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Die Erfindung betrifft ein stromgeregeltes Ladegerät für Akkumulatoren mit Eingangsanschlüssen für eine Primärwechselspannung, einem Transformator und Ausgangsanschlüssen für eine von dem Transformator erzeugte Sekundärspannung. Eine Phasenanschnittsteuerschaltung zum Begrenzen einer an den Ausgangsanschlüssen ausgegebenen Stromstärke ist an der Primärseite des Transformators angeordnet, wobei die Phasenanschnittsteuerschaltung ein als einen Triac ausgebildetes, erstes Schaltelement umfasst. Derartige stromgeregelte Ladegeräte können eingesetzt werden zum Laden von Akkumulatoren mit unterschiedlichen Betriebsspannungen. Indem diesen vom Ladegerät ein vorgegebener Ladestrom aufgeprägt wird, stellt sich die erforderliche Ladespannung automatisch ein.
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Aus der
US 4 321 662 A als nächstliegender Stand der Technik ist ein Netzgerät bekannt, bei dem das Entladen des dortigen, zweiten Kondensators erfolgt, wenn die Spannung über den Kondensator einen definierten Schwellwert überschreitet.
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Aus der
DE 36 03 572 A1 ist ferner eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung bekannt, bei der die Aufladung eines Zündkondensators mittels eines TRIACs durch Ableiten eines Teils des Ladestroms verlangsamt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die stromgeregelten Ladegeräte nach dem Stand der Technik derart zu verbessern, dass durch entsprechende Ansteuerung des Transformators sowohl die Herstellungskosten als auch der benötigte Bauraum des erfindungsgemäßen Ladegeräts reduziert werden können.
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Vorteile der Erfindung.
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Die Erfindung schlägt vor, die Phasenanschnittsteuerschaltung des stromgeregelten Ladegeräts mit einem RC-Glied auszustatten, das einen ersten Kondensator und einen ersten Widerstand sowie parallel zu dem ersten Kondensator ein Speicherglied mit wenigstens einem zweiten Kondensator und einer in Reihe geschalteten ersten Diode umfasst. Auf diese Weise kann der Triggerzeitpunkt des ersten Schaltelements empfindlich geregelt werden. Solange die zu Beginn einer Halbwelle am ersten Kondensator anwachsende Spannung die Summe aus Grenzschichtspannung der Diode und der von einer früheren Halbwelle im zweiten Kondensator gespeicherten Spannung nicht überschreitet, wird allein der erste Kondensator aufgeladen. Wenn diese Summe überschritten ist, werden beide parallel aufgeladen, was infolge der vergrößerten Kapazität langsamer vonstatten geht. Änderungen der im zweiten Kondensator gespeicherten Spannung führen zu einer Änderung der Zeitverzögerung zwischen dem Beginn einer Halbwelle der Primärwechselspannung und dem Zeitpunkt, an dem die Spannung an den Kondensatoren die Triggerspannung des Schaltelements überschreitet.
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Die Phasenanschnittsteuerschaltung umfasst zudem ein zweites Schaltelement, das den zweiten Kondensator entlädt, wenn der Strom durch die Primärwicklung des Transformators einen Grenzwert überschreitet. Die in diesem Kondensator am Ende einer Halbwelle der Primärwechselspannung verbleibende Restladung ist abhängig von dem Zeitpunkt, zu dem der Strom durch die Primärwicklung den Grenzwert überschritten hat, und damit auch vom zu begrenzenden Sekundärstrom. Durch die Wirkung der ersten Diode bleibt diese Restladung bis zur folgenden Halbwelle mit gleichem Vorzeichen gespeichert und beeinflußt das Ladeverhalten des RC-Glieds in dieser folgenden Halbwelle.
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Die sich durch die primärseitige Phasenanschnittsteuerung ergebenden steilen Flanken des Transformator-Eingangsstroms transformieren mit hoher Effektivität und erlauben für den Betrieb mit Teilleistung, der beim Laden von Akkumulatoren den größten Teil der Betriebszeit des Transformators einnimmt, einen kompakt dimensionierten, preiswerten Transformator zu verwenden. Der Triac bleibt, einmal gezündet, durchlässig, bis gegen Ende einer Halbwelle der Phase der Primärwechselspannung der hindurchfließende Strom einen Grenzwert unterschreitet. Für eine zuverlässige Triggerung des Triacs kann ein Diac vorgesehen werden, das eine Triggerspannung empfängt und den Steuereingang des Triacs mit einem nach Überschreiten der Zündspannung des Diacs steil ansteigenden Spannungspuls ansteuert.
