-invertierender
Eingang mit dem Außenanschluss 22 verbunden
ist.
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Zwischen
dem Ausgang des Verstärkers 9 und
dem invertierenden Eingang des Verstärkers 9 ist ein Widerstand
R5 8 angeschlossen.
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Zudem
enthält
die Ladegeräteschaltung
einen Regelverstärker 10 für die Spannungsregelung und
einen Regelverstärker 11 für die Stromregelung. Der
invertierende Eingang des Regelverstärkers 10 ist mit dem
im zweiten Anschluss des Widerstands R2 5 verbunden, während der
nicht-invertierende Eingang des Regelverstärkers 11 mit dem Ausgang des
Verstärkers 9 verbunden
ist.
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Der
Ausgang des Regelverstärkers 10 ist
mit dem Kathodeneingang einer Entkoppelungsdiode 12 und
der des Regelverstärkers 11 mit
einer Kathode der Entkopplungsdiode 13 verbunden. Die Anodenanschlüsse der
Entkopplungsdioden 12 und 13 sind miteinander
und einem ersten Anschluss eines Widerstands 11 verbunden.
Eine Eingangsdiode 15 des Optokopplers ist mit seiner Anode
an eine Spannungsversorgung VCC und mit seiner Kathode an den zweiten
Eingang des Widerstands R6 14 angeschlossen. Die Spannungsversorgung
VCC ist unabhängig
von der Spannung an den Außenanschlüssen und
versorgt den Verstärker 9,
die Regelverstärker 10 und 11 sowie
den unten beschriebenen Mikrocontroller 20.
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Der
zweite Ausgang des Schalters 16 ist mit dem Außenanschluss 21 verbunden.
Zwischen dem Außenanschluss 21 und
dem Außenanschluss 22 ist ein
Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R7 17 und R8 18,
angebracht.
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Die
Batterieladeschaltung enthält
auch einen Mikrocontroller 20 mit den Eingängen 24, 27 und 28 sowie
den Ausgängen 23, 25 und 26.
Die Eingänge 24, 27, 28, 29 werden
in dem Mikrocontroller 20 auf Analog-Digital-Wandler geführt, die
die Eingangssignale in digitale Werte zur Weiterverarbeitung umwandeln.
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Der
erste Eingang 24 dient der Batteriespannungsmessung, wobei
der erste Eingang 24 an den Verbindungsknoten zwischen
den Widerständen
R7 17 und R8 18 angeschlossen ist. An einem weiteren Eingangssignal 28 empfängt der
Mikrocontroller 20 das Signal für die Stromerfassung, das von
dem Ausgang des Verstärkers 9 getrieben
wird. An einem weiteren Eingang 29 empfängt es dasjenige Signal, das an
den zweiten Anschluss des Widerstands R2 5 angeschlossen
ist, sowie an dem Eingang 27 das Signal, das von dem Ausgang
des Regelverstärkers 11 gespeist
wird.
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Als
Ausgangssignale werden an dem Ausgang 25 das Signal DAC_V
an den nicht-invertierenden Eingang des Regelverstärkers 10 und
an dem Ausgang 26 das Signal DAC_C an den nicht-invertierenden
Eingang des Regelverstärkers 11 ausgegeben.
Die Ausgänge 23, 26 und 27 befinden
sich am Ausgang von Analog-Digital-Wandlern, die in dem Mikrocontroller
implementiert sind, sodass die Regelverstärker 10 und 11 jeweils
analoge Eingangssignale an ihren nicht-invertierenden Eingängen empfangen.
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Der
Ausgang 23 ist mit einem ersten Eingang eines Relais 19 verbunden,
dessen zweiter Eingang an den Spannungsversorgungsknoten VCC 31 angeschlossen
ist. Das Relais 19 öffnet
und schließt
den Schalter 16.
