DE2654311B2

DE2654311B2 - Einrichtung zum Aufladen einer Batterie aus einer Stromquelle variabler Spannung

Info

Publication number: DE2654311B2
Application number: DE2654311A
Authority: DE
Inventors: Hubert Colombier Portmann (Schweiz)
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1975-12-10
Filing date: 1976-11-30
Publication date: 1980-04-24
Also published as: DE2654311A1; GB1571892A; JPS5271645A; US4134057A; CH617822B; FR2335081A1; CH617822GA3; FR2335081B1; DE2654311C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Aufladen einer Batterie aus einer Stromquelle variabler Spannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bestimmte Wandler transformieren eine Energie, die z. B. als mechanische, thermische, Strahlungs- oder Schwingungsenergie anfallen kann, in elektrische Energie. Wenn sich die anfallende Energie zufällig oder nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit ändert, ist es klar, daß die durch den Wandler abgegebenen elektrischen Größen den Kenndaten des Empfängers angepaßt werden müssen, besonders, wenn es sich darum handelt, eine Batterie aufzuladen. Zur Vereinfachung der Beschreibung einer Wandlerschaltung, welche dieses Problem lösen kann, soll als Wandler eine Serienschaltung von Photo-Elementen betrachtet werden. Es ist klar, daß diese Wandlerschaltung auch in anderen Fällen verwendet werden könnte.

Das Verhalten eines Photoelementes, z. B. einer Silizium-Sonnen-Zelle wird durch die Kurven von F i g. 1 angegeben, die den durch die Zelle abgegebenen Strom /9 in Funktion der Klemmenspannung U_s für verschiedene Werte E₀, E₁, E₂ der Beleuchtung zeigen. Bei Beleuchtung Null (Kurve £ό) ist die Kennlinie der Zelle gleich jener einer Diode. Für eine von Null verschiedene Beleuchtung, z. B. £Ί, ist die Kurve um einen Wert l_Ph\ verschoben. Für diesen Beleuchtungswert E\ mißt man im Leerlauf (d.h. bei Is=O) eine Leerlaufspannung U<>\ und im Kurzschluß (d.h. bei Us-O) einen Kurzschlußstrom /«ι- Der letztere ist gleich dem Photostrom I_pb\. Wenn die Zelle Energie an einen Verbraucher liefert, liegt ihr Arbeitspunkt in dem mit Qbezeichneten Quadranten.

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

Wenn man die Batterie in geladenem Zustand halten will, muß man mehrere, in Serie geschaltete lichtempfindliche Elemente verwenden, da die Spannung LZ₀ eines Elementes nicht höher ist als 0,5 V, und zwar selbst bei den vorteilhaftesten Lichtbedingungen (z. B. mittags bei vollem Sonnenlicht). Die Batterie lädt sich auf, wenn die Summe der Spannungen ZJ₀ aller in Serie geschalteter Elemente größer ist als die Summe der Batteriespannung und der Schwellwertspannung der Diode D]. Der Mittelwert des Stromes Ts muß also mindestens gleich groß sein wie der Wert des durch die Last aufgenommenen Stromes ///. Da die Batterie verlustbehaftet ist, muß:

/s = λ/;/ wobei 1,1<«<1,7

Es sind bereits Mittel bekannt, um eine Überladung der Batterie zu verhindern oder um den entladenen

Zustand anzuzeigen, eventuell 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, und die Batterie geladen halten.

Aus ETZ-A Bd. 92 (1971), S. 114, 115, ist ein Hochsetzwandler bekannt, bei welchem die Kombination einer Induktivität und eines Schalters erlaubt, bei geschlossenem Schalter einen Strom von einem Generator in der Induktivität steigen zu lassen und zu speichern und bei geöffnetem Schalter diesen Strom durch eine Diode in einen Verbraucher fließen zu lassen, wobei in diesem Zustand der Generator, die Induktivität, die Diode und der Verbraucher in Serie geschaltet sind.

Eine solche Schaltung erlaubt eine höhere Spannung als die Generatorspannung an den Klemmen des Verbrauchers zu erzeugen, aber die Spanm:ngsabfälle durch die Diode, die als Rückstromsperrdiode dient, und den ohmschen Widerstand der Induktivität stellen unerwünschte Energieveriuste dar, und die Induktivität kann nicht als Element einer integrierten Schalt-.ng ausgeführt werden.

