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Puffer-Ladegerät Die Erfindung betrifft ein Puffer-Ladegerät für eine
Akkumulatorenbatterie mit Gleichrichter und Regeleinrichtung, welche auf die Batteriespannung
anspricht und eine Änderung der Ladespannung bewirkt, bei dem der Ladevorgang in
Abhängigkeit von der vorausgegangenen Entladung gesteuert wird.
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Es sind schon Gleichspannungsgeneratoren bekannt, die unter anderem
aus einer mit Wechselstrom gespeisten Gleichrichteranordnung bestehen, an deren
Klemmen eine Akkumulatorenbatterie angeschlossen ist, welche für die gewünschte
Konstanz der Ausgangsgleichspannung sorgt und außerdem die Kontinuität der Gleichstromspeisung
für den Fall des Ausbleibens des Wechselstroms garantiert.
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Im allgemeinen wird bei solchen Generatoren zur Kompensation der Schwankungen
der Wechselspannung, oder um dem Ladezustand der Batterie Rechnung zu tragen (um
diese nicht in den Zustand andauernder Überladung zu bringen), ein Regler benutzt,
der die Spannung an den Ausgangsklemmen des Gleichrichters praktisch konstant hält.
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Wird einem solchen Generator während des normalen Betriebs Gleichstrom
entnommen, dann speisen Gleichrichter und Batterie parallel zueinander in den Nutzstromkreis.
Wird nun die Wechselstromspeisung unterbochen (z. B. beim Ausfallen des Netzes),
dann liefert die Batterie allein Strom in die Anlage und entlädt sich infolgedessen
allmählich. Da nun die Entladekurve einer ordnungsgemäß installierten Akkumulatorenbatterie
(das ist die Kurve, durch welche die Spannung an den Klemmen der Batterie in Abhängigkeit
von der Entladezeit dargestellt ist) über den größten Teil ihrer Länge praktisch
horizontal oder nur ganz leicht abfallend verläuft, verlangsamt der Regler, der
bei seiner Tätigkeit nur die Batteriespannung, aber nicht ihren Ladezustand berücksichtigt,
die Stromabgabe des Gleichrichters und verhindert, daß die Batterie ihren normalen
Ladezustand plötzlich wieder annimmt.
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Besteht andererseits die Gefahr einer erneuten Unterbrechung der Wechselstromspeisung
kurz nach der ersten Unterbrechung, dann kann die Batterie vollständig entladen
werden; dies ist bei Anlagen für Sicherheitseinrichtungen besonders gefährlich.
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Die Erfindung beseitigt diesen Nachteil und garantiert nach einer
Unterbrechung der Wechselstromspeisung in kürzester Zeit die Wiederaufladung der
Batterie, wobei die Ladezeit proportional der Dauer der Unterbrechung ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein an der Speisespannung
liegendes Relais den Regler über einen Arbeitskontakt einschaltet, während es über
einen Ruhekontakt einen als Entladezeitmesser dienenden Akkumulator kleiner Kapazität
und einer Nennspannung, die kleiner ist als diejenige der Akkumulatorenbatterie,
parallel zu den Klemmen der Batterie schaltet, wobei dieser Akkumulator durch einen
Widerstand überbrückt ist, und ein Abgriff an dem geschlossenen Stromkreis aus diesem
Akkumulator (13) und dem Widerstand (16) mit der Regeleinrichtung
verbunden ist, um diese im Sinne einer Erhöhung der Stromabgabe des Gleichrichters
zu beeinflussen, wenn das Potential dieses Abgriffs nicht Null ist.
