DE2654311A1

DE2654311A1 - Einrichtung zum aufladen einer batterie aus einer quelle elektrischer energie

Info

Publication number: DE2654311A1
Application number: DE19762654311
Authority: DE
Inventors: Hubert Portmann
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1975-12-10
Filing date: 1976-11-30
Publication date: 1977-07-21
Also published as: FR2335081B1; DE2654311C3; DE2654311B2; GB1571892A; CH617822GA3; US4134057A; JPS5271645A; CH617822B; FR2335081A1

Description

EBAUCHES SA Neuchätel / Schweiz

Einrichtung zum Aufladen einer Batterie aus einer Quelle elektrischer Energie

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Aufladen einer Batterie mit Hilfe einer Quelle elektrischer Energie, welche Vorrichtung eine Diode und eine luandlerschaltung aufweist, welche Spannung und Strom der genannten Quelle den Ladebedingungen der Batterie anpassen kann.

Bestimmte Wandler transformieren eine Energie, die z.B. als mechanische, thermische, Strahlungs- oder Schwingungsenergie anfallen kann, in elektrische Energie. Wenn die anfallende Energie zufällig oder nach einer bestimmten Gesetzmässigkeit ändert, ist es klar, dass die durch den Wandler abgegebenen elektrischen Grossen den Kenndaten des Empfängers angepasst werden müssen, besonders, wenn es sich darum handelt, eine Batterie aufzuladen. Zur Vereinfachung dBr Beschreibung einer Wandlerschaltung, welche dieses Problem lösen kann, soll als Wandler eine Serieschaltung won Photoelementen betrachtet werden. Es ist klar, dass diese Wandlerschaltung auch in andern Fällen verwendet werden könnte.

Das Verhalten einer Silizium-Sonnenzelle wird durch die Kurven von Fig. 1 angegeben, die dsn durch die Zelle abgegebenen Strom I„ in Funktion der Klemmenspannung U_q für verschiedene Werte E , E _t E der Beleuchtung zeigen. Bei Beleuchtung WuIl (Kurve E) ist die Kennlinie der Zelle gleich JBner einer Diode. Für eine von Null verschiedene Beleuchtung, z.U. E , ist die Kurve um einen Wert I ... verschoben. Für diesen Beleuchtungswert E misst man im Leerlauf (d.h. bei I_ = O) eine Leerlaufspannung IL·. und im Kurzschluss (d.h. bei U = θ) einen Kurzschlusstrom L.. Der letztere

ist gleich dem Photostrom I ... Wenn die Zelle Energie an einen Verbraucher 19760/Fall 170

709829/0645

liefert, liegt ihr Arbeitspunkt in dem mit U bezeichneten Quadranten.

Um eine Batterie aufzuladen, kann man die im Schema von Fig. 2 gezeigte Vorrichtung werdenden, wobei S die lichtempfindlichen Elemente, A dia Batterie, H eine Last (z.B. eine elektronische Uhr) und D eine Diode darstellen, welche eine Entladung der Batterie über die lichtempfindlichen Elemente verhindert, uienn die Beleuchtung schwach ist.

uJenn man die Batterie in geladenem Zustand halten will, muss man mehrere, in Serie geschaltete lichtempfindliche Elemente verwenden, da die Spannung U eines Elementes nicht höher ist als 0,5 \1 und zwar selbst bei den vorteilhaftesten Lichtbedingungen (z.B. mittags bei vollem Sonnenlicht). Die Batterie lädt sich auf, wenn die Summe der Spannungen U aller in Serie geschalteter Elemente grosser ist als die Summe der Batteriespannung und der Schwellwertspannung der Diode D.. Der Mittelwert des Stromes I_c muss also mindestens gleich gross sein wie der Wert des durch die Last aufgenommenen Stromes I₁. Da die Batterie nicht ideal ist, muss:

I_ = kl_u wobei 1,1 ■£« <- 1,7

b π

Es sind bereits Mittel bekannte, um eine Ueberladung der Batterie zu verhindern oder um den entladenen Zustand anzuzeigen, eventuelle kombiniert mit einer Einrichtung zur Abschaltung der Last H bei einem bestimmten Entladungszustand.

Man weiss ebenfalls, dass die Beleuchtungsverhältnisse bei Armbanduhren im Allgemeinen schlecht sind, man weiss aber auch, dass lichtempfindliche Elemente mit bei Uhren verwendbaren Dimensionen genügend Energie zu deren Speisung liefern, sogar um das sicherzustellen, was die Lebenädauer der Batterie verlängert.

709829/0645

Das Problem bei der Verwendung von SonnBnzellen zur Sicherung der Ladung Binar Uhrenbattarie liegt im Folgenden:

- Der von einem Element lieferbare Strom ist abhängig von der Überfläche des Elementes.

- Die Klemmenspannung des Elementes ist proportional zur Beleuchtung des Elementes.

- Um auch bei schlechten Beleuchtungsbedingungen eine hinreichende Spannung für die Batterieladung zu erhalten, muss eine grosse Anzahl von Elementen in Serie geschaltet werden, die totale Oberfläche ist aber begrenzt durch die Dimensionen der Uhr, die Oberfläche jedes Elementes ist klein und der abgegebene Strom schwach.