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Das
Netzteil 1 erzeugt aus der Wechselspannung UAC an seinen
Ausgängen
eine Gleichspannung. Dabei wird das Netzteil durch den Ausgangstransistor 2 angesteuert,
um eine bestimmte Spannung oder einen bestimmten Strom bereitzustellen. Der
Ausgangstransistor 2 empfängt dabei über eine Optokopplung das Ausgabesignal
der Eingangsdiode 15.
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Der
Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung des Netzteils 1 wird über den
Schalter 16 und den Widerstand R1 4 an die Außenanschlüsse 21 und 22 geleitet.
An den Außenanschlüssen 21 und 22 wird
die zu ladende Batterie bzw. der zu ladende Akkumulator angeschlossen.
Der erste Ausgang des Netzteils 1 wird durch Öffnen des
Schalters 16 von dem Außenanschluss 21 getrennt.
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Der
Ladestrom für
die Batterie fließt
auch durch den Widerstand R1 4, über den eine zum Ladestrom
proportionale Spannung abfällt.
Diese Spannung wird durch den Verstärker 9 gemessen, sodass an
dessen Ausgang ein Maß für den Ladestrom
ausgegeben wird.
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Die
Regelung der Spannung an den Außenanschlüssen enthält zwei
Regelkreise, und zwar einen für
die Spannung, der durch den Regelverstärker 10 geregelt wird,
und einen für
den Strom, der von dem Regelverstärker 11 geregelt wird.
Beim Regelkreis für
die Spannung wird die Spannung am nicht-invertierenden Eingang,
die proportional zu der Ausgangsspannung des Netzteils ist, mit
einem von dem Mikrocontroller vorgegebenen Wert verglichen. Der
Regelkreis, der das Erreichen des jeweiligen Grenzwertes für den Strom
oder die Spannung signalisiert, begrenzt die Ausgangsleistung und
hält diesen Grenzwert
konstant.
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Bei
der Stromregelung wird dagegen die Spannung am Ausgang des Regelkreises 9,
die proportional zum Ladestrom ist, mit einem ebenfalls vom Mikrocontroller
vorgegebenen Wert DAC_C verglichen. Die Entkoppelungsdioden 12 und 13 bewirken eine
Oderung und eine Entkoppelung. Derjenige der Regelverstärker 10 und 11,
der das Erreichen des Grenzwertes signalisiert, gibt an seinem Ausgang eine
so geringe Spannung aus, dass es zu einem Stromfluss von VCC durch
die Eingangsdiode 15, den Widerstand R6 14 und
eine der Entkoppelungsdioden 12 bzw. 13 kommt.
Durch den Stromfluss emittiert die Eingangsdiode 15 Licht,
das von dem Ausgangstransistor 2 empfangen wird.
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Derjenige
Regelverstärker 10 oder 11,
der nicht das Erreichen des Grenzwertes signalisiert, nimmt die
volle positive Spannung am Ausgang an und entkoppelt sich dadurch
von der jeweiligen Diode.
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Beim
Laden einer Batterie darf sowohl ein maximaler Ladestrom als auch
eine maximale Spannung nicht überschritten
werden. Bei tief entladener Batterie ist der Strom der begrenzende
Faktor, d.h. der Regelkreis des Regelverstärkers 11 begrenzt
das Ansteigen des Stroms. Ist die Batterie weitgehendst aufgeladen,
wird das Aufladen nicht mehr durch den Ladestrom, sondern durch
die anzulegende Spannung begrenzt. Deshalb wirkt hier die Spannungsregelung
des Regelverstärkers 10.
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Am
Ausgang des Regelverstärkers 11 kann somit
abgelesen werden, ob gerade eine Spannungsregelung oder eine Stromregelung
erfolgt, je nachdem ob der Knoten sich auf dem maximalen positiven
Potenzial oder auf einem Potenzial, dass die Ausgangsspannung des
Netzteils 1 regelt, liegt.