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Beim Unterbrechen der Wechselstromspeisung fällt das Relais ab, schaltet
den Regler aus und legt den Akkumulator mit der kleinen Kapazität an die Klemmen
der Batterie. Der Akkumulator mit der kleinen Kapazität empfängt auf diese Weise
eine Ladung, die praktisch proportional der Dauer der Unterbrechung ist. Beginnt
die Wechselstromspeisung von neuem, dann wird die Ladung des kleinen Akkumulators
unterbrochen, und der kleine Akkumulator entlädt sich über den Widerstand und hebt
auf diese Weise das Potential des Abgriffs des mit dem Regler (der inzwischen wieder
angeschlossen worden ist) verbundenen Entladekreises während einer Zeitspanne an,
die gleich der Entladezeit des kleinen Akkumulators ist. Diese Zeit ist proportional
der aufgenommenen Ladung, d. h. der Dauer des Netzausfalls. Während dieser Zeit
sichert der von dem Potential des Abgriffs gesteuerte Regler eine höhere Stromabgabe
des Gleichrichters, so daß eine Wiederaufladung der Batterie in kürzester Zeit ermöglicht
wird.
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Ist der kleine Akkumulator vollständig entladen, dann fällt das Potential
des mit dem Regler elektrisch verbundenen Abgriffs auf Null, und der Regler,
der
angeschlossen bleibt, nimmt seine normale Regeltätigkeit wieder auf.
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Die Anordnung nach der Erfindung ist bei allen Reglern anwendbar,
die durch eine Potentialänderung an einem elektrischen oder elektromagnetischen
oder sonstigen Steuerorgan (gegebenenfalls nach erfolgter Verstärkung) gesteuert
werden können.
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Es ist bekannt, eine Laderegelung dadurch zu erzielen, daß man die
Spannung eines Bezugselementes mit einer Abgriffsspannung am Ausgang des Gleichrichters
unter Zwischenschaltung eines Spannungsteilers vergleicht und die Stromquelle für
die Ladung in Abhängigkeit von dem Unterschied der miteinander verglichenen Spannungen
beeinflußt.
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Als Vergleichsvorrichtung bedient man sich in an sich bekannter Weise
mit Vorteil einer Triode, insbesondere einer Halbleitertriode (Transistor), in welcher
die Bezugsspannung und derjenige Bruchteil der Spannung des Gleichrichters, der
mit ihr verglichen wird, zwei der Eingangselektroden der Triode polarisieren (d.
h. den Emitter und die Basis im Falle eines Transistors). Der Ausgangsstrom dieser
Triode beeinflußt dann, gegebenenfalls nach erfolgter Verstärkung, ein Organ zur
Regelung der Stromabgabe der betreffenden Stromquelle.
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Als Regelorgan dient vorteilhafterweise ein zur Laderegelung bekannter
Transduktor mit drei Wicklungen: Einer Wicklung mit veränderlicher Impedanz, durch
die der Speisewechselstrom fließt, eine Selbsterregungswicklung, durch die der gleichgerichtete
Strom fließt, und schließlich eine Steuerwicklung, durch die der Regelstrom fließt.
Infolge der Selbsterregung dieses Transduktors kann ein verhältnismäßig schwacher
Steuerstrom die Magnetisierung des magnetischen Kreises dieses Transduktors im Sättigungsbereich
dieses magnetischen Kreises ändern und damit aber auch die Impedanz derjenigen Wicklung
innerhalb weiter Grenzen ändern, die von dem Wechselstrom durchflossen wird, und
infolgedessen auch die Stromabgabe der Stromquelle regeln.
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Die Anordnung gestattet jedoch nicht immer die Stromabgabe des Gleichrichters
dadurch völlig abzustellen, daß sie den Wert der Impedanz unendlich groß macht,
so daß sich die Batterie, für den Fall, daß dem Generator überhaupt kein Strom entnommen
wird, im Zustand der dauernden Überladung befindet, was ihr sehr nachteilig sein
kann.
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Es ist bekannt, zur Beseitigung dieses Nachteils parallel zu der Batterie
einen Widerstand (Ballastwiderstand) zu schalten, der den Reststrom des Transduktors
aufnehmen soll, wenn die Impedanz ihr Maximum erreicht hat.
