-
Schaltung zum Laden eines Akkumulators,
-
insbesondere eines Ni-Cd-Akkumulators Die Erfindung bezieht sich
auf eine Schaltung zum Laden eines Akkumulators, insbesondere eines Ni-Cd-Akkumulators,
mit einem im Ladestromweg liegenden Längstransistor, der durch einen Schwellwertschalter
in den Sperrzustand oder in den Sättigungszustand gesteuert wird, je nachdem, ob
eine an einem Eingang des Schwellwertschalters liegende und von der jeweiligen Akkumulatorspannung
abhängige Meßspannung einen der vorgegebenen Lade-Endspannung des Akkumulators entsprechenden
oberen Schwellwert überschreitet oder einen einem bestimmten, niedrigeren Wert der
Akkumulatorspannung entsprechenden unteren Schwellwert unterschreitet.
-
Eine zum Aufladen von Akkumulatoren dienende Ladeschaltung, die einen
Längstransistor im Ladestromweg sowie einen Schwellwertschalter zum Spannungsvergleich
hat, ist zum Beispiel durch die DT-OS 28 55 894 bekannt. Bei einer derartigen Ladeschaltung
sorgt der Schwellwertschalter dafür, daß der Längstransistor gesperrt wird, wenn
die jeweilige Akkumulatorspannung einen bestimmten Wert überschreitet, und daß der
Längstransistor in den Sättigungszustand gesteuert wird, wenn sich ein dem Akkumulator
parallel geschalteter Kondensator über einen dem Kondensator parallel geschalteten
Spannungsteiler auf einen vorgegebenen niedrigeren Spannungswert entladen hat.
-
Der
Der Schwellwertschalter wird bei der bekannten
Ladeschaltung durch einen NAND-Schmitt-Trigger in Verbindung mit einer zu dem Spannungsteiler
gehörenden Z-Diode gebildet, wobei zwischen dem Triggerausgang und der Basis des
Längs transistors ein weiterer Transistor vorhanden ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltung und insbesondere
den Schwellwertschalter zu vereinfachen und darüber hinaus den Meßspannungseingang
und den Vergleichsspannungseingang des Schwellwertschalters derart voneinander zu
entkoppeln, daß sich Vergleichsspannung und Meßspannung nicht gegenseitig beeinflussen
können.
-
Eine hohe Entkopplung ist beispielsweise dann erwünscht, wenn die
Vergleichsspannung durch Mittel zur Temperaturkompensation veränderbar sein soll,
ohne daß sich diese Änderungen auf die Meßspannung auswirken.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Schaltung nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs dadurch gelöst, daß der Schwellwertschalter für die Ladeschaltung
unter Verwendung eines Operationsverstärkers gebildet wird.
-
Eine Schaltung mit den vorgenannten Merkmalen hat den Vorteil, daß
die Mittel für den Spannungs vergleich und für die Ansteuerung des Längs transistors
vereinfacht werden und daß der Stromkreis für die Meßspannung und der Stromkreis
für die Vergleichsspannung elektrisch völlig getrennte Kreise sind.
-
Weitere
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden an Hand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung,
die ein vollständiges Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zeigt, bedeuten
1 und 2 Wechselstromanschlüsse, die mit entsprechenden Anschlüssen einer Brückengleichrichterschaltung
3 verbunden sind. Während der negative Anschluß 4 der Brückengleichrichterschaltung
auf dem Massepotential liegt, befindet sich zwischen dem positiven Anschluß 5 und
Masse ein Kondensator 6 mit verhältnismäßig hohem Kapazitätswert.
-
Parallel zu dem Kondensator 6 bzw. zu den Anschlüssen 4 und 5 der
Brückengleichrichterschaltung liegt ein erster Spannungsteiler, der aus einer Reihenschaltung
eines Widerstandes 7 und drei in Reihe geschalteten und in Sperrichtung betriebenen
Z-Dioden 8, 9 und 10 besteht. Ein zweiter Spannungsteiler aus einer Reihenschaltung
mit einem Widerstand 11 und mehreren in Reihe geschalteten und in Durchlaßrichtung
betriebenen Dioden 12 liegt zwischen dem dem Widerstand 7 und der Z-Diode 8 gemeinsamen
Anschluß und Masse. Der positive Anschluß der Brückengleichrichterschaltung 3 steht
über einen Widerstand 13 mit dem Emitter eines Längstransistors 14 in Verbindung,
dessen Kollektor über eine Diode 15 und einen aufzuladenden mehrzelligen Akkumulator
16, das sind zum Beispiel mehrere in Reihe geschaltete Ni-Cd-Akkumulatorzellen,
mit Masse verbunden ist. Parallel zu der Reihenschaltung aus der in Durchlaßrichtung
richtung
gepolten Diode 15 und dem Akkumulator 16 liegt ein Kondensator 17 sowie parallel
dazu ein dritter Spannungsteiler aus drei in Reihe geschalteten Widerständen 18,
19 und 20. Der Widerstand 19 ist ein potentiometerwiderstand, dessen Schleifer mit
einem ersten Eingang 21 eines Schwellwertschalters 22 (in der Zeichnung durch gestrichelte
Linien umrahmter Schaltungsteil) verbunden ist. Ein zweiter Eingang 23 steht über
einen Widerstand 24 mit einem dem Widerstand 11 und der benachbarten Diode 12 des
zweiten Spannungstilgers gemeinsamen Schaltungspunkt in Verbindung.