Das Problem bei der Verwendung von Sonnen-Zellen zur Sicherung der Ladung einer Uhrenbatterie liegt im folgenden:

— Der von einem Element lieferbare Strom ist abhängig von der Oberfläche 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 Verfugung 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 je 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 im 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 der Eingang der SpannungserhöhungsschaUung mit den Klemmen der Stromquelle und eine der Ausgangsklemmen der Spannungserhöhungsschaltung mit einer der Klemmen der Batterie verbunden ist, und daß die Diode zwischen einer der Klemmen der Stromquelle und der genannten Ausgangsklemme der Spannungserhöhungsschaltung angeordnet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 und 2, die in der Einleitung bereits erwähiit wurden, die Kennlinien eines lichtempfindlichen EIementes und eine bekannte Art, um mit einer Anzahl dieser Elemente eine Batterie zu laden,

F i g. 3 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung,

F i g. 4 Kennlinien zur Erklärung der Arbeitsweise der ι η Schaltung nach F i g. 3,

F i g. 5 eine Verallgemeinerung der Schaltung nach Fig. 3,

Fig.6 die Anordnung in C-MOS-Technologie der Schaltung nach F i g. 3,

ιό Fig. 7 das Prinzipschema einer verbesserten Version des Wandlers, bei welcher der inverse Strom vermieden werden kann,

Fig.8 die Anordnung in C-MOS-Technologie des Wandlers nach F i g. 7,

F i g. 9 tine Variante der Schaltung nach F i g. 8 mit einer anderen Meßschaltung,

Fig. 10 Signale zur Erklärung der ^haltung nach Fig. 9,

F i g. 11 eine Verallgemeinerung des Prinzipschemas ,_ „_o„i, c ; « ι -' ■■"·-" ■ ■ ö- "

Fig 12 ein Prinzipschema eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung mit einem induktiven Wandler.
Eine erste Lösung des Problems ist im Schema von

jo Fig.3 gezeigt. Zur Schaltung nach Fig.2 sind ein Kondensator C und zwei Umschalter KX und K'\ hinzugefügt, die synchron zueinander arbeiten und in nicht gezeigter Weise durch ein Signal W gesteuert werden, das aus Rechtecken der Dauer t„ und /;, besteht

)-, und eine fixe Frequenz aufweist. Das Signal Wkann z. B. von der Last H stammen. Der Kondensator C ist derart zwischen die Umschalter K 1 und K' 1 geschallet, daß er parallel zu der Stromquelle 5 aus lichtempfindlichen Elementen liegt während der Zeit f_Ä während welcher

■κι die Umschalter K 1 und K'\ in den Stellungen a I bzw. a'\ sind, und daß er sich auf die Spannung Uc auflädt. Am Ende des Zeitintervalles /.,schalten K 1 und K'\ um und verbleiben während des Zeitintervalles th in der Stellung b 1 bzw. b' 1. Dadurch addieren sich die

■r, Spannungen LA,· (lichtempfindliche Elemente) und Uc (Kondensator C).

Die während des Zeitintervalles f., an den Kondensator Cgelieferte Ladung Q-, ist gleich:

Sie ist ebenfalls gleich dem Produkt aus der Änderung LV der Klemmenspannung des Kondensators und dem Wender Kapazität C:

Q₁, = \U_CC

wobei

was ermöglicht, C und /,, derart zu wählen, daß AUc unterhalb eines gegebenen Wertes bleib), wobei Is als bekannt angenommen wird.
Wenn man annimmt, daß:

h = ti, = |(s>eheF;g. 3)

Us = konstant (innerer Widerstand der lichtempfindlichen Elemente = 0)

U.\ = konstant (innerer Widerstand der Batterie =0)

Mk <: ,

R_KI = R_K-₍ = R (gleicher Kontaktwiderstand der beiden Umschalter Ki und K'\ in beiden Kontaktstellungen)

kann man schreiben:

Während /.,: Us
Während l_h: Us

I, ■ 2R + U₁ l_b-2R- U₁ +

Im Dauerbetrieb ist die Ladung Q_a, die während der Zeit t, durch die lichtempfindlichen Elemente dem Kondensator zugeführt wird, gleich der Ladung Qt, die der Batterie während der Zeit tt durch den Kondensator zugeführt wird. Daher sind auch die Ströme /., und lh untereinander gleich. Sie sind im weiteren gleich dem durch die lichtempfindlichen Elemente abgegebenen Strom:

wobei

2R

Es ist ersichtlich, daß der von den lichtempfindlichen Elementen abgegebene Strom unabhängig von der Zeit ist und daß er gleich dem Kurzschlußstrom einer Quelle

mit der Leerlaufspannung Us-jUa und dem Innenwiderstand IR ist. Der Momentanwert des der Batterie zugeführten Stromes ist konstant während der Zeit tt und Null während der Zeit /.,. Der mittlere, der Batterie zugeführte Strom ist daher:

L =

Daraus ercibt sich der folgende Wirkungserad des Wandlers:

Der Wandler arbeitet wie ein Spannungstransformator: Die Ausgai.gsspannung ist zweimal so groß wie die Eingangsspannung, der Ausgangsstrom halb so groß wie der Eingangsstrom. Die Impedanzen werden ebenfalls im Verhältnis 1 zu 4 transformiert, d. h. der von der Seite der lichtempfindlichen Elemente her gesehene Widerstand ist IR, während er von der Batterieseite her gesehen BR beträgt.