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Ein solcher Ballastwiderstand, der während des normalen Betriebs von
einem praktisch konstanten Strom durchflossen wird, ermöglicht es im übrigen, mittels
gestaffelter Abgriffe die Polarisation der verschiedenen Elemente der Regelvorrichtung
zu bewirken.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken wird in diesem Falle der Arbeitskontakt
des Relais mit dem Ballastwiderstand in Reihe gelegt, so daß die Regelvorrichtung
beim Abfallen des Relais ausgeschaltet wird und außerdem eine Speisung des Ballastwiderstandes
aus der Batterie vermieden wird, zumal der Ballastwiderstand einen nicht zu vernachlässigenden
Strom verbraucht.
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Im übrigen wird bei einer solchen Schaltanordnung der Abgriff des
Entladekreises des Akkumulators mit der kleinen Kapazität an die Steuerelektroden
einer Elektronenröhre, vorzugsweise einer Triode, gelegt, die parallel zu dem Teil
des Spannungsteilers liegt, der den Bruchteil der Spannung festlegt, der mit der
Bezugsspannung verglichen wird.
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Auf diese Weise wird die Elektronenröhre, wenn nach einer Unterbrechung
der Wechselstromspeisung diese wieder aufgenommen wird, während einer Zeitspanne
ausgeschaltet, die proportional der Dauer der Unterbrechung ist, so daß während
dieser Zeit in den Teil des Spannungsteilers, der den mit der Bezugsspannung zu
vergleichenden Bruchteil der Spannung festlegte, durch einen viel kleineren Widerstand
ersetzt ist, so daß der Unterschied zu der Bezugsspannung vergrößert wird und damit
dem Regler die Möglichkeit gegeben ist, die Speisung für eine beschleunigte Ladung
der Batterie zu vergrößern.
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Das elektronische Ventil ist vorteilhaft eine Halbleitertriode (Transistor),
die durch kleine Potentialänderungen gesteuert werden kann, so daß man einerseits
die Potentialänderungen direkt (d. h. ohne Verstärkung) des Punktes des Entladekreises
des Akkumulators für die Steuerung dieser Triode (Transistor) benutzen kann, andererseits
mit einer kleinen Anzahl von Elementen, im Notfall mit einem einzigen Element, für
den Akkumulator kleiner Kapazität auskommt.
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Schließlich ist das äußerste Ende des Spannungsteilers, das dem äußersten
Ende des an den Arbeitskontakt des Relais angeschlossenen Ballastwiderstandes entspricht,
auch an diesen Arbeitskontakt angeschlossen, so daß das Abfallen des Relais auch
die Abschaltung des Spannungsteilers zur Folge hat und eine zwecklose Einspeisung
von Batteriestrom in den Spannungsteiler unterbindet, wenn die Batterie allein in
Betrieb ist.
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Aus der nun folgenden Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug
genommen ist, wird das Wesen der Erfindung in allen seinen Einzelheiten klar werden.
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Die einzige Figur der Zeichnung ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer Anordnung mit regulierbarem Gleichspannungsgenerator nach der Erfindung, der
mit Wechselspannung gespeist wird.
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In diesem Schaltbild ist mit 1 eine Wechselspannungsquelle,
beispielsweise das Netz, bezeichnet; sie speist gegebenenfalls über einen Spannungsanpassungstransformator
und die Wicklung 3 a des Transduktors 3 die Gleichrichteranordnung 2. Die beiden
Pole des gleichgerichteten Stromes sind an die Klemmen 4 und 5 der Batterie 6 gelegt;
der Strom durchfließt auf diesem Wege die Wicklung 3 b für die Selbsterregung des
Transduktors 3. Die Batterie 6 liegt parallel zu einem Verbraucher V und zu dem
Ballastwiderstand 7, dessen eines Ende mit dem Arbeitskontakt 8 eines Relais in
Reihe liegt, dessen Wicklung 9 an den Eingangsklemmen des Gleichrichters liegt,
so daß dieses Relais immer erregt ist, wenn die Wechselstromquelle unter Spannung
ist.
