DE2654311C3

DE2654311C3 - Einrichtung zum Aufladen einer Batterie aus einer Stromquelle variabler Spannung

Info

Publication number: DE2654311C3
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: 1980-12-18
Also published as: DE2654311A1; GB1571892A; DE2654311B2; JPS5271645A; US4134057A; CH617822B; FR2335081A1; CH617822GA3; FR2335081B1

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. El 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. I angegeben, die den durch die Zelle abgegebenen Strom /5 in Funktion der Klemmenspannung Us für verschiedene Werte Eo, £Ί, £i der Beleuchtung zeigen. Bei Beleuchtung Null (Kurve Eo) ist die Kennlinie der Zelle gleich jener einer Diode. Für eine von Null verschiedene Beleuchtung, z. B. £Ί, ist die Kurve um einen Wert /_pa ι verschoben. Für diesen Beleuchtungswert E\ mißt man im Leerlauf (d.h. bei /5=0) eine Leerlaufspannung Un\ und im Kurzschluß (d.h. bei

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h> Us=O) einen Kurzschlußstrom Isc:- Der letztere ist gleich dem Photostrom /_p/, ι. Wenn die Zelle Energie an einen Verbraucher liefert, liegt ihr Arbeitspunkt in dem mit Q bezeichneten Quadranten.

Um eine Batterie aufzuladen, kann man die im Schema von Fig.2 gezeigte bekannte Vorrichtung verwenden, wobei 5 die Stromquelle (lichtempfindliche Elemente), A die Batterie, H eine Last (z. B. eine elektronische Uhr) unir 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 U₀ 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 Uo 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 In. Da die Batterie verlustbehaftet ist, muß:

/5=<xIn wobei l,l<«<l,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 Gensratorspannung an den Klemmen des Verbrauchers zu erzeugen, aber die SpannungUibfälle durch die Diode, die als Rückstromsperrdiode dient, und den ohmschen Widerstand der Induktivität stellen unerwünschte Energieverluste dar, und die Induktivität kann nicht als Element einer integrierten Schaltung 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 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 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 Spannungserhöhungsschaltung 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 Ausgangsktemme der Spitnnungserhöhungsschaltung angeordnet ist.

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

Fig. 1 und 2, die in der Einleitung bereits erwähnt 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 ίο Schaltung nach F i g. 3,

Fig.5 eine Verallgemeinerung der Schaltung nach Fig. 3,

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

is F i g. 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 eine Variante der Schaltung n?ch F i g. 8 mit einer anderen Meßschaltung,

Fig. 10 Signale zur Erklärung der Schaltung nach Fig. 9,

F i g. 11 eine Verallgemeinerung des Prinzipschemas nachFig.7,

Fig. 12 ein Prinzipschema eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung mit einem induktiven Wandler.

Eine erste Lösung des Problems ist im Schema von Fig.3 gezeigt Zur Schaltung nach Fig.2 sind ein Kondensator C und zwei Umschalter Ki und K'i hinzugefügt, die synchron zueinander arbeiten und in nicht gezeigter Weise durch ein Signal W gesteuert werden, das aus Rechtecken der Dauer t, und t_b besteht und eine fixe Frequenz aufweist Das Signal Wkann z. B.

von der Last //stammen. Der Kondensator Cist derart zwischen die Umschalter K1 und K' 1 geschaltet, daß er parallel zu der Stromquelle 5 aus lichtempfindlichen Elementen liegt während der Zeit ί_Λ während welcher die Umschalter Ki und K'i in den Stellungen a i bzw. a'X sind, und daß er sich auf die Spannung Uc auflädt.

Am Ende des Zeitintervalles U schalten K1 und K'I um und verbleiben während des Zeitintervalles ti, in der Stellung b 1 bzw. b' 1. Dadurch addieren sich die Spannungen Us (lichtempfindliche Elemente) und Uc (Kondensator C).

