DE1438107C

DE1438107C - Charging device for an accumulator

Info

Publication number: DE1438107C
Authority: DE
Inventors: Louis Princeton N J Pensak (V St A )
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Publication date: 1972-05-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für einen Akkumulator, insbesondere für einen Kraftfahrzeugakkumulator, mit einer Gleichstromquelle und einer Regeleinrichtung für den Ladestrom, deren im Hauptstromkreis liegendes Stellglied von einer Zenerdiode, deren Durchbruchspannung der Klemmenspannung des Akkumulators entspricht, aussteuerbar ist.The invention relates to a charging device for an accumulator, in particular for a motor vehicle accumulator, with a direct current source and a control device for the charging current, whose actuator located in the main circuit of a Zener diode, the breakdown voltage of which corresponds to the terminal voltage of the accumulator, is controllable.

Aus der britischen Patentschrift 851 625 ist eine Ladeeinrichtung der oben angegebenen Art bekannt, bei der die Zenerdiode mit einer. Zugspule eines elektromagnetischen Relais in Reihe geschaltet ist, das einen Ruhekontakt enthält, der in Reihe mit einer von zwei Ankerwicklungen einer Wechselstromlichtmaschine liegt oder einen Widerstand überbrückt, der mit einer der beiden Ankerwicklungen der Lichtmaschine in Reihe geschaltet ist, so daß beim öffnen des Ruhekontaktes der von der Lichtmaschine über eine Gleichrichterschaltung an den Akkumulator und das Bordnetz abgegebene Strom herabgesetzt wird. Nachteilig an dieser bekannten Ladeeinrichtung ist, daß eine Lichtmaschine spezieller Konstruktion benötigt wird und das elektromagnetische Relais ein teures und störungsanfälliges Bauteil darstellt.From British patent specification 851 625 a charging device of the type indicated above is known, in which the zener diode with a. Pull coil of an electromagnetic relay is connected in series, which contains a normally closed contact that is in series with one of two armature windings of an alternator or bridges a resistor connected to one of the two armature windings of the alternator is connected in series, so that when the normally closed contact is opened, that of the alternator is over a rectifier circuit to the accumulator and the electrical system is reduced. The disadvantage of this known charging device is that an alternator requires a special construction and the electromagnetic relay is an expensive and failure-prone component.

Es ist ferner aus der Zeitschrift »Funkschau«, 13/1960, Beilage HI, 1960, S. 699, eine Stabilisierungsschaltung bekannt, die einen Transistor enthält, in dessen Basiskreis eine Zenerdiode geschaltet ist um den Emitterstrom des Transistors zum Ausgleich von Netzspannungsschwankungen und zur Brummsiebung konstant zu halten. Solche Stabilisierungsschaltungen sind für die Aufladung eines Akkumulators ungeeignet, da eine Stabilisierung der Klemmenspannung eines Akkumulators wegen dessen geringen Innenwiderstandes praktisch nicht möglich ist und der Ladestrom nicht konstant gehalten werden darf, sondern sich entsprechend dem Ladezustand des Akkumulators ändern muß.It is also from the magazine "Funkschau", 13/1960, supplement HI, 1960, p 699, a stabilization circuit known, which contains a transistor in whose base circuit a Zener diode is connected around the emitter current of the transistor to compensate for mains voltage fluctuations and for hum filtering to keep constant. Such stabilization circuits are for charging an accumulator unsuitable because a stabilization of the terminal voltage of an accumulator because of its low Internal resistance is practically impossible and the charging current must not be kept constant, but must change according to the state of charge of the accumulator.

Weiterhin ist aus der französischen Patentschrift 1150 336 eine Akkumulatorladeschaltung für Kraftfahrzeuge bekannt, die einen Transistor enthält, der durch einen spannungsabhängigen Widerstand gesteuert ist und im Stromkreis einer Nebenschluß-Feldwicklung liegt. Die Anzapfung des Erregungsstromkreises einer Lichtmaschine ist jedoch häufig schwierig, wenn nicht sogar praktisch undurchführbar, außerdem ist der Regelung nach kleinen Stromwerten hin rasch eine Grenze gesetzt. Furthermore, from the French patent specification 1150 336 a battery charging circuit for motor vehicles known, which contains a transistor controlled by a voltage-dependent resistor and is in the circuit of a shunt field winding. However, tapping the excitation circuit of an alternator is common difficult, if not practically impracticable, in addition, the regulation is quickly set a limit towards small current values.

