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Schaltvorrichtunq insbesondere für Datenspeicheranlaqen
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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für Datenspeicheranlagen,
die ihre Betriebsenergie von Akkumulatorzellen oder Primarzellen erhalten.
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Zur Stromversorgung ortsunabhängiger elektronischer Geräte werden
im allgemeinen eine den jeweiligen Erfordernissen entsprechende Anzahl wiederauflädbarer
Akkumulatorbatterieelemente oder Primarbatterieelemente verwendet, von welchen eine
zur Erreichung der notwendigen Betriebsspannung ausreichende Anzahl in Serie geschaltet
ist.
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Viele elektronische Geräte weisen neben der elektronischen Funktionsschaltung
Halbleiterschaltungen auf, die im Zuge einer Datenerfassung die Daten speichern.
Die gespeicherten Daten gehen jedoch verloren, wenn die Versorgungsspannung ausfällt.
Solange man die gespeicherten Daten abrufbereit halten will, darf die Versorgungsspannung
nicht unterbrochen werden, und zwar nicht einmal für den Augenblick einer Umschaltung.
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Bei der Verwendung der bisher bekannten Schaltmöglichkeiten hatte
man nur die Wahl, entweder das Gerät ununterbrochen im normalen Betriebszustand
- also mit Betriebsspannung -zu halten, was aus mehreren Gründen unwirtschaftlich
ist, oder aber alle Baugruppen des Geräts außer dem eigentlichen Halbleiterspeicher
von der Versorgungsbatterie separat abtrennbar anzuordnen, so daß in der Ruhezeit
nur der
Halbleiterspeicher an der Versorgungsbatterie angeschlossen
bleibt. Dieses letztere Vorgehen - Stand-by-Betrieb - genannt - ist heute allgemein
üblich, hat aber den erheblichen Nachteil, daß die Batteriespannung dieselbe bleibt,
wie beim Vollbetrieb; die elektromotorische Kraft der Versorgungsbatterie wird zu
einem großen Teil unnütz verschwendet.
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Halb leiters peicherschaltungen und insbesondere Ladungsträgerschaltungen
weisen die Eigenschaft auf, daß die Betriebsspannung, die erforderlich sind, um
Daten einzuspeichern bzw. wieder auszulesen, und die Haltespannung, die ausreicht,
um die gespeicherte Information bzw. den Speicherzustand zu erhalten, sehr unterschiedlich
sind.
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Noch unterschiedlicher ist die Stromaufnahme. Als Beispiel werden
die entsprechenden Verbrauchswerte eines marktgängigen Schaltkreises angegeben:
Betriebsspannung 6 V Betriebsstrom 1 mA Haltespannung 2,2 V Haltestrom 0,01 mA Durch
die Einschaltung etwa eines Vorwiderstandes wird diese Problematik nicht gelöst.
Dann fällt nämlich zwar die Stromaufnahme ab, aber die elektromotorische Kraft der
Versorgungsbatterie wird zum großen Teil unter Wärmeentwicklung unnütz im Vorwiderstand
vernichtet.
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Ein weiteres Problem stellt sich, wenn die Versorgiuugo~ batterie
nachgeladen werden soll. Sie muß dann entweder von dem Datenspeichersystem abgetrennt
und durch eine Interimsbatterie ersetzt werden, oder es muß Vorsorge getroffen werden,
daß die Batteriespannung während des Ladevorganges nicht wesentlich über die normale
Versorgungsspannung ansteigt. Da die Ladeschlußspannung
einer Akkumulatorzelle
erheblich höher ist als die Entladeschlußspannung, ist hier Gefahr im Verzuge, und
die zu treffenden Gegenmaßnahmen sind -umständlich.
