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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
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zur Ladung eines elektrischen Sammlers mit einem eingeprägten Strom
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 34 13 537 bekannt.
Diese Schaltungsanordnung dient zur Ladung eines elektrischen Sammlers mit einem
konstanten eingeprägten Strom während einer durch die Kenndaten des zu ladenden
Sammlers vorgegebenen Zeitdauer. Die dem Sammler zugeführte Energie ergibt sich
aus der Höhe des Ladestrones und der Zeitdauer, innerhalb derer der Sammler mit
diesem Strom geladen worden ist.
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Die Figur 1 zeigt qualitativ den zeitlichen Verlauf der an den inschlußklemmen
eines Blei- oder Nickel-Cadmium-Sammlers anstehenden Spannung bei Entladung mit
konstanter Belastung.
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Bei der Darstellung des Entladevorganges wird davon ausgegangen, daß
der Sammler vollständig geladen ist und daß er die Ladeendspannung ULA erreicht
hat, die meßbar größer als die mittlere Entladespannung ist. Der Entladevorgang
beginnt im Zeitpunkt t - 0. Die an den Anschlußklesmen anstehende Spannung UL sinkt
bis zum Zeitpunkt t " t1 ab und verläuft daran anschließend bis zum Zeitpunkt t
- t2 im wesentlichen waagerecht, d.h. in diesem Zeitraum kann die an den Anschlußklemmen
des Sammlers anstehende Spannung,die mittlere Entladespannung, praktisch als konstant
angesehen werden. Gegen Ende des Entladevorganges, zwischen den Zeitpunkten
t
= t2 und t = t3, sinkt die Spannung an denAnsshlußklemmen des Sammlers bis auf die
Entladeschlußspannung ULE ab.
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Spätestens zu diesem Zeitpunkt ist der Sammler wieder zu laden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute
Schaltungsanordnung zur Ladung eines elektrischen Sammlers, dessen Ladezustand aus
der an seinen Anschlußklemmen anstehenden Spannung erkennbar ist, zu schaffen, die
bei der Ladung des Sammlers mit einem eingeprägten Strom eine über ladung verhindert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung
nach dem Patentanspruch 1 sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten und
Vorteilen anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Die zur Erläuterung der Erfindung dienenden Zeichnungen zeigen: Figur
1 die qualitative Darstellung des zeitlichen Verlaufes der bei konstanter Entladung
an den Anschlußklemmen eines Nickel-Cadmium-Sammlers anstehende Spannung, Figur
2 den Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und
Figur
3 die qualitative Darstellung der Strom/Spannungs-Kennlinie einer Diode.
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Die Figur 2 zeigt den Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung zur
Ladung eines elektrischen Sammlers gemäß der Erfindung.
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Der Sammler 1 liegt im Kollektorstromkreis eines Transistors 2, dessen
Emitter mit dem einen Anschluß eines Widerstandes 3 verbunden ist. Der Reihenschaltung
des Sammlers 1, des Transistors 2 und des Widerstandes 3 ist über Anschlußklemmen
4 und 5 eine ungeregelte Gleichspannung U1 zugeführt. Das Potential. der Anschlußklemme
5 dient als Bezugspotential. Der Transistor 2 bildet zusammen mit dem Widerstand
3 und dem aus vier hintereinander geschalteten Dioden 6 bis 9 bestehenden Referenzspannungsgeber
eine Stromquelle, die einen eingeprägten Strom erzeugt. Vernachlässigt man in üblicher
Weise den Basisstrom des Transistors 2 gegenüber seinem Kollektorstrom, so ist der
Kollektorstrom gleich dem Emitterstrom, und der Emitterstrom stellt sich so ein,
daß der Sapnnungsabfall an dem Widerstand 3 gleich der an den Dioden 6 bis 9 abfallenden
Spannung vermindert um die Basis-Emitter-8pannung des Transistors 2 ist.