Es ist schließlich in der deutschen Patentschrift 1264 588 bereits eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung in Ladeschaltungen vorgeschlagen worden, bei der die Ausgangsspannung durch Änderung des Widerstandes des im Akkumulatorstromkreis liegenden Kollektor-Emitter-Kreises eines Leistungstransistors regelbar ist, dessen Basis an einer der Akkumulatorspannung proportionalen Spannung liegt. In den Kollektor-Emitter-Kreis des Leistungstransistors ist auf der Eingangsseite ein Widerstand geschaltet, dessen Widerstandswert abnimmt, wenn die Spannung an seinen Klemmen steigt. Der Leistungstransistor wird durch einen Umkehrtransistor gesteuert, dessen Emitter durch eine Normalspannungsquelle auf konstanter Spannung gehalten wird. Eine Zenerdiode, deren Durchbruchsspannung der Klemmenspannung des geladenen Akkumulators entspricht, ist jedoch nicht vorhanden.It is finally in the German patent specification 1264 588 already a circuit arrangement for Voltage regulation in charging circuits has been proposed in which the output voltage passes through Change in the resistance of the collector-emitter circuit in the accumulator circuit of a Power transistor can be regulated, the base of which is proportional to one of the battery voltage Tension lies. In the collector-emitter circuit of the power transistor is on the input side Resistor switched, the resistance of which decreases when the voltage on its terminals increases. The power transistor is controlled by a reversing transistor, the emitter of which is controlled by a normal voltage source is kept at constant tension. A zener diode, its breakdown voltage corresponds to the terminal voltage of the charged battery, but is not available.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladeeinrichtung für Akkumulatoren anzugeben, die keine teuren und störungsanfälligen elektromagnetischen Relais enthält, keine Stromquelle, insbesondere Lichtmaschine, spezieller Konstruktion erfordert, die den Ladestrom mit zunehmender Klemmenspannung des Akkumulators stetig verringert und schließlich bei voll aufgeladenem Akkumulator ganz unterbricht und auch den maximalen Ladestrom bei stärk entladenem Akkumulator auf sichere Werte begrenzt.The present invention is based on the object of specifying a charging device for accumulators, which does not contain expensive and failure-prone electromagnetic relays, no power source, in particular alternator, requires special construction, which increases the charging current Terminal voltage of the battery steadily decreased and finally when fully charged Accumulator completely interrupts and also the maximum charging current when the accumulator is heavily discharged limited to safe values.

ίο Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Ladeeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Stellglied ein Transistor ist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe mit dem Akkumulator liegt, dessen Emitter-Basis-Strecke in Reihe mit der Zenerdiode an den Akkumulator angeschlossen ist und daß parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Transistors ein Widerstand geschaltet ist, der so bemessen ist, daß der Ladestrom, auch bei tiefentladenem Akkumulator, einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.ίο According to the invention, this task is at a Charging device of the type mentioned achieved in that the actuator is a transistor whose Emitter-collector path is in series with the accumulator, the emitter-base path in series with the Zener diode is connected to the accumulator and that parallel to the base-collector path of the transistor, a resistor is connected, which is dimensioned so that the charging current, even when deeply discharged Accumulator, does not exceed a specified limit value.

Vorzugsweise ist zwischen den Kollektor des Transistors und die Gleichstromquelle eine für den Ladestrom in Flußrichtung gepolte Diode geschaltet.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert; es zeigtA diode polarized in the forward direction for the charging current is preferably connected between the collector of the transistor and the direct current source.
In the following two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing; it shows

F i g. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Ladeeinrichtung gemäß der Erfindung undF i g. 1 is a circuit diagram of a first embodiment of a charging device according to the invention and

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Ladeeinrichtung gemäß der Erfindung.F i g. 2 shows a second embodiment of a charging device according to the invention.

In F i g. 2 sind entsprechende Teile, wie in F i g. 1, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, denen jedoch zur Unterscheidung der Buchstabe »α« angefügt wurde.In Fig. 2 are corresponding parts as in FIG. 1, denoted by the same reference numerals as however, the letter "α" has been added to distinguish it.