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Die
Grenze zwischen Stromregelung und Spannungsregelung wird durch einen
Grenzwert bestimmt, sodass jeweils ein Regelkreis aktiv ist, je nachdem
ob sich die Spannung oberhalb oder unterhalb des Grenzwertes befindet.
Die Ausgangsspannungen der Regelverstärker 10 und 11 bieten
daher die Information an, auf welchem Teil der Kennlinie gearbeitet
wird, konstante Ausgangsspannung oder konstanter Ausgangsstrom.
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Der
Mikrocontroller 20 empfängt
als Eingangssignale die Spannung, die an der Batterie anliegt, über den
Eingang 24, einen Messwert für den Ladestrom über den
Eingang 28, einen Messwert für die Ausgangsspannung des
Netzteils über
den Eingang 29 und die Information, ob Spannungs- oder Stromregelung
vorliegt, über
den Eingang 27.
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Der
Mikrocontroller 20 enthält
in Form von Programmanweisungen die Information, welcher Zielwerte
für den
Strom und für
die Spannung ausgegeben werden. In ihm ist auch ein Programmablauf abgespeichert,
in dem die Lademodi und Überprüfmodi definiert
sind. Diese Programme können
auch durch am Gehäuse
eines Batterieladegeräts
angebrachte Schalter variiert werden, indem ein Benutzer diese Schalter
betätigt,
um beispielsweise die Zielwert für
die Spannung zu ändern.
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Im
Ausgangszustand ist der Schalter 16 durch die Betätigung bzw.
Nicht-Betätigung
der Relais-Erregerwicklung 19 geöffnet. Bevor der Schalter 16 geschlossen
wird, stellt die erfindungsgemäße Schaltung
fest, ob eine an den Ausgangsanschlüssen angeschlossene Batterie
(in 1 nicht gezeigt) richtig gepolt ist und ob die
angeschlossene Batterie eine Spannung aufweist, die innerhalb eines
vorbestimmten Bereichs liegt. Hierzu wird über den Eingang MCU 24 die
dort anliegende Spannung gemessen.
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Bei
einer als Blei-Säure-Akkumulator
ausgeführten
12V-Batterie kann die kleinste sinnvolle Spannung z. B. als 4 V
angenommen werden. Ein kleinerer Wert am Eingang MCU 24 deutet
dann auf einen Defekt der Batterie hin.
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Bei
einer Verpolung der Batterie, also wenn die Ausgangsanschlüsse 21, 22 verkehrt
herum angeschlossen sind, liegt am Eingang MCU 24 ein negativer
Wert an, der an dem entsprechenden A/D-Wandler einen Wert "Null" erzeugt.
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Dann
kann es noch vorkommen, dass die von der Batterie an den Ausgangsschlüssen 21, 22 anliegende
Spannung größer als
ein vorbestimmter Wert von z. B. 14.4 V ist, was darauf hindeutet,
dass eine für
das erfindungsgemäße Ladegerät nicht
geeignete Batterie mit einer höheren
Spannung als vorgesehen angeschlossen ist.
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In
den vorstehend beschriebenen Fällen
wird das Relais 16 selbstverständlich nicht geschlossen, der
Microcontroller 20 verharrt in einer Eingangsschleife,
in der die vorstehend beschriebenen Startbedingungen überprüft werden.
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Wird
die obenstehende Bedingung erfüllt,
so geht der Microcontroller 20 in einen zweiten Zustand über, in
dem überprüft wird,
in welchem Ladezustand sich die Batterie befindet. Wenn die an den
Ausgangsanschlüssen
anliegende Spannung, gemessen am Eingang MCU 24, in einem
Bereich von größer oder
gleich 4 V und kleiner als z. B. 10.4 V liegt, dann geht die Erfindung
von einem "niedrigen
Ladungszustand" aus,
für den
eine schonende Ladung beispielsweise mit einem konstanten Strom
von 3A vorgesehen ist. In hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen
können
auch andere schonende Ladungsverfahren angewendet werden.
