DE2120872A1

DE2120872A1 -

Info

Publication number: DE2120872A1
Application number: DE19712120872
Authority: DE
Inventors: Manfred 6000 Frankfurt Seidel
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 1971-04-28
Filing date: 1971-04-28
Publication date: 1972-11-09

Description

Schaltungsanordnung zum schnellen Aufladen von Akkumulatoren Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum schnellen Aufladen von Akkumulatoren, insbesondere N ickel-Cadmium-Zel len, mit einem stabilisierenden, elektronischen Schaltglied im Ladestromkreis zur Konstanthaltung eines geglätteten Gleichstromes als Ladestrom und selbsttätigen Stromunterbrechung bei Erreichung der Gasungsspannung.Circuit arrangement for fast charging of accumulators The invention relates to a circuit arrangement for the rapid charging of accumulators, in particular Nickel-cadmium cells with a stabilizing, electronic switching element in the charging circuit to keep it constant of a smoothed direct current as charging current and automatic current interruption when the gassing voltage is reached.

Bei gasdichten Akkumulatoren wie N ickel-Cadmium-Ze lien müssen beispielsweise durch Über ladung hervorgerufene Überspannungen unbedingt vermieden werden, da die. sonst einsetzenden Gasungsvoryänge zu einem Überdruck innerhalb der Zellen und damit zu ihrer Zerstörung führen können. Ebenso, wie man einerseits eine Überladung zu vermeiden sucht, will man andererseits eine. volle Aufladung der Zellen erreichen. Dazu ist es erforderlich -will man die Ladespannung als Kriterium fUr den Ladezustand der Zellen heranziehen - den normalerweise von der Gleichstromquelle (Netzteil mit Gleichrichter-) gelieferten pulsierenden Ladestrom zu glätten, da nämlich schon der Scheitelwert der an den Batterieklemmen stehenden Spannung die Gasungsspannung der Zellen nicht überschreiten darf und eine Beendigung des Ladevorganges bereits in dem Moment erfolgen soll, in dem die Scheitelspannung das Niveau der Gasungsspannung erreicht hat.In the case of gas-tight accumulators such as nickel-cadmium cells, for example Overvoltages caused by overcharging must be avoided, as the. Gassing changes that would otherwise set in lead to overpressure within the cells and thus can lead to their destruction. As well as how to handle an overload too on the other hand, one wants to avoid one. achieve full charging of the cells. To do this, it is necessary to use the charging voltage as a criterion for the state of charge of the cells - which is normally drawn from the DC power source (power supply unit with Rectifier) supplied pulsating charging current to smooth, namely already the peak value of the voltage at the battery terminals is the gassing voltage of cells must not exceed and a termination of the charging process already should take place at the moment in which the peak voltage equals the level of the gassing voltage has reached.

Es sind zwar Schaltungsanordnungen bekannt, die mit pulsierendem Gleichstrom nach dem Verfahren der Phasenanschnittsteuerung mittels Thyristoren arbeiten. Der ZUndwinkel stellt sich dort so ein, daß die höchstzulässige Spannung an der Batterie im Augenblick des Durchzündens des Thyristors gerade erreicht, aber zu keinem Zeitpunkt der Ladestromflußperiode Uberschritten wird, Dieses Verfahren hat jedoch den wesentlichen Nachteil, daß der Batterie im Rhythmus der doppelten Netzfrequenz Stromimpulse zugefuhrt werden, deren Breite sich mit zunehmender Ladung immer mehr verringert. Damit sinkt der mittlere Ladestrom auf sehr kleine Werte ab und die Ladedauer verlangert sich ganz erheblich. Von einer Anordnung. zum schnellen Aufladen, der sog, Schnelladung, kann hier also nicht gesprochen werden.Although there are known circuit arrangements with pulsating direct current work according to the method of phase control using thyristors. Of the ZUndwinkel is set there in such a way that the maximum permissible voltage on the battery just reached at the moment the thyristor was fired, but at no point in time the charging current flow period is exceeded. However, this method has the essential Disadvantage that the battery is supplied with current pulses in the rhythm of twice the mains frequency whose width decreases more and more as the load increases. So that sinks the average charging current drops to very low values and the charging time is extended quite considerably. From an arrangement. for fast charging, the so-called, fast charging, so cannot be spoken here.