Die Umschalter Ki und K'\ können mit Hilfe von MOS-Transistoren realisiert werden. Die Kennlinie lo=f(UDs) eines solchen Transistors ist in der Nähe von Ip=O ungefähr linear. In diesem Falle ist die Annahme eines konstanten Kontaktwiderstandes R berechtigt. Dagegen kommen die MOS-Transistoren für relativ große Werte der Spannung Uos in die Sättigung und begrenzen den Strom. Wie später erläutert wird, ermöglicht diese Eigenschaft, den Wandler auch bei starker Beleuchtung in Betrieb zu lassen, obwohl die von den lichtempfindlichen Elementen gelieferte Spannung

hinreichend hoch ist, um die Batterie ohne 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% des gesamten Stromes ausmachen kann, fließt direkt über die Diode D\.

Die Fig.4 zeigt qualitativ den von der Batterie aufgenommenen Strom U in Funktion der Beleuchtung E Die Bezeichnungen In, U und U >o werden für die Ströme verwendet, die die Diode, den Wandler bzw. die Kombination Diode +Wandler durchfließen. Es ist ersichtlich, daß selbst in der Zone, in welcher die Diode leitet, die Anwesenheit des Wandlers die Ausnutzung der zur Verfugung stehenden Energie verbessert. Tatsächlich würden die lichtempfindlichen Elemente ohne Wandler zu nahe bei ihrer Leerlaufspannung Un arbeiten, d. h. unter ungünstigen Bedingungen.

Man kann das in Fig. 3 dargestellte Prinzip des Wandlers generalisieren. Fig. 5 zeigt z.B. einen Spannungsvervierfacher, der nach dem gleichen Prinzip arbeitet. Es werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, lediglich die Indizes unterscheiden die Klemmen der Umschalter.

F i g. 6 zeigt die Realisation des Wandlers nach F i g. 3 in C-MOS-Technologie. Die Transistoren 71, 73 und 7"5 sind vom P-Typ, die Transistoren 72, 74 und 76 sind vom N-Typ. Der Umschalter Ki von Fig.3 ist durch die Transistoren 71. 72 und 73 ersetzt, während der Umschalter K'\ durch die Transistoren 74, 75 und 76 ersetzt ist. Das mit Cl bezeichnete Signal und sein inverses Signal Cl übernehmen die Rolle des Signals IV in F i g. 3. Die beiden Signale werden ebenfalls durch die Last Wgeliefert. Die Arbeitsweise ist wie folgt:

Während der Zeit t., ist das Signal C/negativ und das Signa! Cl positiv. Der Transistor 71 ist leitend und verbindet die positiven Pole des Kondensators C und der Stromquelle S (lichtempfindliche Elemente); die Transistoren 74 und 75 sind ebenfalls leitend und verbinden die negativen Pole des Kondensators C und der Stromquelle S. Der Kondensator C ist also parallel an die Stromquelle 5 geschaltet, d.h. wie bei Fig. 3, wenn sich die Umschalter K i und K'i in der Stellung a 1 b;;w. a'i befinden. Während der Zeit tt ist das Signal Cl positiv und das Signal Cl negativ. Diesmal sind die Transistoren 72 und 73 leitend und verbinden den positiven Pol des Kondensators C mit dem negativen Pol der Stromquelle S. Der Transistor 76 ist ebenfalls leitend und verbindet den negativen Pol des Kondensators C mit dem negativen Pol der Batterie. Der Kondensator C ist also mit der Stromquelle 5 in Serie geschaltet und lädt die Batterie A, wie dies der Fall ist in Fig. 3, wenn sich die Umschalter in den Stellungen bi bzw. b' 1 befinden.

Wenn die Batterie eine Uhr speisen soll, können die Elemente der Stromquelle S in der gleichen Schaltung integriert werden wie die Teile der Uhr.