Die während des Zeitintervalles U an den Kondensator Cgelieferte Ladung Q₃ ist gleich:

Q.= Is- U.

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

ß_o = AU_C-C

wobei

AUc-J^-

was ermöglicht, C und t_a derart zu wähleh, daß AUc unterhalb eines gegebenen Wertes bleibt, wobei Is als bekannt angenommen wird.
Wenn man annimmt,daß:

ta = t_b- j (siehe F ig. 3)
Us = konstant (innerer Widerstand der lichtempfindlichen Elemente = 0)

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

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

kann manschreiben:

Während U: Us
Während t_h: Us

2R + U₁

2R - Uc + U_x.

Im Dauerbetrieb ist die Ladung Q₃, die während der Zeit ij durch die lichtempfindlichen Elemente dem Kondensator zugeführt wird, gleich der Ladung Qh, die der Batterie während der Zeit th durch den Kondensator zugeführt wird. Daher sind auch die Ströme /,, und lh untereinander gleich. Sie sind im weiteren gleich dein durch die lichtempfindlichen Elemente abgegebenen Strom:

/„	= /»	= 's
wobei
		-•-ι
¹S	—	2 R

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

und dem Innenmit der Leerlaufspannung Us -^

widerstand 2R ist. Der Momentanwert des der Batterie zugeführten Stromes ist konstant während der Zeit f* und Null während der Zeit i* Der mittlere, der Batterie zugeführte Strom ist daher:

Daraus ergibt sich der folgende Wirkungsgrad des Wandlers:

21/.

Der Wandler arbeitet wie ein Spannungstransformator: Die Aurgangsspannung 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 2R, während er von der Batterieseite her gesehen SR beträgt

Die Umschalter Ki und K^r\ können mit Hilfe von MOS-Transistoren realisiert werden. Die Kennlinie Zd=/jT/os) eines solchen Transistors ist in der Nähe von /_o=0 ungefähr linear. In diesem Falle ist die Annahme eines konstanten Kontaktwiderstandes R berechtigt Dagegen kommen die MOS-Transistoren für relativ große Werte der Spannung Uds 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 de; Wandlers zu laden. In diesem Falle fließt nur ein Teil de; von den lichtempfindlichen Elementen gelieferter Stromes über den Wandler, der übrige Teil, der be intensiver Beleuchtung 90% des gesamten Strome! ausmachen kann, fließt direkt über die Diode D\.

Die Fig.4 zeigt qualitativ den von der Batterie aufgenommenen Strom U in Funktion der Beleuchtung £ Die Bezeichnungen Ip, /rund Ic+d werden für die Ströme verwendet, die die Diode, den Wandler bzw. die Kombination Diode +Wandler durchfließen. Es isi ersichtlich, daß selbst in der Zone, in welcher die Diode leitet, die Anwesenheit des Wandlers die Ausnützuni der zur Verfügung stehenden Energie verbessert Tatsächlich würden die lichtempfindlichen Elemente ohne Wandler zu nahe bei ihrer Leerlaufspannung Ui arbeiten, d. h. unter ungünstigen Bedingungen.

Man kann das in Fig.3 dargestellte Prinzip de; Wandlers generalisieren. K1 g. 5 zeigt z. B. einer 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 Tl, 73 und

75 sind vom P-Typ, die Transistoren 72, 74 und 76 sind vom N-Typ. Der Umschalter K 1 von F i g. 3 isi 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 C/übernehmen die Rolle des Signals W· in F i g. 3. Die beiden Signale werden ebenfalls durch die Last //geliefert. Die Arbeitsweise ist wie folgt:

Während der Zeit I₃ ist das Signa! C/negativ und das Signal Cl positiv. Der Transistor 71 ist leitend und verbindet die positiven Pole des Kondensators C und der Stromquelle 5 (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 S geschaltet d. h. wie bei F i g. 3, wenn sich Hip Hmcrhaltpr Ki iinH K'\ in Hpr Stplliina a 1 bzw. a'\ befinden. Während der Zeit t_b ist das Signal Cl positiv und das Signal CI 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 du Fall ist in F i g. 3, wenn sich die Umschalter in den Stellungen b\ bzw. b' 1 befinden.