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Wie bereits vorhin gesagt, darf das Datenspeichers system keinen Augenblick
ohne Spannun#g sein, weil sonst die eingespeicherten Daten verlöschen. Eine Umschaltung,
die das Datenspeichersystem auch nur für- Bruchteile einer Sekunde spannungsfrei
macht, kommt daher nicht in Frage. Bisher war dieses Problem nur mit hohem- technischem
Aufwand lösbar.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Schaltvorrichtung zu
schaffen, die eine Umschaltung vom:Vollbetrieb eines Datenspeichersystems auf einen
Speichererhaltungsbetrieb ermöglicht, indem für jede Betriebsart nur die jeweilig
notwendige und gebotene Betriebsspannung und Stromstärke eingesetzt werden, und
zwar ohne daß die für die Erhaltung der gespeicherten Daten erforderliche Mindesthaltespannung
unterbrochen wird.
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Bei Nachladung der Versorgungsbatterie soll die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung
das Datenspeichersystem auf Netzspannung umschalten, ohne daß dabei die Batterie
von dem Datenspeichersystem abgetrennt werden muß, oder daß die Spannung am Datenspeichersystem
über die normale Betriebsspannung ansteigt. Schließlich soll die Schaltvorrichtung
die Verwendung zusätzlicher Einrichtungen ermöglichen, mittels welcher die Betriebsspannung
stabilisierbar ist, wodurch ein optimaler Wirkungsgrad gewährleistet werden kann.
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Dieses Erfindungsziel wird dadurch verwirklicht, daß die Versorgungsbatterie
in Teilbatterien aufgeteilt ist, welche paarweise über je einen einpoligen Schalter
miteinander verbunden sind, der in der Einschaltstellung
die Teilbatterien
in Serie schaltet, während der Pluspol einer jeden Teilbatterie mit dem Pluspol
der zum Teilbatteriepaar gehörenden zweiten Teilbatterie über eine Parallelverbindungsleitung
und der Minuspol einer jeden Teilbatterie über eine zweite Parallelverbindungsleitung
mit dem Minuspol der zweiten Teilbatterie verbunden sind, wobei in die Parallelverbindungsleitungen
je eine Diode oder ein Gleichrichter eingeschaltet ist, deren Stromdurchgangsrichtung
von dem jeweiligen Minuspol nach dem jeweiligen Pluspol.hin ausgerichtet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Schalter
ein Transistor verwendet, dessen Emitter mit dem Minuspol der einen Teilbatterie
und dessen Kollektor mit dem Pluspol der nächstfolgenden Teilbatterie in Verbindung
stehen, während die Basis des Transistors über einen Widerstand mit dem Pluspol
der ersteren Teilbatterie sowie über einen mechanischen Schalter mit dem Minuspol
der nächstfolgenden Teilbatterie verbunden ist.
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Dem Schalter kann vorteilhaft ein sonst bekannter Regelschalter vorgeschaltet
sein, der über einen WideirslYbd mit dem Pluspol der einen Teilbatterie und über
einen zweiten Widerstand mit dem Minuspol der zweiten Teilbatterie eines Teilbatteriepaares
verbunden ist, während der Pluspol des Regelschalters über eine Brücke mit dem Minuspol
der zweiten Teilbatterie in Verbindung steht, wobei in die Brücke eine#stabilisierte
Zehnerdiode als Referenzspannung eingeschaltet ist.
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Ein sonst bekanntes, mit entsprechenden Anschlußsteckern versehenes,
handelsübliches Netzladegerät (in Fachkreisen allgemein kurz Netzgerät" genannt),
kann an die Datenspeicheranlage angeschlossen werden, und zwar unmittelbar
an
dem Pluspol bzw. an dem Minuspol der Datenspeicheranlage sowie an je einer über
je einen Widerstand führende Verbindungsleitung an dem Pluspol der ersten Teilbatterie
des Akkumulatorbatteriepaares bzw. ån dem Minuspol der zweiten Teilbatterie, während
der Pluspol des Netzladegeräts über einen Stecker mit dem Pluspol eines den mechanischen
Schalter betätigenden Relais verbindbar ist, dessen Minuspol mittels einer Brücke
über einen Stecker an dem Minuspol des Netzgerätes angeschlossen ist.