Der Spannunssanstieg der zu ladenden Zellen ist nun während des Ladevorz3angs sehr gering, so daß zur Ermittlung des vollen Ladezustandes auch bei Verwendung von geglättetem Ladegleichstrom eine sehr genaue Überwachung des absoluten Spannungswertes der Klemmenspannung ebenso wie eine hohe Genauigkeit des Abschaltschwellwertes erforderlich ist, In bisher bekannten Schaltungen dieser Art werden zur Spannungsüberwachung transistorbestückte bistabile Kippstufe oder Miller-Integratoren verwendet.The voltage rise of the cells to be charged is now during the charging process very low, so that to determine the full state of charge even when in use of smoothed DC charging current, very precise monitoring of the absolute voltage value the terminal voltage as well as a high accuracy of the switch-off threshold value are required is, In previously known circuits of this type are used for voltage monitoring transistor-equipped bistable multivibrator or Miller integrators are used.

Der Eingang dieser Stufen ist entweder direkt oder über weitere Zwischensclialtunyen mit den Klemmen der zu ladenden Zellen verbunden. Diese Anordnungen haben aber, abgesehen von einem zusätzlichem Schaltungsaufwand, den Nachteil, daß ihr Ansprechschwellwert sehr stark mit Betriebsspannungs- und Tempernturschwankungen variiert. Eine exakte Überwachung ist daher nur dann gewährleistet, wenn durch entsprechend aufwendige Korrekturscha!tun-gen diese Störgrößen eliminiert werden.The entrance to these steps is either direct or via further intermediate clialtunyen connected to the terminals of the cells to be charged. However, these arrangements have apart from an additional circuit complexity, the disadvantage that their response threshold varies greatly with fluctuations in operating voltage and temperature. An exact one Monitoring is therefore only guaranteed if it is appropriately complex Corrective actions these disturbance variables can be eliminated.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Schaltunsanordnung.zur LadunsUberwachung zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln eine hohe Genauiykeit des Ansprechschwellwertes auch unter extremen Betriebszustandsbedingungen yewährleistet.The invention has the task of providing a Schaltunsanordnung.zur To create load monitoring, which with simple means a high accuracy the response threshold value even under extreme operating conditions.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein zusätzlicher Kontrollstromkreis zur Überwachung der Akkumulatorspannung vorgesehen ist mit einer Zenerdiode, einem der Zenerdiode parallelgeschalteten Spannungsteiler- zur --Erzeuyun einer Referenzspannung und einem Uni junction-Transistor als Verdleichseiement, dessen Emitter an der- Referenzspannung und dessen Basen an einer der aus der Zenerspannuny und der Akkumulatorspannung gebiideten Differenzspannung entsprechenden Spannung liegen, wobei ein mit der Basis 1 verbundener elektronischer Schalter den Ladestromkreis unterbricht, sobald die Vergleichsspannung zwischen Emitter und Basis 1 die Höckerspannung des - Uni junction-Transistors überschreitet, Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß die für die Differenz- und Referenzspannunyserzeuguns erforderliche Zenerdiode unabhängig von der einzuhaltenden Abschaltpannung, lediglich im Hinblick auf große Spannung konstanz, also kleiner dynamischer Widerstand, kleiner Temperaturgang der Zenerspannung etc., ausgewählt wird0 Diese Maßnahme führt zu einer außerordentlichen Stabilität und Unabhängigkeit des Abschaltspannungswertes von Temperaturt und Versorgun3sspannungs schwankungen.This object is achieved according to the invention in that an additional Control circuit for monitoring the battery voltage is provided with a Zener diode, a voltage divider connected in parallel to the Zener diode for --Erzeuyun a reference voltage and a Uni-junction transistor as a comparing element, its emitter at the reference voltage and its bases at one of the Zenerspannuny and the voltage corresponding to the accumulator voltage lie, with an electronic switch connected to the base 1, the charging circuit interrupts, as soon as the equivalent voltage between emitter and Base 1 exceeds the bump voltage of the - Uni junction transistor, one such The arrangement has the advantage that the difference and reference voltages are generated required Zener diode regardless of the cut-off voltage to be maintained, only with regard to high voltage constancy, i.e. small dynamic resistance, smaller Temperature response of the Zener voltage etc., is selected 0 This measure leads to an extraordinary stability and independence of the cut-off voltage value of temperature and supply voltage fluctuations.

Infolge der Verwendung eines Un; junction-Transistors ist die Ansprechgenauigkeit der Schaltungsanordnung von störenden Einflüssen durch Betriebsspannunysschwankungen nahezu unabhängig, denn eine Veränderung der von der Zenerdiode erzeugten Referenzspannung wirkt sich im gleichen Toleranzsinne ebenso auf die lnterbasisspannung wie auf die zwischen Emitter und der Basis 1 liegende Steuerspannung des Unijunction-Transistors aus und wird damit kompensiert.As a result of the use of an Un; junction transistor is the response accuracy the circuit arrangement from disruptive influences due to fluctuations in operating voltage almost independent, because a change in the reference voltage generated by the Zener diode acts in the same sense of tolerance on the interbase voltage as it does on the Control voltage of the unijunction transistor lying between the emitter and the base 1 off and is thus compensated.