Die Integration der MOS-Transistoren 71, 73, 75 vom P-Typ bereitet keine Schwierigkeiten. Ihr Substrat und ihre Quellenelektrode 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 MOS-Transistoren T2, 74, 76 vom N-Typ stellt dagegen gewisse Probleme. Tatsächlich sind die Quellenelektroden der Transistoren 72 und 74 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 Last H geliefert, deren negativer Pol rriit dem negativen Pol der Batterie verbunden ist. Oder zwischen dem negativen Pol der ■> Batterie und dem negativen Pol der lichtempfindlichen Elemente befindet sich die Diode DX. Bei intensiver Bele/>htung fließt ein beträchtlicher Strom über diese Diode und bewirkt einen Spannungsabfall in der Größenordnung von 0,5 V. Der negative Pol der Batterie wird dann immer positiver sein als der negative Pol der lichtempfindlichen Elemente. Daraus ergibt sich, daß die Signale C/und C/immer positiv sind in bezug auf die Quellenelektroden (j_er Transistoren 7*2 und 74, so daß die letzteren nie vollständig gesperrt werden r> können. Dieser Umstand ist nicht störend, da dies nur bei intensiver Beleuchtung vorkommt, wenn der Strom im wesentlichen über die Diode D1 geliefert wird.

Die Schaltungen nsch F i g. 3 \ιτά F i g. 5 hsbcn einen Nachteil: Wenn die Beleuchtung schwach ist, kann die m Batterie einen Rückstrom liefern, welcher den Kondensator C'lädt. wenn die Umschalter in der Stellung b sind bzw. wenn die Transistoren 72, 73 und 76 leitend sind. Der Kondensator kann sich dann über die lichtempfindlichen Elemente entladen, wenn die Umschalter in ihrer 2"> Stellung A sind bzw. wenn die Transistoren 7*1, 74 und 75 leitend sind.

Eine in den Fig.3 und 6 gestrichelt gezeichnete Diode D 2 könnte diesen Nachteil vermeiden, aber es muß dann sein: so

Js+Ui > Ua+Up₂

damit sich der Kondensator in die Batterie entladen kann, d. h„ die Diode D 2 führt einen zusätzlichen Verlust ein. j >

F i g. 7 zeigt das Prinzip einer Schaltungsvariante, bei welcher der Wandler derart betrieben wird, daß dieser Rückstrom vermieden werden kann, ohne daß damit die Spannung Um überwunden werden muß. In der Schaltung nach F i g. 7 ist der Kondensator C zwischen w zwei Umschalter K 6 und K'6 geschaltet, die die gleiche Funktion haben wie die Umschalter KX und K'X in Fig.3. Wie dies der Fall ist in Fig.3, ist der Kondensator während der Zeit t, parallel zu den lichtempfindlichen Elementen geschaltet und während der Zeit f(, in Serie dazu. Aber ein normalerweise in Stellung a 7 stehender Umschalter K 7 verhindert daß sich der Kondensator C auf die Batterie A entladen kann, wenn die Spannung

Uu= Us+ Uc.

die am Eingang MC einer Meßschaltung M erscheint, nicht größer ist als ein bestimmter Schwellwert Umo-Wenn Um größer ist als Umo, bewirkt die Schaltung M das Umschalten des Umschalters K 7 in die Stellung b 7, und der Kondensator C kann sich auf die Batterie A entladen. Am Ende der Zeit t_b gehen die Umschalter wieder in Stellung a, gleichzeitig geht K 7 in Stellung a 7.

Es ist also ersichtlich, daß dank des zusätzlichen Umschalters K 7 die Batterie sich in keinem Fall auf den Kondensator C und von da auf die lichtempfindlichen Elemente 5 entladen kann.

Die F i g. 8 zeigt die Konfiguration des schematisch in F i g. 7 gezeigten Wandlers mit der Meßschaltung M in C-MOS-Technologie. Die Meßschaltung wird durch Transistoren 7*7 und 7*8 und durch die bistabile Schaltung B gebildet, die zwei miteinander verbundene NAND-Tore aufweist Die anderen in F i g. 8 sichtbaren Elemente haben die gleiche Funktion wie die entsprechenden Teile von F i g. 6. Die Meßschaltung M, die die Umschaltung von K 7 steuert, weist einen Transistor Tl vom P-Typ mit langem, schmalem Kanal auf, der so polarisiert ist, daß er immer leitend ist. Aufgrund seiner Ausbildung ist sein Sättigungsstrom relativ klein. Dieser Transistor Tl ist mit einem Transistor 78 vom N-Typ mit kurzern, 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 TS ist weiter mil der negativen Elektrode des Kondensators C und mit Transistor 76 verbunden, der die Rolle des Umschalters K 7 in F i g. 7 übernimmt. Der Steuereingang B 1 der Schaltung B ist mildem Verbindungspunkt der Transistoren 77 und TS verbunden. Der andere Steuereingang B 2 B 2 erhält das Signal Cl. Der Ausgang S3 der Schaltung Bsteuert das Qatter jjoc Transistors Τβ. Die Schslt'jn" srbeitct wie folgt: Wenn das Signal C/negativ ist, d. h., während der Zeit U sind die Transistoren 7Ί, 74 und 75 leitend, und die Schaltung B ist in dem einen logischen Zustand und hält den Transistor 76 gesperrt. Der Kondensator Cist mit den lichtempfindlichen Elementen parallel geschaltet.