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Das hier beschriebene Ladeverfahren weist den Vorzug auf, daß die
Datenspeicheranlage unter allen Umständen ununterbrochen mit ausreichender Spannung
und Stromstärke versorgt bleibt. Das Verfahren ist in Verbindung mit der vorhin
beschriebenen Transistorschaltung besonders vorteilhaft; es wird dann der Minuspol
des Netzladegeräts über einen Stecker unmittelbar mit der Basis des Transistors
verbunden.
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Der technische Fortschritt der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
besteht neben dem einfachen Schaltungsaufbau und der narrensicheren Zusammenwirkung
der Umschaltung von- Serie auf Parallel, Spannungsstabilisierung und Aufladung vorallem
darin, daß die elektromotorische Kraft der Versorgungsbatterie in Abhängigkeit von
der Betriebsart - Vollbetrieb oder Stand-by - optimal qenul:zt.. wjrd; Die Wirkung
der Batterieumschaltung von Serienschaltung in Parallelschaltung ist eine doppelte.
Einerseits fällt in Stand-by-Betrieb mit der Herabsetzung der Spannung der Betriebsstrom
auf rd. 1/100 ab, und andererseits wird die verfügbare Amperestundenzahl der. Versorgungsbatterie
vervielfacht, je nachdem wie viele Teilbatterien parallel geschaltet werden.
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Anhand der Zeichnungen wird in der Folge ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt und erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung des Schaltungsprinzips
einer zwischen einer Datenspeicheranlage (gestrichelt angedeutet) und einer aus
zwei Teilbatterien bestehenden Akkumulatorbatterie angeordneten erfindungsgemäßen
Schaltvorrichtung nur mit mechanischem Schalter, Figur 2 eine schematische Darstellung
des Schaltungsprinzips der Schaltvorrichtung, wie Fig. 1, jedoch mit einem Transistor
als Schaltorgan und einer handelsüblichen Regelschaltung als Stabilisator, Figur
3 die an einer Datenspeicheranlage angeordnete Schaltvorrichtung Fig. 2, jedoch
ohne Stabilisator, über ein Netzladegerät mit dem Stromnetz verbunden u n d Figur
4 die an einer Datenspeicheranlage angeordnete Schaltvorrichtung Fig. 1 über ein
Netzladegerät mit dem Stromnetz verbunden.
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Die Bezugszeichen 1 bis 34 der Zeichnungen bedeuten: 1 Datenspeicheranlage
2S3 Teilbatterien des Versorgungsakkumulator;' 4 Pluspol der Teilbatterie 2 (und
des Gesamtakkumulators) 5 Minuspol der Teilbatterie 3 (und des Gesamtakkumulators)
6 Minuspol der Teilbatterie 2 7 Pluspol der Teilbatterie 3 8 Schalter (mechanisch)
9,10 Parallelverbindungsleitungen 11,12 Dioden (bzw. Gleichrichter) 13 Transistor
(als Schalter) 131 Emitter, 132 Kollektor, 133 Basis 14 Schalter (mechanisch) 15
Widerstand 16 Regelschalter 161 Minuspol, 162 Pluspol des Regelschalters 17,18 Widerstände
19 Brücke Regelschalter-Minuspol 5 20 Zehnerdiode als Referenzspannung 21 Netzgerät
(Ladegerät) 22-26 Stecker 27 Verbindungsleitung Stecker 23 - Pluspol 7 28 Widerstand
in Leitung 27 29 Verbindungsleitung Stecker 25 - Minuspol 6 30 Widerstand in Leitung
29 31 Relais am Schalter 8 32 Verbindungsleitung Pluspol Netzgerät - Relais 31 33
Stecker Pluspol Netzgerät - Verbindungsleitung 32 34 Verbindungsleitung Relais 31
- Minuspol 5
Die Datenspeicheranlage 1 (gestrichelt) wird von zwei
aus je drei Zellen bestehenden Akkumulator-Teilbatterien 2,3 angetrieben und ist
mit diesen über Polklemmen 4 (Pluspol der Teilbatterie 2, in der Folge kurz als
"Pluspol 4" bezeichnet) und 5 (Minuspol der Teilbatterie kurz als "Minuspol 5??
bezeichnet) verbunden. Der Minuspol 6 der Teilbatterie 2 und der Pluspol 7 der Teilbatterie
3 sind mittels eines einpoliger mechanischen Schalters 8 miteinander verbindbar;
wenn der Schalter 8 geschlossen ist, schließt er die Teilbatterien 2, 3 in Serie.