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Wenn
die an den Ausgangsanschlüssen
anliegende Spannung, gemessen am Eingang MCU 24, in einem
Bereich von größer oder gleich
z. B. 10.4 V und kleiner als z. B. 14.4 V liegt, dann geht die Erfindung
von einem "mittleren
Ladungszustand" aus,
für den
eine beschleunigte Ladung beispielsweise mit einem konstanten Strom
von 7A vorgesehen ist. In hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen
können
auch andere beschleunigte Ladungsverfahren angewendet werden.
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Schonende
und beschleunigte Ladungsverfahren, wie sie gemäß der Erfindung vorgesehen sind,
werden häufig
von Herstellern der Batterie in entsprechenden Datenblättern angegeben.
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Anschließend geht
die erfindungsgemäße Schaltung
in einen dritten Zustand über,
in dem die Spannungsbegrenzung der Ladespannung an den Ausgangsanschlüssen 21, 22 auf
den zuvor gemessenen Wert der Batteriespannung eingestellt wird, um
jegliche Funkenbildung zu vermeiden, wenn das Relais 16 mit
dem Beginn des Ladevorgangs geschlossen wird.
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Dazu
gibt der Mikrocontroller 20 eine vorbestimmte Spannung
am Ausgang DAC-V 25 an den nicht-invertierenden Eingang
des Regelverstärkers 10 aus.
Am invertierenden Eingang des Regelverstärkers 10 liegt eine
zur Ausgangsspannung des Netzteils 1 proportionale Spannung
an, nämlich
die sich am Spannungsteiler R2 5 und R3 6 einstellende Teilspannung.
Das Verhältnis
der beiden Spannungen bestimmt einen Strom durch die LED 15,
die den lichtempfindlichen Transistor 2 so beaufschlagt,
dass das Netzteil 1 eine vorbestimmte Leistung abgibt. Hier
ist das Relais 16 noch geöffnet, so dass nur ein vernachlässigbar
kleiner Strom von wenigen μA durch
den Spannungsteiler R2 5 und R3 6 fließt.
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Im
Endeffekt ergibt sich aus den ausgebildeten Komponenten lichtempfindlicher
Transistor 2, LED 15, Regelverstärker 10,
Spannungsteiler R2 5 und R3 6 ein Spannungsregelkreis,
bei dem im eingeschwungenen Zustand die Spannung am invertierenden
Anschluss des Regelverstärkers 10 gleich der
Spannung am nichtinvertierenden Anschluss des Regelverstärkers 10 ist.
-
In
Kenntnis dieses Zusammenhangs ist die sich an den Ausgangsanschlüssen 21, 22 einstellende
Spannung proportional zu der als Führungsgröße durch den Mikrocontroller 20 am
Ausgang DAC-V 25 bereitgestellten
Spannung. Die durch den Mikrocontroller 20 am Ausgang DAC-V 25 bereitzustellende Spannungsbegrenzung
der Ladespannung an den Ausgangsanschlüssen 21, 22 auf
den zuvor gemessenen Wert der Batteriespannung lässt sich danach einfach bestimmen.
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Der
Spannungsregelkreis ist hier als analoge Schaltung ausgeführt, was
zahlreiche Vorteile gegenüber
einer digitalen Regelung hat, wie sie in einem hier nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel
angewendet ist. In einer hier nicht gezeigten Ausführung als
digitaler Regelkreis können
die Komponenten Transistor 2, LED 15, Regelverstärker 10,
Spannungsteiler R2 5 und R3 6 entfallen, wenn
deren Funktion vom Mikrocontroller 20 übernommen wird.
-
Das
Relais 16 wird im nächsten
Schritt durch Betätigung
des Mikrocontrollers 20 eingeschaltet. Im vorliegenden
Fall wird angenommen, dass die Batterie eine Spannung von 8 V hat,
also "niedrig" geladen ist. Nachdem
der Kontakt im Relais 16 geschlossen ist, schaltet der
Mikroprozessor 20 in den Zustand "Ladung mit konstantem Strom", und zwar entsprechend
dem Ladezustand "niedrig" mit einem schonend
vermindertem Strom von nur 3 A. Hierzu gibt er über den Ausgang DAC-C 26 eine
vorbestimmte Spannung an den nicht-invertierenden Eingang des Regelverstärkers 11 an.
