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Anlage zur Patent anmeldung Ladegerät für Akkumulatoren Die Erfindung
betrifft ein Ladegerät für Akkumulatoren, insbesondere für nachzuladende Batterien,
mit einem primärseitig an eine Wechselspannungsquelle anzuschließenden Ladetransformator,
der sekundärseitig über einen Ladegleichrichter mittels Batterie-Anschlußklemmen
an einen aufzuladenden Akkumulator anzuschließen ist und der eine Ladekontrolleinrichtung
aufeist, wobei zwischen dem Ladegleichrichter und dem Batterie-Anschluß ein den
Ladestrom beeinflussendes Stellglied liegt, auf das ein als Sollwertgeber dienender
Spannungssensor einazirkt, dem die Spannung an den Batterie-Anschlußklemmen zugeführt
ist.
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Derartige, als Heimlader bekannte Batterieladegeräte haben den Zweck,
ganz oder teilweise entladene Akkumulatoren von Kraftfahrzeugen wieder aufzuladen.
Dies ist insbesondere in der kalten Jahreszeit notwendig, wenn bei Kurzstreckenfahrten
während der Dunkelheit die Fahrzeugbatterie wegen des großen Energiebedarfs der
elektrischen Verbraucher am Fahrzeug durch die Lichtmaschine des Fahrzeuges nicht
mehr ausreichend aufgeladen werden kann.
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Eine erneute Aufladung ist ferner erforderlich, wenn der Akkumulator
bei längerer Stillegung des Fahrzeuges durch die sogenannte Selbstentladung geschwächt
ist. Ferner werden Batterieladegeräte bei elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen
benötigt, indem ein als Energiespeicher dienender Akkumulator in regelmäßigen Abständen
erneut aufgeladen werden muß.
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Bei bekannten Batterieladegeräten fließt ein Ladestrom bei eingeschaltetem
Ladegerät und angeschlossenem Akkumulator auch dann, wenn dieser voll aufgeladen
ist. Er wird dabei überladen und gast, wobei in seinen Zellen in erheblichem Umfang
Wasser zersetzt wird. Das Wasser muß nach dem Abschalten des Ladegerätes nachgefüllt
werden. Außerdem kann-das Ladegerät auch infolge von Fehlbedienungen, z.B. durch
einen verpolten Anschluß des Akkumulators überlastet und der Akkumulator weiter
entladen werden, was unter Umständen zum -Ausfall des Gerätes sowie zur Zerstörung
des Akkumulators führt.
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Solche Geräte sind daher insbesondere zum Aufladen wartungsfreier
Akkumulatoren ungeeignet, da diese vollkommen verschlossen sind und daher beim Aufladen
sowie bei einem verpolten Anschluß an das Ladegerät keine größeren Gasmengen entwickeln
dürfen.
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Hinzu kommt ferner, daß die Zuleitungen zwischen den Klemmen des Akkumulators
und den Anschlußklemmen des Ladegerätes einen Widerstand darstellen, an dem der
Ladestrom ebenso wie am Innenwiderstand des Akkumulators einen Spannungsabfall erzeugt,
durch den die Spannung an den Anschlußklemmen
des Ladegerätes höher
ist als die tatsächliche Spannung des Akkumulators. Dies täuscht am Spannungssensor
des eingangs beschriebenen Ladegerätes eine höhere Ladespannung am Akkumulator vor,
wodurch der Ladestrom frühzeitig reduziert wird. Dadurch wird wiederum die Ladezeit
des Akkumulators in unenlUnschter Weise verlängert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkung des Spannungsabfalls
auf den Anschlußleitungen des Ladegerätes in der Weise auszugleichen, daß einerseits
die Ladezeit verkürzt, aber andererseits eine Wasserzersetzung im Akkumulator durch
eine überladung vermieden wird.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß dem Spannungssensor
außer der Spannung an den Batterie-Anschliißklemmen noch eine an einer Lade-Kontrolleinrichtung
abgegriffene Ladestromkopplung zugeführt ist, deren Schaltkreis einen Widerstand
und eine dazu in Reihe liegende Diode aufweist.
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Die Größe eines auf das Stellglied dieses Lade gerätes einwirkenden
Steuersignals des Spannungssensors wird daher durch die dem Spannungssensor zugeführte
Spannung an den Batterie-Anschlußklemmen sowie durch die Ladestrom-Kopplung geprägt.
In vorteilhafter Weise ist dabei dem Spannungssensor ein Verpolungssensor vorgeschaltet.
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Einzelheiten der Erfindung sind an einem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen
Ladegerätes, Fig. 2 den genauen Schaltungsaufbau des Ladegerätes und Fig. 3 zeigt
eine Kennlinie für die Beziehung zwischen Ladespannung und Ladestrom im gesamten
Lade- und Verpolungsbereich.
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Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild des Ladegerätes hat einen
Wechselstromanschluß 10, an dem ein Wandler 11 angeschlossen ist. Sein Ausgang 12
führt einen nicht geglätteten Gleichstrom. Er ist mit einem elektronischen Stellglied
13 zur Beeinflussung des Ladestromes verbunden.