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Von dem Pluspol 4 der Teilbatterie 2 führt eine Parallelverbindungsleitung
9 zu dem Pluspol 7 der Teilbatterie 3, und analog hierzu sind die Minuspole 5,6
der Teilbatterien über eineP#rallelverbindungsleitung 10 miteinander verbunden.
In jeder Parallelverbindungsleitung 9,10 it je eine Diode 11,12 eingeschaltet, wobei
jede Diode den Strömdurchgang nur in Richtung von der Teilbatterie 3 nach der Teilbatterie
2 hin zuläßt. Handelt es sich um größere Stromstärken, ~können anstelle von Dioden
Gleichrichter oder sonstige geeignete elektrische Ventile Verwendung finden.
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Die Schaltvorrichtung Fig. 1 funldioniert wie folgt: wenn der Schalter
8 geschlossen wird, sind die Teilbatterien 2,3 in Serie geschlossen, und die Datenspeicheranlage
1 erhält die für den Arbeitsbetrieb erforderliche Betriebsspannung und Stromstärke.
Weist jede Zelle der Teilbatterien 2,3 (Ni-Cd-Zellen) eine Spannung von je 1,1 V
auf, steht der Datenspeicheranlage eine Entladeschlußspannung von 6,6 V zur Verfügung,
aus welcher sich die erforderliche Betriebsspannung UB = 5,5 V ergibt.
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Die Dioden 11,12 sperren den Stromdurchgang durch die Parailelverbindungsleitungen
9,10.
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Öffnet man den Schalter 8, sinkt die Betriebsspannung ab: die Teilbatterien-
2,3 sind nicht mehr in Serie geschaltet, und ohne die Parallelverbindungsleitungen,
9, 10 würde die Spannung an den Polen 4,5 auf Null absinken. Jedoch werden die Dioden
11,12, die als elektrische Ventile wirken, bei einer bestimmten geringeren Spannung
stromdurchläßig, auch in Richtung Teilbatterie 2 - Teilbatterie 3.
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An den Polen 4,5 ergibt sich eine Spannung 3.1,1 V -Durchlaßspannung
der einzelnen Diode 11,12 - denn mit der Durchgängigkeit der -Dioden in Gegenrichtung
sind die Teilbatterien 2,3 parallel geschaltet worden, wobei die geringere Stromdurch-läßigkeit
der Dioden in Gegenrichtung allerdings nur eine geringe Stromleistung. erlaubt.
In dem vorliegenden Beispiel entsteht eine Haltespannung 2,2 VS während der Betriebsstrom
von 1 mA auf eine Haltestromstärke 0,01 mA absinkt, ausreichend, um eine sichere
Erhaltung der gespeicherten Daten zu gewährleisten. Die Lebenszeit (Anzahl Amperestunden)
der Versorgungsbatterie wird vervielfacht. Die Dioden 11,12 #verhindern, daß zwischen
den Teilbatterien 2,3 unzuläs5ige Ausgleichätröme fließen könnten. Da, wie schon
gesagt, im Haltebetrieb (s.g. "Stand-by-Betrieb'!) nur sehr geringe Ströme fließen,
ist der Spannungsabfall an den Dioden ohne Bedeutung.
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Auf Fig. 2 ist eine verfeinerte Ausführungsform der Er~ findung gezeigt.