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Die Diode 9 ist mit dem Kollektor eines zweiten Transistors 10 verbunden,
dessen Emitter über einen Widerstand 11 mit dem Kollektor des Transistors 2 verbunden
ist. Die Transistoren 2 und 10 sind vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp. Urter
der Voraussetzung, daß der Basisstrom des Transistors 2 auch
gegenüber
dem Kollektorstrom des Transistors 10 vernachlässigbar klein ist, fließt der Kollektorstrom
des Transistors 10 über die Dioden 6 bis 9. Dieser Strom stellt sich so ein, daß
die Summe aus der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 10, aus der an dem Widerstand
11 abfallenden Spannung und aus der an den Anschlußklemmen des Sammlers 1 anstehenden
Spannung UL gleich der zwischen der Basis des Transistors 10 und dem Bezugspotential
anstehenden Referenzspannung U2 ist. Die Anschlußklemmen, die die Verbindung des
Sammlers 1 mit der Schaltungsanordnung zur Ladung des Sammlers herstellen, sind
mit den Bezugszahlen 12 und 13 versehen. Die Referenzspannung U2 wird von zwei in
Reihe geschalteten Zenerdioden 14 und 15 erzeugt, von denen die eine mit dem Bezugspotential
und die andere über einen Widerstand 16 mit der Anschlußklemme 4 verbunden ist.
Parallel zu der Zenerdiode 15 ist ein einstellbarer Spannungsteiler 17 angeordnet.
Der Widerstand 16 ist so dimensioniert, daß der über die Zenerdioden 14 und 15 fließende
Strom bei Änderungen der Spannung U1 in einem Bereich der Stroa/Spannungs-Kennlinie
der Zenerdioden liegt, in dem bei Stronänderungen eine möglichst geringe Änderung
der Zenerspannung erfolgt, so daß die zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers
17 und den Bezugspotential anstehende Spannung U2 praktisch unabhängig von Änderungen
der Spannung U1 ist. Eine Verbesserung des Temperaturganges der Spannung U1 läßt
sich durch die Verwendung von Zenerdioden erreichen, deren emperaturkoeffizbnten
entgegengesetzte
Vorzeichen aufweisen. Das Potential des Emitters
des Transistors 10 ist um die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 10 kleiner
als das Potential des Abgriffs des Spannungsteilers 17. Der Emitterstrom des Transistors
10 ergibt sich aus dem Widerstand 11 und der an ihm abfallenden Spannung U11. Da
- wie oben bereits erläutert - der Emitter des Transistors 10 auf festem Potential
liegt, verringert sich die ':pannung U11 und damit auch der Emitterstrom des Transistors
10, wenn sich die Spannung UL des Sammlers 1 vergrößert. Entsprechend vergrößert
sich die Spannung U und damit der Emitterstrom des Transistors 10, wenn sich die
Spannung UL verringert.
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Im Gegensatz zu den Zenerdioden 14 und 15, deren Zenerspannung möglichst
unabhängig von dem über sie fließenden Strom sein soll, wozu die Zenerdioden 14
und 15 in einem Bereich ihrer Strom/Spannungs-Kennlinie betrieben werden, in dem
eine Stromänderung eine möglichst kleine Spannungsänderung verursacht, wird der
Knick der Strom/Spaznnngs-Kennlinie der Dioden 6 bis 9 bewußt ausgenutzt, um den
gewünschten Zusammenhang zwischen der Höhe der Spannung U2 und dem Ladestrom für
den Sammler 1 zu erreichen. Die Strom/Spannungs-Kennlinie einer Diode ist qualitativ
in der Figur 3 dargestellt. Der über die Diode fließende Strom ist mit ID, die an
der Diode abfallende Spannung mit UD bezeichnet. Die Durc'hströmung der Dioden 6
bis 9 wird so gewählt, daß bei der vom Hersteller des Sammlers angegebenen mittleren
Entladespannung ULM, die
dem waagerecht verlaufenden Teil der in
Figur 1 dargestellten Kurve entspricht, der Arbeitspunkt der Dioden auf der in der
Figur 3 dargestellten Kennlinie bei M liegt, d.h.