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Sein Ausgang 14 ist unmittelbar zum Batterieanschluß 15 geführt. Der
daran angeschlossene, aufzuladende Akkumulator 16 ist in Fig. 1 gestrichelt angedeutet.
Der Batterieanschluß 15 und damit die Ladespannung Ua des Akkumulators 16 ist über
eine Verbindung 17 einem Verpolungssensor 18 zugeführt.
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Dieser besteht - wie in Fig. 2 näher erläutert - aus zwei antiparallelgeschalteten
Dioden und seine beiden Ausgänge 19 und 20 sind einem Spannungssensor 21 zugeführt.
Am Ausgang 22 des Spannungssensors 21 tritt eine Steuerspannung Ux auf, die dem
Stellglied 13 zugeführt wird. Diese Steuerspannung ist eine Funktion der Ladespannung
Ua am Batterieanschluß 15. Der Spannungssensor 21 wird ebenso wie eine Lade-Kontrolleinrichtung
23 von der Gleichspannung am Ausgang 12 des Wandlers 11 versorgt. Die Lade-Kontrolleinrichtung
23 wird vom Stellglied 13 über eine Verbindung 24 angesteuert.
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An ihr ist ein als Ladestrom-Kopplung auf den Spannungssensor 21 einwirkender
Schaltkreis 80 abgegriffen. In diesem Blockschaltbild bilden der Spannungssensor
21 und der ihm vorge schaltete Verpolungssensor 18 einen Sollwertgeber 25, durch
den der Ladestrom Ia vom Stellglied 13 stufenlos einstellbar ist.
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In Fig. 2 ist der genaue Schaltungsaufbau des Ladegerätes dargestellt.
Der Wechselstromanschluß 10 liegt über ein Sicherungselement 30 an der Primärwicklung
31 a eines Ladetransformators 31, dessen Sekundärwicklung 31b mit dem Wechselstromanschluß
32a eines Ladegleichrichters 32 verbunden ist. Der Ladetransformator 31 bildet zusammen
mit einem in einer Brückenschaltung aufgebauten Ladegleichrichter 32 den Wandler
11 aus Fig. 1. Die Gleichstromausgänge 32b und 32c des Wandlers 11 sind über zwei
Versorgungsleitungen 34 und 35 jeweils mit der Lade-Kontrolleinrichtung 23 und dem
Spannungssensor 2-1 verbunden. Der negative Ausgang 32c
des Ladegleichrichters
32 ist ferner über die VeSsorgungsleitung 35 mit dem Eingang des Stellgliedes 13
verbunden, das aus einer Darlington-Transistoreinheit besteht. Die Verbindungsleitung
35 ist dabei über einen niederohmigen Widerstand 37 mit dem Emitter des Darlington-Haupttransistor
38 verbunden. Der gemeinsame Kollektoranschluß des Vortransistors 39 und des Haupttransistors
38 der Darlington-Transistoreinheit 36 ist mit dem Minuspol 40 der Batterie-Anschlußklemmen
verbunden. Über eine Leitung 41 wird das Steuersignal Ux des Spannungssensors 21
der Basis des Darlingston-Vortransistors 39 zugeführt. Der Emitter des Vortransistors
39 ist unmittelbar mit der Basis des Haupttransistors 38 und über einen Widerstand
42 mit dem Emitter des Haupttransistors 38 verbunden. Die Basis des Darlington-Vortransistors
39 ist ferner über einen Stabilisierungs-Kondensator 43 mit seinem Kollektoranschluß
verbunden.
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Der Spannungssensor 21 ist mit einem Stromkreis für das Ausgangs-Steuersignal
versehen, der über die Versorgungsleitungen 34 und 35 am Ausgang des Ladegleichrichters
32 liegt und der aus einem Widerstand 44, der Kollektor-Emitterstrecke eines ersten
Steuertransistors 45 und einem weiteren Widerstand 46 gebildet ist. Die Steuerstrecke-dieses
Steuertransistors 45 ist über den Verpolungssensor 18 mit dem Minuspol 40 der Batterie-AnschluRuß
klemmen verbunden. Der Verpolungssensor 18 besteht aus zwei antiparallel geschalteten
Dioden 47 und 48, die einerseits gemeinsam mit dem Minuspol 40 der Batterie-Anschlußklemmen
und andererseits über jeweils einen Widerstand 49 und 50 mit der Basis des ersten
Steuertransistors 45 verbunden sind. Die anodenseitig mit der Basis des Steuertransistors
45 gekoppelte Diode 47 des Verpolungssensors 18 ist über einen weiteren Widerstand
51 mit der am negativen Ausgang 32c des Ladegleichrichters 32 angeschlossenen Versorgungsleitung
35 verbunden. Die kathodenseitig mit der Basis des Steuertransistors 45 gekoppelte
Diode 48 ist über einen-weiteren Widerstand 52 mit der am positiven Ausgang 32b
des Ladegleichrichters 32 angeschlossenen Versorgungsleitung
34
verbunden. Der erste Steuertransistor' 45 ist mit einem zweiten Steuertransistor
53 zu einem Differenzverstärker 54 mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand 44 vereinigt.
