DE2255894A1 - Schaltung zum laden eines akkumulators - Google Patents

Description

• Schaltung zum Laden eines Akkumulators i , o Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Laden eines Akkumulators mit einem im Ladestromweg liegenden Längstransistor, der geöffnet ist, solange die Spannung am Akkumulator unter einem sorgegebenen Wert liegt, und der gesperrt wird, sobald die Spannung am Akkumulator diesen vorgegebenen Wert erreicht, und mit einer Einrt¢htung, die dem Akkumulator nach der Abschaltung des Ladestroms einen Erhaltungsstrom zuführt, Akkumulatoren, die zur Stromversorgung von, insbesondere tragbaren, elektrischen Geräten dienen, das sind vorzugsweise hermetisch abgedichtete Nickel-Kadmium-Akkumulatoren, werden zum Aufladen aus den Geräten herausgenommen und an eine Ladeeinrichtung angeschlossen.
• Eine fUr diesen Zweck geeignete Ladeeinrichtung ist Ublicherweise an das Wechselstromnetz anschließbar und enthält zum Beispiel einen Netztransformator,'eine Gleichrichterschaltung und und einen Schaltungsteil, der die Eigenschaft hat, den Ladestrom für den Akkumulator unter einem bestimmten Höchstwert zu halten, die Jeweilige Spannung an den Klemmen des Akkumulators mit einer dem voll aufgeladenen Zustand des Akkumulators entsprechenden Spannung zu vergleichen und bei Spannungsgleichheit, das heißt bei voll aurgeladenem Akkumulator, den Ladestromkreis zu unterbrechen. Bleibt der aufgeladene Akkumulator wegen Nichtbenutzung des elektrischen Gerätes längere Zeit mit der Ladeeinrichtung verbunden, so sinkt seine Spannung langsam ab. Soll der Akkumulator dann zu einem späteren Zeitpunkt in Betrieb genommen werden, so müßte er zuvor nachgeladen werden, um ihn wieder' in den Zustand der Volladung zu bringen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zum Laden eines Akkumulators zu entwickeln, die es ermögllcht, einen Akkumulator bis zum Erreichen einer bestimmten Klemmenspannung aufzuladen und Jeweils dann, wenn die bestimmte Klemmenspannung unterschritten wir, automatisch nachzuladen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Schaltung der eingangs genannten Art gelöst, indem folgende Merkmale gleichzeitig angewendet werden: a) mit a) mit dem Akkumulator liegt eine für den Ladestrom in Durchlaßrichtung gepolte Diode in Reihe; b) parallel zu der Reihenschaltung von Akkumulator und Diode liegt ein Kondensator; c) parallel zu dem Kondensator ,liegt ein ohmsche Widerstände enthaltender Spannungsteiler als Entladestromkreis für den Kondensator; d) der von dem durch den Spannungsteiler fließenden Entladestrom in einem ohmschen Widerstand des Spannungsteilers verursachte Spannungsabfall veranlaßt die Sperrung des Längstransistors, solange dieser Spannungsabfall einen bestimmten Mindestwert überschreitet, und das Durchsteuern des Längstransistors, solange er den bestimmten Mindestwert unterschreitet.
• Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, daß mit sehr einfachen schaltungstechnischen Mitteln der Ladestromkreis Jeweils automatisch unterbrochen wird> wenn der Akkumulator voll aufgeladen ist und daß der Ladestromkreis nach einer verhältnismäßig kurzen Zeit ebenfalls automatisch wieder eingeschaltet wir. Darüber hinaus wird durch die Schaltung verhindert, daß sich der Akkumulator über den Spannungsteiler oder den Kondensator entlädt.
• Während Während sich also der Akkumulator niemals über die Schaltung bzw. den Spannungsteiler entladen kann, entlädt sich der dem aus ohmschen Widerständen bestehende Spannungsteiler parallel geschaltete Kondensator dauernd über den Spannungsteiler.
