DE2232416C3 - Laderegler für Akkumulator-Batterien - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Laderegler für Akkumulator-Batterien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Laderegler ist aus der DT-OS 19 13 794 bekannt. Ähnliche Ladegeräte mit Regler für die Ladespannung sind in den DT-OS 15 88 966, 17 63 595 und 19 56 448, sowie in den US-Patentschriften 10 746 und 34 41 829 beschrieben.

Die meisten dieser Geräte haben jedoch den Nachteil, daß beim Abschalten oder beim Ausfall der Netzspannung während des Ladevorganges die Batterie sich über das Meßglied entlädt.

Der im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laderegler der angegebenen Art zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Entladung der Batterie über das Meßglied des Ladereglers nicht stattfinden kann.

Dank dieser Anordnung kann der Laderegler ständig mit der Batterie verbunden bleiben, auch wenn keine Verbindung mit der Netzspannungsquelle besteht. Der (^ Laderegler kann also insbesondere in ein tragbares oder fahrbares Gerät eingebaut und fest mit der Batterie verbunden werden, so daß zum Aufladen nur eine Verbindung mit der nächsten Steckdose hergestellt werden muß. Trotzdem ist auch bei langdauernder Unterbrechung des Ladevoi ganges keine Entladung dcr Batterie über den Laderegler zu befürchten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachste

hend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin sind

F i g. I ein schematisches Schaltbild und

Fig. 2 ein Diagramm der Batteriespannung und des Ladestromes bei dieser Ausführungsform.

Im Schaltbild der Fig. 1 bedeutet B die zu ladende Batterie, E eine Wechselspannungsquelle (Netz), D einen spannungsabhängigen Regler für die Ladestromstärke, reinen Oszillator und Leine Ladekontroll-Lampe.

An die Wechselspannungsquelle Esind eine Induktivität L₄ und ein Kondensator C₂ als Rundfunkentstörglied angeschlossen. Ferner ist eine Schmezsicherung R_q vorgesehen. Der Netzwechselstrom wird dann in einer Diode Di gleichgerichtet, d. h. das Ladegerät arbeitet mit Einweg-Gleichrichtung.

Die Betriebsgleichspannung wird dem Spannungsmeßglied über einen Strombegrenzungswiderstand W₈ zugeführt Er speist tine Zenerdiode Dz, die als Spannungsnormal bekanntlich eine konstante Spannung liefert. Die von der Zenerdiode gelieferte konstante Spannung gelangt auf einen Spannungsteiler, der aus dem Widerstand Rb und der Diode bzw. Diodenkette D₁ besteht. Die an der Verbindungsstelle von R_b und D₇ auftretende konstante Spannung dient als Basisspannuhg für einen Transistor Q]. Zwischen dem Erdanschluß GND und dem Emitter des Transistors Q₁ (Klemme X) ist die Batterie B eingeschaltet. Die Schwankungen der Batteriespannung sind also Spannungsschwankungen zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q\ und verändern infolgedessen die Leitfähigkeit desselben.

Ein Transistor Q2 ist unmittelbar mit dem Transistor Qi verbunden, um die Leitfähigkeitsschwankungen des Transistors Q\ zu verstärken und damit die Vorspannung eines Transistors Qi zu steuern.

Ein Emitter-Widerstand R₂ ist nicht unbedingt notwendig, dient aber dazu, beim Umschalten des Transistors Oi von EIN zu AUS und des Transistors Q₂ von AUS zu EIN den Anstieg des Emitterstromes des Transistors Q₂ gegenüber der Abnahme des Emitterstromes des Transistors Q₂ gegenüber der Abnahme des Emitterstromes des Transistors Qi zu verzögern, so daß der Transistor Q₂ langsamer zu leiten beginnt.

Die Ladekontroll-Lampe L ist so geschaltet, daß ihre Helligkeit der Ladestromstärke entspricht, so daß der Fortgang der Ladung erkannt werden kann. Die Ladung einer Batterie dauert aber mindestens 30 Minuten und kann auch mehr als drei Stunden in Anspruch nehmen. Deshalb ist es schwierig, die Helligkeit nach längerer Zeit mit der früher beobachteten Helligkeit zu vergleichen. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, hat der Transistor Q₂ die erwähnte Verzögerung. Durch Einschaltung des Widerstandes R₂ wird der Oszillator D häufiger ein- und ausgeschaltet und die Lampe L flackert dementsprechend, wobei die abnehmende Schnelligkeit des Flackerns ein Maß für den Fortgang der Ladung ist.

Die Teilung der an der Zenerdiode Dz abgenommenen Normalspannung mittels des Widerstandes R₆ und der Diode(n) D₇ dient dazu, die Temperaturabhängigkeit des Durchlaßspannungsabfalles an der Diode D₇ derart auszunutzen, daß der Temperaturkoeffizient der Schaltspannung des Transistors Q₂ mit dem Temperaturkoeffizient der Batteriespannung übereinstimmt. Da ferner die von der Zenerdiode gelieferte Normalspannung ebenfalls mit der Temperatur schwankt, wird die durch Spannungsteilung aus der Zenerspannung abgeleitete Basisspannung des Transistors Qi auch von den

Temperatureigenschaften der Zencrdiodc D, beein flußt.