Zum anderen bekommt der Regelverstärker 11 eine Spannung
am invertierenden Eingang, die proportional zum Ladestrom durch den
Widerstand R1 4 ist. Der Verstärker 9 verstärkt die
an diesem sehr klein gewählten
Widerstand R1 4 abfallende Spannung im Maße des passend
gewählten
Verhältnisses
der Widerstände
R4 7 und R5 8. Diese Spannung wird dabei gerade
so groß gewählt, dass
bei einem Strom von 3A durch R1 4 der Ausgang eine vorgegebene
Spannung einnimmt, die in der LED 15 einen vorbestimmten
Strom fließen
lässt, der über den
Transistor 2 das Netzteil 1 dazu veranlasst, eine
vorgegebene Leistung zu übertragen.
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Der
Strom durch den Transistor 2 ist proportional zum Strom
durch die LED 15. Die Ausgangsleistung des Netzteils 1 ist
umgekehrt proportional zum Strom durch die LED 15. Dadurch
wird bei einem größeren Strom
durch die LED 15 eine kleinere Leistung im Netzteil 1 übertragen.
Das führt
dazu, dass der Regelverstärker 11 im
eingeschwungenen Gleichgewichtszustand an seinen beiden Eingängen jeweils
gleiche Spannungen anliegen hat. Im Endeffekt wird dadurch – unabhängig von
der durch die Batterie bewirkten EMK – ein konstanter Ladestrom von
3A erzeugt.
-
Die
analoge Regelung des Stroms durch den Regelverstärker 11 entspricht
dabei im wesentlichen der oben beschriebenen analoge Regelung der Spannung
durch den Regelverstärker 10.
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Im
Hinblick auf die Ansteuerung der LED 15 konkurrieren die
Ausgänge
des Regelverstärkers 11 und
des Regelverstärkers 10 miteinander.
In dem Augenblick, in dem das Relais 16 geschlos sen wird,
legt der Mikroprozessor 20 eine solche Spannung an den Ausgang
DAC-V 25 an, dass dieser gewissermaßen abgeschaltet wird. Der
Regelverstärker 10 erhält dazu
eine gegenüber
der am invertierenden Anschluss anliegende Spannung des Netzteils 1 am Spannungsteiler
R2 5 und R3 6 viel höhere Spannung von 14.4 V, so
dass sein Ausgang auf positive Spannung geht, was die Diode 12 sperrt.
Es fließt also
jedenfalls aufgrund der Wirkung des Regelverstärkers 10 kein Strom
mehr durch die LED 15, dementsprechend erfolgt eine Betätigung des
Transistors 2 ausschließlich durch einen vom Regelverstärker 11 erzeugten
Strom.
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Die
Spannung U am Ausgang des Netzteils 1 kann in diesem Zustand
nicht auf einen beliebig hohen Wert ansteigen, denn diese wird durch
den über den
Regelverstärker
konstant eingestellten Strom bestimmt.
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Während der
schonenden Ladung mit einem Strom I von 3 A steigt die Spannung
der Batterie mit zunehmender Ladung an. Bei Erreichen einer Batteriespannung
von 10.5 V, gemessen mit dem Eingang 24 des Mikrocontrollers 20,
wird der Ladestrom durch den Mikroprozessor auf z. B. 7 A hochgeschaltet. Dazu
wird an den nicht-invertierenden Eingang des Regelverstärkers 11 eine
höhere
Referenzspannung als Führungsgröße angelegt.
Der Gleichgewichtszustand stellt sich daraufhin analog wie oben
für einen Strom
von 3 A beschrieben ein.