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

Die Integration der MOS-Transistoren Ti, T3, 75 vom P-Typ bereitet keine Schwierigkeiten. Ihr Substrat und ihre Quellenelektrode sind mit dem positiven Pol der Batterie verbunden, dh, 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, Γ4, 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 mit dem negativen Pol der Batterie verbunden ist. Oder /wischen dem negativen Pol der > Batterie und dem negativen Pol der lichtempfindlichen Elemente befindet sich die Diode Di. Bei intensiver BeIe^. fitung fließt ein beträchtlicher Strom über diese Diode und bewirkt einen Spannungsabfall in der Größenordnung von 0,5 V. Der negative Pol der in 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 der Transistoren T2 und 7"4, so daß die letzteren nie vollständig gesperrt werden π können. Dieser Umstand ist nicht störend, da dies nur bei intensiver Beleuchtung vorkommt, wenn der Strom im wesentlichen über die Diode D 1 geliefert wird.

Die Scha!turi"cri nach F i ~ 3 und F i ~ 6 haben einen Nachteil: Wenn die Beleuchtung schwach ist, kann die >n Batterie einen Rückstrom liefern, welcher den Kondensator Clädt, wenn die Umschalter in der Stellung b sind bzw. wenn die Transistoren 72, Γ3 und T6 leitend sind. Der Kondensator kann sich dann über die lichtempfindlichen Elemente entladen, wenn die Umschalter in ihrer 2Ί Stellung A sind bzw. wenn die Transistoren TI, T4 und T5 leitend sind.

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

Üs+Uc>U_A+Ud2

damit sich der Kondensator in die Batterie entladen kann, d.h., die Diode D2 führt einen zusätzlichen Verlust ein. r,

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 Uoi überwunden werden muß. In der Schaltung nach Fig.7 ist der Kondensator Czwischen zwei Umschalter K6 und K'6 geschaltet, die die gleiche Funktion haben wie die Umschalter Ki und K'\ in Hg.J. Wie dies der hall ist in Vig.3, ist der Kondensator während der Zeit t, parallel zu den lichtempfindlichen Elementen geschaltet und während der Zeit tt 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

Us+ U_c,

5(1

die am Eingang AiC 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 ft 7, und der Kondensator C kann sich auf die Batterie A entladen. Am Ende der Zeit & 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 Sentladen kann.

Die F i g. 8 zeigt die Konfiguration des schematisch in Fig. 7 gezeigten Wandlers mit der Meßschaltung Min C-MOS-Technologie. Die Meßschaltung wird durch Transistoren Tl und Ti 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 M₁ die die Umschaltung von K 7 steuert, weist einen Transistor T7 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 T7 ist mit einem Transistor Γ8 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 Γ8 ist weiter mit der negativen Elektrode des Kondensators C und mit Transistor T6 verbunden, der die Rolle des Umschalters K 7 in F i g. 7 übernimmt. Der Steuereingang BX der Schaltung B ist mit dem Verbindungspunkt der Transistoren T7 und TS verbunden. Der andere Steuereingang B 2 B 2 erhält das Signal Cl. Der Ausgang B 3 der Schaltung B steuert das f n*lr\f A nt· Tr>n npii-fn-r

\~\\n Cnlinlliirifr η ^UnitA* t»tl λ

folgt: Wenn das Signal Cl negativ ist, d. h., während der Zeit t_a, sind die Transistoren Ti, 7"4und TS leitend, und die Schaltung B ist in dem einen logischen Zustand und hält den Transistor T6 gesperrt. Der Kondensator C ist mit den lichtempfindlichen Elementen parallel geschaltet.