Dabei liegt der zweite Steuertransistor 53 mit seiner Basis über einen Widerstand
55 an dem gemeinsamen.Emitteranschluß des Differenzverstärkers 54. Die Basis des
zweiten Steuertransistors 53 ist ferner über eine in Sperrichtung liegende Zenerdiode
56 mit der Anode der einen Diode 47 des Verpolungssensors 18 verbunden, die über
den Widerstand 51 und der Versorgungsleitung 35 mit dem negativen Anschluß 32c des
Ladegleichrichters 32 in Verbindung steht. über die Leitung 41 ist die Steuerspannung
Ux für das Stellglied 13 an dem zweiten im Steuerstromkreis des Spannungssensors
21 liegenden Widerstand 46 abgegriffen.
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Der positive Ausgang 32b des Ladegleichrichters 32.ist über die Versorgungsleitung
34 unmittelbar mit dem Pluspol 60 der Batterie-Anschlußklemme verbunden. Der Akkumulator
16 und die Anschlußleitung 57 und 58 des Ladegerätes sind gestrichelt angedeutet.
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Die Lade-Kontrolleinrichtung 23 ist mit einer Ladelampe 61 versehen,
die mit der Schaltstrecke eines Schalttransistors 62 in Reihe geschaltet ist. Die
Steuerstrecke des Schalttransistors 62 ist über einen Schwellwertschalter 63 zu
beeeinflussen. Die Basis des Schalttransistors 62 ist dabei einerseits über einen
Widerstand 64 mit dem positiven Ausgang 32b des Ladegleichrichters 32 verbunden.
Sie ist andererseits über einen weiteren Widerstand 65, über die Schaltstrecke des
Schwellwertschalters 63 und über einen Schwellwertwiderstand 66 mit dem negativen
Ausgang 32c des Ladegleichrichters 32 verbunden. Der Schwellwertschalter 63 ist
aus zwei komplemtären Transistoren 67 und 68 aufgebaut.
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Der erste Transistor 67 ist mit seiner Schaltstrecke über den Widerstand
65 an die Basis des Schalttransistors 62 gekoppelt. Zur Steuerstrecke des ersten
Transistors 67 ist die Schaltstrecke des zweiten Transistors 68 parallelgeschaltet.
Die Steuerstrecke des ersten Transistors 67 und die dazu parallel liegende Schaltstrecke
des zweiten Transistors 68 sind einerseits mit ihrer Basis-Emitter-Verbindung über
einen Widerstand 69 an die Versorgungsleitung 34 des positiven Ladeausgangs 32b
angeschlossen. Andererseits sind sie über ihre Emitter-Kollektor-Verbindung über
den Schwellwertwiderstand 65 mit der Versrorgungsleitung 35 des negativen Ausgangs
32c des Ladegleichrichters 32 verbunden.
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Der Basis des zweiten Transistors 68 wird über eine Steuerleitung
70 das an dem Stellglied 13 abgegriffene Ladesignal zugeführt. Das Ladesignal wird
dabei in Form einer Signalspannung an dem Widerstand 42 abgegriffen, der parallel
zur Steuerstrecke des Darlington-Haupttransistors 38. des Stellgliedes 13 geschaltet
ist.
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Eine Ladestrom-Kopplung des Spannungssensors 21 erfolgt über einen
Schaltkreis 80, der einen Widerstand 81 und eine dazu in Reihe liegende Diode 82
aufweist. Dieser Schaltkreis 80 ist einerseits am Basisstromkreis des ersten Steuertransistors
45 des Spannungssensors 21 sowie andererseits am Steuerstromkreis des Schalttransistors
62 für die Ladelampe 61 der Lade-Kontrolleinrichtung 23 angeschlossen. Am Spannungssensor
21 liegt dabei der Anodenanschluß der Diode 82 mit dem Widerstand 52 in Reihe, welcher
über den Widerstand 49 mit der Basis des ersten Steuertransistors 45 verbunden ist.
Auf der anderen Seite liegt der Schaltkreis 80 mit seinem Widerstand 81 em Kollektoranschluß
des Transistors 67, der zusammen mit dem Transistor 68 den Schwellwertschalter 63
bildet. Dieser Kollektoranschluß des Transistors 67 ist über den Widerstand 65 mit
der Basis des Schaltotransistors 62 für die Ladelampe 61 verbunden.
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Die Wirkungsweise des Ladegerätes wird anhand der in Fig. 3 dargestellten
Kennlinie über den funktionellen Zusammenhang
zwischen der Ladespannung.Ua
und dem Ladestrom Ia erläutert.
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Zu diesem Zecke sind ferner wichtige Punkte in der Schaltung nach
Fig 2 mit großen Buchstaben versehen. Der Punkt A liegt auf der zum Pluspol 60 führenden
Versorgungsleitung 34. Der Punkt B liegt zwischen den zwei von A zur Basis des ersten
Steuertransistors 45 liegenden Widerständen 49 und 52. Der Punkt C liegt an der
Basis des ersten Steuertransistors 45 und der Punkt D liegt zwischen den zwei von
C aus zur anderen Vers orgungs leitung 35 führenden Widerständen 50 und 51. Der
Punkt E liegt auf der am negativen Ausgang 32 c des Ladegleichrichters 32 angeschlossenen
Versrogungsleitung 35. Der Punkt F liegt am Minuspol 40 und der Punkt G am gemeinsamen
Emitteranschluß des Differenzverstärkers 54. Der Punkt H liegt an der Basis des
Darlington-Haupttransistors 38 des Stellgliedes 13 der Punkt J liegt schließlich
in der Lade-Kontrolieinrichtung 23 an der Basis des ersten Transistors 67 und der
Punkt K an dem Emitteranschluß dieses Transistors des Schwellwertschalters 63 während
der Punkt L an seinem Kollektoranschluß liegt.