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Durch die Einfügung des Kontaktes 8 ist auch der Spannungsteiler
R l, R2 parallel zu den Klemmen der Batterie geschaltet.
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Die Widerstandswerte von R1 und R2 legen denjenigen Bruchteil der
zwischen den Klemmen 4 und 5 herrschenden Spannung fest, der an der Basis eines
ersten Transistors T1 liegt. Der Emitter e1 dieses Transistors wird durch die Bezugsspannung
UR polarisiert, die vorzugsweise die Spannung einer elektrolytischen
(vorzugsweise
dichten) Zelle 10 ist, die im Zustand dauernder Überladung gehalten wird,
weil sie in Reihe und zusammen mit dem Widerstand 11 an den Ausgangsklemmen des
Gleichrichters 2 liegt. Der Kollektor c1 des Transistors T1 wird von einem Abgriff
P1 des Ballastwiderstandes 7 über den Widerstand 12 polarisiert. Dieser Kollektor
ist an die Basis b., eines zweiten Transistors TZ angeschlossen, dessen Emitter
e.., durch den Abgriff P.., des Widerstandes 7 polarisiert wird. Der Kollektor c2
dieses zweiten Transistors ist über die Steuerwicklung 3 c des Transduktors 3 mit
dem Abgriff P1 verbunden, wodurch die Polarisation dieses Kollektors festgelegt
ist.
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Die Leitfähigkeit des Transistors T1 hängt von seiner Polarisation
ab, d. h. von der Differenz zwischen der Spannung UB (Bruchteil
der Spannung an den klemmen 4 und 5), die seine Basis polarisiert, und der praktisch
konstanten Bezugsspannung UR.
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Ist die Differenz klein, Null oder sogar negativ (bei vollkommen entladener
Batterie 6), dann ist der Widerstand zwischen dem Emitter ei und dem Kollektor c1
hoch und der Spannungsabfall U zwischen diesen Elektroden groß. Unter diesen Bedingungen
ist die Polarisation der Basis b2 des Transistors T? (gleich UR +
U) viel stärker als die Spannung des Abgriffes P" und der Transistor T2 wird
stromdurchlässig; die Steuerwicklung 3 c magnetisiert den Transduktor 3, wodurch
die Impedanz der Wicklung 3 a verringert und der von dem Gleichrichter gelieferte
Strom vergrößert wird.
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Bei steigender Spannung UB dagegen (d. h. bei geladener Batterie
und gegebenenfalls extrem hoher Speisespannung) wird der Durchlaß ei-cl besser stromleitend,
die Spannung U und die Polarisation des Transistors T, nehmen ab, so daß infolge
der Vergrößerung des Widerstandes der Strecke ez c, der Strom in der Steuerwicklung
3 c kleiner wird und den Transduktor entmagnetisiert. Die Impedanz der Wicklung
3 a nimmt zu, und der Gleichrichter liefert einen kleineren Strom.
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Bei kleinstem Betrag (praktisch Null) des die Wicklung 3 c durchfließenden
Steuerstroms wird von dem Gleichrichter noch ein gewisser Reststrom abgegeben; dieser
Strom wird von dem Ballastwiderstand 7 aufgenommen, dessen Wert exakt gleich dem
Quotienten aus der Nennspannung der Batterie 6 und dem erwähnten Reststrom ist.
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Ebenso ist die Stärke des Ladestroms abhängig von der Differenz zwischen
UB und UR, die selbst dann gering ist, wenn die Batterie teilweise entladen
ist, weil die Kennlinie für die Entladung von Akkumulatorenbatterien praktisch horizontal
verläuft.
