-
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 Ladestromteg liegenden Langstr.msistor und
einer Einrichtung zum Spannungsvergleich, an denen einem Eingang eine von der jeweiligen
Spannung am Akkumulator abhängige Meßspannung und an deren anderem Eingang eine
der vorgegebenen Ladeendspannung des Akkumulators entsprechende Vergleichsspannung
liegt und deren Ausgang eine den Längstransistor in den Sättigungsbereich oder in
den Sperrhereich steuernde Spannung abgibt.
-
Eine zum Aufladen von Akkumulatoren dienende Ladeschaltung, die einen
Längstransisto- im Ladestromweg sowie eine Einrichtung zum Spannungsvergleich hat,
ist zum Beispiel durch die DT-OS
55 894 bekannt. Bei einer derartigen Ladeschaltung sorgt die Einrichtung zum Spannungs
vergleich 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.
-
Als
Als Vergleichseinrichtung dient bei der bekannten
Ladeschaltung ein Schwellwertschalter in Verhindung mit einer zu dem Spannungsteiler
gehörenden Z-Diode.
-
Um bei Ladeschaltungen dieser Art zu erreichen, daß der Akkumulator
unabhängig von der jeweiligen Umgebungstemperatur bis annähernd zu seiner vollen
Kapazität aufgeladen wird, werden besondere Temperaturkompensationsmaßnahmen ergriffen.
Diese bestehen darin, dem Spannungsteiler für die Kondensatorentladung einen Widerstand
mit negativem Temperaturkoeffizienten zuzuordnen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit der vorstehend beschriebenen
Maßnahme erzielte Temperaturkompens ation weiter zu verbessern bzw. zu vervollkommnen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Schaltung nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs dadurch gelöst, daß zwecks Kompensation der sich in Abhfingigkeit
von der Umgebungstemperatur ändernden Akkumulator-Ladeendspannung die Vergleichsspannung
einen dem Tmperaturgang der -kkumulator-rjadeendspannung weitgehend gleichen Temperaturgang
hat.
-
Eine derartige Schaltung hat gegenüber der Temperaturkompensation
mit einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, der erfahrungsgemäß
von Exemplar zu Exemplar Streuungen unterliegt, den Vorteil, daß sich der gewünschte
Temperaturkoeffizient auch bei einer Serienfertigung von Ladegeräten sehr genau
reproduzieren läßt.
-
Weitere
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Aus
gestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprflchen und werden an Hand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der
Zeichnung bedeuten: Fig. 1 ein vollständiges Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung
und Fig. 2 der Temperaturgang der Ladeendspannung eines Nl -Cd-Akkumulators .
-
In Fig. 1 bezeichnen 1 und 2 Wechselstromanschlusse, 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
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 gepolten Diode 15 und dem Akkumulator 16 liegt ein Kondensator
t7 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 einer Einrichtung 22 zum Spannungsvergleich
(in Fig. 1 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 Spannungsteilers gemeinsamen Schaltungspunkt
in Verbindung.
-
Zu der Einrichtung 22 zum Spannungsvergleich gehört ein Operationsverstärker
25, dessen nichtinvertierender Eingang dem ersten Eingang 21 der Einrichtung 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 Brücken-
Brückengleichrichterschaltung
3 und Masse. Während der Wider- -stand 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 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, 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 14,8 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 iA in den Akkumulator fließt, lädt ein anderer
Teil des Gleichstroms i als Ladegleichstrom i den angenommenerweise vorher entladenen
Kondensator 17 auf.
-
Ein
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 UM, die von der jeweiligen Akkumulatorspannung
abhctngt, bei der vorgegebenen Ladeendspannung einen Wert hat, der etwas größer
als eine an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25 liegende Vergleichsspannung
Uv ist. Die Vergleichsspannung Uv wird in weiter unten ausführlich beschriebener
Weise mittels des ersten und zweiten Spannungsteilers erhalten.
-
Solange die Akkumulatorspannung noch nicht auf die vorgesehene Ladeendspannung
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.
-
Der 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 Ladeendspannung von zum Beispiel 14,6 bis 14,8 V
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 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, eryibt. Gleichzeitig wird der Widerstand
26 durch den in den Sättigungszustand gesteuerten Transistor 28 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
Wie bereits weiter ohen angedeutet, wird die
Vergleichsspannung UV mittels des ersten Spannungsteilers aus dem Widerstand 7 uns
den Z-Dioden 8, 9 und 10 sowie des zweiten Spannungsteilers aus dem Widerstand 11
und den Dioden 12 erzeugt.
-
Diese Maßnahme wird deshalb ergriffen, um eine Temperaturkompensation
bei der Ladung des Akkumulators zu erhalten. Ohne eine Temperaturkompensation würde
das für eine Umgebungstemperatur gleich der normalen Raumtemperatur von 200 C eingestellte
Ladegerät bei einer übertemperatur den Akkumulator 16 überladen und bei einer Untertemperatur
nicht voll aufladen.
-
Um diesen Temperatureinfluß zu kompensieren, wird die Vergleichsspannung
Uv so erzeugt, daß sie sich in Abhängigkeit von der Temperatur in der gleichen Weise
ändert wie die Ladeendspannung. Der erste Spannungsteiler aus dem Widerstand 7 und
den Z-Dioden 8, 9 und 10 ist beispielsweise so bemessen, daß durch ihn ein Strom
von 9 mA fließt. Haben die Z-Dioden eine Z-Spannung von zum Beispiel 5 V, so fällt
über der Reihenschaltung aus den drei Z-Dioden eine als Referenzspannung UR verwendete
Spannung von zum Beispiel 15 V ab. Die Referenzspannung UR bleibt bei Schwankungen
der an den Anschlüssen 4 und 5 der Gleichrichterschaltung 3 liegenden Gleichspannung
weitgehend konstant. Das gleiche gilt auch bei Schwankungen der Umgebungstemperatur,
weil die Z-Dioden einen Temperaturkoeffizienten von etwa 0 mV haben. An der Referenzspannung
UR oc liegt
liegt der zweite Spannungsteiler aus dem Widerstand
11 und den Dioden 12. Die Dioden 12 sind Siliziumdioden mit einem Temperaturkoeffizienten
von zum Beispiel - 3 mV Werden beioc spielsweise dreizehn Dioden 12 verwendet, so
fällt über den in Reihe geschalteten Dioden eine Spannung von zum Beispiel 9,3 V
ab. Diese Spannung ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur in der gleichen
Weise wie die in Fig. 2 gezeigte Ladeendspannung bei nicht temperaturkompensierter
Schaltung.
-
Das trifft insbesondere für den in der Praxis interessierenden linearen
Bereich des Temperaturganges nach Fig. 2 zu.
-
Die vorstehend beschriebene Schaltung hat noch den Vorteil, daß nur
die Vergleichs spannung temperaturabhängig verändert wird, während die Meßspannung
UM durch die Kompensationsmaßnahen nicht betroffen wird.
-
Die Schaltung liefert audi einen soge -nnten Erhaltungsstrom.
-
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 n 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
mit einer Häufigkeit statt, die dem augenblicklichen
Ladezustand des Akkumulators entspricht, und zwar wechseln Laden und Nichtladendes
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 Ladeendspannung.
-
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.
-
Patentansprche