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Ist das Ladegerät mit seinem Wechselstromanschluß 10 an eine 220-Volt-Wechselspannung
angeschlossen, so gibt es am Ausgang seines Wandlers 11 eine ungeglättete Gleichspannung
von 22V ab. Zunächst soll nun die Funktion des Ladegerätes beschrieben werden, die
bei einer Ladespannung Ua von 0 Volt - d.h. bei einem Kurzschluß der Anschlußklemmen
40 und 60 -vorliegt. Es entspricht dieses der Spannung Ua 0 an der in Fig. 3 dargestellten
Kennlinie.
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Die Wirkung des Schaltkreises 80 für die Ladestrom-Kopplung soll zunächst
noch nicht berücksichtigt werden, da sie anschließend erläutert wird.
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Unter dieser Voraussetzung hat der Spannungssensor 21 zwei Strompfade.
Der erste Strompfad geht von Punkt A aus über die Widerstände 52, 49, 50 und 51
zur Punkt E und der zweite Strompfad geht vom Punkt A über die Widerstände 44 und
55, über die Zenerdiode 56 und den Widerstand 51 zum Punkt E. Da bei.
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einem angenommenen Kurzschluß die Anschlußklemme 40 und 60
miteinander
verbunden sind, liegt die Diode 48 des Verpolungssensors 18 nunmehr parallel zum
Widerstand 52.
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Durch eine entsprechende Dimensionierung der Widerstände 49, 50 und
51 des ersten Strompfades ist nunmehr dle Spannung im Punkt C an der Basis des ersten
Steuertransistors 45 so weit angehoben, daß dieser weitgehend gesperrt ist. Außerdem
ist in diesem Schaltungszustand durch eine entsprechende Dimensionierung der Zenerdiode
56 deren Zenerspannung noch nicht erreicht, so daß über den vorerwähnten zweiten
Strompfad noch kein Strom fließen kann. Damit ist auch der zweite Steuertransistor
53 des Differenzverstärkers 54 gesperrt.
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Da der erste Steuertransistor 45 praktisch gesperrt ist, fließt auch
kein Strom vom Punkt A über den Widerstand 44, die Schaltstrecke des Steuertransistors
45 und den Widerstand 46 zum Punkt E. Am Widerstand 46 tritt folglich keine Steuerspannung
Ux auf, und das Stellglied 13 wird folglich noch nicht angesteuert. An der Basis
des Vortransistors 39 liegt folglich über den Widerstand 46 das Potential des Punktes
, so daß der Vortransistor 39 und mit ihm der Haupttransistor 38 der Darlington-Transistoreinheit
36. gesperrt sind.
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Es fließt daher pralçtisch kein Ladestrom Ia über die Anschlußklemme
40 und 60. Die Diode 47 des Verpolungssensors 18 ist ebenfalls gesperrt, da der
Punkt D potentioalmäßig gegenüber dem Punkt F bzw. dem Punkt A der Schaltung negativ
ist.
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Ist der aufzuladene Akkumulator 16 nicht restlos entladen, so wird
bereits bei einer'Ladespannung Ua von 0,5 bis 1,5 Volt der Punkt F gegenüber dem
Punkt A negativ. Die Spannung in Punkt C wird dadurch ebenallfs negativer und der
erste Steuertransistor 45 wird nunmehr mit steigender Ladespannung Ua mehr und mehr
geöffnet. Es fließt nun ein Strom über den Widerstand 46 und über die Leitung 41
gelangt nunmehr eine Steuerspannung Ux auf die Basis des Vortransistors 39 des Stellgliedes
13. Dieser wird zunehmend leitend und schaltet nunmehr den Haupttransistor 38 ebenfalls
zunehmend in den stromleitenden Zustand. Es beginnt daher über den Pluspol 60 des
Ladegerätes, die Batterie 16, den Minuspol 40 und
über die Schaltstrecke
des Haupttransistors 38 ein Ladestrom Ia zu fließen, der annähernd.proportional
zur Lade spannung Ua ansteigt.
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Beim Erreichen der Ladespannung Ual von etwa 1,5 Volt ist der Punkt
F gegenüber dem Punkt A der Schaltung so weit negativ geworden, daß der Spannungsabfall
am Widerstand 52 kleiner als die Ladespannung ist. Die Diode 48 ist damit gesperrt.
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Die Spannung an den Punkten B, C und D ist nunmehr durch den Strompfad
über die Widerstände 52, 49, 50 und 51 festgelegt.