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Nach einem Ausfall der Stromzufuhr besteht nun selbstverständlich
ein Interesse daran, die Batterie 6 so schnell wie möglich wieder aufzuladen, damit
bei einem erneuten Ausbleiben des Stromes kurz nach dem ersten Ausbeiben in der
Batterie ein möglichst großer Betrag aufgespeicherter Energie verfügbar ist. Zu
diesem Zweck ist erfindungsgemäß ein Akkumulator 13 kleiner Kapazität parallel
und entgegengesetzt zu den Klemmen 4 und 5 sowie unter Zwischenschaltung des Ruhekontaktes
14 des Relais 9, 8, 14 geschaltet.
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Dieser Akkumulator ist mit dem Strombegrenzungswiderstand 15 in Reihe
und parallel zu dem Entladewiderstand 16 geschaltet; ein Abgriff P dieses Widerstandes
ist an die Basis b3 des Transistors T3 gelegt, dessen Emitter e3 an die Klemme 4
und dessen Kollektor c3 unter Zwischenschaltung des Widerstandes 17 an die Basis
bi des Transistors T1 angeschlossen ist.
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Der Akkumulator 13 ist vorzugsweise ein kleiner dichter Alkaliakkumulator
(beispielsweise ein Knopfakkumulator), dessen Ladewirkungsgrad hoch und für einen
richtig gewählten Ladestrom gleich Eins ist, d. h. bei gleicher Stromstärke ist
die Entladezeit mit großer Annäherung gleich der Ladezeit.
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Die Wirkung der Einrichtung ist folgende: Sobald die Speisung aus
der Stromquelle unterbrochen ist, hört die Erregung des Relais 9 auf, und der Anker
dieses Relais fällt ab, wobei er den Arbeitskontakt 8 öffnet und den Ruhekontakt
14 schließt. Die gesamte Regeleinrichtung (einschließlich des Spannungsteilers
R1, R,) ist ausgeschaltet, und die Batterie 6 liefert allein Strom in die betreffende
Anlage und lädt gleichzeitig über den Kontakt 14 und den Widerstand 15 den Akkumulator
13 auf; ein schwacher Strom fließt nun durch den Widerstand 16. Von dem Augenblick
an, in welchem der Strom zu fließen beginnt, entlädt sich der Akkumulator 13 über
den Widerstand 16. Das Potential des Abgriffs P und damit auch dasjenige der Basis
b3 wird größer als das Potential des Emitters e3, so daß der Transistor T1 stromleitend
wird. Da die normale Polarisation der Transistoren T1 und T2 durch die Schließung
des Kontaktes hergestellt war, schaltet der stromdurchlässig gewordene Transistor
T3 in Parallelschaltung mit dem Widerstand R1 für die Polarisation der Basis bi
den Widerstand 17 ein. Solange der Transistor T3 stromleitend ist, d. h. solange
die Entladung des Akkumulators 13 andauert, wird der Wert des Widerstandes R1 des
Spannungsteilers R" R, durch die Parallelschaltung der Strecke e3 c3 und des Widerstandes
17 herabgesetzt. Die Spannung UB ist also stark herabgesetzt (als
wäre die Batterie 6 sehr stark entladen), und durch das Zusammenwirken des Transistors
T2 und des Transduktors T3 erreicht die Stromlieferung des Gleichrichters 2 ihr
Maximum, und ein starker Strom lädt die Batterie 6 auf.
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Ist der Akkumulator 13 entladen, dann sinkt das Potential des Abgriffs
P unter das Potential des Emitters e3. Der Transistor T3 hört praktisch auf, stromleitend
zu sein, und die Regelung spielt sich unter normaler Wirkung des Spannungsteilers
R1, R., ab. Auf diese Weise ist die Dauer der Ladung der Batterie 6 im Wege schnellster
Aufladung gleich der Dauer der Entladung des Akkumulators 13, die ihrerseits wieder
proportional der Dauer seiner Ladung ist und die selbst wieder gleich der Dauer
der Unterbrechung der Wechselstromspeisung ist.