DE2918064A1 - Vorrichtung zum laden eines akkumulators durch eine quelle elektrischer energie, insbesondere fuer eine elektronische uhr - Google Patents

Vorrichtung zum laden eines akkumulators durch eine quelle elektrischer energie, insbesondere fuer eine elektronische uhr

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DE2918064A1 DE19792918064 DE2918064A DE2918064A1 DE 2918064 A1 DE2918064 A1 DE 2918064A1 DE 19792918064 DE19792918064 DE 19792918064 DE 2918064 A DE2918064 A DE 2918064A DE 2918064 A1 DE2918064 A1 DE 2918064A1
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Description

Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators durch eine Quelle elektrischer Energie, insbesondere für eine elektronische Uhr.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators aus einer Quelle elektrischer Energie, insbesondere für eine elektronische Armbanduhr.
Solche Vorrichtungen sind insbesondere aus dem US-Pat. Nr. 3.802.178 bekannt, welches eine Ladevorrichtung für einen Akkumulator beschreibt, der über eine Diode durch eine photo-elektrische Zelle oder eine andere Quelle elektrischer Energie aufgeladen wird. Die Diode ist vorgesehen, um zu verhindern, dass sich die Batterie in die photo-elektrische Zelle entlädt, wenn diese eine für die Ladung des Akkumulators nicht mehr genügende Spannung erzeugt, z.B. bei ungenügender Beleuchtung.
Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass die Energiequelle eine durch die Kennlinie der Diode gegebene Schwellenspannung von ungefähr 0,5 U überwinden muss und man dadurch einen nicht zu vernachlässigenden Anteil der EnergiB verliert, was im Falle einer elektronischen Uhr vermieden werden sollte, bei welcher die Gangreserve von der zur Verfügung stehenden Energie abhängt.
Weiter ist aus dem US-Pat. Nr. 3.731.474 eine Vorrichtung bekannt, welche die von einBr Sonnenzelle erzeugte Spannung für die Ladung eines Akkumulators begrenzt. Diese Vorrichtung weist einen bipolaren npn-Transistor auf, dessen Emitter hezw. Kollektor mit dem positiven bezw. negativen Pol der Sonnenzelle und dessen Steuerelektrode mit dem positiven Pol des Akkumulators verbunden sind. Zwischen die positiven Pole der Sonnenzelle und des Akkumulators ist eine Diode eingefügt, üJenn die Zelle stark beleuchtet wird, bewirkt der in der Diode fliessenden Strom einen Spannungsabfall an deren Klemmen und am Eingang des Transistors, der hinreichend ist, um letzteren
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leitend zu machen und so einen Teil des Stromes zum negativen Pol des Akkumulators abzuleiten.
Der Nachteil dieser. Schaltung liegt darin, dass man im Transistor wie auch in der Diode einen beträchtlichen Energieanteil verliert.
In DE-OS 25 34 455 wird ferner eine Vorrichtung zur Ladung eines Akkumulators aus einer Batterie beschrieben. Zwischen der Batterie und dem Akkumulator ist ein Transistor angeordnet. Eine elektronische Schaltung steuert die Leitfähigkeit dieses Transistors, Deiche direkt proportional zum Spannungsabfall zwischen Batterie und Akkumulator ist. Diese Leitfähigkeit wird so eingestellt, dass sie für den Verbrauch einer an die Klemmen des Akkumulators angeschlossenen elektronischen Schaltung gerade hinreichend ist.
Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass die,von der Batterie gelieferte Energie nicht vollständig für die Ladung des Akkumulators verwendet wird. Ein Teil dieser Energie geht tatsächlich im Transistor verloren zur Begrenzung von dessen Leitfähigkeit, li/eiter bleibt der Transitor gesperrt, wenn der Spannungsabfall zwischen der Batterie und dem Akkumulator unterhalb eines bestimmten, nicht vernachlässigbaren Schwellwertes ist.
Es ist nun Zweck der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden, indem ein Mittel vorgesehen wird, das die Kennlinie einer idealen Diode aufweist, d.h. eine Diode, welche in der Durchlassrichtung mit einem vernachlässigbaren Spannungsabfall leitet und in der Sperrichtung den strom wie eine normale Diode sperrt.