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Bei weiter ansteigender Ladespannung Ua wird daher die Spannung am
Punkt C und damit an der Basis des ersten Steuertransistors 45 nicht mehr beeinflußt,
so daß in diesem Bereich über die Schaltstrecke dieses Steuertransistors 45 ein
konstanter Strom fließt, der am Widerstand 46 eine konstante Steuerspannung Ux erzeugt,
welche über die Leitung 41 dem Stellglied zugeführt ist. De-r Vortransistor 39 und
folglich auch der Haupttransistor 38 ist dadurch so angesteuert, daß über die Schaltstrecke
des Stellgliedes 13 nunmehr ein konstanter, von der weiter ansteigenden Ladespannung
Ua unabhängiger Ladestrom Ia durch den Akkumulator 15 fließen kann. Dieser Bereich
der in Fig. 3 dargestellten Ladekennlinie wird benötigt bei tiefentladenen Akkumulatoren.
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Erreicht die Ladespannung einen Wert Ua2 von etwa 6 Volt, dann wird
der Punkt F auch gegenüber dem Punkt D der Schaltung negativ. Die Diode 47 des Verpolungssensors
18 wird nunmehr leitend. Dadurch gelangt die Spannung am Punkt F auf den Punkt D
und zieht über den Widerstand 50 den Punkt C mit.
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Im Punkt D tritt nunmehr eine Stromverteilung auf, indem auch über
die Diode 47 ein Strom über die Schaltstrecke des Stellgliedes 13 zum Punkten fließt.
Durch diesen Vorgang wird nunmehr der Steuertransistor 45 mit weiter ansteigender
Ladespannung Ua noch mehr geöffnet. Er hat durch seinen Emitter-Widerstand 44 eine
Strom-Gegenkopplung, so daß der über seine Schaltstrecke fließende Strom nahezu
proportional zur Ladespannung Ua ansteigt. Dementsprehcend steigt nunmehr auch
die-Steuerspannung
Ux am Kollektorwiderstand 46 des Steuertransistors 45 proportional zur Ladespannung
Ua an.
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Die Darlington-Transistoreinheit 36 wird dadurch ebenfalls weiter
geöffnet und uer die Schaltstrecke des Stellgliedes 13 fließt nunmehr ein Ladestrom
Ia, der annähernd proportional zur Ladespannung Ua zunimmt, bis diese den Wert Ua3
von etwa 8,5 Volt erreicht.
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Bei der Ladespannung Ua3 von etwa 8,5 Volt fließt bereits ein Ladestrom
in von ca 1 A. Dies entspricht dem Anfangsladestrom des Ladegerätes beim Anschluß
eines nur teilweise entladenen Akkumulators 16. Am Gleichstromausgang des Wandlers
11 tritt eine pulsierende Gleichspannung auf. Durch sie kehrt sich folglich das
Potential zwischen den Punkten E und F der Schaltung ebenfalls periodisch um. Dadurch
wird der Ladestrom in der Schaltstrecke des Stellgliedes 13 periodisch mit zunehmender
Ladespannung länger unterbrochen. ,Die mittlere Stromstärke des Ladestromes steigt
daher nicht mehr proportional zur Ladespannung an. Die Ladekennlinie in Fig. 3 macht
daher von der Ladespannung Ua3 an aufwärts einen Knick.
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Da mit weiter ansteigender Ladespannnung die pulsierende Gleichspannung
am Ausgang des Wandlers 11 noch in kürzer werdenden Zeitabsehnitten die Ladespannung
Ua übersteigt, geht auch der niittelere Ladestrom Ia mit weiter ansteigender Ladespannung
Ua nunmehr zurück.
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Mit der Ladespannung' Ua4 von etwa 13 Volt wird nunmehr ein Zustand
erreicht, bei dem die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten D und G der Schaltung
die Zenerspannung der Zenerdiode 56 erreicht. Diese wird nun leitend und es fließt
ein Strom Über den zweiten Strompfad mit den Widerständen 44,, 55 der Zenderdiode
56 und dem Widerstand 51. Das Potential an der Basis des zweiten Steuertransistors
53 wird nunmehr gegenüber dem Punkt G negativ und der Steuertransistor 53 wird nunmehr
leitend. über seine Schaltstrecke fließt jetzt ein zusätzlicher Strom vom Punkt
A zum Punkt E der Schaltung. Dadurch verstärkt sich der Spannungsabfall am
Widerstand
44 und der Punkt G wird negativer, so daß der Steuertransistor 45 bei weiter ansteigender
Ladespannung Ua mehr und mehr gesperrt wird. Dies ist auf die Wirkung des Differenzverstärkers
54 zurückzuführen, indem die Basis des Steuertransistors 53 über die Zenerdiode
56 und die Diode 47 des Verpolungssensors 18 unmittelbar mit der Ladespannung am
Punkt F der Schaltung gekoppelt ist und folglich den Steuertransistor 53 mit zunehmender
Ladespannung öffnet. Der bisher über die Schaltstrecke des Steuertransistors 45
fließende Strom wird nunmehr verstärkt über die Schaltstrecke des zweiten Steuertransistors
53 geleitet. Die Steuerspannung Ux am Kollektorwiderstand 46 des Steuertransistors
45 wird dadurch geringer und über die Leitung 41 wird der Vortransistor 39 und mit
ihm der Haupttransistor 38 der Darlington-Transistoreinheit 36 zunehmend in den
Sperrbereich gesteuert. Der Ladestrom Ia wird dadurch mit ansteigender Ladespannung
Ua stark verringert.
