DE2255894C3 - Schaltungsanordnung zum Laden eines Akkumulators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Laden eines Akkumulators, insbesondere eines Ni-Cd-Akkumulators, mit einem im Ladestromweg liegenden Längstransistor, einer für den Ladestrom in Durchlaßrichtung gepolten und in Reihe zu dem Akkumulator liegenden Diode und einem parallel zu der Reihenschaltung von Akkumulator und Diode liegenden Spannungsteiler aus mindestens zwei ohmschen Widerständen, wobei die von der Größe der jeweiligen Akkumülatorspannung abhängige Spannung an einem der Widerstände des Spannungsteilers zum Steuern des Längstnknsistors derart dient, daß der Längstransistor geöffnet ist, solange die Spannung an dem Akkumulator einen bestimmten Mindestwert unterschreitet, und daß der Längstransistor gesperrt wird, sobald die Spannung den Mindestwert überschreitet und wobei der Akkumulator nach dem Abschalten des Ladestroms einen Erhaltungsstrom erhält.

Zur Stromversorgung von, insbesondere tragbaren, elektronischen Geräten dienen, vorzugsweise hermetisch abgedichtete Nickel-Kadmium-Akkumulatoren, die zum Aufladen aus den Geräten herausgenommen und an eine Ladeeinrichtung angeschlossen werden.

Eine für diesen Zweck geeignete Ladeeinrichtung ist üblicherweise an das Wechselstromnetz anschließbar und enthält z. B. einen Netztransformator, eine Gleichrichterschaltung 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, d. h. bei voll aufgeladenem Akkumulator, den Ladestromkreis zu unterbrechen. Bleibt der aufgeladene Akkumulator wegen Nichtbenutzung

des elektrischen Geräts längere Zeit mit der Ladeeinrichtung verbunden, so sinkt seine Spannung lungsam ab. Soll der Akkumulator dann /u einem späteren Zeitpunkt in Betrieb genommen werden, so müttie er zuvor nachgeladen werden, um ihn wieder in den Zustand der Volladung /u bringea

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist durch die FR-PS 15 29 792 bekannt. Bei dieser ist eine im Ladestromweg liegende limitier-Kollektor-Strecke eines Langstransistors durch einen Widerstand ic überbrückt, so daß auch bei gesperrtem Längstransistor ein Ladungserhaltungsstrom fließen kann. Bei der bekannten Schaltungsanordnung liegt in Reihe mit dem Akkumulator eine für den Ladestrom in Durchlaßrichtung geholte Diode und parallel zu der Reihenschaltung aus Akkumulator und Diode ein Spannungsteiler aus mehreren ohmschen Widerständen. An dem Spannungsteiler wird eine der jeweiligen Akkumulatorspannung proportionale Spannung abgegriffen, die zum Steuern des Langstransistors beziehungsweise des Ladestroms dient.

Es ist ferner ein Ladegerät bekannt (DT-AS 14 63 360). das aus einem DrehstrcTigenerator über Thyristoren gespeist wird. Bei diesem Ladegerät liegf unmittelbar parallel zu den Anschlüssen für einen Akkumulator ein Spannungsteiler aus z. B. drei Widerständen, von denen zwei durch einen Kondensator überbrückt sind. Der Kondensator hat hierbei den Zweck, einen Transistor, der durch eine von dem Spannungsteiler angegriffene Spannung gesteuert wird und der beim Erreichen der Spannung bei vollgeladenem Akkumulator leitet, eine gewisse Zeit in diesem Zustand zu halten. In dem zuletzt genannten Zustand gibt der Transistor zwar ein Löschsignal an die Steuerelektroden der Thyristoren ab: aber jeder Thyristor kann erst dann gelöscht werden, wenn außer dem Vorhandensein eines Löschsignals auch gleichzeitig die pulsierende Gleichspannung der entsprechenden Phase des Drehstroms den Wert Null hat. Da die Thyristoren also bei Volladung des Akkumulators nicht sofort gelöscht werden, sondern jeweils noch für eine kurze Zeitdauer den Ladestrom durchlassen, besteht die Gefahr eines Überladens, das insbesondere bei Nickel-Kadmium-Akkumulatoren schädliche Folgen hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Laden eines Akkumulators mit einem im Ladestromkreis liegendem Längstransistor zu schaffen, die eine Beschädigung des Akkumulators durch Überladung vermeidet und eine Entladung des Akkumulators über einen diesem parallelgeschalteten und zu der Schaltungsanordnung gehörenden Spannungsteiler verhindert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Reihenschaltung aus Akkumulator und Diode ein Kondensator parallel lieg: und daß der dem Akkumulator parallelliegende Spannungsteiler gleichzeitig als Entladestromkreis für den Kondensator dient.