.- Bei guten Beleuchtungsbedingungen liefert diese grosse Anzahl von Elementen in Serie eine beträchtlich zu hohe Spannung, die zur Verfügung stehende Energie wird also schlecht ausgenützt«

Um diese Energie besser auszunützen, müsste also, wenn die Beleuchtung einen bestimmten Pegel überschreitet, die Serieschaltung in zwei Serieschaltungen mit ja der halben Anzahl Elemente und unter sich parallelgeschaltet aufgeteilt werden. Die abgegebene Spannung würde dadurch gegenüber jener mit allen Elementen in Serie halbiert und der zur Verfügung stehende Strom würde verdoppelt· Diese Umschaltung der Elemente einmal in Serieschaltung, einmal in Serie-Parallelschaltung müsste mit Transistoren gemacht werden, die den maximalen Strom ertragen, was relativ grosse Abmessungen zur Folge hat.

Um dieses Problem zu lösen, wird gemäss der Erfindung eine Vorrichtung vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die genannte Schaltung mindestens zwei Eingänge 4ind einen Ausgang aufweist, wobei die beiden Eingänge mit den Klemmen dar genannten Quelle verbunden sind, während die genannte

709829/0645

Diode parallel zu einem der Eingänge und zum Ausgang angeordnet ist, und dass die genannte üJandlerschaltung derart ausgelegt ist, dass sie ab einem gewissen Wert des von der genannten Quelle gelieferten Stromes gesättigt ist, ujobei Ströme oberhalb das Sättigungawertea direkt durch die genannte Diode und Ströme unterhalb des Sättigun ,swertes durch die Wandlerschaltung fliessen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand dar Zeichnung nähBr erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Die Fig, 1 und 2, die in dar Einleitung bereits erwähnt wurden, die Kennlinien eines lichtempfindlichen Elementes und eine bekannte Art, um mit einer Anzahl dieser Elemente eine Batterie zu laden j Die Fig. 3 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung; Die Fig. 4 Kennlinien zur Erklärung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3}

Die Fig. 5 eine Uerallgemeinerung der Schaltung nach Fig. 3; Die Fig. 6 die Anordnung in C-WOS-Technologie der Schaltung nach Fig. 3} Die Fig. 7 das Prinzipschema einer verbesserten Version des Wandler·, bei welcher der inverse Strom vermieden werden kann; Die Fig. 8 die Anordnung in C-MOS-Technologie des Wandlers nach Fig. 7; Die Fig. 9 eine Variante der Schaltung nach Fig. 8 mit einer andern Messchaltungj

Die Fig. 10 Signale zur Erklärung der Schaltung nach Fig. 9; Die Fig. 11 einB Uerallgemeinerung des Prinzipschemas nach Fig« 7} Die Fig. 12 ein Prinzipschema eines andern Ausführungsbsiapieles der Erfindung mit einem induktiven Wandler.

709829/ΪΪ645

Eine erste Lösung des Problems ist im Schema won Fig. 3 gezeigt. Zur Schaltung nach Fig. 2 sind ein Kondensator C und zwei Umschalter K1 und KM hinzugefügt, die synchron arbeiten und in nicht gezeigter Weise durch ein Signal UJ gesteuert werden, das aus Rechtecken der Dauer t und t, besteht und eine fixe Frequenz aufweist. Das Signal ül kann z.B. v/on der Last H stammen. Der Kondensator C ist derart zwischen die Umschalter K1 und KM geschaltet, dass er parallel zu den lichtempfindlichen Elementen liegt mährend der Zeit t , während welcher die Umschalter K1 und ΚΊ in den Stellungen al beztu. a'1 sind, und dass er sich auf die Spannung U auflädt. Am Ende des Zeitintervallss t schalten K1 und K¹I um und ver-

bleiben während des Zeitinterv/alles t, in den Stellung b1 bezw. b'1. Dadurch addieren sich die Spannungen U (lichtempfindliche Elemente S) und U_n (Kondensator C).

Die während des Zeitintervalle^ t an den Kondensator C gelieferte Ladung Q ist gleich:

Sie ist ebenfalls gleich dem Produkt aus der Aenderung U„ der Klemmenspannung des Kondensators und dem Wert der Kapazität C:

q = AU„ · C
a C

I · t
wobei: AU_n = -= -

was ermöglicht, C und t derart zu wählen, dass Δ U_n unterhalb eines ge

3 Lj

gebefien Wertes bleibt, wobei I als bekannt angenommen wird.