• Solange aber der Längstransistor durchgesteuert ist, wird der Kondensator immer gleich nachgeladen. Nur dann, wenn der Akkumulator voll aufgeladen und damit der Längstransistor gesperrt ist, kann sich der Kondensator über den Spannungsteiler so weit entladen, daß nach einer gewissen Zeit an dem ohmschen Widerstand der bestimmte Mindestwert unterschritten und der Längstransistor wieder durchgesteuert wird.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zum Steuern des Längstransistors ein durch den Spannung abfall an dem ohmschen Widerstand gesteuerter Schwellwertschalter vorgesehen ist, dessen obere Schwelispannung dem bestimmten Mindestwert und dessen untere Schwellspannung einem bestimmten Tiefstwert des Spannungsabfalls entspricht.
• Eine Verbesserung des Hystereverhaltens des Schwellwertschalters in Verbindung mit der Schaltung läßt sich in Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, daß der Spannungs teiler aus den ohmschen Widerständen ein Widerstandselement enthält, dessen Widerstandswert mit zunehmender Spannung abnimmt.
• Als Als Widerstandselement der angegebenen Art eignet sich bei spielsweise ein VDR-Widerstand, eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode oder eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode.
• Nähere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Schaltungsbeispiels erläutert. In der Zeichnung bedeuten 1 und 2 Je eine Netzanschlußklemme der Schaltungsanordnung zum Laden eines Akkumulators 23. Mit 3 ist eine BrUckengleichrichterschaltung bezeichnet, deren positiver Anschluß 4 und negativer Anschluß 5 durch eine in Sperrichtung geschaltete Zenerdiode 6 überbrückt sind. Parallel zu den Anschlüssen 4 und 5 liegt ein Kondensator 7 verhältnismäßig hoher Kapazität. Ferner liegen parallel zu den Anschlüssen 4 und 5 eine erste Reihenschaltung aus einer GlUhlampe 8 und einer Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors 9 sowie eine zweite Reihenschaltung aus einem Widerstand 10 und einer Zenerdiode 11. Das der Zenerdiode 11 abgewandte Ende des Widerstandes 10 steht über einen Vorwiderstand 12 mit dem Emitter eines als Schalttransistor arbeitenden Längstransistors 13 in Verbindung, zwischen dessen Basis und dem negativen Anschluß 5 der Brückengleichricliterschaltung 3 eine dritte Reihenschaltung aus einem Widerstand 14 und einem Transistor 15 liegt. Der Kollektor des Lkngstransistors 13 steht steht Uber einen Spannungsteiler aus einem Widerstand 16, einem Einsteilwiderstand 17, einer in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode 18 und einem Widerstand 19 mit dem negativen Anschluß 5 der Brückengleichrichtersehaltung 3 in Verbindung.
• Den Widerständen 16 und 17 ist ein Widerstand 20 mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) parallel geschaltet.
• Zwischen dem Kollektor des Langstransistors 13 und dem negativen Anschluß 5 liegt noch ein Kondensator 21 und parallel dazu eine Reihenschaltung aus einer Diode 22 und dem aufzuladenden Akkumulator 23. Eine Leitung 24 verbindet die Anode der Zenerdiode 18 mit einem Eingang 25 eines ersten Schwellwertschalters 26, dessen ausgang mit 27 und dessen Stromversorgungsanschluß mit 28 bezeichnet ist.
• Von dem Ausgang 27 des ersten Schwellwertschalters 26 führt eine Verbindung über einen Widerstand 29 an die Basis des Transistors 15, die über einen Kondensator 30 mit dem Kollektor desselben Transistors verbunden ist.
• Eine weitere Verbindung besteht zwischen dem Ausgang 27 des ersten Schwellwertschalters 26 und einem Eingang 31 eines zweiten Schwellwertschalters 32, dessen Stromversorgungsanschluß mit 33 und dessen Ausgang mit 34 bezeichnet ist. Der Ausgang 34 steht über einen Widerstand 35 mit der Basis des Transistors Transistors 9 in Verbindung. An den Stromversorgungsanschlüssen 28 und 33 liegt ein positives Potential, das zwischen der Zenerdiode 11 und dem Widerstand 10 abgegriffen wird.
• Die Schwellwertschalter 26 und 32 sind der Einfachheit halber durch Blockschaltungssymboie gekennzeichnet, da der Au£-bau solcher Schalter, z. B. in Form von Schmitt-Triggern, hinreichend bekannt ist.