Wenn das Signal C/positiv ist, d. h. während der Zeit tb, werden die Transistoren T2 und TZ leitend, und der Transistor TX sperrt. Die Spannung

Um= Us+ U₁-

erscheint am Eingang MCder Meßschaltung, d. h. an der Quellenelektrode des Transistors 7"8. Wenn diese Spannung i/wden Wert

₀= U_A+U,_h*

übersteigt, wobei U,hs die Schwellwertspannung des Transistors 7*8 ist, wird letzterer leitend, der Eingang BX der Schaltung B wird negativ und die bistabile Schaltung kippt. Über ihren Ausgang B3 wird ein positives Potential an das Gatter des Transistors 76 gelegt, der leitend wird. Der Kondensator C kann sich also in die Batterie A entladen. Im Moment in dem TS leitend wird, sperrt sich TS wieder. Am Ende der Zeit tb wird das Signal Cl wieder negativ, was die Schaltung B wiederum kippt und in der Folge den Transistor T6 wieder sperrt Wenn 7*6 leitend ist kann sich der Kondensator C unter folgender Bedingung in die Batterie A entladen:

U_S+U_C> U₀Si+Ua,

wobei U0S6 die Senke-Quellen-Spannung des Transisto.s 7*6 ist Durch geeignete Wahl der Dimensionen von 7*6 kann diese Spannung sehr klein gehalten werden. Es ist also ersichtlich, daß die Schaltung nach F i g. 8 den Rückstrom verhindert, der in den Schaltungen nach Fig.3 und 7 fließen kann, ohne daß ein Spannungsabfall an der Diode D 2 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

Umc=Ua+U₁^s

ist und nicht nur U_Mc= Ua, was ideal wäre.

Fig. 9 zeigt nun das Schema einer anderen Meßschaltung, die die Bedingung U_Mc= U_A erfüllt

Diese Meßschaltung weist die Transistoren Tti und Γ12 vom P-Typ mit geringem Sättigungsstrom und die Transistoren 7*13, Γ14, 715 und 716 vom N-Typ auf.

Die Steuerschaltung von Transistor 7*6 besteht aus einem D-Flip-Flop. Die Änderung in Funktion der Zeit der verschiedenen Signale Cl, Cl, PX und P2, die in der Schaltung einwirken, ist in Fig. 10 gezeigt. Die Arbeitsweise der Schaltung ist die folgende: Während der Zeit /., si,.d die Signale PX und P2 positiv. Die Transistoren Γ11 und Γ12 sind gesperrt, und die Transistoren Γ13 und Γ14 sind leitend, was den Punk! D negativ macht_Das Signal C/ist ebenfalls positiv, was den Ausgang Q des Flip-Flops auf ein negatives Potential zwingt. Der Transistor T6 ist gesperrt. Der Kondensator C ist mit den lichtempfindlichen Elementen parallel geschaltet, wie oben_beschrieben. Zu Beginn der Zeit th werden die Signale C/und P1 negativ und das Signal Cl positiv, was am Zustand der Meßschaltung nichts ändert, aber die Serienschaltung von Kondensator C mit den lichtempfindlichen Elementen bewirkt. Nach einer Zeit lh ι wird das Signal P2 seinerseits nCguiiV. L^iC ι TaHSiSiGPCn / ι*-* üilu ι it Sperren ünu uic Transistoren Γ11 und Γ12 werden leitend. Die Transistoren Γ15 und 7" 16 sind also so polarisiert, daß die Potentialdifferenz zwischen ihren Quellenelektroden verstärkt an ihren Senken erscheint. So wird also, wenn der Punkt MC, der mit der Quellenelektrode von T15 verbunden ist, positiv ist gegenüber dem negativen Pol der Batterie, der mit der Quellenelektrode von 7*16 verbunden ist, der Punkt D, der mit der Senke von 7*15 verbunden ist, positiv. Wenn jedoch der Punkt MC negativ ist gegenüber dem negativen Pol der Batterie, wird der Punkt D auch negativ. Wejches Potential auch D einnimmt, ändert der Ausgang Q von Flip-Flop 10 seinen Zustand nicht und Γ6 bleibt gesperrt.

Am Ende der Zeit f(,_> wird das Signal PX wiederum positiv. In diesem Moment wird der Zustand arn Eingang D des Flip-Flops 10 invertiert zum Ausgang Q übertragen. Wenn D positiv ist, bleibt Q negativ und Γ6 gesperrt, so daß die Batterie A den Kondensator Cnicht laden kann. Wenn D negativ ist, bleibt Q positiv und 7*6 leitend. Der Kondensator C kann sich also in die Batterie A entladen.