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Bei einer Ladespannung Ua5 von etwa 13,7 Volt ist der erste Steuertransistor
45 nahezu vollständig gesperrt. Die Steuerspannung Ux am Widerstand 46 ist daher
nahezu 0 Volt. Das Stellglied 13 wird kaum angesteuert und die Schaltstrecke des
Haupttransistors 38 ist folglich weitgehend gesperrt.
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Der Akkumulator 16 ist nun vollständig aufgeladen. Es fließt kein
Ladestrom, so daß eine Wasserzersetzung in der Batterienicht möglich ist. Das Ladegerät
eignet sich daher insbessondere zum Aufladen wartungsfreier Akkumulatoren.
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Bei einem verpolten Anschluß des Akkumulators wird das Potential am
Minuspol 40 der Schaltung positiv gegenüber dem Potential am Pluspol 60. Der Punkt
F der Schaltung ist daher positiv gegenüber dem Punkt A und die Diode 48 des Verpolungssensors
18 wird daher leitend. Es fließt nun ein Strom über die Diode 48, und über einen
Strompfad mit den Widerständen 49, 50 und 51 zum Punkt E und von dort über die Versorgungsleitung
35, den Ladegleichrichter 32 und die Vers orgungs leitung 34 zurück zum Akkumulator
16. Ein weiterer Strompfad wird durch
den Widerstand 52 zwischen
den Punkten A und B der Schaltung gebildet. Durch diesen Strom wird der Punkt B
gegenüber dem Punkt A positiv und auch der Punkt C wird gegenüber dem Punkt G angehoben.
Der Steuertransistor 45 ist daher bei einem verpolten ansgeschlossenen Akkumulator
im gesamten Spannungsbereich vollständig gesperrt. Am Widerstand 46 tritt somit
auch keine Steuerspannung Ux auf, so daß auch das Stellglied 13 vollkommen gesperrt
bleibt.
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Der in Fig. 3 dargestellte Entladestrom bei einem verpolt angeschlossenen
Akkumulator ist der über die Diode 48 des Verpolungssensor 18 fließende Strom. Er
nimmt zwar in Abhängigkeit von der Spannung des verpolt angeschlossenen Alckumulators
zu, ist jedoch durch geeignete Dimensionierung der Widersände 49, 50, 51 und 52
auf maximal etwa 20 mA beschränkt. Dieser geringe Entladestrom belastet den verpolt
angeschlossenen Akkumulator praktisch überhaupt nicht.
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Zur Vermeidung von Bedienungsfehlern am Ladegerät ist dieses mit der
Lade-Kontrolleinrichtung; 23 ausgerüstet. Die Ladelampe 61 wird nur dann eingeschaltet,
wenn der am Ladegerät angeschlossene Akkumulator 16 tatsächlich von einem Ladestrom
Ia aufgeladen wird. Sie wird von einer Signalspannung Us geschaltet, die über die
Steuerleitung 70 an dem'hochohmigen Widerstand 42 des Stellgliedes 13 abgegriffen
wird. Zu diesem Zweck muß die Signalspannung Us bereits dann die Ladelampe 61 einschalten,
wenn an der Steuerstrecke des Haupttransistors 38 des Stellgliedes 13 die Shwellspannung
erreicht wird; d.h. wenn über die Schaltstrecke des Haupttransistors 38 ein Ladestrom
Ia zu fließen beginnt. Dies wird mit dem Schwellwertschalter 63 erreicht, der den
Schalttransistor 62 für die Ladelampe 61 ansteuert.
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Bei gesperrtem Stellglied 13 des Ladegerätes ist der Transistor 68
des Schwellwertschalters 63 stromleitend, da er mit seinem Emitter über den Widerstand
69 am positiven Ausgang 32b des Ladegleichrichters 32 liegt und mit seiner Basis
über die Steuerleitung 70, und die Widerstände 42 und 37 des Stellgliedes 13 über
die Versorgungsleitung 35 mit dem negativen Ausgang 32c des Ladegleichrichters 32
verbunden ist. Es fließt nunmehr
ein Strom vom Punkt A über den
Widerstand 69, über die Schaltstrecke dieses Transistors 68 und über den Widerstand
66 zum Punkt E der Schaltung. Die Potentialdifferenz zwischen den Punkten J und
K des Schwellwertschalters 63 ist durch die leitende Schaltstrecke des Transistors
68 festgeletgt. Sie ist so gering, daß der Transistor 67 gesperrt ist. Damit ist
auch der Schalttransistor 62 gesperrt und die Ladelampe 61 ist ausge -schaltet.
Der Basisstrom des Transistors 68 ist dabei so gering, daß der am Widerstand 42
des Stellgliedes auftretende Spannungsabfall zu gering ist, um den Hautpttransistor
38 anzusteuern.