-
Zu dem Schwellwertschalter 22 gehört ein Operationsverstärker 25,
dessen nichtinvertierender Eingang dem ersten Eingang 21 des Schwellwertschalters
22 und dessen invertierender Eingang dem zweiten Eingang 23 entspricht. Von dem
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25 führt eine Verbindung über einen
Widerstand 26 und eine dazu in Reihe liegende Diode 27 an den Kollektor eines Transistors
28, dessen Emitter unmittelbar und dessen Basis über einen Widerstand 29 mit Masse
verbunden ist. Der Widerstand 29 gehört zu einem vierten Spannungsteiler, der aus
diesem Widerstand sowie drei weiteren Widerständen 30, 31 und 32 besteht. Der vierte
Spannungsteiler liegt zwischen dem positiven Anschluß 5 der Brückengleichrichterschaltung
3 und Masse. Während der Widerstand 32 eine Verbindung zwischen der Basis des Längstransistors
14 und dem positiven Anschluß 5 herstellt, ist ein Ausgang 33 des Operationsverstärkers
25 über den Widerstand 31 ebenfalls
ebenfalls mit der Basis des
Transistors 14 und über den Widerstand 30 mit der Basis des Transistors 28 verbunden.
Den Widerstand 32 überbrückt eine Z-Diode 34. Der Kollektor des Transistors 28 ist
über einen Widerstand 35 und ein dazu in Reihe liegendes elektrisches Anzeigeelement
36, das ist zum Beispiel eine Glühlampe oder Leuchtdiode, mit dem positiven Anschluß
5 der Gleichrichterschaltung 3 verbunden. Die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors
28, der Widerstand 35 und das Anzeigeelement 36 bilden einen fünften Spannungsteiler.
-
Im folgenden wird die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Schaltung
zum Laden eines Akkumulators erläutert.
-
Ist der aufzuladende Akkumulator 16, der im entladenen Zustand etwa
11 V und im voll aufgeladenen Zustand höchstens 143 V hat, zumindest teilweise entladen,
so fließt über den Widerstand 13 und die Emitter-Kollektorstrecke des Längstransistors
14 ein durch die Gleichrichtung erhaltener und mittels des Kondensators 6 geglätteter
Gleichstrom i von zum Beispiel 25 mA. Während ein Teil dieses Gleichstroms über
die Diode 15 als Ladegleichstrom 1A in den Akkumulator fließt, lädt ein anderer
Teil des Gleichstroms i als Ladegleichstrom ic den angenommenerweise vorher entladenen
Kondensator 17 auf.
-
Ein weiterer Teil des Gleichstroms i fließt als Gleichstrom iR über
den Spannungsteiler mit den Widerständen 18, 19 und 20.
-
Der als Potentiometer ausgebildete Widerstand 19 ist so eingestellt,
daß die an ihm abgegriffene Meßspannung U, die von der
der jeweiligen
Akkumulatorspannung abhängt, bei der vorgegebenen Lade-Endspannung einen Wert hat,
der etwas größer als eine an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
25 liegende Vergleichsspannung Uv ist. Die Vergleichs spannung Uv wird in weiter
unten beschriebener Weise mittels des ersten und zweiten Spannungsteilers erhalten.
-
Solange die Akkumulatorspannung noch nicht auf die vorgesehene Lade-Endspannung
angestiegen ist, hat die Meßspannung UM einen kleineren Wert als die Vergleichsspannung
Uv. In diesem Fall gibt der Operationsverstärker 25 an seinem Ausgang 33 eine Ausgangsspannung
UA ab, die den Längstransistor 14 in den Sättigungszustand steuert. Es fließt somit
weiterhin der Gleichstrom i über die Emitter-Kollektorstrecke des Längstransistors
14 bzw. der Ladegleichstrom iA in den Akkumulator 16.