Es ist vorteilhaft, den positiven Pol des Akkumulators mit der Anode der Zenerdiode, den negativen Pol über einen Widerstand mit der-Basis 2 des Unijunction-Transistors zu verbinden und die Basis 1 über einen Widerstand an die Katode der Zenerdiode zu schalten, Durch eine derartige Schaltungsmaßnahme erfolgt der Vergleich der am Akkumulator anliegenden Ladespannung mit der Referenzspannung nicht unmittelbar, sondern es wird die aus der Zenerspannung und der Akkumulatorspannung gewonnene Differenzspannunrj herangezogen, deren Potential mit wachsender Aufladung sinkt0 Der elektronische Schalter besteht vorteilhaft aus einem Schalttransistor, dessen Steuerelektrode mit der Basis 1 des Uni junction-Transistors, dessen Emitter mit der Katode der Zenerdiode und dessen Kollektor mit dem stabilisierenden Glied im Ladestromkreis verbunden ist, Beim Durchschalten des Unijunction-Transistors gelangt der Scha lttransistor in seinen leitenden Zustand und verursacht damit eine Unterbrechung des Ladestromkreises.It is advantageous to connect the positive pole of the accumulator to the anode the Zener diode, the negative pole via a resistor with the base 2 of the unijunction transistor to connect and the base 1 via a resistor to the cathode of the Zener diode to switch, By means of such a switching measure, the comparison of the on The charging voltage applied to the battery does not match the reference voltage directly, it is the one obtained from the Zener voltage and the battery voltage Differential voltage is used, the potential of which decreases with increasing charge0 The electronic switch advantageously consists of a switching transistor whose Control electrode with base 1 of the Uni junction transistor, the emitter with the The cathode of the Zener diode and its collector with the stabilizing element in the charging circuit When the unijunction transistor is switched through, the switching transistor arrives into its conductive state and thus causes an interruption of the charging circuit.

Die Erfindung ist anhand eines AusfUhrungsbeispiels nachfolgend näher erläutert; es zeigen: Figur 1: das elektrische Schaltbild des Schnelladegerätes Figur 2: eine Variante zu Figur 1 Ein zu avs einer ersten Sekundärwicklung1'eines Netztransformators 1, einem Zweiweg-Brückengleichrichter 2 und einem parallel geschalteten Siebkondensator 3 bestehendeS Netzteil liefert Gleichstrom zum Laden einer Batterie 4. In den Ladekreis ist ein pnp-Transistor 5 derart geschaltet, daß sein Emitter über einen einstellbaren Widerstand 6 am positiven Schaltungspunkt 7 des Netzteils, sein Kollektor am positiven Pol 8 der Batterie 4 liegt und seine Basis über einen Strombegrenzungswiderstand 9 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten, npn-Transistor 10 an den negativen Pol 11 der Batterie geschaltet ist. The invention is described in more detail below with the aid of an exemplary embodiment explained; They show: FIG. 1: the electrical circuit diagram of the quick charger FIG. 2: a variant of FIG. 1 A to avs of a first secondary winding 1 ′ one Mains transformer 1, a full-wave bridge rectifier 2 and a parallel connected Filter capacitor 3 power supply unit supplies direct current for charging a battery 4. In the charging circuit, a pnp transistor 5 is connected in such a way that its emitter Via an adjustable resistor 6 at the positive circuit point 7 of the power supply unit, its collector is on the positive pole 8 of the battery 4 and its base on a Current limiting resistor 9 and the collector-emitter path of a second, npn transistor 10 is connected to the negative pole 11 of the battery.

Eine Diode 12 ist der aus der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 5 und dem Widerstand 6 gebildeten Reihenschaltung derart parallel geschaltet, daß sie im durchgesteuerten Zustand des Transistors 10 in Durchlaßrichtung gepolt ist.A diode 12 is the one from the base-emitter path of the transistor 5 and the resistor 6 formed series circuit connected in parallel in such a way that it is polarized in the conductive state of the transistor 10 in the forward direction.