Eine solche Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß ein Überladen des Akkumulators ausgeschlossen ist und daß sich der Akkumulator bei gesperrtem Längstransistor nicht entladen kann.

Während sich also der Akkumulator niemals über die Schaltung bzw. den Spannungsteiler entladen kann, entlädt sich der dem aus ohmschen Widerständen bestehende Spannungsteiler parallelgeschaltete Kondensator dauernd über den Spannungsteiler. Solange

aber der Langstransistor durchgesteuert ist, wird der Kondensator immer gleich nachgeladen. Nur dann, wenn der Akkumulator voll aufgeladen vnd der Spannungsabfall an einem ohmschen Widerstand des Spannungsteilers einen bestimmten Mindestwert erreicht hau wird der Längstransistor gesperrt.

Der Kondensator kann sich dann über den Spannungsteiler so weit entladen, daß nach einer gewissen Zeit der Spannungsabfall an dem ohmschen Widerstand des Spannungsteilers einen bestimmten Tiefstwert unterschreitet und der Langstransistor wieder durchgesteuct wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zum Steuern des Langstransistors ein durch den Spannungsabfall an einem der ohmschen Widerstände gesteuerter Schwellwertschalter vorgesehen ist. dessen obere 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 Spannungsteiler aus den ohmschen Widerständen ein spannungsabhängiges Widerstandselement enthält, dessen Widerstandswert mi( zunehmender Spannung abnimmt.

Als spannungsabhängiges Widerstandselement der angegebenen Art eignet sich beispielsweise ein VDR-Widerstand, einein 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 Net/anschlußklemme der Schaltungsanordnung /um Laden eines Akkumulators 23. Mit 3 ist eine Brückengleichrichterschaltung 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 Glühlampe 8 und einer Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 9 sowie eine zweite Reihenschaltung aus einem Widerstand 10 und einer Zenerdiode 11. Das der Zenerdiode 11 abgewandte Ende des Widerstands 10 steht über einen Vorwiderstand 12 mit dem Emitter eines als .Schalttransistor arbeitenden Längstransistor 13 in Verbindung, zwischen dessen Basis und dem negativen Anschluß 5 der Brückengleichrichterschaltung 3 eine dritte Reihenschaltung aus dem Widerstand 14 und einem Transistor 15 liegt. Der Kollektor des Langstransistors 13 steht über einen Spannungsteiler aus einem Widerstand 16, einem Einstellwiderstand 17, einer in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode 18 und einem Widerstand 19 mit dem negativen Anschluß 5 der Brückengleichrichterschaltung 3 in Verbindung. Den Widerständen 16 und 17 ist ein Widerstand 20 mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) parallel geschaltet. Zwischen dem Kollektor des Längstransistors 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 Widersland 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 SchweiUvertsehalters 32. dessen Strcinversorgungsanschluß mit 33 und dessen Ausgang mit 34 bezeichnet ist. Der Ausgang 34 steht über einen Widerstand 35 mit der Basis des Transistors 9 ι ο 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 Blockschaltungssymbole gekennzeichnet, da der Aufbau 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. ;_!0

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-Kollektor-Strecke des Längstransistors 13 ein durch Gleichrichtung aus dem Netzwechselstrom erhaltener und mittels des Kondensators 7 geglätteter Gleichstrom /von z. B. 25 mA. Während ein Teil dieses ^o Gleichstroms /über die Diode 22 als Laidegleichstrom μ in den Akkumulator 23 fließt, lädt ein anderer Teil des Gleichstroms / als Ladegleichstrom ic den angenommenerweise vorher entladenen Kondensator 21 auf.

Ein weiterer Teil des Gleichstroms / fließt als -,^ Gleichstrom /« über die Reihenschaltung aus den Widerständen 16, 17, 20. die Zenerdiode 18 und den Widerstand 19. Der Gleichstrom i'r ist 2'.unächst klein, so daß der Spannungsabfall an dem Widerstand 19 kleiner ist als die obere Schwellspannung des ersten Schwellwertschalters 26.