Dieser Zweck wird durch die beanspruchten Mittel erreicht.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Die Fig. 1 das Schaltbild eines Anwendungsbeispieles der erfindungsgemässen
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Vorrichtung, uiobei die negativen Pole der Quelle und des Akkumulators das gemeinsame Potential bilden;
Die Tig. 2 ein Spannungsdiagramm an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 1;
Die Fig. 3 ein für das Verständnis der Schaltung nach Fig. 1 nützliches Diagramm des Ladestromes des Akkumulators in Abhängigkeit der Spannung zwischen der Zelle und dem Akkumulator;
Die Fig. 4 ein für das allgemeine Verständnis der Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung nützliches Diagramm, das zeigt, wie der Ladestrom in Abhängigkeit der won der Zelle gelieferten Spannung bei verschiedenen Schaltungskonfigurationen variiert; und
Die Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung, wobei die positiven Pole der Quelle und des Akkumulators das gemeinsame Potential bilden.
Die Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemässen Ladeschaltung. Eine Quelle elektrischer Energie, z.B. eine Sonnenzelle 1 ist mit einem Akkumulator 2 über einen p-Kanal-Feldeffekt-MOS-Transistor 3 vom Anreicherungstyp verbunden. Der MOS-FET 3 ist mit zwei Hauptelektroden S und A und mit einer Steuerelektrode G versehen. Die erste bezw. zweite Hauptelektrode S bezw. A sind mit den positiven Polen der Sonnenzelle 1 bezw. des Akkumulators 2 verbunden, während die Steuerelektrode G mit dem Ausgang eines Differentialverstärkers 4 verbunden ist. Letzterer ist mit einem mit dem positiven Pol dBS Akkumulators 2 verbundenen nicht-invertierenden Eingang und mit einem invertierenden Eingang versehen, der über einen Generator 5 für eine offsetspannung U _ mit dem positiven Pol der Zelle 1 verbunden ist. Es ist klar, dass dieser Generator 5 bei einer tatsächlich ausgeführten Schaltung im Verstärker 4 eingebaut wäre. Die negativen Pole der Sonnenzelle 1 und des Akku-
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mulators 2 sind über eine Leitung 6 mlteinsndar v-sibunden. Die Speisung des Verstärkers 4 erfolgt aus dem Akkumulator.
Die Arbeitsweise dieser Schaltung wird anschliessend anhand von Fig. 2 beschrieben, welche ein Diagramm von verschiedenen, in der Schaltung nach Fig. 1 gemessenen Spannungen zeigt, und zwar in Abhängigkeit von der Differenz UQ = Up - U zwischen der Spannung U5 an den Klemmen der Sonnenzelle 1 und der Spannung U an den Klemmen des Akkumulators 2, und ferner anhand von Fig. 3, welche ein Diagramm des Akkumulator-Ladestromes I in Funktion der Spannung U_ zeigt. Die gestrichelt gezeichneten Kurven entsprechen dem fiktiven Falle, dass die Offsetsp^nnung Ll Null sei, u/ährend die ausgezogenen Kurven dem tatsachlichen Falle entsprechen-, in welchem die Spannung U von Null verschieden ist. Zur Vereinfachung der Erklärung wird angenommen, dass die Spannung U unabhängig von den Aenderungen der Spannung IJ,.. konstant bleibe. Unter der Off setspannung eines Differentialverstärkers wird die Spannung
verstanden, die zwischen seine Eingänge angelegt werden muss um seine Ausgangsspannung auf Null zu halten.
Zunächst soll der fiktive Fall, in welchem die Offsetspannung U = 0 ist, beschrieben werden. Bei schwacher bis sehr schwacher Belichtung der Sonnenzelle 1 ist die durch die letztere gelieferte Spannung Uc kleiner als jene, U , des Akkumulators. Folglich hat die an die Eingänge des Verstärkers 4 angelegte Differenzspannung Un ein solches Vorzeichen, dass die Spannung U am nichtinvertierenden Eingang positiver ist als die Spannung U am invertierten Eingang, was am Ausgang des Verstärkers eine positive Spannung U_ ergibt, die praktisch gleich der Spannung U ist. Diese Spannung U findet sich wieder an der Steuerelektrode G des Transistors 3 und sperrt diesen, weil die Spannungsdifferenz U - U zwischen der Steuerelektrode G und dar positiveren Hauptelektrode
(a) (welche daher die Rolle der Quelle spielt), d.h. jener, welche mit dem Akkumulator verbunden ist, einen kleineren Wert aufweist als die Leitschwellwertspannung U des Transistors 3. Die Verbindung zwischen Akkumulator
Schwelle
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und Sonnenzelle ist daher unterbrochen und es besteht keine Gefahr, dass sich der erstere in die letztere entlädt.
