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Einrichtung zur Überwachung einer Batteriespannung
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung einer Batteriespannung,
insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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In den meisten Kraftfahrzeugen ist eine sog. Ladekontrolleuchte vorhanden,
welche die Funktion der Lichtmaschine überwacht. Diese Ladekontrolleuchte leuchtet
also auf, sofern die Lichtmaschine keinen Strom an das Fahrzeug abgibt. Sobald auch
nur ein geringer Strom von der Lichtmaschine an das Fahrzeug geliefert wird, erliechtdie
Ladekontrolleuchte und zeigt damit dem Fahrer an, daß die Lichtmaschine in Ordnung
sei und die Batterie wieder aufgeladen würde. Ob die Lichtmaschine ihre volle Leistung
abgibt, wird jedoch nicht angezeigt.
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Bei den älteren Fahrzeugen mit einer Gleichstrom-Lichtmaschine kann
es z.B. vorkommen, daß die Lichtmaschine infolge von abgenutzten Kohlen nur eine
geringe Teilleistung abgibt, was von der Ladekontrollleuchte nicht angezeigt wird.
Diese Teilleistung wird dann vom Fahrzeug oft direkt verbraucht, so daß die Batterie
nicht wieder aufgeladen wird. Ist dabei das Bordnetz des Fahrzeugs stark belastet,
so.
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wird sogar noch Strom von der Batterie verbraucht, ohne daß dies der
Fahrer unmittelbar merkt. Aber auch bei intakter Lichtmaschine wird
die
Batterie entladen, wenn das Bordnetz des Fahrzeugs durch zusätzliche Einrichtungen
wie Nebelscheinwerfer, Radio und dergleichen überlastet ist. Diese Dinge führen
zu einem Absinken der Batteriespannung, obwohl die Ladekontrolleuchte erloschen
ist.
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3ei neueren Fahrzeugen ist meist eine Drehstromlichtmaschine eingebaut,
welche in der Regel eine höhere Leistung als die älteren Gleichstromlichtmaschinen
hat. Bei diesen Drehstromlichtmaschinen ist ein häufig auftretender Defekt, daß
eine oder zwei der Dioden, die zur Gleichrichtung des Stromes vorgesehen sind, durchbrennen.
Dies kann seine Ursache z. R. darin haben, daß kurzzeitig ein Batteriekabel von
der Batterie gelöst wurde. Ist eine solche Diode in der Drehstromlichtmaschine beschädigt,
so gibt diese nur noch einen Teil ihrer Nennspannung ab. Trotz dieser geringen Spannungsabgabe
zeigt die Ladekontrolleuchte dabei in den meisten Fällen durch ihr Erlöschen dem
Fahrer an, daß die Lichtmaschine in Ordnung sei. In Wirklichlceit sinkt jedoch die
Batteriespannung in kurzer Zeit auf einen geringen Wert.
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Die den meisten Autofahrern bekannten Folgen einer zu niedrigen Batteriespannung
sind, daß das Fahrzeug nicht mehr zu starten ist. Bei elektronischen Benzineinspritzanlagen
treten Störungen auf, wenn die Batteriespannung wesentlich unter ihre Nennspannung
sinkt. Bei Napht, wenn viele Verbraucher eingeschaltet sind, wird die Batterie relativ
schnell entleert und eine Weiterfahrt ist ausgeschlossen.
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Daher ist es für den Fahrer wichtig, über den Ladezustand seiner Batterie
informiert zu sein. Eine Aussage über den Ladezustand der Batterie ist bekannterweise
am einfachsten anhand der Batteriespannung zu machen.
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Um Spannungen zu überwachen, werden im allgemeinen Voltmeter vorgesehen,
bei denen anhand einer Zeigerstellung und einer Skala die momentane Spannung abgelesen
werden kann. Für Kraftfahrzeuge befinden sich spezielle Voltmeter im Handel, deren
Meßbereich für die im Eraftfahrzeug auftretenden Spannungen ausgelegt ist. Mit einem
solchen Voltmeter kann sich der Fahrer also ständig über die Batteriespannung informieren
und davon ausgehend auf den Ladezustand der Batterie schließen. Der Fahrer muß dabei
also wissen, welche Spannung ihm einen guten Ladezustand der Batterie anzeigt und
welche Spannung auf einen Fehler am Fahrzeug hinweist.