709829/0645

UJenn man annimmt, dass: t = t_h = — (siehe Fig. 3)

^JS

a < b 2

U_q = konstant (innerer Widerstand der lichtempfindlichen Elemente *= 0)

U₀ = konstant (innerer Widerstand der Batterie «= 0)

R₁-- = R₁,., - R (gleicher Kontaktwiderstand der beiden Umschalter K1 und ΚΊ in beiden Kontaktstellungen)

kann man schreiben: !Jährend t : U_g = I · 2R + U„

Während t_fa: Ug = I_fa · 2R - U_Q + U_fl Im Dauerbetrieb ist die Ladung Q , die während der Zeit t durch die licht-

a a

empfindlichen Elemente dem Kondensator zugeführt wird, gleich der Ladung Q. , die der Batterie mährend der Zeit t. durch den Kondensator zugeführt u/ird. Daher sind auch die Ströme I und I, untereinander gleich. Sie sind im Weitern gleich dem durch die lichtempfindlichen Elemente abgegebenen Strom:

*a - h - ¹S

^US * 2 ^UA

_uobeis I₅-

Es ist ersichtlich, dass der von den lichtempfindlichen Elementen abgegebene Strom unabhängig von der Zeit ist und dass ar gleich dem Kurzechlussstrom einer Quelle mit der Leerlaufspannung U₅ - ■* U. und dan Innenwideratand 2R ist· Der Plomentanuert das dar Batterie zugaführtan Stromes ist konstant während dar Zeit t, und Null während dar ^zait t . Dar mittlere,

□ a

dar Batterie zugeführta Strom iat daher:

709829/0645

2854311

Daraus BE§£laifc sich der Folgende Wirkungsgrad des Wandlerss

Bar Wandlsr arbeitet wie Bin Spanniungstransarmator: Die ßusgangsspaiitnungj ist zweimal βσ grass wie die Eingangsspannung;,, dar ÄusgangsstEans halbi sa grass wie der Eingangsstcairt, Die Impedanzen werden ebenfalls im tiertnältnls 1 Ζω 4 transfarmiert* d.h» der «απ dar Seite der lichtempfindlichen Elemente ürsr gaseheFte Midairstaiiid ist 2R_r während ar won der BatterieseJLte hoe gesehen 8i üeträgit. ^

Bie Utoschalter Kt und! Κ^ΓΪ können; mit Hilfe van MOS—TransisteEBEi realisiert werden· Die Kennlinie I = f (ϋρ,ςί sinas solchen Transistors ist im der Piähe uan> I„ = EE -uRij-afäfov linear,- In diesem Falle- ist dia Annahme eines

konstanten Kantafcttiiidorstandes R aerechtigt» Dagegen kämmen die PtOS-Tran— sistoreft for relatia¹ grosss Merte der Spannung U_nc in die. Sättigung und hegrenzen den Strom». Uie später" erläutert uiird^ ermöglicht diese Eigenschaft_t,-den Wandler auch bsi starker Beleuchtung in Betrieb zu lassen» obwohl die von den lichtempfindlichen Elementen gelieferte- Spannung hinreichend hoch ist, um die Batterie phne Hilfe des Wandlers zu laden» In diesem Falle fliesst nur ein Teil des von den lichtempfindlichen Elementen gelieferten Stromes über den Wandler, der übrige Teil, der bei intensiver Beleuchtung 90-36 des getarnten Stromes ausmachen kann, fliesat direkt über die Diode D..

Die Fig. 4 zeigt qualitativ den uon der Batterie aufgenommenen Strom I irr Funktion der Beleuchtung E* Die Bezeichnungen I _r I und I _Q werden für die Ströme verwendet, die die Diode_t den Wandler bezut. die Kombination Diode +· Wandler durchflieseen* Es ist ersichtlich ₍ dass selbst in der Zone,, in welcher die Diode leitet, .die Anwesenheit dee Wandlers dim Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energie verbessert· Tatsächlich würden die

7Ö3829/064I

lichtempfindlichen Elemente ahne Wandler zu nahe bei Ihrer Leerlaufspanniung El arbeiten» di.iri« unter ungünstigen Bedingungen«

kann das In Flg. 3 dargestellte Prinzip des Wandlers generalisieren. Fi§. 5 zeigt 2.3«. einen Spartnungsvervierfächer» der nach dem gleichen Prinzip arbeitet» Es werden die gleichen !ezugszelchen verwendet, lediglich die Indizes unterscheiden die Klemmen der Umschalter,

Fig. 6 zeigt die Realisation des tifanaleps nach FIg, 3 in C-PIQS-Technologie. Die Transistoren T1_t T3 und T5 sind vom P—Typ, die Transistoren T2_t T4 und T6 sind vom Ei—Typ. Der Umschalter KI won Flg. 3 wird durch die Transistoren T1_f, T2 und T3 ersetzt, während der Umschalter K¹I durch die Transistoren T4_f T5 und T6 ersetzt trflrd» Das tnit CI bezeichnete Signal und sein inverses Signal EI übernahmen die Rolle des Slgnales ül in Fig. 3. Die beiden Signale ttierden ebenfalls durch die Verbraucherschaltung H geliefert. Öle Arbeitsweise Ist uiie folgt:

Mährend der Zeit t Ist das Signal CI negatiu und das Signal Cl positiv. Der Transistor T1 1st leitend und verbindet die positiven Pole dee Kondensators C und der lichtempfindlichen Elemente Sf die Traneistoren T4 und T5 sind ebenfalls leitend und verbinden die negativen Pole des Kondensators C und der lichtempfindlichen Elemente S. Der Kondensator C ist also parallel an dlB lichtempfindlichen Elemente geschaltet, d.h. ui· bei Fig. 3_t wenn sich die Umschalter K1 und KM in der Stellung al bezw. a'1 befinden. Während der Zelt t Ist das Signal Cl positiv und das Signal Cl negativ. Diesmal sind die Transistoren T2 und T3 leitend und verbinden den positiven Pol des Kondensators C mit dem negativen Pol der lichtempfindlichen Elemente. Der Transistor T6 ist ebenfalls leitend und verbindet den negativen Pol des Kondensators C mit dem negativen Pol der Batterie« Der Kondensator

709829/0645

C ist also mit den lichtempfindlichen Elementen in Serie geschaltet und lädt die Batterie A, wie dies der Fall ist in Fig. 3, uann sich die Umschalter in den Stellungen b1 bezui. b'1 befinden.