Wenn die Belichtung der Sonnenzelle 1 stark wird,» ist die Spannung U grosser als die Spannung U (Zone U > D) und die Polarität der Dif ferenzspannmig U über den Eingängen des Verstärkers ist gegenüber dem vorherigen Fall umgekehrt und die Ausgangsspannung L) vermindert sich, um ungefähr das Potential der gemeinsamen Verbindung 6 zu erreichen. Gleichzeitig wird die positivere Hauptelektrode (S) die Quelle des Transistors und da die Differenzspannung U5 - U„ positiv ist, wird der Transistor leitend und es stellt sich ein Strom I„ ein, welcher von der Sonnenzelle zum Akkumulator fliesst und letzteren auflädt. Der Spannungsabfall U über dem Transistor ist im geradlinigen Teil der Kurve U_ - U von der Ausgangskennlinie des Verstärkers 4 abhängig.
Für sehr starke Belichtungen wird die Kennlinie LL - LL gekrümmt, d.h. der Transistor 3 kommt in seine Sättigungszone, so dass die Spannung LL rasch ansteigt. Dies ist gegeben durch die geometrischen Abmessungen des Kanals des Transistors. Der Querschnitt des Kanals muss umso grosser sein, je höhere Ströme I. mit einem gegebenen Spannungsabfall Un erreicht werden sollen ( anderseits kann man sich auf einen im Transistor fliessenden Grenzstrom festlegen, indem man die Querschnittsgrösse des Kanals des Transistors wählt).
Ein Transistor, der grosse Ströme durchlassen kann, d.h. mit grossem Kanalquerschnitt, ist teuer in der Herstellung.
Um diesen Nachteil in einer anderen Ausführungsform der Erfindung (in Fig. 1 gestrichelt gezeichnet) zu vermeiden, wird eine Diode 7 se in parallel zum Transistor 3 angeschlossen, dass ihre Anode bezw. Kathode mit den positiven Polen der Sonnenzelle 1 bezw. des Akkumulators 2 verbunden sind. Man kommt so auf eine vernünftige Fläche des Transistors 3 auf einer integrierten
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Schaltung ohne den für die Ladung des Akkumulators bestimmten Strom allzu sehr einschränken zu müssen. Die Aufteilung der Ströme auf den Transistor und die Diode 7 wird später· anhand der Fig. 4 erläutert werden. Hier soll lediglich gesagt WBrden, dass man sich so einrichtet, dass der Transistor einen geringen Spannungsabfall Un bis zu mittleren Belichtungen ermöglicht, und dass für starke und sehr starke Belichtungen, WBnn sich der Transistor zu sättigen beginnt, so dass die Spannung LL ungefähr 0,5 W erreicht, die Diode 7 einen nicht vernachlässigbaren Strom durchläset, und dass entsprechend dem Ansteigen der Belichtung das Verhältnis zwischen dem Strom durch die Diode und dem Strom durch den Transistor exponentiell ansteigt. Auf diese Weise ist der Spannungsabfall Un auf ungefähr 0,5 U begrenzt. Dieser Energiev/erlust ist annehmbar, da er nur bei sehr starken Belichtungen der Sonnenzel— Ie auftritt.
Wenn die Belichtung von einen niederen liiert ansteigt steigt die Spannung U und wird die Spannung ü"D weniger negativ. Für einen bestimmten Wert dieser Belichtung übersteigt die Spannung L) - U die Spannung U und es ergibt
h Schwelle
sich ein Strom I., obwohl U5 noch kleiner ist als U , dieser Strom ist also
negativ, d.h. er fliesst vom Akkumulator zur Sonnenzelle (siehe Fig. 3) und entlädt daher den Akkumulator. liJenn U=O uird, fällt der Strom 1 auf Null. Wann Un positiv wird, beginnt die Ladung des Akkumulators mit dem Strom I .