Pie Abhängigkeit der Zenerspannung von der Te.iiperatur ändert sich mil der Zenerspannung selbst. Wenn man nun für die Diode(n) D₁ einen Temperaturkoeffizienten von je 2,8 mV/^uC wählt, kann der Temperaturkoeffizient der Zenerdiode D/ in weiten Grenzen durch entsprechende Veränderung der Zenerspannung gewählt werden, falls er nur ein ganzes Vielfaches des Koeffizienten einer Diode D₇ ist. Solange also die Batteriespannung linear mit der Temperatur verlauft, ist es unabhängig vom Ausmaß der Temperaturschwankungen möglich, der, Temperaturkoeffi/.ienten der Schaltspannung des Transistors Q₂ mit dem Temperaturkoeffiziemen der Batteriespannung in Übereinstimmung zu bringen.

Der Widerstand R_b teilt zusammen mit der Diode(n) D₁ die Zenerspannung so auf, daß der Schaltpegel des Transistors Q₂ mittels Einstellung des Widerstandes R_b gewählt werden kann. Vorzugsweise besteht der Widerstand Rb aus einer dicken Schicht auf einer passenden Unterlage mit kleinen Abmessungen. So lassen sich die Widerstandsschwankungen durch Feuchtigkeit und Staub und die Alterungserscheinungen gegenüber den üblichen einstellbaren Widerständen herabsetzen.

Da ferner bei Spannungsieilung mittels eines Widerstandes und einer Diode die an der Diode abfallende Durchlaßspannung eine nichtlineare Funktion des Durchlaßstromes ist, läßt sich der Schaltpegel des Transistors Q₂ durch Einstellung des Widerstandes R₆ leichter als bei einem Spannungsteiler mit rein ohmschen Widerständen verändern.

Da die Batterie B zwischen den auf gemeinsamem Potential liegenden Emittern der Transistoren Q₁ und Q₂ und Erde eingeschaltet ist, ist der P-N-Übergang der Transistoren hinsichtlich der Batteriespannung in Sperrichtung belastet. Wenn also die Batterie dauernd angeschlossen ist, die Netzspannung aber (z. B. wie bei einem tragbaren Gerät), nicht ständig zugeführt wird oder wenn der Ladestrom während des Aufladens unterbrochen wird, tritt keine Entladung der Batterie auf.

Wie oben auseinander gesetzt wurde, beginnt nach dem Anstieg der Batteriespannung auf einen vorbestimmten Wert während des Ladens der Transistor Q\ abwechselnd zu leiten und zu sperren, während der Transistor Q> gleichzeitig zwischen Sperren und Leiten abwechselt. Falls der Widerstand /?2 = 0, hängt der zum vollen Übergang des Transistors Q₂ vom gesperrten in den leitenden Zustand erforderliche Anstieg der Batteriespannung allein vom Stromverstärkungsfaktor der Transistoren Q\ und Q₂ ab; dieser Anstieg kann bei Verwendung normaler Transistoren leicht kleiner als 10 mV gemacht werden.

Ein Spannungsteiler aus den Widerständen R53 und Λ51 ergibt eine feste Vorspannung für einen Oszillator-Transistor Q}. Selbst wenn der Widerstand R^ weggelassen würde, käme eine Vorspannung selbsttätig zustande. Da das Spannungsmeßglied auch bei Unterbrechung des Ladestromes die Batterie nicht entlädt, muß zur vollständigen Verhinderung einer Entladung der Batterie über die Ladestromquelle der Widerstand R53 weggelassen werden, d. h. R₅₃= 00. Versuche haben gezeigt, daß schon bei einem Wert /?₅3 = 470Ω die (15 Entladung der Batterie nicht stärker ist als es durch den inneren Selbstentladungsstrom von nicht mehr als 0.1 mA erwartet werden kann. Deshalb ist in F i g. 1 der Widerstand R₅₃ vorgesehen.

L\, L₂ und Ls sind die Primärwicklung, die Sekundärwicklung (Ausgangswicklung) und die Rückkopplungswicklung eines Oszillator-Transformators Li, L₂, Li, sitzen also auf dem gleichen Eisenkern. Der Wicklungsanfang ist jeweils mit einem Punk' bezeichnet. Parallel zum Widerstand Ra liegt ein Beschleunigungskondensator Oj, während parallel zu der Primärwicklung L\ ein Glättungskondensator Ci liegt.

Ein Widerstand Rt: dient zur Begrenzung des Emitterstromes des Transistors Qu sowie zur Einstellung des Ausgangsstromes und trägt gleichzeitig zur Schwingungsstabilisierung bei. Der Ladestrom wird in einer Diode D₂ gleichgerichtet.