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Sobald nun das Stellglied 13 über die Leitung 41 vom Spannungssensor
21 angesteuert wird, und ein Ladestrom Ia zu fließen beginnt, wird das Potential
im Punkt H des Stellgliedes 13 angehoben und die zunehmende Signalspannung Us auf
der Steuerleitung 70 erreicht den Wert der Scawellspannun, im Punkt K, die am Schwellwertwiderstand
66 abfällt. Der Transistor 68 beginnt zu sperren. Dadurch wird die Spannung zwischen
den Punkten J und K größer und der Transistor 67 wird geöffnet.
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Es fließt nun über die Widerstände 64, 65 und der Schaltstrecke des
Transistors 67 sowie dem Widerstand 66 ein weiterer Strom vom Punkt A zum Punkt
E der Schaltung. Das Potential an der Basis des Schaltttransistors 62 wird daher
negativ und seine -Emitter-Kollektorstrecke wird leitend. Damit wird bei beginnendem
Ladestrom die Ladelampe 61 eingeschaltet.
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Nach beendeter Ladung des Akkumulators 16 geht der Ladestrom Ia auf
Null zurück, indem der Vortransistor 39 und der Haupttransistor 38 des Stellgliedes
13 - wir zuvor beschrieben - vom Spannungssensor 21 gesperrt wird. -Die Signalspannung
Us auf der Leitung 70 unterschreitet nunmehr die Schwellwertspannung am Schwellwertwiderstand
66. Da am Schwellwertschalter 63 der Emitter des Transistors 68 über die Steuerstrecke
des Transistors 67 potentialmäßig geringfügig über der Schwellwertspannung im Punkt
K liegt, wird nunmehr der- Transistor 68 erneut leitend.
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Die Spannung zwischen den Punkten J und K der Schaltung verringert
sich und der Transistor 67 gelangt erneut in den Sperrbereich.
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Der Strom über die Widerstände 64 und 65 wird dadurch unterbrochen
und
die Basis des Schalttransistors 62 potentialmäßig erneut angehoben, so daß dieser
Transistor ebenfalls sperrt und die Ladelampe ol ausschaltet. Die Ladelampe 61 zeigt
daher durch Verlöschen an, daß der Ladevorgang beendet ist.
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Bei einem verpolt angeschlossenen Akkumulator bleibt die Ladelampe
61 ebenfalls ausgeschaltet, da das Stellglied 13 - wie zuvor erläutert - gesperrt
ist und somit keine Signalspannung Us über die Leitung 70 zur Lade-Kontrolleinrichtung
23 gelangt. Der Transistor 68 bleibt daher leitend, und die ransistoren 67 und 62
bleiben gesperrt.
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Da der adestrom an den mit den Anschlußklemmen 40 und 60 verbundenen
Anschlußleitungen 57 und 58 des Ladegerätes einen Spannungsabfall erzeugt, wird
dem Spannungssensor 21 an den Klemmen 40 und 60 eine höhere Akkumulatorspannung
Ua vorgetäuscht, als die am Akkumulator tatsächlich vorhandene Spannung. Dadurch
wird die am Ausgang des Spannungssensors 21 abgegriffene Steuerspannung Ux und folglich
auch der durch sie am Stellglied 13 eingestellte Ladestrom geringer als dies nach
der in Fig. 3 dargestellten Ladekurve der Fall sein sollte. Die Ladezeit würde durch
diese Wirkung unnötig verlängert. Die Ladestrom-Kopplung der in Fig. 2 gezeigten
Schaltung hat den Zweck, beim Fließen eines Ladestromes Ia den Spannungssensor 21
dahingehend zu beeinflussen, daß die an seinem Ausgang abgegriffene Steuerspannung
Ux soweit angehoben wird, daß die zuvorbeschriebene Wirkung der Spannung' verringerung
am Ausgang des Spannungssensors 21 kompensiert wird.
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Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Schwellwertschalter 63 der
Lade-Kontrolleinrichtung 23 - wie zuvor beschrieben -beim Fließen eines Ladestromes
Ia stromleitend wird, wodurch das Potential im Punkt -L der Schaltung gegenüber
dem Punkt B am Spannungssensor. 21. negativ wird. Dadurch wird die Diode 82 des
Schaltkreises 80 stromleitend und die Ladestrom-Kopplung wird wirksam, indem ein
zusätzlicher Strom über den AJiderstand
52 des Spannungssensors
und von dort über die Diode 82, den Widerstand 81, über die Verbindung 80 sowie
über die Schaltstrecke des stromleitenden Transistors 67 und den Schwellwertwiderstand
66 fließt. Durch diesen Strom wird der Spannungabfall am Widerstand 52 im Spannungssensor
21 erhöht so daß das Potential am Punkt B der Schaltung und folglich auch im Punkt
C und D zum Bezugspunkt E hin abfällt. Eine Potentialabsenkung im Punkt C hat jedoch
zur Folge, daß der erste Steuertransistor 45 des Spannungssensors 21 etwas mehr
in den stromleitenden Bereich gesteuert wird, so daß über seine Schaltstrecke ein
größerer Strom fließen kann, welcher am Kollektorwiderstand 116 eine entsprechend
höhere Steuerspannung Ux für das Stellglied 13 erzeugt. Das Stellglied 13 wird dadurch
stärker geöffnet und der Ladestrom Ia wird etwas erhöht. Durch geeignete Dimensionierung
des Schaltkreises 80 läßt sich die Erhöhung des Ladestromes Ia so bemessen, daß
er den aus Fig. 3 der Zeichnung zu entnehmenden Wert hat.