Der Offset spannungsgenerator 5 dient dazu, die oben erwähnte Entladung zu vermeiden. Bei einem üblichen Differentialverstärker ist immer eine offsetspannung von einigen Millivolt und zufälliger Polarität vorhanden, und zwar wegen Herstellungstoleranzen der den Verstärker bildenden Transistoren. Daher uird die Entladung des Akkumulators in der Entladezone (Fig. 3) noch stärker, uienn die Offset spannung des Verstärkers eine solche Polarität aufweist, dass die gestrichelte Kurve U - U„ nach negativeren Werten von Un (Fig. 2) verschoben wird.
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Um diesen Nachteil auzuheben, kann man einen Verstärker herstellen mit einer Offsetspannung von gewünschter Grosse und Polarität. Es sind bereits Mittel bekannt, um Verstärker zu realisieren, die eine solche offsetspannung aufweisen, wenn deren Wert deutlich über der durch Herstellungstoleranzen verursachten Offsetspannung liegt, z.B. auf 20 bis 50 mV in Praxis. Diese Mittel bestehen z.B. in einer Einflussnahme auf die Grosse des Kanals der Transistoren der differentiellen Eingangsstufe des Verstärkers, oder auf die Symmetrie der durch den Kanal jedes Transistors fliessenden Ströme, oder auf alle beide.
Es wird nun der Fall einer von Null verschiedenen offsetspannung beschrieben, wobei die Unterschiede der Arbeitsweise der Schaltung gegenüber dem fiktiven Fall mit einer off seilspannung Null hervorgehoben werden sollen.
Die gewünschteOf£ss>fe_spannung, z.B. 20 — 50 mV, hat ein solches Vorzeichen, dass die ausgezogenen Kurven von Fig. 2 und 3 in positiver Richtung der Koordinate Un verschoben sind in Bezug auf die gestrichelten Kurven, welche die Arbeitsweise zeigen, wenn U „„ Null ist. Es ist daraus ersichtlich, dass die
Kurve Uc-Ur (Fig. 2) die Spannung U bei einem liiert von U erreicht, b u Schwelle u
der ungefähr ^U. ist, was sicherstellt, dass einerseits der Strom I. (Fig. 3) niemals vom Akkumulator zur Sonnenzelle fliesst und anderseits der mittlere Spannungsabfall Un im linearen Teil der Arbeitsweise des Transistors 3 die Spannung U - nicht übersteigt. Dies bedeutet, dass für mittlere Belichtungen der Sonnenzelle der Spannungsabfall Un mehr als zehn mal kleiner ist, als jener, den man erhielte, würde man die erfindungsgemässe Einrichtung durch eine normale Diode ersetzen.
Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Logarithmus des Ladestromes Ifl des Akkumulators 2 in Funktion der Spannung U an den Klemmen der Sonnenzelle 1. In dünnen Linien ist einerseits die Ladekennlinie D des Akkumulators über eine
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Diode, welche eine Gerade ist, und anderseits die Ladekennlinie T über den Transistor 3, welche gekrümmt ist, yezeigt. Die resultierende Ladekennlinie über den Transistor 3 mit parallelgeschaltetter Diode ist durch die stark ausgezogene Kurve T+D dargestellt. Es ist zu sehen, dass bei kleinen Werten von I., bei mittleren Belichtungen, das Vorhandensein der Diode den Spannungsabfall über dem Transistor 3 praktisch nicht beeinflusst (die beiden Kurven T und T+D decken sich), Wenn die Belichtung zunimmt, entfernt sich die Kurve des Stromes I zusehenä mehr von der Kurve T, um sich der Geraden D anzunähern. Anders gesagt bewegt sich der Spannungsabfall über den Klemmen dar erfindungsgemässen Einrichtung, d.h. U_—Ufl im Bereich der eine Ladung das Akkumulators erzeugenden Belichtungen von einem Wert von ungefähr der Offsetspannung für mittlere Belichtungen zum wert des Spannungsabfalles über einer normalen Diode bei starken Belichtungen.
Fig. 4 zeigt auch eine gestrichelte Gerade PS, die die optimale Ladekennlinie der Sonnenzelle zeigt, d.h. der geometrische Ort der für jeden Wert der Belichtung maximal zur Verfügung stehenden Leistung.