F i g. 1 zeigt eine Einrichtung 10 zum Aufladen eines Akkumulators 12, z. B. eines Bleiakkkumulators, durch eine Stromquelle, beispielsweise einen Gleichstromgenerator 14. Der Akkumulator 12 kann eine Autobatterie und der Generator 14 eine übliche Lichtmaschine sein. Die negative Klemme des Akkumulators 12 ist mit dem Emitter eines PNP-Transistors 16 verbunden. Sie ist ferner an einem Sammelanschluß, beispielsweise das Metallchassis des Fahrzeugs, angeschlossen.F i g. 1 shows a device 10 for charging an accumulator 12, e.g. B. a lead accumulator, by a power source, for example a direct current generator 14. The accumulator 12 can a car battery and the generator 14 can be a conventional alternator. The negative plug of the accumulator 12 is connected to the emitter of a PNP transistor 16. She is also on a hunt group, for example the metal chassis of the vehicle.

Die positive Klemme des Akkumulators 12 ist mit dem positiven Pol des Generators 14 über einen Einfachschalter 18 verbunden. In einem Kraftfahrzeug ist der Schalter 18 wirkungsmäßig mit dem Zündschloß verbunden. Der Kollektor des Transistors 16 ist über eine Diode 20 mit dem negativen Pol des Generators 14 verbunden. Die Diode 20 ist so geoolt, daß ein Ladestrom nur vom Generator 14 zum Akkumulator 12 fließen kann, um diesen aufzuladen. Die Diode 20 kann entfallen, wenn der Transistor 16 die Sperrspannung auszuhalten in der Lage ist, die auftritt, wenn die Generatorspannung niedriger ist als die Akkumulatorspannung.
Der Transistor 16 ist in Flußrichtung vorgespannt.The positive terminal of the accumulator 12 is connected to the positive pole of the generator 14 via a single switch 18. In a motor vehicle, the switch 18 is operatively connected to the ignition lock. The collector of transistor 16 is connected to the negative pole of generator 14 via a diode 20. The diode 20 is geoolt in such a way that a charging current can only flow from the generator 14 to the accumulator 12 in order to charge it. The diode 20 can be omitted if the transistor 16 is able to withstand the reverse voltage that occurs when the generator voltage is lower than the battery voltage.
The transistor 16 is forward biased.

Zu diesem Zwecke ist die Anode einer Zenerdiode 22 direkt an die Basis des Transistors 16 angeschlossen, und die Kathode der Zenerdiode 22 ist mit dem positiven Pol des Generators 14 verbunden. Die Basis des Transistors 16 ist mit dem Kollektor über einen veränderbaren Vorspannungswiderstand 24 verbunden. Wenn die Zenerdiode 22 leitet, was der Fall ist, wenn die Spannung an ihr die Durchbruchspannung übersteigt, ist die an ihr liegende Spannung an-For this purpose, the anode of a Zener diode 22 is connected directly to the base of transistor 16, and the cathode of the Zener diode 22 is connected to the positive pole of the generator 14. The base of transistor 16 is connected to the collector via a variable bias resistor 24. When the zener diode 22 conducts, which is the case when the voltage across it exceeds the breakdown voltage exceeds, the voltage applied to it is

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nähernd gleich der Spannung des Akkumulators 12, wenn dieser voll geladen ist.approximately equal to the voltage of the accumulator 12 when it is fully charged.

Im folgenden soll nun die Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Ladeschaltung 10 beschrieben werden. 'In the following, the operation of the in F i g. 1 shown charging circuit 10 is described will. '