Wenn die Batterie eine Uhr speise.', soll, können die Elemente des Wandlers in der gleichen Schaltung integriert werden wie die Elemente der Uhr.

üie Integration der IIÜS-Transistoren vom P-Typ bereitet keine Schwierigkeiten. Ihr Substrat und ihre Quelle sind mit dem positiven Pol der Batterie verbunden, d.h. mit dem positivsten Potential der Schaltung. Die an ihr Gatter angelegten Steuersignale können dieses Potential erreichen und dadurch deren Sperrung sicherstellen, wenn dies notwendig ist.

Die Integration der Γ-IOS-Transistoren vom N-Typ stallt dagegen gewisse Probleme. Tatsächlich sind die (Quellen der Transistoren T2 und T4 mit dem negativsten Punkt der Schaltung, d.h. mit dem negativen Pol der lichtempfindlichen Elemente verbunden. Die an ihre Gatter angelegten Signale Cl und Cl werden durch die Uerbraucherschaltung H geliefert, deren negativer Pol mit dem negativen Pol der Batterie verbunden ist. Oder zwischen dem neagtiven Pol dar Batterie und dem negativen Pol der lichtempfindlichen Elemente befindet sich die Diode D1. Bei intensiver Beleuchtung fliesst ein beträchtlicher Strom über diese Diode und bewirkt einen Spannungsabfall in der Grössenordnung von 0,5 U. Der negative Pol der Batterie wird dann immer positiver sein als der negative Pol der lichtempfindlichen Elemente. Daraus ergibt sich, dass die Signale Cl und Cl immer positiv sind in Bezug auf die Quellen der Transistoren T2 und T4, sodass die letzteren nie vollständig gesperrt werden können. Dieser Umstand ist nicht störend, da dies nur bei intensiver Beleuchtung vorkämet, wenn der Strom im wesentlichen über die Diode Ü1 geliefert wird.

709829/0645

iJie Schaltungen nach Fig. 3₍und Fig. 6 haben einen Nachteil: Wenn die Beleuchtung schwach ist, kann die Batterie einen Rückstrom liefern, welcher den Kondensator C lädt, wenn die Umschalter in der Stellung b sind, bezw. wenn die Transistoren T2, T3 und TS leitend sind. Uer Kondensator kann sich dann auf die lichtempfindlichen Elemente S entladen, u/enn die Umschalter in ihrer Stellung A sind, bezw. u/enn die Transistoren T1, T4 und T5 leitend sind.

Eine in den Fig. 3 und 6 gestrichelt gezeichnete UiodB D2 könnte diesen Nachteil vermeiden, aber es muss dann sein:

^US ^{+ Ü}C > ^UA ^{+ U}D2

damit sich der Kondensator in die Batterie entladen kann, d.h. die Diode D2 führt βϊηβη zusätzlichen Verlust ein. Fig. 7 zeigt das Prinzip einer Schaltungsvariante, bei welcher der Wandler derart betrieben uiird, dass dieser Rückstrom vermieden uierden kann ohne dass damit die Spannung U überwunden werden muss. In der Schaltung nach Fig. 7 ist der Kondensator C zwischen zwei Umschalter K6 und K¹6 geschaltet, die die gleiche Funktion haben wie die Umschalter K1 und ΚΊ in Fig. 3. üJie dies der Fall ist in Fig. 3, ist der Kondensator während der Zeit t parallel zu den lichtempfindlichen Elementen geschaltet und während der Zeit t. in Serie dazu. Aber ein normalerweise in Stellung a7 stehender Umschalter K7 verhindert, dass sich der Kondensator C auf die Batterie A entladen kann, wenn die Spannung U = U_c + U„ , die am Eingang MC einer Plesschaltung ΓΊ erscheint,

IM 3 Va

nicht grosser ist als ein bestimmter Schuiellwert U_n. Wenn U_n grosser ist als U^₀, bewirkt die Schaltung PI das Umschalten des Umschalters K7 in die Stellung b7 und der Kondensator C kann sich auf die Batterie A entladen. Am Ende der Zeit t. gehen die Umschalter wieder in Stellung a, gleichzeitig geht K7 in Stellung a7.

709829/0645

Es ist also ersichtlich, dass dank des zusätzlichen Umschalters K7 die Batterie ^ich in keinem Falle auf den Kondensator C und von da auf die lichtempfindlichen Elemente S entladen kann.