Wenn das Signal Cl positiv ist, d. h. während der Zeit ts werden die Transistoren T2 und Γ3 leitend, und der Transistor Ti sperrt. Die Spannung

Um=

U_c

erscheint am Eingang MCder Meßschaltung, d. h. an der Quellenelektrode des Transistors TS. Wenn diese Spannung (Ar den Wert

Umo=Ua+U,i,»

übersteigt, wobei U,hs die Schwellwertspannung des Transistors 7*8 ist, wird letzterei· leitend, der Eingang B1 der Schaltung B wird negativ und die bistabile Schaltung kippt. Über ihren Ausgang B 3 wird ein positives Potential an das Gatter des Transistors Γ6 gelegt, der leitend wird. Der Kondensator C kann sich also in die Batterie A entladen. Im Moment, in dem Γ6 leitend wird, sperrt sich TS wieder. Am Ende der Zeit f;, wird das Signal Cl wieder negativ, was die Schaltung B wiederum kippt und in der Folge den Transistor 7"6 wieder sperrt. Wenn Γ6 leitend ist, kann sich der Kondensator C unter folgender Bedingung in die Batterie A entladen:

Us+Uc>Uds(.+ U_a<

wobei Uosi die Senke-Quellen-Spannung des Transistors TS 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 AfCzur Einleitung des Kippens der bistabilen Schaltung gleich

Umc=Ua+

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

Fig. 9 zeigt nun das Schema einer anderen Meßschaltung, die die Bedingung U_MC= Ua erfüllt

Diese MeBschaltung weist die Transistoren TU und Γ12 vom P-Typ mit geringem Sättigungsstrom und die Transistoren Γ13, 7" 14, TiS und T16 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 U sind die Signale PX und P2 positiv. Die Transistoren Γ11 und Γ12 sind gesperrt, und die Transistoren 7" 13 und 7Ί4 smd leitend, was den Punkt D negativ machtJJas Signal C/ist ebenfalls positiv, was den Ausgang Q des Flip-Flops auf ein negatives Potential zwingt. Der Transistor 7~6 ist gesperrt. Der Kondensator C ist mit den lichtempfindlichen Elementen parallel geschaltet, wie oben_beschrieben. Zu Beginn der Zeit tb werden die Signale C/und P X 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 h\ wird das Signal P2 seinerseits negativ. Die Transistoren 713 und /14 sperren und die Transistoren 7"11 und Γ12 werden leitend. Die Transistoren 7~15 und Γ16 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 7"15 verbunden ist, positiv ist gegenüber dem negativen Pol der Batterie, der mit der Quellenelektrode von Γ16 verbunden ist, der Punkt D, der mit der Senke von TX5 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 7~6 bleibt gesperrt.

Am Ende der Zeit tb2 wird das Signa! 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 7"6 gesperrt, so daß die Batterie A den Kondensator Cnicht laden kann. Wenn D negativ ist, bleibt ^positiv und T6 leitend. Der Kondensator C kann sich also in die Batterie A entladen.

Am Ende der Zeit ^₃ wird das Signal P2 wieder

TrancicfAPört Tl I nnH T19 Cnfl

rl Αία und K'6 der Schaltung nach Fig. 7. Die Umschalter KXX und AT14 werden durch die Meßschaltungen MX bzw. M2 gesteuert. Wenn KXO und K'XO in Stellung b 10 bzw. b'XO sind, mißt die Schaltung MX eine Spannung

Um ι = Us+ U_C\n■

Für einen bestimmten Beleuchtungspegel E_x ι übersteigt die Spannung t/iwi die Spannung Ua. In diesem Fall bewirkt MX das Umschalten von KXX in die Stellung 6 11, was den negativen Pol der Batterie A mit dem negativen Pol des Kondensators ClO verbindet. Der Ladestrom der Batterie A fließt also nicht über die Umschalter K 12- K 14. Wenn die Beleuchtung den Wert E_x ι nicht erreicht, ist Um ι kleiner als Ua- In diesem Fall hält die Schaltung MX den Umschalter KXX in seiner Stellung a 11. Die Schaltung M 2 mißt dann eine Spannung