1st der Akkumulator 23 so weit aufgeladen, daß seine Spannung den vorgeschriebenen Höchstwert von z. B. 14,8 Ibis 02 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 gleich großen Spannung am Kondensator 21 ein größerem Gleichstrom /« fließt Als Folge des größeren Gleichstroms /> fällt an dem Widerstand 19 eine Spannung solcher Größe ab, daß der obere Schwellspannungswert des ersten Schwellwertschalters 26 überschritten wird Der _S5 Schwellwertschalter 26 kippt dadurch in einen Zustand in welchem er an seinem Ausgang 27 ein, 2. B. logisch 0 entsprechendes Potential abgibt Dieses Potential bewirkt eine Sperrung des Transistors 15. so daB 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 Schwellwertschahers 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 daB ein Stromkreis für die Glühlampe 8 geschlossen wird. Das Aufleuchten der Glühlampe zeigi die Unterbrechung des Ladevorgangs an.

Bei gesperrtem Längst;ansistor 13 kann sich der Kondensator 211 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 so weit fortgeschritten, daß die Spannung an der Zenerdiode 18 den für das Fließen eines Zenerstroms erforderlichen Wert unterschreitet, so sperrt die Zenerdiode 18, und der Spannungsabfall an dem Widerstand 19 wird so klein, daß der untere Schwellspannungswert des Schwellwenschalters 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 J2 und den Transistor 9 den Stromkreis fürdie Glühlampe 8 einschaltet.

Das Wechselspiel zwischen dem öffnen und Schließen des 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 stattfindende 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 Schwellwenschalters 26 und der Zenerdiode 18, sondern auch die Temperaturabhängigkeit der Zellenspanmihg des Akkumulators kompeft< siert Durch die Kompensation wird erreicht, daß bei jeder Umgebungstemperatur der Akkumulator bis zti seiner vollen Kapazität aufgeladen wird indem dei Einsatepunkt des Abschalten des Ladestroms auto«* ösch geregelt wird Mit dem Einstellwiderstand 17 Sßi sich genau einstellen, bei welcher Kondensators]*«* nung bzw. Akkumulatorspannung der ZenerdurenbnKä> in der Zenerdiode 18 stattfinden solL Während <K Bauelemente der Schaltungsanordnung die in 30 Zeichnung ersichtlichen praktisch erprobten Wert? haben können, ist es vorteilhaft, als ersten und zWeftäi Schwellwertschalter 26,32 je einen Schmitt-Triggeira* verwenden und beide Schmitt-Trigger zu eine«

integrierten Baustein zu vereinigen. Nur bei der Verwendung von zwei NAND-Sehmiit-Triggern ist es erforderlich, je eine Umkehrstufe vorzusehen, die durch Transistoren 15 und 16 gebildet wird. Im Prinzip wiire es auch möglich, an Stelle der beiden NAND-Schmiu-Trigger 26, 32 nur einen NAND-Schmill-Trigger mit nachgeschalteter Umkehrstufe /u verwenden, die dann die Funktion des zweiten Schmitt-Triggers 32 übernähme. Die Reihenschaltung aus dem Widerstand 10 und der Zenerdiode 11 sorgt dafür, daß die zwischen dem Widerstand 10 und der Zcnerdiodc 11 abgegriffene Spannung von z.B. +5V die zum Betreiben des integrierten Bausleins erforderliche Konstanz hat.

Zum Begrenzen des Ladestroms dient, wie bereits angedeutet, der Vorwiderstand 12. der zusammen mit der Impedanz der Emi'.ter-Kollektor-Strecke des Längslransisiors 13 in der Reihe mit dem Ladestromweg liegt. Die Begrenzerwirkung läßt sieh noch

verbessern, wenn zwischen der Basis des Längstransistors 13 und dem Längstransistor abgewandten Anschluß des Vorwiderstands 12 eine Zenerdiode 36 geschaltet ist. die in bezug auf den Ladestrom in Sperrichtung geholt ist.