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Um zu erreichen, dass einerseits die im zweiten Kondensator gespeicherte Spannung sich hinreichend langsam ändert, um eine Regelung mit einer Zeitkonstante von mehreren Perioden der Netzspannung zu ermöglichen, andererseits aber den Anstieg der Spannung am ersten Kondensator bei Parallelschaltung dieses Kondensators mit dem Speicherglied nicht zu sehr zu verlangsamen, ist es zweckmäßig, das Speicherglied mit einem dritten Kondensator auszustatten. Dieser kann mit der ersten Diode und dem zweiten Kondensator in Reihe geschaltet sein und mit einer seiner Elektroden an das Schaltelement angeschlossen sein, so dass das Potential an dieser Elektrode ein Steuerpotential für das Schaltelement darstellt. Eine andere Möglichkeit ist, den dritten Kondensator parallel zu dem zweiten und einem mit letzterem in Reihe geschalteten Widerstand anzuordnen, so dass ein durch das Speicherglied fließender Ladestrom sich auf die zwei Kondensatoren verteilt Spannungsänderungen am zweiten Kondensator den Widerstand verlangsamt werden. Der und durch dritte Kondensator hat in beiden Fällen vorzugsweise eine kleinere Kapazität als der zweite.
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Gemäß einer ersten Variante des Ladegeräts ist eine zweite Diode antiparallel zur ersten Diode und dem zweiten Kondensator geschaltet. Diese Diode bewirkt zusammen mit dem dritten Kondensator für die zweite Halbwelle mit entgegengesetztem Vorzeichen eine Verlangsamung des Anstiegs der Ladespannung am ersten Kondensator, genauso wie dies die erste Diode mit dem dritten Kondensator für die erste Halbwelle tut.
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Bei einer zweiten Variante ist vorgesehen, dass das RC-Glied parallel zu dem ersten Kondensator ein zweites Speicherglied mit wenigstens einem vierten Kondensator und einer zu der ersten Diode entgegengesetzt orientierten zweiten Diode umfaßt. Dieses zweite Speicherglied erfüllt für die zweite Halbwelle die gleiche Regelungsfunktion wie das erste Speicherglied für die erste.
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Ein drittes Schaltelement entlädt den vierten Kondensator, wenn der Strom durch die Primärwicklung des Transformators den Grenzwert mit entgegengesetztem Vorzeichen überschreitet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
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Figuren
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1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Ladegeräts gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 zeigt Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung aus 1 als Funktion der Zeit;
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3 u. 4 zeigen Schaltungsdiagramme einer Phasenanschnittssteuerschaltung eines Ladegeräts gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Ladegeräts gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Das Ladegerät hat Eingangsanschlüsse 1, 2 zum Anschq´´luß an eine Netzstromversorgung. Eine Phasenanschnittsteuerschaltung erstreckt sich zwischen den Eingangsanschlüssen 1, 2 und Primäranschlüssen 3 und 4 eines Transformators 7. Ein Gleichrichter 8, zum Beispiel eine Graetz-Brücke, richtet den Sekundärstrom des Transformators 7 gleich und gibt ihn an Ausgangsanschlüsse 5, 6 aus, an die ein zu ladender Akkumulator anschließbar ist.
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Um die weitere Beschreibung zu vereinfachen, wird das Potential an den Anschluß 2 als Massepotential angenommen. Diese Festlegung hat auf Aufbau und Funktionsweise der Schaltung keinerlei Einfluß.
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Ein Primär-Stromweg verläuft von dem Eingangsanschluß 1 über die zwischen den Anschlüssen 3 und 4 liegende Primärwicklung des Transformators 7, ein erstes Schaltelement 21 und einen Shunt 32 zum Masseanschluß 2. Das Schaltelement 21 ist aufgebaut aus einem im Stromweg angeordneten Triac 23 und einem Diac 22, das ein Eingangssignal des Schaltelements 21 empfängt und, wenn die Spannungsdifferenz am Diac 22 einen Grenzwert überschreitet, zündet und dadurch das Triac 23 aufsteuert.
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Zum Aufsteuern des Schaltelements 21 dient ein RC-Glied. Dieses RC-Glied umfaßt einen ersten Widerstand 31 und einen ersten Kondensator 11, die zusammen mit dem Shunt 32 in Reihe zwischen die Anschlüsse 4 und 2 geschaltet sind. Der Steuereingang des Schaltelements 21 ist an den Verbindungspunkt 51 zwischen dem ersten Widerstand 31 und dem ersten Kondensator 11 angeschlossen.
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Weiterhin ist der Punkt 51 über ein Speicherglied, bestehend aus einem zweiten Kondensator 13, einer ersten Diode 41 und einem dritten Kondensator 12, mit dem Masseanschluß 2 verbunden. Der zweite Kondensator 13 ist ein Elektrolytkondensator und hat eine wesentlich größere Kapazität als der dritte Kondensator 12. Die Polung der Diode 41 ist derart, daß sie für eine an dem Anschluß 1 anliegende positive Halbwelle durchlässig ist. Eine zu der ersten Diode 41 entgegengesetzt gepolte zweite Diode 42 ist zwischen der zweiten Elektrode des dritten Kondensators 12 an einem Punkt 54 und dem Masseanschluß 2 angeordnet.