-
Ber Transistor 28, der einen gegenüber dem Längstransistor 14 entgegengesetzten
Leitungstyp hat, ist während des Aufladevorgangs durch die Ausgangsspannung UA des
Operationsverstärkers 25 gesperrt, so daß kein Strom über das elektrische Anzeigeelement
36 fließen kann.
-
Sobald der Akkumulator 16 so weit aufgeladen ist, daß seine Spannung
die vorgegebene Lade-Endspannung von zum Beispiel 14,6 bis 14,8 V erreicht hat,
dann weist auch der Kondensator 17 diesen Spannungswert auf. Die Meßspannung UM
hat jetzt einen Wert, der gleich oder etwas größer als die Vergleichsspannung
spannung
UV ist. Damit gibt der Operationsverstärker 25 an seinem Ausgang 33 eine Ausgangsspannung
UA ab, die erstens den Längstransistor 14 in den Sperrzustand überführt und damit
die weitere Aufladung des Akkumulators verhindert und die zweitens den Transistor
28 über den Widerstand 30 in den Sättigungszustand steuert. Damit fließt über das
elektrische Anzeigeelement 36 ein Strom, der eine Anzeige, zum Beispiel durch das
Aufleuchten einer Glühlampe, ergibt. Gleichzeitig wird der Widerstand 26 durch den
in den Sättigungszustand gesteuerten Transistor 28 über die für die Vergleichsspannung
in Durchlaßrichtung gepolte Diode 27 der Reihenschaltung aus dem Widerstand 24 und
den Dioden 12 parallel geschaltet.
-
Dieser Vorgang entspricht einer Rückkopplung, die das Abschalten des
Ladevorgangs beschleunigt, weil sich dadurch die Differenz zwischen der Meßspannung
UM und der Vergleichsspannung Uv schlagartig vergrößert (Schmitt-Trigger-Verhalten).
-
Im folgenden kann sich der Kondensator 17 über den dritten Spannungsteiler
aus den Widerständen 18, 19 und 20 entladen, und zwar solange, bis die Meßspannung
UM < Uv geworden ist.
-
Erst dann nimmt die Ausgangsspannung UA des Operationsverstärkers
25 wieder einen Wert an, der den Längstransistor 14 in den Sättigungszustand und
den Transistor 28 in den Sperrzustand überführt.
-
Wie bereits weiter oben angedeutet, wird die Vergleichsspannung Uv
mittels des ersten Spannungsteilers aus dem Widerstand 7
stand
7 und den Z-Dioden 8, 9 und 10 sowie des zweiten Spannungsteilers aus dem Widerstand
11 und den Dioden 12 erzeugt.
-
Diese Maßnahme wird ergriffen, um eine nicht zur Erfindung gehörende
Temperaturkompensation bei der Ladung des Akkumulators zu erhalten.
-
Die Schaltung liefert auch einen sogenannten Erhaltungsstrom für den
Akkumulator. Falls nämlich der Akkumulator 16 in derjenigen Zeit, in welcher der
Längstransistor 14 in den Sperrzustand gesteuert ist, seine Klemmenspannung infolge
der Selbstentladung nur unwesentlich verringert hat, so fließt nach dem Umsteuern
des Längstransistors 14 in den Sättigungszustand ein Erhaltungsstrom, durch den
die Spannung an dem Kondensator 17 und die Akkumulatorspannung verhältnismäßig schnell
wieder denjenigen Wert erreichen, der ausreicht,um den Längstransistor 14 zu sperren.
Das Wechselspiel zwischen dem öffnen und Schließen des Ladestromkreises für den
Akkumulator 16 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 einer als elektrisches Anzeigeelement
dienenden Glühlampe läßt also Rückschlüsse auf den Grad der Ladung zu, und zwar
innerhalb eines Bereiches zwischen etwa 90 bis 100 % der Lade-Endspannung.
-
Die
Die in der Schaltung angegebenen elektrischen
Werte der Bauelemente entsprechen einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel.
Der Transistor 14 ist vorzugsweise vom Typ BC 309 B, der Transistor 28 vom Typ BC
167 A, die Z-Dioden 8, 9, 10 vom Typ ZPD 5,1, die Dioden 12, 15 und 27 vom Typ 1
N 4148 und der Operationsverstärker 25 vom-Typ TBA 221 B.
-
Patentansprüche