• Im folgenden wird nun-die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung zum Laden eines Akkumulators näher erläutert.
• Wird an die Schaltungsanordnung ein zumindest teilweise entladener Akkumulator, z. B. ein aus zehn Zellen bestehender Nickel-Kadmium-Akkumulator, der im entladenen Zustand etwa 11 V und in voll aufgeladenem Zustand höchstens 14,8 V hat, angeschlossen, so fließt über den Vorwiderstand 12 und die Emitter-Kollektorstrecke des Längstransistors 13 ein durch Gleichrichtung aus dem Netzwechselstrom erhaltener und mittels des Kondensators 7 geglätteter Gleichstrom i von z. B.
• 25 mA. Während ein Teil dieses Gleichstroms i-über die Diode 22 als Ladegleichstrom iA in den Akkumulator 23 fließt, lädt ein ein anderer Teil des Gleichstroms i als Ladegleichstrom c den angenommenerweise vorher entladenen Kondensator 21 auf.
• Ein weiterer Teil des Gleichstroms i fließt als Gleichstrom iR über die Reihenschaltung aus den Widerständen 16, 17, 20, die Zenerdiode 18 und den Widerstand 19. Der Gleichstrom iR ist zunächst klein, so daß der Spannungsabfall an dem Widerstand 19 kleiner ist als die obere Schwellspannung des ersten Schwellwertschalters 26.
• Ist der Akkumulator 23 so weit aufgeladen, daß seine Spannung den vorgeschriebenen Höchstwert von z. B. 14,8 - 0,2 V erreicht hat, dann weist auch der Kondensator 21 diesen Spannungswert auf. Die einen Spannungsteiler bildende Reihenschaltung mit den Widerständen 16, 17, 19, 20 und der Zenerdiode 18 und die Zenerspannung der Zenerdiode 18 sind nun so bemessen, daß beim Erreichen des Höchstwertes der Akkumulatorspannung und einer gleichgroßen Spannung am Kondensator 21 ein größerer Gleichstrom iR fließt. Als Folge des größeren Gleichstroms iR fällt an dem Widerstand 19 eine Spannung solcher Größe ab, daß der obere Schwellspannungswert des ersten Schwellwertschalters 26 überschritten wird. Der Schwellwertschalter 26 kippt dadurch in einen Zustand, in welchem er an seinem Ausgang 27 ein, z. B. logisch 0 entsprechendes sprechendes Potential abgibt. Dieses Potential bewirkt eine Sperrung des Transistors 15, so daß die Basis des Längstransistors 13 keinen Strom erhält und damit der Längstransistor 13 gesperrt wird. Der Ladevorgang ist somit unterbrochen.
• Das logisch 0 entsprechende Potential am Ausgang 27 liegt gleichzeitig am Eingang 31 des zweiten Schwellwertschalters 32, der dadurch in einen Zustand kippt, in welchem sein Ausgang 34 ein, z. B. positives, Potential abgibt. Das zuletzt genannte Potential steuert den Transistor 9 durch, so daß ein Stromkreis für die Glühlampe 8 geschlossen wird. Das Aufleuchten der Glühlampe zeigt die Unterbrechung des Ladevorgangs an.
• Bei gesperrtem Längstransistor 13 kann sich der Kondensator 21 über den Spannungsteiler aus den Widerständen 16, 17> 19, 20 und die leitende Zenerdiode 18 entladen. Der Akkumulator 23 kann sich dagegen nicht über den genannten Spannungsteiler entladen, weil die Diode 22 für den Entladestrom des Akkumulators 23 in Sperrichtung geschaltet ist. Ist die Entladung des Kondensators 21 soweit fortgeschritten, daß die Spannung an der Zenerdiode 18 den für das Fließen eines Zenerstroms erforderlichen Wert unterschreitet, so sperrt die die Zenerdiode 18, und der Spannungsabfall an dem Widerstand 19 wird so klein, daß der untere Schwellspannungswert des Schwellwertschalters 26 unterschritten wird. Als Folge davon kippt der Schwellwertschalter 26 in seinen Anfangszustand, in welchem sein Ausgang 27 ein positives Potential (logisch L) abgibt, durch das der Transistor 15 durchgesteuert wird.
• In diesem Zustand erhält der Längstransistor 13 einen Basisstrom, so daß er durchsteuert, während der zweite Schwellwertschalter 32 die Glühlampe 8 zum Erlöschen bringt.