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Ein Transistor 24 bildet ein zweites Schaltelement. Der Kollektor des Transistors 24 ist mit einem Punkt 52 auf der Verbindung zwischen der ersten Diode 41 und dem zweiten Kondensator 13 verbunden, die Basis ist über einen Widerstand 33 und der Emitter ist direkt mit jeweils einem Anschluß des Shunts 32 verbunden.
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Ein weiterer Kondensator 16 ist zur Unterdrückung von Funkstörungen, die durch die Schaltvorgänge in der Schaltung hervorgerufen werden, zwischen die Eingangsanschlüsse 1 und 2 geschaltet.
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Die Funktionsweise der Schaltung wird mit Bezug auf 2 erläutert. 2 enthält drei Kurven A, B, C, die jeweils den zeitlichen Verlauf der Spannungen an dem Eingangsanschluß 1, dem Punkt 51 und am Shunt 32 zeigen. An dem Eingangsanschluß 1 liegt eine Primärwechsel- oder Netzspannung A in Form einer Sinusschwingung an.
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Zu Beginn der positiven Halbwelle der Netzspannung A zum Zeitpunkt t0 ist der Triac 23 noch leitend, da ein Magnetisierungsstrom des Transformators 7 von der vorherigen negativen Netzhalbwelle her noch fließt. Das Potential B am Punkt 51 strebt gegen Masse, da sich der Kondensator 11 über den Widerstand 31 und den Triac 23 entlädt. Nach dem Abmagnetisieren des Transformators sperrt der Triac 23 und die Spannung über den Komponenten 31 und 11 des RC-Glieds steigt auf den Augenblickswert der Netzspannung (t1). Der Spannungsabfall am Shunt 32 kann vernachlässigt werden, da der Widerstandswert des Widerstands 31 wesentlich großer als der des Shunts 32 ist. Als Folge dieses Spannungsanstiegs lädt sich der erste Kondensator 11 schnell auf und das Potential B steigt an. Das Potential D auf Punkt 54 steigt genauso an, da beide Dioden 41 und 42 sperren und die Spannung am dritten Kondensator 12 somit konstant bleibt.
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Wenn das Potential am Punkt 54 das Potential am Punkt 52 um die Diodenflußspannung übersteigt, wird die Diode 41 leitend (t2). Ein Teil des Ladestroms vom Widerstand 31, der bisher in den ersten Kondensator 11 geflossen ist, fließt jetzt in den dritten Kondensator 12, die Diode 41 und den zweiten Kondensator 13. Damit verlangsamt sich die Aufladung des ersten Kondensators 11. Wenn zum Zeitpunkt t3 das Potential B am Punkt 51 die positive Diaczündspannung erreicht, beträgt die Spannung am dritten Kondensator 12 die Differenz der positiven Diaczündspannung und der Steuerspannung 52 vermindert um die Flußspannung der Diode 41. Nun wird der Diac 22 und der Triac 23 gezündet und die Potentiale B und D fallen augenblicklich auf niedrigere Werte ab. Damit sperren wieder beide Dioden 41 und 42. Der erste Kondensator 11 entlädt sich über den ersten Widerstand 31 und den Triac 23, wodurch die Potentiale B und D langsam abfallen.
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Nach dem Zünden des Triacs liegt an der Primärwicklung des Transformators die Netzspannung A. Die transformierte Spannung treibt über den Gleichrichter 8 den Ladestrom in den Akkumulator. Dieser Ladestrom wird auf die Primärseite des Transformators 7 transformiert und ruft am Shuntwiderstand 32 einen Spannungsabfall hervor, der als Potential C in 2 dargestellt ist.
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Übersteigt das Potential C am Punkt 53 die Basis-Emitter-Flußspannung des Transistors 24, wird dieser Transistor aufgesteuert und er entlädt den zweiten Kondensator 13 etwas. Im stationären Zustand hebt diese Entladung die vorherige Ladung zwischen t2 und t3 wieder auf. Der Widerstand 33 schützt den Transistor 24 vor zu hohen Basisströmen.
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Nachdem der Ladestromimpuls kurz vor dem Netzspannungsnulldurchgang beendet ist, fließt im Transformator 7 der Magnetisierungsstrom weiter und hält den Triac 23 weiter leitend. Nach Abklingen des Magnetisierungsstroms zum Zeitpunkt t5 sperrt der Triac 23, und am Widerstand 31 und dem Kondensator 11 des RC-Glieds liegt die negative Netzhalbwelle. Somit streben die Potentiale 51 und 54 schnell zu negativen Werten.