Zuerst sei angenommen, daß der Akkumulator 12 entladen ist, und daß die Spannungsdifferenz zwischen dem entladenen Akkumulator 12 und der Ausgangsspannung des Generators 14 verhältnismäßig groß ist. Wenn der Schalter 18 geschlossen wird, fließt ein Ladestrom vom positiven Pol des Generators 14 durch den Akkumulator 12, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 16 und die Diode 20 zum negativen Pol des Generators 14. Außerdem fließt ein verhältnismäßig großer Strom im Basiskreis von der Basis durch den Widerstand 24 zum Kollektor. Unter diesen Umständen leitet die Zenerdiode 22 nicht, da die Differenz der Spannungen am Generator 14 und am Widerstand 24 kleiner ist, als die Zener-Spannung der Zenerdiode 22. Wenn die ao Ladung des Akkumulators 12 zunimmt und die Klemmenspannung dementsprechend steigt, wird der Emitter des Transistors 16 gegenüber der Basis stärker negativ, und der Strom durch den Widerstand 24 sinkt. Wenn der Akkumulator 12 annähernd voll geladen ist, wird die Zenerdiode leitend, da sich der Spannungsabfall am Widerstand immer weiter verringert hat und ein immer größerer Teil der Generatorspannung an der Zenerdiode 22 wirksam wird. Unter diesen Umständen ist die Spannung an der Basis praktisch gleich der Spannung am Emitter, und der in den Akkumulator 12 fließende Ladestrom sinkt praktisch auf Null ab.Assume first that the accumulator 12 is discharged and that the voltage difference between the discharged accumulator 12 and the output voltage of the generator 14 relatively is great. When the switch 18 is closed, a charging current flows from the positive pole of the generator 14 through the accumulator 12, the emitter-collector path of the transistor 16 and the diode 20 to the negative pole of the generator 14. In addition, a relatively large current flows in the base circuit from the base through resistor 24 to the collector. Under these circumstances the zener diode conducts 22 not, since the difference between the voltages at the generator 14 and at the resistor 24 is smaller than that Zener voltage of the Zener diode 22. When the ao charge of the accumulator 12 increases and the Terminal voltage increases accordingly, the emitter of transistor 16 is stronger than the base negative, and the current through resistor 24 decreases. When the accumulator 12 is almost fully charged the Zener diode becomes conductive, as the voltage drop across the resistor continues to decrease and an ever larger part of the generator voltage at the Zener diode 22 becomes effective. Under these circumstances the voltage at the base is practically equal to the voltage at the emitter, and the charging current flowing into the accumulator 12 drops practically to zero.

F i g. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dargestellte Einrichtung 10 a zum Laden eines Akkumulators enthält einen NPN-Transistor 16 a als Halbleitersteuereinrichtung an der Stelle des PNP-Transistors 16 der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Ein Generator 14 a ist mit einer Diode 20 a (die wie die Diode 20 in F i g. 1 gegebenenfalls entfallen kann), der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 16 a, einem Schalter 18 a und einem Akkumulator 12 a in Reihe geschaltet, so daß ein Ladestrom durch den Akkumulator 12 a fließen kann, um diesen aufzuladen. Parallel zum Generator 14 a liegt eine Vorspannungsschaltung, die eine Zenerdiode 22 α und einen mit dieser in Reihe geschalteten veränderbaren Widerstand 24 a enthält; die Basis des Transistors 16 a ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode 22a und dem Widerstand 24 α verbunden. Die negative Klemme des Akkumulators 12 a ist an einen gemeinsamen Anschluß (Masse) angeschlossen, wie es in den meisten Kraftfahrzeugen üblich ist.F i g. 2 shows another embodiment of the invention. The device shown 10 a for Charging an accumulator contains an NPN transistor 16 a as a semiconductor control device on the Place of the PNP transistor 16 in FIG. 1 shown circuit arrangement. A generator 14 a is connected to a diode 20 a (which, like the diode 20 in FIG. 1, can optionally be omitted), the emitter-collector path a transistor 16 a, a switch 18 a and an accumulator 12 a connected in series, so that a charging current through the accumulator 12 a can flow to charge it. Parallel to the generator 14 a is a bias circuit, a Zener diode 22 α and a variable connected in series with this Contains resistor 24 a; the base of the transistor 16 a is with the connection point between the Zener diode 22a and the resistor 24 α connected. The negative terminal of the accumulator 12 a is connected to a common connection (ground), as is common in most motor vehicles.