Die Fig· B zeigt die Konfiguration des schematisch in Fig. 7 gezeigten Wandlers mit der Hasschaltung N in C-MüS-Technologie. Die Flesschaltung ujird durch Transistoren T7 und ΤΘ und durch die bistabile Schaltung B gebildet, die zwei miteinander verbundene NAND-Tore aufujeist. Die andern in Fig. sichtbaren Elemente haben die gleiche Funktion wie die entsprechenden Elemente \/on Fig. 6, Die IMesschaltung M, die die Umschaltung won K7 steuert, ujeist einen Transistor T7 vom P—Typ mit langem, schmalem Kanal auf, der so polarisiert ist, d.jss er immer leitend ist. Aufgrund seiner Ausbildung ist sein Sättigungsstrom relativ klein. Dieser Transistor T7 ist mit einem Transistor TS vom N-Typ mit kurzem, breitem Kanal in Serie geschaltet, der in der Lage ist, einen relativ grossen Strom mit geringem Spannungsabfall zu führen. Das Gatter dieses Transistors ist mit dem negativen Pol der Batterie verbunden. Der Transistor T8 ist Weiter mit der negativen Elektrode des Kondensators C und mit Transistor T6 verbunden, der die Rolle des Umschalters K7 in Fig, 7 übernimmt. Der Steuereingang B1 der Schaltung B ist mit dem l/erbindungspunkt der Transistoren T7 und T8 verbunden. Der andere Steuereingang B2 erhält das Signal Cl. Der Ausgang B3 der Schältung B steuert das Gatter des Transistors T6. Die Schaltung arbeitet wie folgt: Wenn das Signal Cl negativ ist, d.h. während der Zeit t , sind die Transistoren TI, T4 und T5 leitend und die Schaltung B ist in einem logischen Zustand und hült den Transistor T6 gesperrt. Der Kondensator C ist mit dan lichtempfindlichen Elementen parallelgeschaltet.

Wenn das Signal Cl positiv ist, d.h. während der Zeit t, , werden die Translatoren T2 und T3 leitend und dar Transistor T1 sperrt sich. Die Spannung

7098 29/06A5 ;

U = U + U erscheint am Eingang MC der Flesschaltung, d.h. an der Quelle des Transistors T8. Idenn diese Spannung LL₁ den Wert U^_n = U_n + LL_L

π nil A tho übersteigt, wobei U., „ die Schwellwertspannung des Transistors T8 ist, uird letzterer leitend _f der Eingang B1 der Schaltung B uiird negativ und die bistabile Schaltung kippt. Ueber ihren Ausgang B3 u/ird ein positives Potential an das Gatter des Transistors T6 gelegt, der leitend uird. Der Kondensator C kann sich also in die Batterie A entladen. Im Moment, in dem T6 leitend wird, sperrt sich T8 wieder. Am Ende der Zeit t, wird das Signal Cl wieder negativ, was die Schaltung B wiederum kippt und in der Folge den Transistor T6 wieder sperrt. Wenn T6 leitend ist, kann sich der Kondensator C unter folgender Bedingung in die Batterie A entladen:

wobei LL„ die Senke-Quallen-Spannung des Transistors T6 ist. Durch geeignete Wahl der Dimensionen von T6 kann diese Spannung sehr klein gehalten werden. Es ist also ersichtlich, dass die Schaltung nach Fig« B den Rückstrom verhindert, der in den Schaltungen nach Fig. 3 und 7 fliessen kann, ohne das» ein Spannungsabfall an der Diode D2 erzeugt wird.

Die Schaltung nach Fig. 8 hat aber dennoch den Nachteil, dass die Spannung am Punkt MC zur Einleitung des Kippens der bistabilen Schaltung gleich

%Z = ^UA ^{+ U}th8
ist und nicht nur U. = U_n, was ideal wäre.

I ILr M

Fig. 9 zeigt nun das Schema einer andern Messchaltung, die diB Bedingung ^umc « ^ua ^8rfüllt·

Diese Messchaltung weist die Transistoren T11 und T12 vom P-Typ mit geringem Sättigungsstrom und die Transistoren T13, T14, T15 und T16 vom N-Typ auf.

709829/0645

Uie Steuerschaltung van Transistor T6 besteht aus einem Ü-Flip-Flop. Die Aenderung in Funktiun dt;r Zeit der verschiedenen Signale Cl, Cl, P1 und P2, die in der Schaltung einwirken, ist in Fig. 10 gezeigt. Die Arbeitsweise der Schaltung ist nie folgende: Während der Zeit t sind die Signale P1 und P2 positiv, üie Transistoren T11 und T12 sind gesperrt und die Transistoren T13 und T14 sind leitend, was den Punkt D negativ macht. Das Signal Cl ist ebenfalls positiv, was den Ausgang Q des Flip-Flops auf ein negatives Potential zwingt. ÜBr Transistor T6 ist gesperrt. Der Kondensator C ist mit den lichtempfindlichen Elementen parallelgBschaltet, wie oben beschrieben. Zu Beginn der Zeit t, werden die Signale Cl und P1 negativ und das Signal Cl positiv, was am Zustand der f'lesschaltung nichts ändert, aber die Serieschaltung von Kondensator C mit den lichtempfindlichen Elementen bewirkt. Nach einer Zeit t, wird das Signal P2 seinerseits negativ. Die Transistoren T13 und T14 sperren und die Transistoren T11 und T12 werden leitend. Die Transistoren T15 und T16 sind also so polarisiert, dass die Potentialdifferenz zwischen ihren Quellen verstärkt an ihren Senken erscheint. So wird also, wenn der Γ-unkt RC, der mit der Quelle von T15 verbunden ist, positiv ist gegenüber dem negativen Pol der Batterie, der mit der Quelle von T16 verbunden ist, der Punkt D, der mit der Senke von T15 verbunden ist, positiv. Wenn jedoch der Punkt NC negativ ist gegenüber dem negativen Pol der Batterie, wird der Punkt D auch negativ. Welches Potential auch D einnimmt, ändert der Ausgang Q von Flip-Flop 10 seinen Zustand nicht und T6 bleibt gesperrt.