Um2= Us+ Ucta+ Uc\2+ Uc\i-

Wenn die Beleuchtung einen Pegel E_x 2 erreicht, wird die Spannung Um2 größer als die Spannung Ua- Die Schaltung M2 bewirkt dann das Umschalten von K 14 in seine Stellung b 14, und der negative Pol der Batterie 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_x 1 überstieg, über die Umschalter KX2—KXA und über die Kondensatoren CIl und C12. Wenn die Beleuchtung den Pegel E_x 2 nicht erreicht, hält die Schaltung M2 den Umschalter K 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 - K14 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 jede Umschaltung zu verhindern, wenn die Beleuchtung intensiv ist Es wurde aber bereits gezeigt, Jaß in diesem Poll Ae** nfnllto ΤΌ,Ι rlap Τ#ηο**ητΐο Atr-e*irt t'iKot- Ale* T^'mAa

Transistoren Γ13 und Γ14 werden wieder leitend. Der Zustand von Ausgang Q des Flip-Flops 10 und daher auch von Transistor Γ6 bleibt unverändert.

Am Ende der Zeit tb wird das Signal Cl wiederum positiv, so daß der Ausgang Qdts Flip-Flops wieder den negativen Zustand einnimmt und daher Transistor T6 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 Schallung nach Fig. 8 überwunden werden mußte, um die Umschaltung von Γ6 zu bewirken, ist nicht mehr vorhanden. Die Schaltung nach F i g. 9 ist also empfindlicher, allerdings unter Inkaufnahme der Notwendigkeit, die Signale P1 und P 2 erzeugen zu müssen. Es ist zu bemerken, daß die Summe der Zeiten fi>2+f*3 so klein wie möglich sein sollte, um die Verluste zu begrenzen, die entstehen, wenn die Transistoren 7Ί1 und Γ12 leitend sind. Andererseits können f&i und tbi 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 P1 und PZ

Man kann das Grundprinzip der Schaltung nach F i g. 7 generalisieren, wie dies F i g. 11 zeigt. Die Umschalter KlO, K'XO, K\2, K'X2, KX3 und K'i3 arbeiten zueinander synchron, wie die Umschalter K 6

D1 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 K 10 — K 14 und die Meßschaltungen MX und M2 von Fig. 11 können natürlich durch Schaltungen ersetzt werden, die MOS-Transistoren aufweisen, genau gleich, wie dies in Zusammenhang mit Fig.9 beschrieben wurde. Es wurde oben gezeigt, daß die Umschalter KX2-KX4 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 K10, K'XO und KXX einen größeren Strom führen, wenn die Bleuchtung stark ist Die sie ersetzenden MOS-Transistoren müssen daher entsprechende Dimensionen aufweisen. Die Diode D X 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 K10- K 14 0,1 ma

(mittlere Beleuchtung)

— Transistoren als Ersatz der
Umschalter K12- 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 auszunützer. Fig. 11 zeigt lediglich eine mögliche Ausführungsforrn.

Die Fig. \2 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 Umschalte·· K 15 kann zwei Stellungen ? 15 und b 15 einnehmen. Eine Diode D1 hat die gleiche Aufgabe wie in den vorher beschriebenen Schaltungen. Der Wandler arbeitet folgendermaßen:

Der Umschalter K\5 wird durch ein Signal W15 gesteuert, das in einer nicht gezeigten Weise an der Last H erzeugt wird, und zwar derart, daß er während einer Zeit t„ in Stellung a 15 und während einer Zeit tt, in Stellung b 15 ist. Wie später gezeigt wird, können diese Zeiten t_a und tt, sich ändern, deren Summe t bleibt aber konstant. Die Spannung U_q hat daher den Wert »0« während der Zeit t₃ und den Wert U,\ während der Zeit fs. Ihr Mittelwert U_r ist dann:

