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Ladeschaltung für Kleinsammler Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung
für Keinsammler mit Transformator oder Kondensator zur Herabsetzung der Netzspannung
auf die erforderliche Ladespannung, mit Gleichrichter und mit einem ladungsbegrenzendem
Halbleiterelement. Die bisher bekannten Ladeschaltungen, insbesondere die Schaltungen
mit temperatur- oder spannungsabhängigen Widerständen, erfüllen ihren Zweck, solange
es sich nicht um Sammler mit Paste als Elektrolyt handelt. Die Bleisammler werden
als sogenannte Trockenakkumulatoren hergestellt, und diese werden in Plastik- oder
ähnlichen Gehäusen vollkommen geschlossen ausgeführt. Die Paste oder eine andere
geeignete Zusammensetzung als Elektrolyt enthält nur eine geringe Feuchtigkeitsreserve.
Die Zellen sind daher außerordentlich empfindlich auf jede überladung. Eine einzige
Überladung kann bereits zur Vergasung der geringen Flüssigkeitsreserve führen und
die Zelle wird damit zerstört. Die bisher bekannten Ladeschaltungen eignen sich
daher für die Wiederladung derartiger Zellen nicht. Die Ladeschaltung muß unbedingt
die Forderung erfüllen, daß nach Erreichen der Gasungsspannung keine weitere Stromzufuhr
in der gleichen Höhe oder auch in einer wesentlich niedrigeren Höhe erfolgen darf.
Wird beispielsweise ein solcher Akkumulator mit einer Ladestromstärke von 100 mA
geladen, so muß nach Erreichen der Gasungsspannung die Stromstärke automatisch auf
einen Wert von etwa 1 bis 2 mA herabgesetzt werden. Da die Akkumulatoren in geschlossene
Geräte eingebaut werden, oder in Stecker, welche zur Wiederladung einfach in die
Steckdose gesteckt werden, kann man die Akkumulatoren während der Ladung nicht nachkontrollieren
oder überwachen.
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In vielen Geräten, wie z. B. in Rasierapparaten, besteht im übrigen
durch den Benutzer die Möglichlichkeit, daß der Akkumulator einmal nach völliger
Entladung, zum anderen Mal aber auch bereits nach einer nur kurzen Teilentladung
wieder aufgeladen wird. Als Ladeschaltungen sind bekannt sowohl transformatorische
Herabsetzung der Netzspannung als auch Herabsetzung durch Kondensator- oder Widerstandsschaltung
auf die Ladespannung, welche für die Batterie erforderlich ist. Diese beiden grundsätzlichen
Anordnungen genügen aber nicht den Anforderungen für Akkumulatoren, welche mit pastenförmigen
Elektrolyten arbeiten. Es ist überhaupt keine Ladestrombegrenzung bei diesen Schaltungen
vorgesehen. Aus diesem Grunde hat man zu diesen prinzipiellen Ladeschaltungsanordnungen
auch bereits Ladungsbegrenzerelemente angewendet, so z. B. Zenerdioden, die über
die Batterie geschaltet worden sind. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß,
auch wenn keine Ladung erfolgt, über diese parallel geschaltete Zenerdiode ein Strom
fließt und den Akkumulator entlädt. Solche Schaltungen mit Zenerdiode besitzen erst
eine Berechtigung, wenn es sich um die Konstanthaltung einer Verbraucherspannung
handelt. Sie sind aber nicht geeignet für die Begrenzerschaltung im Ladestromkreis.
Eine solche Parallelschaltung hätte außerdem nämlich noch die Eigenschaft, einen
wesentlichen Anteil der Kapazität, welche in der geladenen Batterie gespeichert
ist, zu verbrauchen. Es würde also ein erheblicher Verlust auftreten, der größer
ist, als der Nutzen, den eine solche Schaltung bringen kann. Man hat auch aus diesem
Grunde Glimmröhrenschaltungen in Verbindung mit Relais verwendet. Solche Glimmröhren
arbeiten aber nur bei großen Betriebsspannungen, so daß sie für Kleinsammler mit
nur wenigen Zellen nicht in Betracht kommen. Außerdem ist der Aufwand sehr erheblich,
da zusätzlich zu der Glimmröhre noch eine Relaisanordnung erforderlich ist. Schon
aus räumlichen Gründen würde eine solche Anordnung für die Ladung von Kleinsammlern
nicht in Betracht kommen. Für niedrige Batteriespannungen hat man auch ein Schaltung
mit Ventilzelle und Relaiswicklung vorgeschlagen. Für eine solche Schaltungsanordnung
gelten aber die gleichen Voraussetzungen, daher auch die gleichen Nachteile. Es
sind auch Schaltungsanordnungen bekanntgeworden, welche mit spannungsabhängigen
Widerständen arbeiten. Diese Widerstände sollen über den stark spannungsabhängigen
Strom einer Gleichrichterzelle ein Relais schalten. Es ist aber allgemein bekannt,
daß spannungsabhängige Widerstände für solche Zwecke nicht anwendbar sind, da
einmal
der Regelbereich sehr klein ist und außerdem die Streuung in der Produktion so hoch
ist, daß solche Widerstände für exakte Spannungs- und Strombegrenzungsschaltungen
nicht geeignet sind. Für Ladespannungs- und Ladestrombegrenzungen scheiden daher
solche spannungsabhängigen Widerstände von vornherein aus, da die Kenndaten dieser
Widerstände sich nicht für eine Verwendung in solchen Ladeschaltungen, wo die Abschaltung
sehr exakt mit der Gasungsspannung erfolgen muß, eignen.