Am Ende der Zeit t „ wird das Signal P1 wiederum positiv. In diesem Moment wird der Zustand am Eingang D des Flip-Flops 10 invertiert zum Ausgang Q übertragen. Wenn D positiv ist, bleibt Q negativ und T6 gesperrt, so dass die Batterie A den Kondensator C nicht laden kann. Wenn D negativ ist, bleibt Q

709829/0645

positiv und T6 leitend, uer Kondensator C kann sich also in die Batterie A entladen.

Am finde der Zßit t „ uirci das Signal P2 wieder positiv. Uie Transistoren T11 und T12 sperren und die Transistoren T115 und T14 werden mieder lfiitend. üer Zustand won Ausgang U des Flip-Flops 10 und daher auch von Transistor T6 blnibt unverändert.

Am Ende der Zeit t wird das Signal Cl wiederum positiv, so dass .der Ausgang Q des Flip-Hops wieJer den negativen Zustand einnimmt und daher Transistor T6 gesperrt wird. Es ist ersichtlich, dass diese Anordnung die Umschaltung von T6 bei einer Spannung U bewirkt, die wenig negativer als

I ILj

die Spannung U ist. uie Spannung U , die bei der Schaltung nach Fig. 8 M tnö

überwunden worden musste, um die Umschaltung von T6 zu bewirken, ist nicht mehr vorhanden. UiB Schaltung nach Fig. 9 ist also empfindlicher, allerdings unter Inkaufnahme der Notwendigkeit, die Signale P1 und P2 erzeugen zu müssen. Es ist zu bemerken, dass die Summe der Zeiten t, „ + t,„ so klein wie möglich sein sollte, um die Uerluste zu begrenzen, die entstehen, WBnn die Transistoren T11 und T12 leitend sind. Anderseits können t und t. ₃ sehr kurz sein, da sie lediglich einer richtigen Arbeitsweise des Flip-Flops 10 dienen. Es genügt für neren Erzeugung, zwei Inverter in Serie zu schalten zwischen den Signalen P1 und P2.

Plan kann das Grundprinzip der Schaltung nach Fiy. 7 generalisieren, wie dies Fig. 11 zeigt, üia Umschalter K10, ΚΊ0, K12_f KM2, K13 und KM3 arbeiten synchron, wie die Umschalter K6 und K¹S der Schaltung nach Fig. 7. Die Umschaltur K11 und K14 werden durch die Fiesschaltungeh M1 bezw. f12 gesteuert. Wenn K10 und K¹IO in Stellung b10 beziu. b'10 sind, misst die Schaltung 1*11

709829/0645

eine Spannung U — LL-+■ "LL _.. Kür einen bestimmten üeleuchtungspegel E üborsteigt die Spannung U uie Spannung LL. In diBsem Falle bewirkt M1

rl I M

das Umschalten van KIT ind Stellung b11, was den negativen Pol der Batterie A mit dem negativen. Pol nes Kondensators C1Ü verbindet. Der Ladestrom der Batterie A fliesst also nicht über die Umschalter K12-K14. Wenn diB Beleuchtung den Wert E nicht erreicht, ist U kleiner als U . In diesnm

xi in μ

Fall, hält die Schaltung 1*11 den Umschalter K11 in seiner Stellung all. Dia Schaltung M2 misst dann eine Spannung U = U + U„ + LL + U „ . denn die Beleuchtung einen Pegel E erreicht, wird die Spannung Up^ grosser als die Spannung U_n. Uie Schaltung M2 bewirkt dann das Umschalten von K14 in seine Stellung, b-14 und der negative Pol der Batterie" A wird mit dem negativen Pol des Kondensators C13 verbunden. In diesem Falle fliesst der Ladestrom zur Batterie A, der kleiner ist als im vorherigen Fall, als die Beleuchtung den Pegel E überstieg, über die Umschalter K12 -■ K14 und über die Kondensataren

Xl "

C11 und Cl2. Wenn die Beleuchtung den Pegel E nicht erreicht, hält die

Schaltung 1*12 den Umschalter K14 in Stellung a14 ,und es fliesst überhaupt kein Strom in der Schaltung, die Batterie A kann sich auch nicht auf die Sonnenzellen entladen.