U-U- '"

oder wenn gesetzt wird:

kann man den Wirkungsgrad η der Schaltung wie folgt berechnen:

>O

Die Zeitkonstante T= — der Induktivität wird sehr

ί·
viel größer als die Zeit t=t,+ tb gewählt. Die

Repetitionsfrequenz Z^-=-des Signals W15 ist fest. Die

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

U_x - Ü

Dieser Strom /wird an die Batterie abgegeben, wenn der Umschalter K15 in Stellung b 15 ist, auch wenn Us kleiner ist als Ua- Es genügt sicherzustellen, daß U₉ 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), Wenn man berücksichtigt, daß
~P~a ⁼ U_A ■ J_A Ps = U_s-I Ta = I-'i
LL

UlIU U Cl IJ

U₉ = U_s -R₁.!
kann man schreiben:

R, J
j I

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

Es ist bereits bc i.annt, daß es möglich ist, das zyklische Verhältnis eines Signals in Funktion der von einem lichtempfindlichen Element aufgenommenen Beleuchtung zu verändern. Diese Technik wird z. B. verwendet, um die Helligkeit der Anzeige einer Uhr mit Leuchtdioden in Funktion der Helligkeit der Umgebung zu verändern. Wir beschränken uns darauf zu beschreiben, wie sich das zyklische Verhältnis φ ändern soll:

Für eine sehr schwache Beleuchtung muß ψ = 0 sein, da die Verluste im Wandler, d. h. im Widerstand Ri.. die

j i:„u* r:_,ji:_nu_~ ei ««*

Energie absorbieren. Es ist ersichtlich,daß in di .«em Fall ifc = 0 sein muß. d.h., daß der Umschalter KiS in Stellung a 15 bleiben muß. Bei ansteigender Beleuchtung muß φ ebenfalls ansteigen, um den Wert φ= 1 zu erreichen bei einer Beleuchtung, bei welcher die Diode D 1 zu leiten beginnt. In diesem Moment muß r,, = 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 U einer der Transistoren leitend ist und der andere gesperrt, und umgekehrt während der Zeit fj>

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 S Hlatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Aufladen einer Batterie aus einer Stromquelle variabler Spannung, insbesondere 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, 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 (Q K; L, K) mit den Klemmen (a'l, a 1) der Stromquelle (S) und eine (b'\) der Ausgangsklemmen (b 1', b 1) der Spannungserhöhungsschaltung nut einer der Klemmen der Batterie (A) verbindbar ist, und daß die Diode (D 1) t-wischen einer (a'l) der Klemmen der Stromquelle (S) und der genannten Ausgangsklemme (b Γ) der Spannungserhöhungsschaltung (Q K;

L, /c) angeordnet ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhungsschaltung mindestens eine aus einem Kondensator (C) und Umschaltern (Ki, KV) mit zwei Stellungen gebildete Verdoppler-Kombination aufweist, wobei zwei der Umschalter synchron zueinander mit einem Impulssignal bestimmter Frequenz gesteuert werden und so angeordnet sind, daß in einer der beiden Stellungen der 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 Batterie (, ^geschaltet ist

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßschaltung (M), weiche auf die Summe der Spannungen der Stromquelle (S) und des Kondensators (C), wenn die beiden in Serie geschaltet sind, anspricht, die Umschaltung eines dritten (Kl) der Umschalter (K6, K6', KTj bewirkt, so daß, wenn die genannte Summe der Spannungen kleiner ist als ein bestimmter Schwellwert, sich der dritte Umschalter (K 7) 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 (KT) 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 (KiS) 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 (S) 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 (K6, K 6', KT) und/oder die genannten Meßschaltungen (M) aus Halbleiterelementen bestehen.