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Weiterhin ist für alle solchen Schaltungsanordnungen der Aufwand an
Schaltelementen erheblich. Es muß in jedem Fall ein besonderer Gleichrichter oder
eine gleichrichterähnliche Sperrvorrichtung in den Schaltungen enthalten sein, um
den Rückstrom abzuschalten. Für Kleingeräte sind aber die Schaltelemente soweit
wie möglich zu begrenzen, weil allein wegen des Raumbedarfs nur eine einfache Schaltanordnung
anwendbar ist. Auch der Aufwand muß für solche Kleinstgeräte, welche ja zumeist
Massenartikel darstellen, soweit wie möglich eingeschränkt werden. Trotzdem muß
sichergestellt sein, daß bei beliebiger Verwendung durch den Benutzer auch eine
Ladung über das Vielfache der normalen Ladezeit den Akkumulator nicht zerstören
kann. Erst dann ist eine universelle Verwendbarkeit durch den Laien in allen möglichen
Kleinstgeräten gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird eine Ladeschaltung für Kleinsammler mit Transformator
(oder Kondensator), Gleichrichter und ladungsbegrenzendem Halbleiterelement angegeben,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß als Begrenzerelement eine Zenerdiode im Wechselstrom-Niederspannungsteil
mit einer Durchbruchsspannung in Höhe der Solladespannung angeordnet ist, der Widerstände
von solcher Bemessung beigeordnet sind, daß nach Erreichen der Sollspannung nur
noch der Ladungserhaltungsstrom fließen kann. Die Zenerspannung dieser Diode wird
so gewählt, daß sie der maximal zulässigen Dauerladespannung, der Gasungsspannung,
entspricht. Bei den vielen Anwendungsmöglichkeiten ist es vorteilhaft, die Zenerdiode
direkt für diese Spannung zu bemessen, da dann weitere Bauelemente nicht erforderlich
sind. Wird nun während der Wiederaufladung die Dauerspannung erreicht, so ist damit
gleichzeitig auch die Durchbruchsspannung für die Diode erreicht. Die aus dem Gleichrichter
entnehmbare maximale Leistung fließt über die Zenerdiode ab, ohne daß ein besonderer
Schaltvorgang oder eine Überwachung erforderlich ist. Der ohmsche Widerstand in
Durchlaßrichtung für die Zenerspannung kann so gewählt werden, daß die parallel
geschalteten Widerstände, Akkumulator und Zenerdiode das erforderliche Verhältnis
für die Ströme, also etwa 1 bis 2 mA, durch den Akkumulatorkreis ergeben. Selbstverständlich
kann, falls eine Zenerdiode mit einem gegebenen Widerstand verwendet werden soll,
auch ein zusätzlicher ohmscher Widerstand in den Kreis der Zenerdiode mit eingeschaltet
werden. Auch für den Fall, daß keine Zenerdiode mit einer Durchbruchsspannung entsprechend
der Dauerladespannung zur Verfügung steht, kann jede normale Zenerdiode mit einer
niedrigeren Spannung als Durchbruchsspannung verwendet werden. In diesem Fall wird
vor die Zenerdiode entweder ein Spannungsteiler oder ein Vorwiderstand geschaltet,
so daß bei Erreichen der Gasungsspannung an der Diode wieder die zugehörige Durchbruchsspannung
liegt. Für die Aufladung von Akkumulatoren, welche nur aus einerZelle bestehen,
kann es vorteilhaft sein, weil Zenerdioden mit so niedrigen Spannungen nicht immer
zur Verfügung stehen, die Schleusenspannung der Diode auszunutzen. Bekanntlich beträgt
diese Schleusenspannung bei Siliciumdioden mit der für diese Zwecke vollkommen ausreichenden
Genauigkeit etwa 0,7 V. Wählt man die Vor- oder Spannungsteilerwiderstände derart,
daß bei Erreichen der Gasungsspannung an der Diode diese 0,7 V erreicht werden,
so tritt die gleiche Wirkung auf. Die Diode ist entsprechend zu polen, und nach
Erreichen dieser Schleusenspannung fließt dann der Strom zum Schutz des Akkumulators
über den Diodenkreis.
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Der besondere Vorteil dieser Schaltungsanordnungen besteht darin,
daß die Begrenzungselemente für den Rückstrom, die bei Einschaltung der Zenerdiode
auf der Gleichstromseite erforderlich werden, wegfallen können. Durch diese einfache
Zusatzschaltung, welche sich für alle Ladeschaltungen anwenden läßt, wird eine vollautomatisch
wirkende Ladebegrenzung erreicht, und der Schutz gegen Überladung, auch von empfindlichen
Akkumulatoren mit Pastenfüllung, ist vollständig gewährleistet. Auch für alle anderen
Arten von Akkumulatoren bietet diese einfache Anordnung die gleichen Vorteile.
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In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt. Der
Transformator 6 (oder Kondensator 14) mit dem Gleichrichter 2 bzw. 8 und dem ladungsbegrenzenden
Halbleiterelement (Zenerdiode) 3 sind so zusammengeschaltet, daß die Zenerdiode
im Wechselstrom-Niederspannungsteil liegt. Die Widerstände 4, 5 und 9 sind so bemessen
und in der Schaltung angeordnet, daß nach Erreichen der Sollspannung nur noch der
Ladungserhaltungsstrom fließen kann, weil die Durchbruchsspannung der Zenerdiode
erreicht ist.
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Bei Verwendung eines Brückengleichrichters 2 wird die Zenerdiode
3 wechselstromseitig parallel zum Gleichrichter 2 geschaltet (F i g. 1). Bei einem
Einweggleichrichter 8 liegt die Zenerdiode 3 parallel zur Reihenschaltung Gleichrichter
8 und Batterie 1 (F i g. 2).