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Die Spannung im Bordnetz eines Fahrzeugs schwankt jedoch auch, wenn
kein Fehler vorliegt, in einem gewissen Bereich, wobei diese Schwankungen von einem
Voltmehter laufend angezeigt werden. Solche Spannungsschwankungen führen oft zu
Trugschlüssen bei der Beurteilung des Ladezustands der Batterie. Für den Durchschnittsfahrer
kommt es daher vielmehr darauf an, das Unterschreiten einer bestimmten Spannung,
die knapp unterhalb der Nennspannung der Batterie liegt, zu erkennen. Dazu sind
die bekannten Voltmeter wegen ihrer analogen Anzeige für den Durchscnittsfahrer
nicht geeignet, da an ihnen das tyberschreiten eines Grenzwertes nur schwer erkennbar
ist, wenn dieser nur geringfügig unter- oder überschritten wird. Außerdem sind diese
Voltmeter, wenn sie eine brauchbare Genauigkeit haben sollen, relativ aufwendig
und damit teuer.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung zur Überwachung
der Batteriespannung zu schaffen, durch die eine Anzeige lediglich beim Unterschreiten
einer bestimmten Spannung ausgelöst wird und die besonders einfach und damit billig
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in eine Verbindung
zwischen einem Pluspol und einem Minuspol der Batterie in Reihe eine Zehnerdiode
und ein Vorwiderstand geschaltet sind, und daß an die Verbindung zwischen Zehnerdiode
und Vorwiderstand eine Schaltstufe angeschlossen ist, durch die eine Kontrolleuchte
beeinflußbar ist. Damit ist sichergestellt, daß über die Zehnerdiode und den Vorwiderstand
nur dann Strom fließt, wenn die Durchbruchspannung der Zehnerdiode erreicht ist.
Die Zehnerdiode und der Vorwiderstand werden dabei so dimensioniert, daß die Durchbruchspannung
der Zehnerdiode nur dann erreicht wird, wenn die Batteriespannung über dem kritischen
Wert liegt. Durch den Spannungsabfall am Vorwiderstand wird die Schaltstufe so gesteuert,
daß sie bei vorhandenem Spannungsabfall die Kontrolleuchte zum Brennen oder Erlöschen
bringt. Es wird damit also die Kontrolleuchte immer, wenn die Durchbruchspannung
der Diode über-oder unterschritten ist, aufleuchten oder erlöschen, wodurch dem
Fahrer ein eindeutiges Signal darüber gegeben ist, ob die Batterispannung über oder
unter dem kritischen Wert liegt. Eine Überprüfung der Schaltung findet dabei immer
wahrend des Anlaßvorganges statt, da durch die hohe Stromaufnahme des Anlassers
die Batterispannung auf jeden Fall kurzzeitig unter den kritischen Spannungswert
sinkt.
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In den Untersnsprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen gekennzeichnet,
deren wesentliche Vorteile darin bestehen, daß die Schaltstufe und die Kontrolleuchte
so ausgebildet sind, daß die gesamte Einrichtung mit einem minimalen Strom auskommt
und somit das Bordnetz des Fahrzeugs nicht wesentlich belastet. Auch sind die Kosten
für Halbleiterelemente mit geringer Schaltleistung wesentlich niedriger als für
hohe Schaltleistungen, so daß die Einrichtung noch preisgünstiger wird, wenn für
die Funktion der Einzelelemente nur ein geringer Strom erforderlich ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und
der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine besonders einfache Ausführungsform
der Erfindung; Fig. 2 eine weitere Ausführungsform; Fig. 3 eine Ausführungsform,
bei der die Verlustströme auf ein Minimum beschränkt sind.
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In Fig. 1 ist ein Pluspol 1 und ein Minuspol 2 dargestellt. Dies können
unmittelbar die Pole der Batterie sein, oder der Pluspol kann irgendeine leitung
im Bordnetz des Fahrzeugs sein, die ständig odernur bei eingeschalteter Zündung
mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist, während der Minuspol an die Masse des
Fahrzeugs angeschlossen werden kann. Bei Fahrzeugen mit positiver Erdung (USA) kann
dann der Pluspol an Masse angeschlossen sein und der Minuspol mit einer Leitung
des Bordnetzes verbunden sein.
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Vom Pluspol 1 führt ein Leiter 3 zu einer Zehnerdiode 6. Von der Zehnerdiode
6 führt ein leiter 5 zu einem Widerstand 4, von dem wiederum ein Leiter 7 zum Minuspol
2 führt. Vom Leiter 3 zweigt ein Leiter 3' ab, der über einen Widerstand 9 zum Kollektor
eines Transistors 10 führt. Vom Ermitter des Transistors 10 führt ein Leiter 7t
über eine Leuchtdiode 11 zum Leiter 7. Vom Leiter 5 führt ein Leiter 5' über einen
Widerstand 12 zur Basis des Transistors 10.