Nun soll die Arbeitsweise des Gerätes kurz erläutert werden. Solange die Batterie B noch nicht genügend aufgeladen ist, ist die Leitfähigkeil zwischen Kollektor und Emitter des Transistors Q\ hoch, der Transistor Q₂ ist gesperrt. Deshalb spricht der Transistor Qi im Oszillator Tan und ein in der Sekundärwicklung L₂ des Oszillator-Transformators L], L2, Li induzierter Wechselstrom wird von der Diode D₂ gleichgerichtet, um die Batterie aufzuladen. Gleichzeitig leuchtet die Ladekontroll-Lampe L auf, um anzuzeigen, daß die Batterie geladen wird.

Wenn nuii die Batteriespannung sich beim Aufladen ihrem festgelegten Endwert nähert, nimmt die Leitfähigkeit zwischen Kollektor und Emitter des Transistors Qi ab und gleichzeitig steigt die Leitfähigkeit des Transistors φ. Dadurch nimmt das Teilverhältnis der an den Spannungsteiler-Widerständen /?₅i und Rn abfallenden Spannungen ab und die Vorspannung (Zündspannung), oberhalb derer der Transistor Q₃ als Oszillator schwingen kann, steigt an. Dieser Anstieg der Zündspannung des Transistors Qz bewirkt eine Verringerung der Öffnungszeiten der Diode L\ in jeder Halbperiode der Netzwechselspannung. Infolgedessen verringert sich der Ausgangsstrom, d. h. der Ladestrom und der Anstieg der Batteriespannung wird verlangsamt.

Wenn die Batteriespannung schließlich ihren vorgeschriebenen Endwert erreicht, nimmt die Leitfähigkeit des Transistors Q₂ weiter zu, so daß selbst beim Scheitelwert des Netzwechselstromes die Basis des Transistors Q₃ nicht mehr genügend vorgespannt ist, um ein Leiten desselben zu ermöglichen. Der Transistor bleibt also gesperrt und der Ladevorgang wird beendet.

Wenn die Batterie nicht mehr geladen wird, sinkt die Batteriespannung mit der Zeit wieder ab. Deshalb beginnt nach einer entsprechenden Anzahl von Perioden des Netzwechselstromes die Ladung erneut, bis die Batteriespannung abermals ihren Endwert erreicht hat, bei dem die Ladung aufhört. Während also eine intermittierende Ladung fortgesetzt wird, lädt sich die Batterie allmählich auf und die Unterbrechungen des Ladevorganges werden allmählich langer als die Ladeperioden, wobei der Ladestrom im Sinne eines Mittelwertes abnimmt.

Wenn schließlich die Batterie vollgeladen ist, sinkt der Ladestrom auf den Ladeerhaltungsstrom ab, konvergiert also zu einem sehr niedrigen festen Wert.

Die Ladekontroll-Lampe L ist eine Glühlampe, die parallel zur Sekundärwicklung L₂ liegt und nur aufleuchtet, wenn der Oszillator arbeitet. Wenn die Ladung also beendet ist, bleibt der Oszillator gesperrt und gleichzeitig erlischt die Lampe L oder verdunkelt sich jedenfalls.

Ladestrom und Ladespannung (Batteriespannung)

lchaitung nach F i g. 1 sind in F i g. 2 dargestellt.
Fig. 1 ist die Klemme Vdes Spannungsmeßgliedes ler Verbindungsstelle der Widerstände W₅₃ und /?₅i Linden. Falls aber die Umschaltung des Transistors ereits mit der gewünschten Verzögerung erfolgen kann, läßt sich die Klemme Y unmittelbar mit der Basis des Transistors Qi verbunden. Vom Gesichtspunkt der Steuerung der Basisvorspannung des Transistors Qi ist dies gleichbedeutend mit dem Anschluß an die Verbindungsstelle der Widerstände /?_5t und Λ53.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Laderegler für Akkumulator-Batterien mit einem Steuertransistor, an dessen Basis eine von einem Spannungsnormal des Meßgliedes abgeleitete Spannung liegt, mit einem Verslärkertransislor, dessen Basis mit dem Kollektor des Steuertransistors verbunden ist und dessen Kollektor an einem Stellglied liegt, bei dem die Emitter beider Transistoren gemeinsam an einen Pol der aufzuladenden Batterie angeschlossen sind und bei dem die Speisespannung für das Spannungsnormal direkt von der Netzstrornquelle abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßglied (D) der eine Pol der Batterie (B) ausschließlich n>it der gemeinsamen Emitterverbindung (X) der Transistoren (Qu Q₂) und der andere Pol der Batterie ausschließlich mit der geerdeten Elektrode (GND) des Spannungsnormah (Zenerdiode Dz) verbunden ist und daß beide Transistoren (Q\, Q₂) bezüglich der Batteriespannung in Sperrichtung angeschlossen sind.

2. Laderegler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Steuertransistors (Qi) an einem zum Spannungsnormal (Dz) parallel geschalteten Spannungsteiler (K₆, D₇) liegt und daß mindestens eines der Spannungsteilerelemente einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.

3. Laderegler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des Sleuertrans.istors (Q\) und der geerdeten Elektrode (GND) des Spannungsnormals die Reihenschaltung eines Widerstandes (Rt₂) und mindestens einer durch einen Widerstand (R_n) überbrückten Diode (D₁) liegt.