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Wenn das Potential 54 das Massepotential um eine Diodenflußspannung unterschreitet (t6), wird die Diode 42 leitend. Dann wird der dritte Kondensator 12 wieder umgeladen und der Potentialanstieg am Punkt 51 verlangsamt sich. Bei Erreichen der negativen Diaczündspannung beträgt die Spannung am dritten Kondensator 12 die negative Diaczündspannung vermindert um die Flußspannung der Diode 42 (t7). Das Potential am Punkt 52 ändert sich in der negativen Netzhalbwelle nicht.
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Das Potential B erreicht in der positiven Netzhalbwelle die positive Diaczündspannung und in der negativen Netzhalbwelle die negative Diaczündspannung, es hat also einen Hub von der doppelten Diaczündspannung. Das Potential D dagegen bewegt sich zwischen Masse und dem Steuerpotential am Punkt 52, wenn man die Diodenflußspannungen vernachlässigt.
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Die Umladung des dritten Kondensators 12 in den beiden Netzhalbwellen wird also von dem Steuerpotential am Punkt 52 beeinflußt. Beträgt das Steuerpotential das doppelte der Diaczündspannung, erfolgt keine Umladung des dritten Kondensators. Die maximale Umladung ergibt sich, wenn das Steuerpotential auf Masse liegt. Je größer die Umladung des dritten Kondensators 12 ist, desto größer ist die Verzögerung der Triaczündung. Eine späte Zündung des Triacs in der Netzhalbwelle bedeutet einen kleinen Ladestrom und damit eine geringe Entladung des zweiten Kondensators 13 in der positiven Netzhalbwelle. Daraus resultiert dann ein Anstieg des Potentials 52 und ein früheres Zünden des Triacs. Es stellt sich somit ein geregelter Ladestrom ein.
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Die Stärke eines von dem Ladegerät einem Akkumulator aufgeprägten Stroms hängt ab vom Widerstandswert des Shunts 32. Dieser ist typischerweise so bemessen, daß ein Ladegerät, das zum Laden von Akkumulatoren mit einer Kapazität von ca. 1 bis 1.4 Amperestunden ausgelegt ist, einen Ladestrom von ca. 250 Milliampere aufprägt.
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Während des gesamten Betriebs der Schaltung bleibt ein nur wenig schwankendes positives Potential am Punkt 52 bestehen. Der Wert dieses Potentials bestimmt, ab welchem Zeitpunkt eine Halbwelle neben dem ersten Kondensator 11 auch das aus den Kondensatoren 12, 13 und den Dioden 41, 42 bestehende Speicherglied zu laden beginnt. Je höher die Spannung am Punkt 52 ist, desto später liegt dieser Zeitpunkt, und desto früher wird die Zündspannung des Schaltelements 21 erreicht. Somit wächst mit steigendem Ladestand des Akkumulators der Momentanwert der Netzspannung am Zündzeitpunkt des Diacs 22, beziehungsweise Triacs 23, die Sekundärspannung wächst, und der Ladestrom bleibt über einen großen Teil des Ladevorgangs im wesentlichen gleich.
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3 zeigt eine Variante der Phasenanschnittsteuerschaltung aus 1. Bei dieser Variante ist eine Diode 46 als Schutz vor Spannungsspitzen zwischen Basis und Emitter des Transistors 24 geschaltet.
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Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist im wesentlichen die gleiche wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben.
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4 zeigt eine weiterentwickelte Variante der Phasenanschnittsteuerschaltung aus 1. Zwischen der Diode 42 und dem Masseanschluß 2 ist ein Kondensator 15 und ein zweiter Transistor 25 mit zum Kondensator 15 parallelem Kollektor und Emitter hinzugefügt. Der zweite Transistor ist ein pnp-Transistor, im Gegensatz zum ersten npn-Transistor 24. Die Basen beider Transistoren 24, 25 sind über den Widerstand 33 mit dem Punkt 53 verbunden. Der zweite Transistor 25 wird während der negativen Halbwelle der Netzspannung A in gleicher Weise aufgesteuert wie der erste 24 während der positiven. So wird am mit dem Kollektor des zweiten Transistors 25 verbundenen Punkt 55 ein negatives Steuerpotential analog zum positiven Steuerpotential des Punkts 52 erhalten.
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Für die Umladung des dritten Kondensators 12 und damit für den Zündwinkel des Diacs 22 ist die Differenz dieser zwei Steuerpotentiale maßgeblich. Die restlichen Funktionen der Schaltung sind die gleichen wie mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Durch Auswertung des Ladestroms in positiver und negativer Halbwelle ist eine dynamischere Regelung des Ladestroms möglich.