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kleine Änderungen des über die Dioden fließenden Stromes ID verursachen
noch keine wesentlichen Änderungen der an den Dioden abfallenden Spannung. Der Widerstand
3 wird so dimensioniert, daß bei dieser Durchströmung der Dioden 6 bis 9 der maximal
zulässige Ladestrom fließt. Die Bestimmung der Größe des Widerstandes 11 erfolgt
nun nach der Beziehung
wobei die Ladeendspannung mit ULA, die mittlere Entladespannung mit ULM und der
dem Punkt M in Figur 3 entsprechende Strom mit IDM bezeichnet ist. Die Einstellung
der Spannung U2 erfolgt bei der Ladeendspannung ULA des Sammlers 1. Als Richtwert
f;;r die Spannung U2 dient der Wert der Ladeendspannung ULA zuzüglich der Basis-Emitter-Spannung
des Transistors 10. In diesem Fall ist die Spannung U11 und damit auch der Emitterstrom
gleich Null. Diese Einstellung entspricht dem Nullpunkt der in Figur 3 dargestellten
Kennlinie. Die Spannung U2 wird jetzt durch Verstellung des Abgriffs des Spannungsteilers
1 vergrößert, bis der Ladungserhaltungsstrom über den Sammler 1 fließt. Bei dem
Ladungserhaltungsstrom handelt es sich um einen für den Sammler unschädlichen Dauerladestrom,
der die Verluste des Sammlers durch Selbstentladung deckt. Dieser Wert der Spannung
U2 führt bei der Ladeendspannung ULA des Sammlers 1 zu einer Durchströmung der Dioden,
die dem Punkt A
im waagerecht verlaufenden Teil der in Figur 3
dargestellten Kennlinie entspricht. Verringert sich die Spannung UL, so wandert
der Arbeitspunkt der Dioden von dem Punkt A zum Punkt M, wobei sich die Durchströmung
der Dioden vergrößert bis der maximal zulässige Ladestrom fließt.
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Damit der Sammler 1 sich bei abgeschalteter Versorgungsspannung U1
nicht über den Widerstand 11, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 10, den
Spannungsteiler 17 und die Zenerdiode 14 entlädt, ist die Zenerspannung der Zenerdiode
14 größer gewählt als die Differenz von Ladeendspannung ULA des Sammlers 1 und Durchbruchspannung
der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 10.
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Die von dem Sammler zu speisende Einrichtung ist mit dem Bezugszeichen
18 versehen und über einen Schalter 19 mit dem Sammler 1 verbunden. Der Sammler
1 arbeitet im Pufferbetrieb, wenn der Schalter 19 geschlossen ist und den Anschlußklemmen
4 und 5 die Spannung U1 zugeführt ist.
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Die Schaltungsanordnung zur Ladung des Sammlers 1 läßt sich bei geschlossenem
Schalter 19 auch ohne den Sammler 1 als Versorgungsschaltung für die Einrichtung
18 verwenden. Hierzu wird parallel zu den Anschlußklemmen 21 und 22 der Einrichtung
18 ein Kondensator 23 geschaltet. Die an dem Kondensator 23 anstehende Spannung
Uc übernimmt die Funktion der Gegenspannung UL, die im Pufferbetrieb oder beim Laden
der Sammler 1 erzeugt. Die Höhe der Spannung zwischen den Anschlußklemmen 21
und
22 stellt sich entsprechend dem momentanen Strombedarf der Einrichtung 18 ein. Die
Schaltungsanordnung übernimmt zusammen mit dem Kondensator 23 die Funktion eines
Siebgliedes, da die Schaltungsanordnung von den Anschlußklemmen 12 und 13 her gesehen
wechselspannungsmäßig einen großen Widerstand im kR,Bereich darstellt.
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Obwohl es sich bei der Schaltungsanordnung zur Ladung des Sammlers
1 um eine Stromquelle handelt, entsteht im Leerlauf, wenn der Sammler 1 entfernt
und der Schalter 19 geöffnet ist, keine Überspannung, sondern die Spannung zwischen
dem Kollektor des Transistors 2 und Bezugspotential wird auf die Spannung U2 begrenzt.
Andererseits erfolgt bei einem Kurzschluß zwischen den Anschlußklemmen 12 und 13
eine Begrenzung des Kurzschlußstromes. Der Kurzschlußstrom ergibt sich aus dem über
den Widerstand 11 fließenden Strom und dem Kollektorstrom des Transistors 2. Der
über den Widerstand 11 fließende Strom ist durch die um die Basis-Emitter-Spannung
des Transistors 10 verringerte Spannung U2 und durch den Widerstand 11 begrenzt
und der Kollektorstrom des Transistors 2 ist durch die um die Basis-Emitter-Spannung
des Transistors 2 verringerte, an den Dioden 6 bis 9 abfallende Spannung und durch
den Widerstand 3 begrenzt.
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Anstelle der in Reihe geschalteten Dioden 6 bis 9 kann auch eine Zenerdiode
mit entsprechender Zenerspannung verwendet werden.
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L e e r s e i t e