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Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 ist folgende:
Herrscht zwischen dem Pluspol 1 und dem Minuspol 2 eine Spannung, die über dem kritischen
Wert liegt, so ist die Durchbruchspannung der Zehnerdiode 6 erreicht. Es fließt
in diesem Fall also vom Pluspol 1 Vorüber den Leiter 3, die Zehnerdiode 6, den Leiter
5, den Widerstand 4
und den Leiter 7 ein Strom zum Minuspol 2. Dieser
Strom ist durch Vorden Widerstand 4 auf einen geringfügigen Wert begrenzt. Da wegen
der erreichten Durchbruchspannung die Zehnerdiode 6 leitend ist, fließt über den
Leiter 5' und den Widerstand 12 zur Basis des Transistors 10 Strom. Der Transistor
10 ist also leitend, so daß auch Strom über die Leuchtdiode 11 fließen kann.
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Unterschreitet die am Pluspol 1 und Minuspol 2 anliegende Spannung
den kritischen Wert , so wird auch die Durchbruchspannung der Zehnerdiode 6 unterschritten,
so daß diese sperrt. Damit wird der Transistor 10 gesperrt, so daß in diesem Fall
vom Leiter 3 über den Vorwiderstand 9, den Leiter 3', die Leuchtdiode 11 und den
Leiter 7" kein Strom fließt. Die Leuchtdiode 11 wird somit also zum Erlöschen gebracht
und zeigt damit das Unterschreiten der kritischen Spannung zwischen dem Pluspol
1 und dem Minuspol 2 an.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 führt vom Pluspol 1 der Leiter
3 sur Zehnerdiode 6. Von der Zehnerdiode 6 führt der Leiter 5 zum Vorwiderstand
4, der über den Leiter 7 mit dem Minuspol 2 verbunden ist.
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Vom Leiter 5 zweigt wiederum ein Leiter 5' ab, der Ubef einen Widerstand
12 mit der Basis des Transistors 10 verbunden ist. Vom Leiter 3 zweigt ein Leiter
3' ab, der über einen Widerstand 9 zum Kollektor des Transistors 10 geführt ist.
Vom Emitter des Transistors 10 führt der Leiter 7'unmittelbar zum Leiter 7. Zwischen
dem Widerstand 9 und dem Transistor 10 ist ein Leiter 7" angeschlossen, der über
die leuchtdiode 11 zum Leiter 7 führt.
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Damit ergibt sich folgende Funktionsweise. Bei einer Spannung zwischen
dem Pluspol 1 und dem Minuspol 2, die über dem kritischen Wert liegt, ist wiederum
die Durchbruchspannung der Zehnerdiode 6 erreicht,
so daß vom Leiter
3 Strom zum Leiter 5 fließt. Da dieser Strom im Leiter 5 nicht mehr ungehindert
zum Minuspol 2 abfließen kann, sondern den Vorwiderstand 4 überwinden muß, baut
sich im Leiter 5 eine Spannung auf, die dazu führt, daß ein Teil des über die Zehnerdiode
6 dem Leiter zufließenden Stromes über den Leiter 5' dem Widerstand 12 zur Basis
des Transistors 10 fließt. Damit ist der Transistor 10 leitend, so daß der Strom,
welcher über den Leiter 3' und den Widerstand 9 dem Kollektor des Transistors 10
zufließt, direkt über den Leiter 7' zum Leiter 7 abgeleitet wird. Es wird damit
kein Strom über den Leiter 7" und die Leuchtdiode 11 zum Minuspol 2 fließen. Sollte
jedoch z.30 aus Kostengründen ein Transistor 10 verwendet werden, dessen Innenwiderstand
auch im durchgeschalteten Zustand groß ist, daß die Leuchtdiode 11 in diesem Fall
zum Glimmen kommt, so kann in den Leiter 7" zusätzlich ein weiterer Widerstand oder
eine weitere Zehnerdiode eingeschaltet werden, um bei durchgeschaltetem TransiStor
10 ein Aufleuchten der Leuchtdiode 11 zu verhindern. Die Leuchtdiode 11 wird also,
solange die Spannung zwischen dem Pluspol 1 und dem Minuspol 2 den kritischen Wert
übersteigt und damit der Transistor 10 durchgeschaltet ist, nicht aufleuchten.