Am Ende der Zeit tbi wird das Signal P2 wieder positiv. Die Transistoren 7*11 und 7*12 sperren, und die Transistoren Γ13 und 7"J4 werden wieder leitend. Der Zustand von Ausgang Q des Flip-Flops 10 und daher auch von Transistor 7*6 bleibt unverändert.

Am Ende der Zeit if, wird das Signal Cl wiederum positiv, so daß der Ausgang (?des Flip-Flops wieder den negativen Zustand einnimmt und daher Transistor 7*6 gesperrt wird. Es ist ersichtlich, daß diese Anordnung die Umschaltung von 7*6 bei einer Spannung Umc bewirkt, die wenig negativer als die Spannung Ua ist. Die Spannung U,hs. die bei der Schaltung nach Fig.8 überwunden werden mußte, um die Umschaltung von 7*6 zu bewirken, ist nicht mehr vorhanden. Die Schaltung nach F i g. 9 ist also empfindlicher, allerdings unter Inkaufnahme der Notwendigkeit, die Signale Pi und P2 erzeugen zu müssen. Es ist zu bemerken, daß die Summe der Zeiten <ϊ>2-Μλ3 so klein wie möglich sein sollte, um die Verluste zu begrenzen, die entstehen, wenn die Transistoren TIl und T12 leitend sind. Andererseits können tb\ und /43 sehr kurz sein, da sie lediglich einer richtigen Arbeitweise des Flip-Flops 10 dienen. Es genügt für deren Erzeugung, zwei Inverter in Serie zu schalten zwischen den Signalen P i und PZ

Man kann das Grundprinzip der Schaltung nach F i g. 7 generalisieren, wie dies F i g. 11 zeigt Die Umschalter KiO, K' 10, AiIZ Ai'12, K13 und K'X3 arbeiten zueinander synchron, wie die Umschalter Ai 6 und Ai'6 der Schaltung nach Fig. 7. Die Umschalter K 11 und K 14 werden durch die Meßschaltungen MX bzw. M2 gesteuert. Wenn AiIO und Ai'10 in Stellung 610 bzw. b' 10 sind, mißt die Schaltung MX eine Spannung

Für einen bestimmten Beleuchtungspegel E, 1 übersteigt die Spannung Ums die Spannung U_A. In diesem Fall bewirkt MX das Umschalten von K 11 in die Stellung ft 11, was den negativen Pol der Batterie .4 mit dem negativen Pol des Kondensators ClO verbindet. Der Ladestrom der Batterie A fließt also nicht über die Umschalter K X2-K 14. Wenn die Beleuchtung den > Wert E_x 1 nicht erreicht, ist Um \ kleiner als Ua. In diesem Fall hält die Schaltung Mi den Umschalter Aiii in seiner Stellung a 11. Die Schaltung M 2 mißt dann eine Spannung

Um₂=Us+ U₁ \o+ Ucu+ Ucm.

Wenn die Beleuchtung einen Pegel E_x ₂ erreicht, wird die Spannung Um 2 größer als die Spannung Ua- Die Schaltung M 2 bewirkt dann das Umschalten von K 14 in seine Stellung b 14, und der negative Pol der Batterie

j-, A wird mit dem negativen Pol des Kondensators C13 verbunden. In diesem Fall fließt der Ladestrom zur Batterie A, der kleiner ist als im vorherigen Fall, als die Beleuchtung den Pegel E, 1 überstieg, über die Umschalter K X2-K 14 und über die Kondensatoren CII und

id C12. Wenn die Beleuchtung den Pegel E₁₂ nicht erreicht, hält die Schaltung M2 den Umschalter Ai 14 in Stellung a 14, und es fließt überhaupt kein Strom in der Schaltung, die Batterie A kann sich auch nicht über die lichtempfindlichen Elemente entladen.