Die Arbeitsweise der in F i g. 2 dargestellten Akkumulatorladeschaltung 10 a entspricht im wesentlichen der Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung 10. Zum Laden des Akkumulators 12 a wird der Schalter 18 a geschlossen. Wenn der Akkumulator 12 a entladen ist, ist das Potential an der Basis des Transistors 16 α positiver als das Potential am Emitter; das Potential an der Basis entspricht im wesentlichen dem Potential am Kollektor, wenn die Zenerdiode nicht leitet. Es fließt dann ein Ladestrom vom Generator 14 a zum Akkumulator 12 a und lädt diesen auf. Während der Ladedauer fließt von der Basis durch den Widerstand 24a Strom zum Kollektor, wodurch sich ein verhältnismäßig großer Spannungsabfall am Widerstand 24 α ergibt. Unter diesen Umständen leitet die Zenerdiode 22 a nicht. Wenn die Aufladung des Akkumulators 12 a fortschreitet, nimmt seine Klemmenspannung zu, und der Basisstrom des Transistors durch den Widerstand 24 α sinkt. Da die Generatorspannung an der Reihenschaltung aus Zenerdiode 22 a und Widerstand 24 a liegt, steigt die Spannung an der Zenerdiode 22 α mit abnehmender Spannung am Widerstand 24a, unter der Annahme, daß die Generatorspannung im wesentlichen konstant ist. Wenn der Akkumulator 12 a im wesentlichen aufgeladen ist, wird die Zenerdiode 22 a leitend und spannt den Transistor 16 a derart vor, daß er praktisch gesperrt ist, so daß verhindert wird, daß der Akkumulator 12a überladen wird.The operation of the in F i g. 2 shown battery charging circuit 10 a corresponds essentially the operation of the in F i g. 1 shown circuit arrangement 10. For charging the accumulator 12 a, the switch 18 a is closed. When the accumulator 12 a is discharged, that is Potential at the base of transistor 16 α more positive than the potential at the emitter; the potential at the Base essentially corresponds to the potential at the collector when the Zener diode is not conducting. It flows then a charging current from the generator 14 a to the accumulator 12 a and charges it. During the charging time flows from the base through the resistor 24a to the collector, creating a relatively large voltage drop across the resistor 24 α results. Under these circumstances the zener diode conducts 22 a not. When the charging of the battery 12 a progresses, its terminal voltage increases, and the base current of the transistor through the resistor 24 α decreases. Since the generator voltage at the Series connection of Zener diode 22 a and resistor 24 a, the voltage across the Zener diode increases 22 α with decreasing voltage across resistor 24a, assuming that the generator voltage is essentially constant. When the accumulator 12 a is essentially charged, the Zener diode 22 a is conductive and biases the transistor 16 a so that it is practically blocked so that the accumulator 12a is prevented from being overcharged.

Es ist ersichtlich, daß bei relativ entladenem Akkumulator 12 a entsprechend mehr Strom durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors und den Vorspannungswiderstand 24 a fließt. Wenn der Akkumulator 12 a voll aufgeladen ist, nimmt der Ladestrom durch die Emitter-Kollektor-Strecke ab, und der Basisstrom durch den Widerstand 24 a der Vorspannungsschaltung nimmt dementsprechend ebenfalls ab. Dieser Vorgang bewirkt, daß die Zenerdiode 22 a durchbricht, d. h. leitend wird. Der Widerstand 24 a ist einstellbar, so daß er den verschiedenen Verstärkungsfaktoren der verwendeten Transistoren angepaßt werden kann. Bei voll aufgeladenem Akkumulator ist die Vorspannung an der Basis des Transistors 16 a gleich der Spannung an der leitenden Zenerdiode 22 a. Wird der Akkumulator 12 a wieder entladen, so wird der Transistor 16a durch die verringerte Spannung am Akkumulator 12 a wieder in den leitenden Zustand vorgespannt, und es fließt wieder ein Ladestrom in die Batterie 12 a.It can be seen that with a relatively discharged battery 12 a correspondingly more current through the Emitter-collector path of the transistor and the bias resistor 24 a flows. When the accumulator 12 a is fully charged, the charging current decreases through the emitter-collector path, and the base current through the resistor 24 a of the bias circuit also increases accordingly away. This process causes the Zener diode 22 a to break down, d. H. becomes conductive. The resistance 24 a is adjustable so that it is adapted to the various gain factors of the transistors used can be. When the battery is fully charged, the bias voltage is at the base of the transistor 16 a is equal to the voltage on the conductive Zener diode 22 a. If the accumulator 12 a again discharged, the transistor 16a is turned back in by the reduced voltage on the accumulator 12a biased the conductive state, and it flows again a charging current in the battery 12 a.

Claims

Patent claims:

1. Charging device for an accumulator, in particular for a motor vehicle accumulator, with a direct current source and, a control device for the charging current, whose in the main circuit horizontal actuator of a Zener diode, whose breakdown voltage is the terminal voltage of the charged accumulator corresponds to, is controllable, characterized in, that the actuator is a transistor (16, 16 a) whose emitter-collector path in Series with the accumulator (12, 12 a) and its emitter-base line in series with the Zener diode (22, 22 a) is connected to the accumulator, and that parallel to the base-collector path of the transistor, a resistor (24, 24 a) is connected, which is dimensioned so that the charging current, even when the battery is deeply discharged, does not exceed a specified limit value exceeds.

2. Charging device according to claim 1, characterized in that between the collector of the Transistor (16, 16 a) and the direct current source (14, 14 a) one for the charging current in the flow direction polarized diode (20, 20 a) is connected.

1 sheet of drawings