Es versteht sich von selbst, dass die Sonenzelle ersetzt werden kann durch mehrere Zellen, die durch eine bekannte elektronische Vorrichtung je nach einfallender Belichtung parallel oder in Serie geschaltet werden können, was hier aber nicht näher beschrieben wird, um die von den Zellen gelieferte Spannung in optimaler Weise an die Spannung des Akkumulators anzupassen. Weiter kann jede Quelle, welche eine einfallende variable Energie irgendwelcher Art in elektrische Energie wandelt, mit l/orteil'an eine erfindungsgemässe Einrichtung angeschlossen werden.
Es ist klar, dass die erfindungsgemässe Einrichtung so ausgelegt sein kann, dass die Leitung gemeinsamen Potentials mit den positiven Klemmen der Sonnenzelle und des Akkumulators verbunden ist. Fig. 5 zeigt eine zu Fig. 1 ana-
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logs Ausführungsform, bei welcher der negative Pol der Sonnenzelle 1 über einen η-Kanal—MOS-Transistor 3·, welcher durch einen Differentialuerstärker 4' gesteuert ist, mit dem negativen Pol des Akkumulators 2 verbunden ist. Die positiven Pole der Sonnenzelle und des Akkumulators sind direkt miteinander verbunden und bilden eine gemeinsame Leitung. Der Verstärker 41 muss so ausgelegt sein, dass er bei Ausgangsspannungen sehr nahe beim negativen Speisungspotential arbeiten kann. Eine solche Schaltung ist z.B. als Operationsverstärker in integrierter Technik unter der Bezeichnung LfI 324 von National Semiconductor Corp. im Handel erhältlich. In Fig. 5 ist ebenfalls ein offsjetspannungsgenerator 5' vorhanden, der im Ausführungsfall im V/erstärker 41 enthalten sein würde und gemäss dem gleichen Prinzip realisiert, werden könnte, wie es für das Schaltbild nach Fig. 1 beschrieben wurde. Man kann auch eine Diode D hinzufügen, um das gleiche Ziel zu erreichen wie im Falle von Fig. 1.
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Claims (5)

  1. DR. f.!"-'· ■ .;u'i ■
    PATENTANSPRUECHE
    f 1.Elektronische Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators aus einer Quelle elektrischer Energie, insbesondere zur Verwendung in einer elektronischen Uhr, wobei der Akkumulator und die genannte Energiequelle je einen ersten ■ und einen zweiten Pol aufweisen und die beiden zweiten Pole miteinander verbunden sind, welche Vorrichtung Leitmittel mit einer Steuerelektrode und zwei Hauptelektroden aufweist, welch letztere mit den jeweiligen ersten Polen der Energiequelle und des Akkumulators verbunden sind, weiter einen Differentialverstärker mit zwei je mit den Hauptelektroden verbundenen Eingängen und mit einem mit der Steuerelektrode verbundenen Ausgang aufweist, wobei dieser Verstärker auf die Potentialdifferenz zwischen den ersten Polen der genannten Energiequelle und des Akkumulators anspricht, um die Leitfähigkeit der genannten Leitmittel zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter Mittel aufweist, um die Offsetspannung des genannten Verstärkers auf eine vorbestimmte Grosse und Polarität einzustellen, um den Spannungsabfall in den Leitmitteln vernachlässigbar zu machen und um eine Entladung des Akkumulators in die genannte Energiequelle zu verhindern.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten ersten Pole die positiven Pole der Energiequelle und des Akkumulators sind, und dass die genannten Leitmittel aus einem p-Kanal-MOS-FET-Transistor bestehen«
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten ersten Pole die negativen Pole der Energiequelle und des Akkumulators sind, und dass die genannten Leitmittel aus einem n-Kanal-MOS-FET-Transistor bestehen.
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  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, ω»;ϋ>?ι> neksnnzeichnet durch eine zwischen den ersten Polen der genannten Energiequelle und des Akkumukators angeschlossene Diode·
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Energiequelle mindestens eine photo—elektrische Zelle aufweist.
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DE19792918064 1978-05-08 1979-05-04 Vorrichtung zum laden eines akkumulators durch eine quelle elektrischer energie, insbesondere fuer eine elektronische uhr Withdrawn DE2918064A1 (de)

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