Der Transistor 10 befindet sich mittels eines zwischen seine Basis und den Spannungspunkt 7 geschalteten Widerstandes 13 in seinem leitenden Zustand. Sein Kollektor-Emitter-Strom durchfließt die Diode 12 und liefert ferner den Basisstrom fbr den ersten Transistor 5. Über der Diode 12 entsteht ein konstanter Spannungsabfall, der wiederum einen konstanten Spannungsabfall über dem Emitterw iderstand 6 erzwingt. Dies bedeutet, daß die Ko 1 lektor-Em itter-Strecke des Transistors 5 ein konstanter Strom durchfließt und damit den Batterie-ladestrom stabilisiert. Die Größe des Ladestroms ist über den einstellbaren Widerstand 6 variierbar, Eine zweite Sekundärwicklung 1" des Netztransformators 1 liefert im Zusammenwirken mit einem Gleichrichter 16, einem Siebkondensator 17 und einem Widerstand 18 über einer Zenerdiode 20 eine konstante Gleichspan nung, welche größer ist als die zwischen den Polen 8 und 11 anliegende Batteriespannung. Der positive Pol 8 der Batterie 4 ist mit der Anode der Zenerdiode 20 verbunden Der Zenerdiode 20 ist ein aus Widerständen 22 und 23 gebildeter Spannungste i ler parallel geschaltet, dessen Teilerpunkt 24 mit dem Emitter eines Unijunction-Transistors 25 verbunden ist, Die Basis 1 des Unijunction"Trpnsistors 25 ist über einen Widerstand 26 mit der Katode der Zenerdiode 20 verbunden, während die Basis 2 über einen Widerstand 27 an den negativen Pol in im Ladekreis geschaltet ist, An der Basis 1 des Unijunction-Transistors 25 liegt über -elnen Widerstand 28-die Basis eines Schalftransistõrs 29, dessen Emitter an die Katode der Zenerdiode 20 geschaltet ist und dessen Kollektor direkt mit der Basis des Transistors 10 verbunden ist. The transistor 10 is located between its base by means of a and the voltage point 7 switched resistor 13 in its conductive state. Its collector-emitter current flows through the diode 12 and also supplies the base current fbr the first transistor 5. There is a constant voltage drop across the diode 12, which in turn forces a constant voltage drop across the emitter resistor 6. This means that the Ko 1 lektor-Em itter path of the transistor 5 is a constant Current flows through and thus stabilizes the battery charging current. The size of the charging current can be varied via the adjustable resistor 6, A second Secondary winding 1 ″ of the network transformer 1 delivers in cooperation with a Rectifier 16, a filter capacitor 17 and a resistor 18 via a Zener diode 20 a constant DC voltage, which is greater than that between the poles 8 and 11 applied battery voltage. The positive pole 8 of the battery 4 is with connected to the anode of the zener diode 20. The zener diode 20 is a made of resistors 22 and 23 formed voltage divider connected in parallel, whose divider point 24 is connected to the emitter of a unijunction transistor 25, the base 1 of the Unijunction "transistor 25 is connected to the cathode of the Zener diode via a resistor 26 20 connected, while the base 2 via a resistor 27 to the negative pole is connected in the charging circuit, is connected to the base 1 of the unijunction transistor 25 Via -elnen resistor 28-the base of a switching transistor 29, the emitter of which is on the cathode of the Zener diode 20 is connected and its collector directly with the Base of transistor 10 is connected.

Als Interbasis-Spannung UBB zwischen der Basis 1 und der Basis 2 des Unijunction-Transistors 25 liegt eine aus der konstanten Spannung über der Zenerdiode 20 und der Ladespannung an der Batterie 4 gebildete Differenzspannung, da Uber den Widers tönen 26 und 27 im stromlosen Zustand des Unijunction-Transistors keine Spannung abfällt. Diese Differenzspannung nimmt nun mit wachsender Ladespannung stetig ab.As an inter-base voltage UBB between base 1 and base 2 of the Unijunction transistor 25 is one of the constant voltage across the Zener diode 20 and the charging voltage on the battery 4 formed differential voltage, since Uber the Contrary to this, 26 and 27 sound no voltage when the unijunction transistor is de-energized falls off. This differential voltage now decreases steadily as the charging voltage increases.

Die Schaltungsanordnung soll so dimensioniert sein, daß bei Erreichen der Ladeschlußspannung der Batterie die Interbasisspannung UBB so weit ab gesunken ist, daß die entsprechend der Interbasisspannung ebenfalls sinkende Höckerspannung des Unijunction-Transistors die durch die Werte der Widerstände 22 und 23 vorgegebene, konstante Emitter Spannung unterschreitet.The circuit arrangement should be dimensioned so that when it is reached the end-of-charge voltage of the battery, the interbase voltage UBB has dropped so far is that the bump voltage also decreases in accordance with the interbase voltage of the unijunction transistor is the value given by the resistors 22 and 23, constant emitter voltage falls below.