-
In
demjenigen Fall, in dem die Batterie während des Ladens mit konstantem
Strom abgeklemmt wird, geht der Ladestrom auf 0 A zurück und die
Ladespannung steigt abrupt auf den Wert 14.4 V an. Dieser Ladestrom
wird über
den Eingang 27 des Mikrocontrollers 20 ausgewertet
und die Spannung am Eingang 29 des Mik rocontrollers 20 bzw.
an den Ausgangsanschlüssen 21, 22.
In diesem Fall befindet sich die Schaltung nicht mehr in dem Zustand
der Stromregelung, denn am invertierenden Eingang des Regelverstärkers 11 liegt
keine erhöhte
Spannung mehr an. Dies wird von Mikrocontroller 20 so interpretiert,
dass keine Batterie angeschlossen ist. Sobald auf diese Weise detektiert
wird, dass die Batterie entfernt ist, wird das Relais 16 geöffnet und
der Mikrocontroller 20 wird in den Anfangszustand zurückversetzt,
in dem er detektiert, ob eine passende Batterie angeschlossen ist.
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Wenn
die Batterie während
des Ladens mit konstantem Strom nicht entfernt wird, sondern wenn weiter
geladen wird, dann stimmen beim Erreichen einer Ausgangsspannung
von 14.4 V die Spannungen am invertierenden und am nicht-invertierenden Eingang
des Regelverstärkers 10 überein,
so dass dieser am Ausgang eine niedrigere Spannung einnimmt, als
die Ausgangsspannung am Regelverstärker 11. Nun bestimmt
wieder die Spannung am Ausgang des Regelverstärkers 10, die mit
der Spannung am Ausgang des Netzteils 1 zusammenhängt, die Höhe des Stroms
durch die LED 15 und somit die Leistungsabgabe des Netzteils 1.
Die Zustände
am Regelverstärker 11 haben
auf die Höhe
des Stroms durch die LED 15 und somit auf die Leistungsabgabe des
Netzteils 1 keinen Einfluss mehr. Somit liegt eine Veroderung
der Führungsgrößen Strom
und Spannung vor, je nachdem, welcher Grenzwert "Strom" oder "Spannung" erreicht wurde.
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In 2 wird
die vorstehend beschriebene Umschaltung im Knickpunkt K dargestellt.
Dieser Punkt ist für
die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung
kritisch. Anschließend
nimmt nämlich
der Ladestrom ab, denn aufgrund der immer größer werdenden EMK der Batterie
wird die Differenzspannung zwischen Batterie und Netzteil 1 immer
kleiner. Dies wird in der Zeichnung durch einen exponentiellen Abfall
des Ladestroms I verdeutlicht.
-
Beim
Erreichen des kritischen Punkts K wird mit einer Zeitmessung der
weiteren Ladung begonnen. Sobald eine weitere Ladezeit von z. B.
4 Stunden erreicht ist, wird die Ladespannung auf eine Erhaltungsladespannung
von 13.8 V heruntergesetzt, indem wie oben beschrieben der Mikrocontroller 10 den
Regelverstärker 10 mit
einer entsprechenden Führungsgröße beaufschlagt.
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Falls
bereits vorher ein Ladestrom von kleiner oder gleich 0.8 A gemessen
wird, wird die Ladespannung bereits zu diesem Zeitpunkt auf die
Erhaltungsladespannung von 13.8 V heruntergesetzt.
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Gemäß der Erfindung
wird in einem Zeitpunkt t1 nach dem kritischen Punkt K der am nicht-invertierenden
Eingang des Regelverstärkers 11 anliegende
Wert des Ausgangs DAC-V 25 auf einen Wert von z. B. 16
V hochgeschaltet. Dadurch kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf einfache Weise ermittelt werden, ob in der Zwischenzeit die
Batterie entfernt wurde.