Zwischen der Schaltvorrichtung 4 bis 12 und der Datenspeicheranlage 1 ist an der
Stelle des mechanischen Schalters 8 ein Transistor 13 angeordnet, dessen Emitter
131 mit dem Minuspol 6 der Teilbatterie 2 und dessen Kollektor 132 mit dem Pluspol
7 der Teilbatterie 3 verbunden sind, während die Basis 133 über einen mechanischen
Schalter
14 mit dem Minuspol 5 der Teilbatterie 3 und über einen Widerstand 15 mit dem Pluspol
4 der Teilbatterie 2 verbunden ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
13 wird leitend, wenn das Spannungspotential an der Basis 133 größer als dasjenige
am Emitter 131 ist. Dieser Zustand ist #gegeben, wenn der mechanische Schalter#
14 offensteht, und somit die Basis 133 des Transistors 13 über den Widerstand 15
mit dem Pluspol 4 verbunden ist. Dann sind die Teilbatterien 2,3 in Serie geschaltet.
Wird aber der Schalter 14 geschlossen, ist die Basis 133 des Transistors 13 mit
dem Minuspol der Teilbatterie 3 verbunden. Der Transistor ist dann gesperrt, und
die Teilbatterien 2,3 sind über die Parallelverbindungsleitungen- 9,10 und die Dioden
11,12 parallel geschaltet, wie vorhin bei Fig. 1 beschrieben.
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Die Schaltvorrichtung Fig. 2 ist besonders geeignet, einen Spannungsstabilisator
aufzunehmen, bestehend aus einem marktüblichen Regelschalter 16, dessen Minuspol
über einen Widerstand 17 mit dem Pluspol 4 der Teilbatterie 2 sowie über einen Widerstand
18 mit dem Minuspol 5 der Teilbatterie 3 verbunden ist. Der Pluspol des Regelschalters
16 ist über eine Brücke 19 mit dem Minuspol 5 verbunden; in diese Brücke ist eine
stabilisierte Zehnerdiode 20 als Referenzspannung eingeschaltet. Mittels dieser
Einrichtung kann bei geöffnetem Schalter 14 der Basisstrom in Abhängigkeit von der
Batteriespannung (Gesamtbatteriespannung) UB geregelt werden. Hierbei bilden die
Widerstände 17,18 mit dem Minuspol des Regelschalters 16 zusammen einen Spannungsteiler,
Am Pluspol des Regelschalters 16 führt die o.g. und die stabilisierte Zehnerdiode
20 enthaltende Brücke 19 zum Minuspol 5
der Teilbatterie 3. Der
Ausgangsstrom des Regelschalters 16 ist eine Funktion der Spannungsdifferenz an
den beiden Polen des Regelschalters und steuert über die Basis 133 des Transistors
13 den Spannungsabfall an der Kollektor-ISmitter-Strecke des Transistors in der
Weise, daß der Spannungsabfall größer wird, wenn die Batteriespannung Uß steigt
und kleiner wird, wenn UB fällt.
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Be'zeichnet, ~man den Sp-annungsabfall am Transistor 13 als UCE und
die an den Teilbatterien 2,3 herrschenden Spannungen als U2 und U3, ergibt sich
die folgende einfache Stabilisierungsgleichung: UB U, + U3 U Der Transistor 13 erfüllt
somit einmal die Funktion eines Schalters zum Umschalten von Serienschaltung in
Parallelschaltung und umgekehrt; zum anderen aber wirkt der Transistor 13 in Verbindung
mit dem Regelschalter 16.
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und der Zehnerdiode 20 als Stabilisator der Batteriespannung.
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das auf Figuren 1 und 2 schematisch dargestellte Schaltungsprinzip
ermöglicht eine Aufladung der Teilbatterien ohne Unterbrechung der Funktion der
Datenspeicheranlage und ohne daß die Ladespannung die zuläßige Betriebsspannung
übersteigt.