Dann schaltet der Unijunction-Transistor 25 durch und es kommt zu einem Stromfluß über seine bis zu diesem -Zeitpunkt strom lose Emitter-Basis 1 -Strecke" Nun fließt auch infolgeeines genügend hohen Spannungsabfalles am Widerstand 26 über den Widerstand 28 ein Strom und der Schalttransistor 29 gelangt in seinen leitenden Zustand. Mit einem Stromfluß durch die Kollektor Emitter-Strecke des Transistors 29 sinkt aber das Basispotential des Transistors 10 so weit ab, daß dieser in seinen gesperrten Zustand gebracht wird, Infolge des fehlenden Kollektorstromes durch den Transistor 10 kann aber auch kein Basistrom mehr im Transistor 5 fließen; der Transistor 5 wird ebenfalls gesperrt und unterbricht damit den Ladestrom der Batterie 4.Then the unijunction transistor 25 turns on and it comes to a current flow over its emitter-base 1 path without current up to this point in time " so also overflows due to a sufficiently high voltage drop across resistor 26 the resistor 28 a current and the switching transistor 29 reaches its conductive State. With a current flow through the collector-emitter path of the transistor 29 but the base potential of the transistor 10 drops so far that this is in his locked state is brought, as a result of the lack of collector current through the However, transistor 10 can no longer flow base current in transistor 5; the transistor 5 is also blocked and thus interrupts the charging current of battery 4.

Der Batterie 4 ist in Figur 2 ein aus einem Festwiderstand 30 und einem veränderbaren Widerstand 31 bestehender Spannungsteiler parallel geschaltet, im Gegensatz zu Figur 1 wird hier die Basis 2 des Unijunction-Transistors 25 über den Widerstand 27 nicht unmittelbar, sondern über den Teilerwiderstand 30, also mittelbar mit dem Minuspol 11 der Batterie 4 verbunden.The battery 4 is a fixed resistor 30 and in Figure 2 a variable resistor 31 existing voltage divider connected in parallel, In contrast to FIG. 1, the base 2 of the unijunction transistor 25 is over here the resistor 27 not directly, but via the divider resistor 30, that is indirectly connected to the negative pole 11 of the battery 4.

Infolge des veränderbaren Widerstandes 31 kann dann die Interbasisspannung UBB des Unijunction-Transistors 25 und damit auch der Ansprechschwellwert der Anordnung verändert werden0 Ein dem Teilerwiderstand 31 mittels eines Schalters 33 parallelschaltbarer Widerstand 34 erlaubt die Umschaltung auf eine zusätzliche Schwellwertumschaltung der Anordnuny ohne Veränderung des Teilerwiderstandswertes 31, Die übrigen Teile der Schaltung, welche in der Figur 2 nicht erneut wiedergegeben sind, entsprechen der Schaltung gemäß Figur 1.As a result of the variable resistor 31, the inter-base voltage UBB of the unijunction transistor 25 and thus also the response threshold value of the arrangement 0 A divider resistor 31 that can be connected in parallel by means of a switch 33 Resistor 34 allows switching to an additional threshold switching the arrangement without changing the divider resistance value 31, the remaining parts the circuit, which are not shown again in Figure 2, correspond the circuit according to FIG. 1.

Claims

Circuit arrangement for fast charging of an accumulator, in particular NC cells, with a stabilizing electronic switching element in the charging circuit Constant maintenance of a smoothed direct current as charging current and automatic current interruption when the gassing voltage is reached, characterized by an additional control circuit for monitoring the battery voltage with a zener diode, one of the zener diodes voltage divider connected in parallel to generate a reference voltage and a Unijunction transistor as a comparison element, its emitter at the reference voltage and its bases on one of the Zener voltage and the battery voltage The difference voltage formed correspond to the voltage, with one with the Base 1 connected electronic switch interrupts the charging circuit as soon as the comparison voltage between emitter and base 1 is the bump voltage of the unijunction transistor exceeds.

2, circuit arrangement according to claim 1, since d u r c h e k e n n z e i c h n e t that the positive pole of the accumulator with the anode of the zener diode, the negative pole via a resistor to base 2 of the unijunction transistor connected and the base 1 connected to the anode of the Zener diode via a resistor is.

3. Circuit arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that that the electronic switch consists of a switching transistor, the control electrode of which with the base 1 of the input transistor, the emitter with the cathode is a Zener diode and the collector is connected to the stabilizing member in the charging circuit.

4O circuit arrangement according to the preceding claims, thereby characterized in that the difference voltage is provided by a parallel connected to the accumulator veränderburen voltage divider is changeable.

5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the divider ratio of the voltage divider by adding additional resistors is changeable.