• Falls der Akkumulator 23 in der Zwischenzeit, in welcher der Längstransistor 13 gesperrt war, seine Klemmenspannung infolge der Selbstentladung nur unwesentlich verringert hat, fließt ein sogenannter Erhaltungsstrom, durch den die Spannung an dem Kondensator 21 und die Akkumulatorspannung verhältnismäßig schnell wieder denJenigen Wert erreichen, der ausreicht, um die Zenerdiode in das Zenergebiet zu steuern, wodurch dann, wie bereits weiter oben erläutert, der Schwellwertschalter 26 über den Transistor 15 den Längstransistor 13 sperrt und über den anderen Schwellwertschalter 32 und den Transistor 9 den Stromkreis für die GlUhlampe 8 einschaltet.
• Das Wechselspiel zwischen dem Offnen und Schließen des Ladestromkreises Ladestromkreises für den Akkumulator 23 findet mit einer Häufigkeit statt, die dem augenblicklichen Ladezustand des Akkumulators entspricht, und zwar wechseln Laden und Nichtladen des Akkumulators um so schneller, Je weiter der Zustand der Ladung des Akkumulators fortgeschritten-ist. Das im gleichen Rhythmus stattffndende Aufleuchten und Erlöschen der Glühlampe 8 läßt also Rückschlüsse auf den Grad der Ladung zu.
• Der Spannungsteiler aus den Widerständen 16, 17, 19, 20 und der Zenerdiode 18 enthält Mittel zur Temperaturkompensation, die aus dem Widerstand 20 mit negativem Temperaturkoeffizienten bestehen. Mit dem Widerstand 20 wird nicht nur die Temperaturabhängigkeit des Schwellwertschalters 26 und der Zenerdiode 18, sondern auch die Temperaturabhängigkeit der Zellenspannung des Akkumulators kompensiert. Durch die Kompensation wird erreicht, daß bei jeder Umgebungstemperatur der Akkumulator bis zu seiner vollen Kapazität aufgeladen wird, indem der'Einsatzpunkt des Abschaltens des Ladestroms automatisch geregelt'wird. Mit dem Einstellwiderstand 17 läßt sich genau einstellen, bei welcher Kondensatorspannung bzw. Akkumulatorspannung der Zenerdurchbruch in der Zenerdiode 18 stattfinden soll.
• Während Während die Bauelemente der Schaltungsanordnung die in der Zeichnung ersichtlichen praktisch erprobten Werte haben können, ist es vorteilhart, als ersten und zweiten Schwellwertschalter 26, 32 einen integrierten Baustein zu verwenden, der zwei NAND-Schmitt-Trigger enthält. Das kann beispielsweise ein Baustein mit der Typenbezeichnung FLH 351 der Firma Siemens AG sein. Im Prinzip wäre es auch möglich, an Stelle der beiden NAND-Schmitt-Trigger 26, 32 nur einen NAND-Schmitt-Trigger mit nachgeschaltetem Negationsglied zu verwenden, das dann die Funktion des zweiten Schmitt-Triggers 32 übernahme.
• Die Reihenschaltung aus dem Widerstand 10 und der Zenerdiode 11 sorgt dafür, daß die zwischen dem Widerstand 10 und der Zenerdiode 11 abgegriffene Spannung von z. B. + 5 V die zum Betreiben des integrierten Bausteins erforderliche Konatanz hat.
• Zum Begrenzen des Ladestroms dient, wie bereits angedeutet, der Vorwiderstand 12, der zusammen mit der Impedanz der Emitter-Kollektorstrecke des Längstransistors 13 in der Reihe mit dem Ladestromweg liegt. Die Begrenzerwirkung läßt sich noch verbessern, wenn zwischen der Basis des Längs transistors 13 und dem dem Längstransistor abgewandten Anschluß des Vorwiderstandes 12 eine Zenerdiode 36 geschaltet ist, die in Bezug auf den Ladestrom in Sperrichtung gepolt ist.
• In In der Schaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel enthält der Spannungteiler außer den ohmschen Widerständen 16, 17 und 19 eine Zenerdiode 18. Diese Zenerdiode kann gegebenenfalls durch einen Widerstand ersetzt werden. Um Jedoch zu einem günstigen Hystereverhalten des Schwellwertschalters 26 zu kommen, ist es zweckmäßig, ein-Widerstandselement zu verwenden, dessen Widerstandswert mit zunehmender Spannung abnimmt.
• Das ist also beispielsweise ein VDR-Widerstand, eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode oder wie in dem Ausführungsbeispiel eine Zenerdiode 18.