Es ist ersichtlich, daß die Umschalter K X X - K 14 die Inbetriebnahme einer Wandlerstufe verhindern, wenn die vorausgehende Stufe bereits eine hinreichende Spannung liefert. Man könnte in gleicher Art auch eine Messung am Eingang des Wandlers machen, bei MO, um

■in jede Umschaltung zu verhindern, wenn die Beleuchtung intensiv ist. Es wurde aber bereits gezeigt, c"aß in diesem Fall der größte Teil der Energie direkt über die Diode D X an die Batterie A abgegeben wird. 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 MO lohnen würde. Die Umschalter Ai 10 — K 14 und die Meßschaltungen Ml und M 2 von Fig. 11 können natürlich durch Schaltungen ersetzt werden, die

ίο MOS-Transistoren aufweisen, genau gleich, wie dies in Zusammenhang mit Fig. 9 beschrieben wurde. Es wurde oben gezeigt, daß die Umschalter K 12- K 14 nicht vom Strom durchflossen sind, außer wenn die Beleuchtung schwach ist Daraus ergibt sich, daß die für den Ersatz dieser Umschalter bestimmten MOS-Transistoren geringe Abmessungen aufweisen können. Dagegen müssen die Umschalter K 10, Ai'10 und Ai 11 einen größeren Strom führen, wenn die Bleuchtung stark ist Die sie ersetzenden MOS-Transistoren müssen daher

bo entsprechende Dimensionen aufweisen. Die Diode D i endlich muß einen ganz beträchtlichen Strom führen können, wenn die lichtempfindlichen Elemente z. B. der vollen Sonne ausgesetzt sind. In der Praxis müssen die verschiedenen Teile so ausgelegt sein, daß sie ungefähr

··■" die folgenden Ströme führen können:

- Diode Di

2 ma

(volle Sonne)

— Transistoren als Ersatz der Umschalter K 10- K 14 0,1 ma

(mittlere Beleuchtung)

- Transistoren als Ersatz der Umschalter K 12- K 14 0,02 ma

(schwache Beleuchtung)

Es ist klar, daß bei einer Schaltung ähnlich jener von F i g. 11 die Anzahl der Wandlerstufen, die je einen Kondensator und die nötigen Umschalter aufweisen, und die Anzahl und Anordnung der Meßpunkte 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 Wandlerprinzip, um die Energie der lichtempfindlichen Elemente rationell auszunützen. Der Wandler weist eine Spule mit einer induktivität L und einem innenwiderstand Ri. auf. Ein Umschalter K 15 kann zwei Stellungen a 15 und b 15 einnehmen. Eine Diode D 1 hat die gleiche Aufgabe wie in den vorher beschriebenen Schaltungen. Der Wandler arbeitet folgendermaßen:

Der Umschalter K 15 wird durch ein Signal W15 gesteuert, das in einer nicht gezeigten Weise an der Last Herzeugt wird, und zwar derart, daß er während einer Zeit /j in Stellung a 15 und während einer Zeit 1/, in Stellung b 15 ist. Wie später gezeigt wird, können diese Zeiten /., und th sich ändern, de en Summe / bleibt aber konstant. Die Spannung U,, hat daher den Wert »0« während der Zeit /., und den Wert LJλ während der Zeit //* Ihr Mittelwert U₁, ist dann:

oder wenn gesetzt wird:

'„ + '„

Die Zeitkonstante 7' = 7 der Induktivität wird sehr

!· viel größer als die Zeit /=/.,+ lh gewählt. Die

Repetitionsfrequenz A=-des Signals W15 ist fest. Die

Induktivität hält den Strom / trotz rascher Änderung der Spannung U₁₁, relativ konstant. Wenn man wie oben annimmt, daß der Innenwiderstand der lichtempfindlichen Elemente Null ist, ist der Wert des Stromes / gegeben durch:

ι- ^U* - ^U

Dieser Strom / wird an die Batterie abgegeben, wenn der Umschalter K 15 in Stellung b 15 ist, auch wenn Us kleiner ist als Ua- Es genügt sicherzustellen, daß υ_φ kleiner ist als Us-

Die Schaltung arbeitet wie ein Spannungswandler mit einem Obersetzungsverhältnis φ. Wenn man weiterhin annimmt, daß die Innenwiderstände der lichtempfindlichen Elemente und der Batterie Null seien (Idealfall), kann man den Wirkungsgrad η der Schaltung wie folgt berechnen:

^Γχ

Wenn man berücksichtigt, daß

p_A = n_A . J_A

L = '■-/

U, = · Ί

,,.,,I ,1,11

UIIU VIII I.'

kann man schreiben:

Man sieht also. daß. wenn Ri=O. die von den lichtempfindlichen Elementen gelieferte Energie durch die Batterie vollständig aufgenommen wird.