In der Schaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel enthält der Spannungsteiler außer den ohmsehen Widerständen 16, 17 und 19 eine Zenerdiode 18. Diese Zenerdiode kann gegebenenfalls durch einen Widerstand ersetzt werden. Um jedoch zu einem günstigen Hysierevcrhalten des Schwellwertschaliers 26 zu kommen, ist es zweckmäßig, ein Widcrstandselement zl verwenden, dessen Widerstandswert mit zunchmendci Spannung abnimmt. Das ist also beispielsweise eir VDR-Widerstand, eine in Durchlaßrichtung gepoltc Diode oder wie in dem Ausführungsbeispiel ein« Zenerdiode 118.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609632/

Claims (14)

1. Pateniansprüche:

   I. Schaltungsanordnung zum Laden fines AkKU-mulators, insbesondere eines Ni-Cd-Akkumulators. mi< einem im Ladestromweg liegenden Längstransistor. einer für den Ladestrom in Durchlaßrichtung gepolten und in Reihe zu dem Akkumulator liegenden Diode und einem parallel zu der Reihenschaltung von Akkumulator und Diode liegenden Spannungsteiler aus mindestens zwei ohmschen Widerständen, wobei die von der Größe der jeweiligen Akkumulatorspannung abhängige Spannung an einem der Widerstände des Spannungsteilers zum Steuern des Längsiransistors derart dient, daß der Längstransistor geöffnet ist. solange die Spannung an dem Akkumulator einen bestimmten Mindestwert unterschreitet, und daß der Längstransistor gesperrt wird, sobald die Spannung den Mindestwert überschreitet und wobei der Akkumulator nach dem Abschalten des Ladestroms einen Erhaltungsstrom erhalt, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus Akkumulator (23) und Diode (22) ein Kondensator (21) parallel liegt und daß der dem Akkumulator parallelliegende Spannungsteiler (16... 19) gleichzeitig als Entladestromkreis für den Kondensator dient.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch l.dadurc-i gekennzeichnet, daß zum Steuern des Längstransistors (13) ein durch den Spannungsabfall an einem (19) der ohmschen Widerstände (16, 17, 19) gesteuerter Schwellwertschalter (26) vorgesehen ist. dessen obere Schwellspannung dem bestimmten Mindestwert und dessen untere Sehwelkpannung einem bestimmten Tiefstwert des Spannungsabfalls entspricht.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (26) ein Schmitt-Trigger ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem dor Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus den ohmschen Widerständen (16, 17, 19) ein spannungsabhängiges Widerstandselement (18) enthält, dessen Widerstandswert mit zunehmender Spannung abnimmt.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsabhängige Widerstandselement eine Zenerdiode (18) ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (26) ein NAND-Schmitt-Trigger ist, dessen Ausgang (27) mit der Basis eines als Umkehrstufe arbeitenden Transistors (15) verbunden ist, und daß die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors (15) in der Basiszuleitung des Längstransistors (13) liegt.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 4 und 5. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem Teil der Widerstände des Spannungsteilers ein Widerstand (20) mit negativem Temperaturkoeffizienten parallel geschaltet ist.
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche I bis 7, gekennzeichnet durch ein Anzeigeelement, das den Leit- oder Sperrzustand des Längstransistors (13) anzeigt.
9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeelement eine Glühlampe (8) ist.
10. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9. dadurch gekcnn/eichnet. daß ein durch die Ausgangsspannung des Schwellwertschalters (26) steuerbarer zweiter Schwellwertschalter (32) vorgesehen ist, der ausgangsseitig mit der Basis eines zweiten Transistors (9) verbunden ist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke im Siromweg der Glühlampe (8) liegt.
11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwellwertschalter (32) ein NAND-Schmht-Triggerist.
12. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, daß die NAND-Schniiit-Trigger (26, 32) zu einem integrierten Baustein vereinigt sind.
13. 13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen weiteren Spannungsteiler, bestehend aus mindestens einem Widerstand (10) und einer in Sperrichtung betriebenen Zenerdiode (11), wobei die Spannung über der Zenerdiode als stabilisierte Speisespannung für mindestens einen der Schwellwertschalter (26, 32) dient.
14. 14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zum Begrenzen des Ladestroms vor den Längstransistor (13) ein Vorwiderstand (12) und zwischen der Basis des Längstransistors (13) und dem Längstransistor rbgewandten Anschluß des Vorwiderstandes eine Zenerdiode (36) geschaltet ist.