Es ist ersichtlich, dass die Umschalter K11 — K14 die Inbetriebnahme einer Wandlerstufe verhindern, wenn die vorausgehenB Stufe bereits eine hinreichende Spännung liefert. Wan könnte in gleicher Art auch eine Messung am Eingang des Wandlers machen, bei MO, um jede Umschaltung zu verhindern, wenn die Beleuchtung intensiv ist. Es wurde aber bereits gazeigt, dass in diesem Falle der grösste Teil der Energie direkt über die Diode D1 an die Batterie A abgegeben ujird. Die durch das Arbeiten des Wandlers bewirkte Verkleinerung des Wirkungsgrades ist in diesem Fall nicht so gross, dass sich der Aufwand für die zusätzliche Messung bei MÜ lohnen würde. Dia Umschalter K1D - K14 und

709829/0645

:Ie Nesschaltungen Γ·11 und R2 von Fin. 11 können natürlich durch Schaltungen ersetzt werden, die ftOS-Transistoren aufweisen, genau gleich wie dies in Zusammenhang mit FIg. 9 beschrieben wurde. Es wurde oben gezeigt, dass die Umschalter K12 — K14 nicht vom ütrom durchflossen sind, ausser wenn die Beleuchtung schwach ist. Daraus ergibt sich, de;ss die für den Ersatz dieser Umschalter uestlrwntan HOS—Transistoren geringe Abmessungen aufweisen können. Dagegen müssen iiie Umschaltsr K1ü, K¹IQ und K11 einen grösseren Strom führen, wenn die Beleuchtung stark Ist. Uie sie ersetzenden MOS—Transistoren müssen daher entsprechende Dimensionen aufweisen. Die Diode D1 endlich muss einen ganz beträchtlichen Strom führen können, wenn nie Sonnenzellen z.B. der vollen Sonne ausgesetzt sind. In der Praxis müssen die verschiedenen Elemente so ausgelegt sein, dass sie ungefähr die folgenden Ströme führen können:

- Diode U1 2 ma (Zellen an voller Sonne)

- Transistoren als Ersatz der Um— G,1 ma (mittlere Beleuchtung) schalter K10 - K14

- Transistaren als Ersatz der Um- Ü,Ü2 ma (schwache Beleuchtung) schalter K12 - K14

Es ist klar, dass bei einer Schaltung ähnlich jener von Fig. 11 die Anzahl der iiJandlGrstufen, die je einen Kondensator und die nötigen Umschalter aufweisen, und die Anzahl und Anordnung der f'lesspunkta frei gewählt werden können, um die von den lichtempfindlichen Elementen gelieferte Energie immer möglichst gut auszunützen. Fig. 11 zeigt lediglich eine mögliche Ausführungsform.

Die Fig. 12 zeigt ein anderes IJandlerprinzip, um die Energie dar lichtempfindlichen Elemente rationell auszunützen. Der Wandler weist eine 5pule mit einer Induktivität L und einem Innenwiderstand R. auf. Ein Umschalter K15

709829/0645

kann zwei Stellungen a15 und b15 einnehmen. Eine Diode D1 hat die gleiche Aufgabe wie in den vorher beschriebenen Schaltungen. Der Wandler arbeitet folgendermassen:

Der Umschalter K15 wird durch ein Signal Ui15 gesteuert, das in einer nicht gezeigten üJeise in der Nutzschaltung H erzeugt wird, und zwar derart, dass er während einer Zeit t in Stellung a15 und während einer Zeit t. in

3 D

Stellung b15 ist. Wie später gezeigt wird, können aiese Zeiten t und t

sich ändern, deren Summe t bleibt aber konstant. Die Spannung Uy' hat daher den Wert "0" während der Zeit t und den Wert U_n während uer Zeit t.. Ihr

a A b

Mittelwert U,/> ist dann:

A t + t. ab

oder wenngesetzt uird: = t/>

a b

Die Zeitkonstante T = — der Induktivität wird sehr \/iel grosser als die

^L 1

Zeit t = t + t gewählt. Die Repetitionsfrequenz f = τ· des Signals U15 ist ab x*

fest. Die Induktivität hält den Strom I trotz rascher Aenderung der Spannung Uu? relativ/ konstant. ΊιΙβηη man wie oben annimmt, dass der Innenwiderstand der lichtempfindlichen Elemente Null ist, ist der Wert des Stromes I gegeben durch: __

■u₅-u

^RL

uieser Strom I wird an die Batterie abgegeben, wenn der Umschalter K15 in Stellung b15 ist, auch wenn U kleiner ist als U_fl. Es genügt sicherzustellen, dass U/^ kleiner ist als υ_ς.

709829/0645

Die Schaltung arbeitet wie ein Spannungswandler mit einem Uebersetzungsverhältnis y* . Uenn man weiterhin annimmt, dass die Innenwiderstände der lichtempfindlichen i-lementB und der Batterie Null seien (idealfall), kann man den Wirkungsgrad ^j der Schaltung wie folgt berechnen:

Wenn man berücksichtigt, dass

= ^UA * ¹A

u„ =

A ψ

und dass Up> = U - R · I

kann man schreiben:

Man sieht also, dass, wenn R. = 0, die von den lichtempfindlichen Elementen gelieferte Energie durch die Batterie vollständig aufgenommen wird.