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Sinkt die Spannung zwischen dem Pluspol 1 und dem Minuspol 2 unter
den kritischen Wert, so wird damit gleichzeitig die Durchbruchspannung der Zehnerdiode
6 unterschritten. Damit kann kein Strom mehr über den Leiter 5' und den Widerstand
12 zur Basis des Transistors 10 fließen, wodurch dieser gesperrt wird. Wenn nun
jedoch der Transistor 10 gesperrt ist, kann der über den Leiter 3' und den Widerstand
9 ankommende Strom nicht über den Leiter 7' zum Minuspol 2 abfließen. Er muß also
über den Leiter 7" und die Leuchtdiode 11, wodurch diese zum Aufleuchten gebracht
wird.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 führt wiederum ein Leiter 3 zur
Zehnerdiode 6. Von dieser ein Leiter 5 zum Vorwiderstand 4, der über einen Leiter
7 mit dem Minuspol 2 verbunden ist. Vom Leiter 5 führt ein Leiter 5' über einen
Widerstand 12 zur Basis des Transistors 10.
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Vom Leiter 3 führt ein Leiter 3' über einen Widerstand 9 zum Kollektor
des Transistors 10 und zur Basis eines Transistors 14. Der Emitter des Transistors
10 ist über einen Leiter 7' und den Leiter 7 an den Minuspol 2 angeschlossen. Der
Kollektor des Transistors 14 ist über einen Leiter 3" und einen Widerstand 13 mit
dem Leiter 3 verbunden.
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Der Emitter des Transistors 14 ist mit einem Leiter 7" über die Leuchtdiode
11 mit dem Leiter 7 verbunden.
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Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 ist folgende:
Für den Transistor 10, die Widerstände 4,12 und 9 sowie die Zehnerdiode 6 sind die
gleichen Verhältnisse gegeben wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Dieser Teil
der Schaltung braucht deshalb nicht mehr erläutert zu werden. Es ist lediglich festzuhalten,
daß der Transistor 10 leitend ist, sofern die Spannung zwischen dem Pluspol 1 und
dem Minuspol 2 über dem kritischen Wert liegt. Ist dies der Fall und der Transistor
10 also leitend, so kann über den Leiter 3' der Basis des Transistors 14 kein Strom
zufließen, so daß dieser gesperrt ist.
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Der über den Widerstand 9 am Kollektor des Transistors 10 anstehende
Strom wird ja direkt über den Leiter 7' und den Leiter 7 zum Minuspô} 2 abgeleitet.
Da der Transistor 14 gesperrt ist, kann auch kein Strom über den Leiter 3" und den
Widerstand 13 sowie über die Leuchtdiode 11 zum Minuspol 2 fließen. Die Leuchtdiode
bleibt deshalb dunkel.
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Wird der Transistor 10 gesperrt, weil die Spannung zwischen dem Pluspol
1 und dem Minuspol 2 den kritischen Wert unterschreitet, so gelangt
der
über den Widerstand 9 ankommende Strom zur Basis des Transistors 14, wodurch dieser
leitend wird. Damit fließt in diesem Fall vom Leiter 3 über den Widerstand 13, den
Leiter 3", den Leiter 7", die Leuchtdiode 11 und den Leiter 7 Strom zum Minuspol
2, wodurch die Leuchtdiode 11 aufleuchtet und das Unterschreiten des kritischen
Wertes anzeigt. Zu beachten ist folgender Unterschied zwischen den Ausfahrungsbeispielen
der Fig. 2 und 3r Bei beiden Ausführungsbeispielen fließt ständig ein Strom über
den Widerstand 9. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 muß dieser Strom so groß bemessen
sein, daß damit die Leuchtdiode 11 zum Aufleuchten gebracht werden kann. Da dieser
Strom bei ausreichender Batteriespannung ebenfalls fließt, hat das Ausführungsbeispiel
der Fig. 2 einen vom Verbrauch der Leuchtdiode 11 bestimmten Verluststrom. Im Gegensatz
dazu muß beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 über den Widerstand 9 lediglich ein
Strom fließen, der ausreichend ist, um den Transistor 14 zu schalten. Dieser Strom,
der ebenfalls als Verluststrom angesehen werden muß, ist jedoch sehr viel kleiner
als beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Ein Strom, der durch den Verbrauch der
Leuchtdiode 11 bestimmt ist, fließt beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 nur, wenn
die Leuchtdiode 11 eingeschaltet ist.