Claims (17)

Patentansprüche

1. Schaltung zum Laden eines Akkumulators mit einem im Ladestromweg liegenden Längstransistor, der geöffnet ist, solange die SsJann q am am Akkumulator unter einem vorgegebenen Wert liegt, und der gesperrt wird, sobald die Spannung am Akkumulator diesen vorgegebenen Wert erreicht, und mit einer Einrichtung, die dem Akkumulator nach der Abschaltung des Ladestromes einen Erhaltungsstrom zuführt, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Anwendung der folgenden Merkmale: a) mit dem Akkumulator (23) liegt eine für den Ladestrom in Durchlaßrichtung gepolte Diode (22) in Reihe; b) parallel zu der Reihenschaltung von Akkumulator (23) und Diode (22) liegt ein Kondensator (21); c) parallel zu dem Kondensator (21) liegt ein ohmsche Widerstände (16, 17, 19,20) enthaltender Spannungsteiler als Entladestromkreis für den Kondensator (21); d) der von dem durch den Spannungsteiler fließenden Entladestrom in einem ohmschen Widerstand (19) des Spannungsteilers verursachte Spannungsabfall -veranlaßt die Sperrung des Längstransistors (13), solange dieser Spannungsabfall einen bestimmten Mindestwert überschreitet, und das Durchsteuern des Längstransistors (13), solange er den bestimmten Mindestwert unterschreitet.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern des Längs transistors (13) ein durch den Spannungsabfall an dem ohmschen Widerstand (19) gesteuerter Schwellwertschalter (26)- vorgesehen ist, dessen obere Schwellapannung dem bestimmten Mindestwert und dessen untere Schwellspannung einem bestimmten Tiefstwert des Spannungsabfalls entspricht.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (26) ein Schmitt-Trigger ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus den ohmschen Widerständen (16, 17, 19) ein Widerstandselement (z. 3.

18) enthält, dessen Widerstandswert mit zunehmender Spannung abnimmt.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement eine Zenerdiode (18) ist.

6. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (26) ein NAND-Schmitt-Trigger ist, dessen Ausgang (27) mit der Basis eines Transistors (15) verbunden ist, und daß die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors (15) in der Basiszuleitung des Längstransistors (13) liegt.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spannungsteiler ein Widerstand (20) mit negativem Temperaturkoeffizienten zugeordnet ist.

8. Schaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigeelement (z. B. 8) vorgesehen ist, das die Leitphase oder Sperrphase des Längstransistors (13) anzeigt.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeelement eine Glühlampe (8) ist.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Ausgangsspannung des Schwellwertschalters (26) steuerbarer zweiter Schwellwertschalter (32) vorgesehen ist, der ausgangsseitig mit der Basis eines Transistors (9) verbunden ist, dessen Emitter-Kollektorstrecke im Stromweg der Glühlampe (8) liegt.

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß' der zweite Schwellwertschalter (32) ein NAND-Schmitt-Trigger ist.

12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die NAND-Schmitt-Trigger (26, 32) zu einem integrierten Baustein vereinigt sind.

13. Schaltung nach Anspruch 2, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Spannungsteiler aus mindestens einem Widerstand (10) und einer in Sperrichtung betriebenen Zenerdiode (11) vorgesehen ist und daß die Spannung über der Zenerdiode (11) als stabilisierte Speisespannung für mindestens einen Schwellwertschalter (26, 32) dient.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromversorgung der Schaltung eine an einer Wechselspannung liegende Gleichrichterschaltung (3) vorgesehen ist, deren Gleichstromanschlüsse (4, 5) durch einen zur Glättung dienenden Kondensator (7) überbrückt sind.

15. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Längstransistor (13) ein Vorwiderstand (12) zum Begrenzen des Ladestroms geschaltet ist.

16. Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Begrenzen des Ladestroms vor den Längstransistor (13) ein Vorwiderstand (12) und zwischen der Basis des Längstransistors (13) und dem dem Längstransistor abgewandten Anschluß des Vorwiderstandes eine Zenerdiode (36) geschaltet ist.

17. Schaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Ladegerät für Nlekel-Kadmium-Akkumulatoren.