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In
demjenigen Fall, in dem eine Batterie angeschlossen ist, geht der
Ladestrom auf 7A über,
da der Ausgang des Regelverstärkers 10 nicht
mehr die Führungsgröße für den Strom
durch die LED 15 bildet. Zur näheren Erklärung wird auf die obenstehenden
Ausführungen
zur Ladung mit konstantem Strom verwiesen. Dieser Ladestrom wird über den
Eingang 27 des Mikrocontrollers 20 ausgewertet.
Wenn dies aufgrund der Anregung der Schaltung mit erhöhten Spannung
als Führungsgröße erfolgt,
dann wird an genommen, dass eine reguläre Batterie angeschlossen ist
und zum Zeitpunkt t2 wird wieder auf Ladung mit konstanter Spannung
von 14.4 V umgeschaltet. Entsprechend zu diesem Vorgehen wird zu
den Zeitpunkten t3 und t4 vorgegangen.
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Falls
die Batterie zu einem Zeitpunkt abgeklemmt ist, dann steigt nicht
der Strom an sondern die Spannung am Eingang 29 des Mikrocontrollers 20 bzw.
an den Ausgangsanschlüssen 21, 22,
und zwar auf den voreingestellten erhöhten Wert von 16 V. In diesem
Fall gelangt die Schaltung nicht in denn Zustand der Stromregelung,
denn am invertierenden Eingang des Regelverstärkers 11 liegt keine
erhöhte Spannung
an. Dies wird von Mikrocontroller 20 so interpretiert,
dass keine Batterie angeschlossen ist.
-
Die
zuletzt beschriebene Routine des Erhöhens der Führungsgröße für die Ladespannung wird nach
dem Erreichen des kritischen Punkts K stets in geringen zeitlichen
Abständen
wiederholt, um stets über
den Anschlusszustand der Batterie sicher informiert zu sein.
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Sobald
detektiert wird, dass die Batterie entfernt ist, wird das Relais 16 geöffnet und
der Mikrocontroller 20 wird in den Anfangszustand zurückversetzt,
in dem er detektiert, ob eine passende Batterie angeschlossen ist.
-
In
einem weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Schaltung
zusammen mit einer kleinen Pufferbatterie als Stromversorgung beispielsweise
einer Alarmanlage, eines Computers oder eines Funkgeräts betrieben. Die
Erfindungsgemäße Schaltung
kann nämlich ohne
eine solche Pufferbatterie nicht als Stromversorgung für solche
Geräte
ver wendet werden. Erst der Anschluss einer passenden Batterie veranlasst das
Netzteil 1 dazu, Energie an die Ausgangsanschlüsse 21, 22 abzugeben.
Man könnte
statt des Anschlusses einer Batterie auch daran denken, einen großen Kondensator
zu verwenden. Dann muss natürlich
der untere Schrankenwert für
den Einsatz der Schaltung von 4 V auf 0 V heruntergesetzt werden.
-
- 1
- Netzteil
- 2
- Ausgangstransistor
- 3
- Netzspannung
- 4
- Widerstand
R1
- 5
- Widerstand
R2
- 6
- Widerstand
R3
- 7
- Widerstand
R4
- 8
- Widerstand
R5
- 9
- Verstärker
- 10
- Regelverstärker
- 11
- Regelverstärker
- 12
- Entkoppelungsdiode
- 13
- Entkoppelungsdiode
- 14
- Widerstand
R6
- 15
- Eingangsdiode
- 16
- Schalter
- 17
- Widerstand
R7
- 18
- Widerstand
R8
- 19
- Relais-Erregerwicklung
- 20
- Mikrocontroller
- 21
- erster
Ausgangsanschluss UB+
- 22
- zweiter
Ausgangsanschluss UB–
- 23
- Ausgang
MCU
- 24
- Eingang
MCU
- 25
- Ausgang
MCU
- 26
- Ausgang
MCU
- 27
- Eingang
MCU
- 28
- Eingang
MCU
- 29
- Eingang
MCU
- 31
- Versorgungsspannung