Es ist bereits bekannt, dass es möglich ist, das zyklische Verhältnis eine« Signales in Funktion dar von einem lichtempfindlichen Element aufgenommenen Beleuchtung zu verändern. Diese Technik uird z.B. verblendet, um die Helligkeit der Anzeige einer Uhr mit Leuchtdioden in Funktion der Helligkeit der Umgebung zu verändern. Wir beschränken uns darauf, zu beschreiben, uiie das zyklische Uerhälnis Λ'ändern soll:

709829/0645

Für eiriEi sehr schwache Beleuchtung muss Cf = U sein, da die Verluste im Wandler, d.h. im Widerstand ft , die ganze von den lichtempfindlichen Elementen QBliofeEts tnergie absorbieren. Es ist ersichtlich, dass in diesem Fall t, = 0 sein muss, d.h. dass der Umschalter K15 in Stellung a15 bleiben muss. Bei ansteigender Beleuchtung muss γ> ebenfalls ansteigen, um den üJert 05== 1 zu erreichen bei einer Beleuchtung, bei welcher die Diode D1 zu

leiten beginnt. In diesem Ffoment muss t = 0 sein, d.h.* der Umschalter K15

muss in Stellung bl5 bleiben. Uer Wandler ist inaktiv und lediglich der Diode D1 parallelcieschaltet. Lter Umschalter K15 von Fig. 12 kann mit Hilfe eines Transistors vom-N-Typ und oines Transistors vom P-Typ realisiert werden, wobei deren Gatter parallel derart angesteuert werden, dass während der Zeit t einer der Transistoren leitend ist und der andere gesperrt, und

umgekehrt während der Zeit t.

Anders Anwendungen der oben beschriebenen Anordnung sind denkbar. Denkbar wären z.B.' Radiobaken im Meer, Funkfernsprecher in Berghütten, FernsehumsetzBr in schwer zugänglichen Gegenden oder salbst die teilweise Versorgung eins» Hauses mit elektrischer Energie, Bei allen diesen Anwendungen in vom Aequator entfernten Zonen, wo die Basonnung in sehr grossent Umfang ändern kann» verbessert die vorliegende Anordnung den Wirkungsgrad der Sonnenzellen ganz beträchtlich.

70 9829/0645

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Hinrichtung zum Aufladen einer Batterie aus einer Quelle elektrischer Energie, welche Vorrichtung eine Diode und eine wandlerschaltung aufweist, welche Spannung und Strom der genannten Quelle den Ladebedingungen der Batterie anpassen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte bJandlsrschaltung mindestens zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, wobei die beiden Eingänge mit den Klemmen der genannten Quelle verbunden sind, während die genannte Diode parallel zu einem der Eingänge und zum Ausgang angeordnet ist, und dass die genannte Uandlerschaltung derart ausgelegt ist, dass sie ab einem gewissen üJert des von der genannten Quelle gelieferten Stromes gesättigt ist, wobei Ströme oberhalb des Sättigungswertes direkt durch die genannte Diode und Ströme unterhalb das Sättigungswertes durch die Wandlerschaltung fliessen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Wandler mindestens eine aus einem Kondensator und Umschaltern mit zwei Stellungen gebildete Kombination aufweist, wobei zwei der Umschalter synchron mit einer gewissen Frequenz gesteuert werden und so angeordnet sind, dass in einer der beiden Stellungen der Kondensator parallel zu den genannten lichtempfindlichen Elementen geschaltet ist und dass in der andern dar beiden Stellungen der Kondensator in Serie mit den lichtempfindlichen Elementen und mit der genannten Batterie geschaltet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messschaltung, welche auf die Summe der Spannungen der genannten lichtempfindlichen Elemente und des genannten Kondensators, wenn die beiden in Serie geschaltet sind, anspricht, die Umschaltung eines dritten der genannten Umschalter bewirkt, so dass, wenn die genannte Summe der Spannungen kleiner

709829/0645

; ORiQiMALINSPECTED--

ist als ein bestimmter Schwellwert, sich der dritte Umschalter in einer ersten Stellung befindet, in welcher die Batterie nicht mit dem Kondensator verbunden ist und dadurch eine Enladung der Batterie in den Kondensator verhindert, und dass, wenn die renannte Summe der Spannungen grosser ist als der genannte Schwellwert, sich der dritte Umschalter in einer zweiten Stellung befindet, in welcher die Batterie in Serie geschaltet ist mit dem Kondensator und den lichtempfindlichen Elementen, so dass die Ladung der Batterie möglich ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte liiandlar eine Induktivität und einen Umschalter mit zwei Stellungen aufweist, der durch ein Signal einer bestimmten Frequenz gesteuert wird und derart ausgelegt ist, dass die genannte Induktivität in einer der Stallungen des Umschalters parallel zu den lichtempfindlichen Elementen geschaltet ist, und in der andern Stellung des Umschalters in Serie zu den lichtempfindlichen Elementen und der Batterie geschaltet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Verhältnis der genannten Frequenz des Steuersignales des Umschaltars veränderbar ist in Funktion der Beleuchtung der lichtempfindlichen Elemente.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dia genannten Umschalter und/oder die genannten Messchaltungen aus Halbleiterelementen bestehen.

7013829/0646