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Eine weitere Wirkung der Ladestrom-Kopplung besteht darin, daR beim
Absenken des Potentiales im Punkt C der Schaltung über die Mitkopplung des ersten
Steuertransistors 45 auch der Punkt G der Schaltung ein geringeres Potential annimmt.
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Dies hat zur Folge, daß die Zenerdiode 56 und der zweite Steuertransistor
53 erst bei einem negativerem Potential im Punkt D der Schaltung in den leitenden
Zustand gesteuert wird. Dieses Potential wird folglich erst bei einer höheren Ladespannung
Ua erzielt. Dieser Wert ist in Fig. 3 mit Ua 4' angegeben.
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Die beschriebene Ladestromkopplung würde bei einer geglätteten Spannung
am Ausgang des Ladegleichrichters 32>solange wirksam sein, wie ein für das Ansprechen
der Lade-Kontrolleinrichtung 23 erforderlicher Ladestrom Ia fließt. Dieser würde
besonders bei der erhöhten Ladespannung Ua4' größere Werte annehmen.
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Es würde daher die Gefahr bestehen, daß die Ladespannung Ua am Akkumulator
16 zumindest gegen Ende des Ladevorganges den Spannnnungswert Ua5 von 13,7 Volt
kurzzeitig überschreitet,
was wegen der Erzeugung von Gasen im
Akkumulator 16 unerwünscht ist.
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Um die Ladespannung am Akkumulator 16 in jeder Ladephase unter der
Gasungsspannung zu halten, wird die Spannung am Ausgang des Ladegleichrichtes 32
nIcht geglättet. Wenn die pulsierende Spannung am Ausgang des Ladegleichrichters
32 in ihrem zeitlichen Verlauf die Ladespannung am Akkurr,ulator 16 kurzzeitig unterschreitet,
so wird dadurch bereits die Lade=Kontrolleinrichtung ebenfalls kurzzeitig im Rhythmus
der doppelten Neztfreqzenz ausgeschaltet, da in diesen Zeitintervallen kein Ladestrom
fließt. Durch dieses Abschalten der Lade-Kontrolleinrichtung 23 wird auch die Ladestrom-Kopplung
des Spannungssensors 21 unwirksam. Solange jedoch die Ladespannung Ua am Akkumulator
16 den zulEssigen Höchstwert Ua5 (siehe Fig. 3) noch nicht erreicht hat, wird der
erste Steuertransistor 45 des Spannungssensors 21 durch die Spannunsspitzen der
pulsierenden Gleichspannung am Ausgang des Ladegleichrichters 32 im Rhythmus dieser
pulsierenden Spannung noch teilweise aufgesteuert, wodurch eine entsprecnend pulsierende
Steuerspannung das Stellglied 13 ansteuert und einen intermittierenden Ladestorm
fließen -läßt. Durch diesen Ladestrom wird -auch die Lade-Kontrolleinrichtung 23
in8ermittierend eingeschaltet und folglich auch die Ladestrom-Kopplung des Spannungssensors
21.
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Sobald der Akkumulator 16 den maximal zulässigen Spannungswert Ua5
erreicht, ist der zweite Steuertransistor 53 des Spannungssensors 21 soweit in den
stromleitenden Zustand gelangt, daß die piulsierende aleichspannung am Ausgang des
Ladegleichrichters 32 den ersten Steuertransistor 45 nicht mehr zu öffnen vermag.
Folglich wird auch das Stellglied 45 nicht mehr angesteuert. Es fließt kein Ladestrom
mehr und auch die Lade-Kontrolleinrichtung 23 bleibt nun endgültig abgeschaltet.
In diesem Zustand bleibt auch der Schaltkreis 80 für den Spannungssensor unwirksam.
Die Diode 82 soll verhindern, daß bei ausgeschalateter Lade-Kontrolleinrichtung
23 über die Widerstände 64 und 65 ein Strom in den Schaltkreis 80 fließt, durch
den
unter Umständen der Schalttransistor 62 und damit die Ladelampe
61 eingeschaltet erden könnte.
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In Fig. 3 ist der Verlauf des Ladestromes Ia zwischen den Spannungswerten
Ua4 und Ua5 der Ladespannung bei einem Ladegerät mit der Ladestromkopplung gemäß
der Schaltung nach Fig. 2 gestrichelt dargestellt.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, da
der Aufbau der verschiedenen in Fig. 1 gezeigten Schaltungsblöcke nicht festgelegt
ist. Erfindungswesentlich ist jedoch, daß dem Spannungssensor 21 eine von der Lade-Kontrolleinrichtung
23 abgegriffene Ladestrom-Kopplung zugeführt wird, welche das Steuersignal am Ausgang
des Spannungssensors 21 so beeinflußt, daß die Wirkung des an den Anschlußleitungen
des Akkumulators 16 durch den Ladestrom verursachten Spannungsabfalls auf das Steuersignal
kompensiert wird, solange die maximal zulässige Ladespannung Ua5 noch nicht erreicht
ist.