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Fig. 3 zeigt den Anschluß eines mit dem Stromnetz verbundenen Netzgerätes
21 an die Datenspeicheranlage und die Schaltvorrichtung. Dieser Anschluß erfolgt
über fünf Einzelstecker 22 bis 26. Der Stecker 22 verbindet das Netzgerät 21 mit
dem Pluspol 4 der Teilbatterie 2.- Von dem Stecker 23 führt eine Leitung 27 zu dem
Pluspol 7 der Teilbatterie 3; in diese Leitung 27 ist ein Wider~
stand
28 eingeschaltet. Über den Stecker 24 ist der Minuspol des Netzgeräts mit der Basis
133 des Transistors 13 unmittelbar verbunden. Die von dem Stecker 25 zum Minuspol
6 der Teilbatterie 2 führende Leitung 29 enthält einen Widerstand 30. Der Stecker
26 verbindet den Minuspol des Netzgeräts 21 unmittelbar mit dem Minuspol der Teilbatterie
3.
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Beim Anschluß des Netzgeräts 21 wird die Basis 133 des Transistors
13 mit dem Minuspol des Netzgeräts 21 verbunden. Dadurch wird der Transistor 13
während des Ladevorganges automatisch gesperrt, ohne daß man den mechan-ischen Schalter
14 schließen müßte; ebenso bleibt der Schalter 14 automatisch offen, wenn man nach
beendigter Aufladung das Netzgerät wegnimmt.
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Ist das Netzgerät 21 über die Stecker 22 bis 26 an der Datenspeicheranlage
angeschlossen, läuft ein Versorgungsstrom von dem Plusstecker 22 -unmittelbar in
die Datenspeicheran]age 1 hinein; der Vc~rsor(Junqsstrontkreis ist über den
Minuspol 5 und den Stecker 26 geschlossen. Das Netzgerät 21 ist derart abgestimmt,
daß die#Datenspeicheran1age die genau richtige Betriebsspannung erhält. Gleichzeitia.
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nehmen die Teilbatterien jede für sich den erforderlichen Ladestrom
auf, wobei die beiden Widerstände 28,30 jeWeils den Ladestrom regulieren.
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Die Teilbatterie 2 wird nun über den Stecker 22, den Minuspol 6.,
die Verbindungsleitung 29, den Widerstand 30 und den Stecker 25 aufgeladen, während
die Aufladung der Teilbatterie 3 über den Stecker 23, den Widerstand 28, den Pluspol
7 und den Stecker 26 erfolgt. Somit wird also jede Teilbatterie 2,3 getrennt für
sich bei der Aufladung parallel geschaltet. Hierbei ist wichtig, daß die Pärallelverbindungsleitungen
9,10 durch die Dioden 11,12 gesperrt sind;
Die Darstellung Fig.3
setzt'die Anordnung Fig.2 voraus, nämlich daß die. Schaltoorrichtung mittels eines~.Transistors
als Schalter geschaltet wird. Der Vorzug dieser Anordnung besteht darin, -daß die
Sperrung des Transistors beim Anschluß an das Netzgerät und die Entsperrung des
Transistops bei der Trennung vom Netzgerät automatisch erfolgt.
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Verwendet man aber einen mechanischen Schalter 8 wie auf Fig. 1 gezeigt,
muß man, wie auf Fig. 4 ersichtlich, vor dem Schalter 8 ein Relais 31 vorschalten,
das beim Anlegen des Netzgeräts 21 den Schalter 8 automatisch betätigt. Ansonsten
müßte man den Betrieb der Datenspeicheranlage jedesmal kurz'unterbrechen, um den
Schalter 8 mit Hand zu-bedienen. Das Relais 31 ist einerseits über eine Leitung
32 mit einem Stecker 33 verbindbar, der an dem Pluspol des Netzgeräts 21 angeschlossen
ist, und andererseits über eine Brücke 34 mit dem Minus-Stecker 26 verbunden. Sobald
das Netzgerät 21 über, die Stecker 22, 23, 25, 26, 33 an die Datenspeicheranlage
1 und deren Schaltvorrichtung angeschlossen ist, öffnet das Relais 31 den mechanischen
Schalter 8 und unterbricht die Serienschaltung der Teilbatterien 2,3. Wird das Netzgerät
nach erfolgter Aufladung abgeschaltet, schließt das Relais 31 automatisch den Schalter
8. Der Betrieb der Datenspeicheranlage geht somit vor, während und nach der Aufladung
ununterbrochen weiter.
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5 Patentansprüche
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