Es ist bereits bekannt, daß es möglieh ist, das zyklische Verhältnis eines Signals in Funktion der von einem lichtempfindlichen Element aufgenommenen Beleuchtung zu verändern. Diese Technik wird /.. B. verwendet, um die Helligkeit der Anzeige einer Uhr mit Leuchtdioden in Funktion der Helligkeit der I Inigebung zu verändern. Wir beschränken uns darauf zu beschreiben, wie sich das zyklische Verhältnis </ ändern soll:

Für eine sehr schwache Beleuchtung muß r/ -0 sein. da die Verluste im Wandler, d. h. im Widerstand R . die ganze von den lichtempfindlichen Elementen gelieterte Energie absorbieren. Es ist ersichtlich, daß in die- :em ^l'all f/, = 0 sein muß. d.h.. daß der Umschalter K 15 in Stellung a 15 bleiben muß. Bei ansteigender Beleuchtung muß ψ ebenfalls ansteigen, tipi den Wen q = 1 /u erreichen bei einer Beleuchtung, hei welcher die Diode D 1 zu leiten beginnt. In diesem Moment muß f... = 0 sein. d. h., der Umschalter K 15 muß in Stellung b 15 bleiben. Der Wandler ist inaktiv und lediglich der Diode D 1 parallel geschaltet. Der Umschalter K 15 von Fig. 12 kann mit Hilfe eines Transistors vom N-Typ und eines Transistors vom P-Typ realisiert werden, wobei deren Gatter parallel derart angesteuert werden, daß während der Zeit r., einer der Transistoren leitend ist und der andere gesperrt, und umgekehrt während der Zeit ih.

Andere Anwendungen der oben beschriebenen Anordnung sind denkbar. Denkbar wären z. B. Radiobaken im Meer, Funkfernsprecher in Berghütten, Fernsehumsetzer in schwer zugänglichen Gegenden oder selbst die teilweise Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie. Bei allen diesen Anwendungen in vom Äquator entfernten Zonen, wo sich die Besonnung in sehr großem Umfang ändert, verbessert die vorliegende Anordnung den Wirkungsgrad der Stromquelle ganz beträchtlich.

Hierzu .·) Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Aufladen einer Batterie aus einer Stromquelle variabler Spannung, insbesondere ι aus einem aus lichtempfindlichen Elementen bestehenden Solargenerator, mit einer in Reihe zur Batterie liegenden Diode und einer Spannungserhöhungsschaltung nach dem Prinzip der Spannungsverdopplung mit elektrischen Speicherelementen, ι ο welche derart steuerbar ist, daß die variable Spannung, die einen geringeren Wert aufweisen kann als die Ladespannung der Batterie, angehoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Spannungserhöhungsschaltung (C, K; L, ι -, K) mit den Klemmen (a'l, a 1) der Stromquelle (S) und eine (b'i) der Ausgangsklemmen (b V, b 1) der Spannungserhöhungsschaltung mit einer der Klemmen der Batterie (A) verbindbar ist, und daß die Diode (Dl) zwischen einer (a'l) der Klemmen der Stromqttede (S) und der genannten Ausgangsklemme (b Y) der Spannungserhöhungsschaltung (C, K; L, X^angeordnet ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhungsschaltung mindestens eine aus einem Kondensator (C) und Umschaltern (K 1, K Y) mit zwei Stellungen gebildete Verdoppler-Kombination aufweist, wobei zwei der Umschalter synchron zueinander mit einem Impulssignal bestimmter Frequenz gesteuert wer- so den und so angeordnet sind, daß in einer der beulen Stellungen Jer Kondensator parallel zu der Stromquelle (S) geschaltet ist und daß in der anderen der beiden Stellungen der Kondensator in Serie mit der Stromquelle und mit der tfatte>'e ^geschaltet ist. r,

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßschaltung (M), welche auf die Summe der Spannungen der Stromquelle (S) und des Kondensators (C), wenn die beiden in Serie geschaltet sind, anspricht, die Umschaltung eines dritten [K 7) der Umschalter (K 6, K 6'. K 7) bewirkt, so daß, wenn die genannte Summe der Spannungen kleiner ist als ein bestimmter Schwellwert, sich der dritte Umschalter (K7) in einer ersten Stellung befindet, in welcher die Batterie nicht mit dem Kondensator (C) verbunden ist und dadurch eine Entladung der Batterie (A) in den Kondensator verhindert, und daß, wenn die Summe der Spannungen größer ist als der Schwellwert, sich der dritte Umschalter (K 7) in einer zweiten Stellung befindet, in welcher die Batterie mit dem Kondensator und der Stromquelle in Serie geschaltet ist, so daß die Ladung der Batterie möglich ist

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhungsschaltung eine Induktivität (L) und einen Umschalter (K 15) mit zwei Stellungen aufweist, der durch ein Impulssignal einer bestimmten Frequenz gesteuert wird und derart ausgelegt ist, daß die genannte Induktivität in einer der Stellungen des Umschalters (K 15) parallel zu der Stromquelle φ) geschaltet ist, und in der anderen Stellung des Umschalters in Serie zu der Stromquelle (S) und der Batterie (A) geschaltet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Umschalter (K 6, K 6\ K 7) und/oder die genannten Meßschaltungen (M) aus Halbleiterelementen bestehen.