DE2926019C2 - Gleichspannungsumsetzer zum Aufladen einer Batterie aus einer Sonnenzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungsumsetzer nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Aus der DE-OS 16 13 032 ist ein derartiger Gleichspamnungsumsetzer bekannt, der eine an seine Eingangsklemmen angelegte Eingangsgieichspannung in eine an seinen Ausgangsklemmen an eine Last abgegebene erhöhte Ausgangsgleichspannung umwände!'.

Ein Gleichspannungsumsetzer der genannten Art wird bei der vorliegenden Erfindung zum Aufladen einer Batterie aus einer Sonnenzelle verwendet. Die Erfindung dient insbesondere, aber nicht ausschließlich, als Umsetzerschaltung zur Speisung elektrischer oder elektronischer Uhren mit Sonnenenergie.

Da sich die Energie, die von einem photovoltaischen Generator geliefert wird, täglich abhängig von der Stunde des Tages und dem Beleuchtungspegel ändert, ist es; von Bedeutung, diese Energie in einer Batterie zu speichern, die die Uhr mit praktisch konstanter Spannung speist.

Die Batterie kann unmittelbar aus einem photovoltaischen Generator gespeist werden, dadurch, daß zwischen diesen beiden eine Sperrdiode angeordnet wird. Um bei einem niedrigen Beleuchtungspegel der Batterie eine genügende Menge Energie zuführen zu können, müssen eine Anzahl von Sonnenzellen in Reihe angeordnet werden. Unter normalen Beleuchtungsbedingungen ist die Nennausgangsspannung einer Photozelle nicht größer als 0,5 V.

Zum Aufladen einer Nickel-Cadmiumbatterie mit einer Nennspannung von 1,2 V können vier oder fünf in

Reihe geschaltete Sonnenzellen ve. wendet werden.

Es ist auch möglich, eine kleinere Anzahl von Sonnenzellen und sogar eine einzige Sonnenzelle zu verwenden und die Batterie über einen Gleichspannungsumsetzer aufzuladen (»Hobby«, Heft 14,10.7.1968, Seite 92-95), Der Anwendung einer einzigen Sonnenzelle haftet ein großer Nachteil an: Wenn nämlich die Sonnenzelle während einer gewissen Zeitdauer nicht beleuchtet gewesen ist, so daß die Batterie völlig entladen ist, kann, wenn die Zelle wieder beleuchtet wird, der bekannte Umsetzer nicht spontan aufs neue bei der niedrigen Spannung, die von der einzigen Zelle geliefert wird, anlaufen.

Dann müßte die erschöpfte Batterie durch eine aufgeladene Batterie ersetzt werden, was sehr bedenklich ist Andererseits wird in den bekannten Umsetzern der Gleichstrom zum Aufladen der Batterie durch Gleichrichtung der periodischen Spannung erhalten, die von einer speziellen Wicklung des Transformators geliefert wird. Dadurch nimmt der Wirkungsgrad der Schaltung wegen der durch die magnetische Kopplung und die Gleichrichtung herbeigeführten Verluste ab. Außerdem ist der Wirkungsgrad von dem von der Sonnenzelle gelieferter Strom abhängig, der wieder von den Beleuchtungsbedingungen abhängig ist.

Unter Berücksichtigung der obenstehenden Tatsachen und abgesehen von den oben angegebenen Schwierigkeiten beim Wiederanlaufen, läßt sich beim Gebrauch einer einzigen Sonnenzelle, die mit einer bekannten Umsetzerschaltung gekoppelt ist, ein Wirkungsgrad in der Größenordnung von nur 15 bis 20% erwarten. Die Oberfläche muß dann erheblich vergrößert werden, um die Batterie, die der Uhr die Energie liefert, kontinuierlich im geladenen Zustand zu halten.

Durch Anwendung einer einzigen Sonnenzelle können bestimmte ästhetische, wirtschaftliche und technologische Vorteile, wie eine gute Formgebung, eine einfache Herstellung, das Fehlen von Zwischenverbindungen usw., erhalten werden.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Umsetzerschaltung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß sie unter der niedrigen Spannung nur einer einzigen Sonnenzelle, sogar bei vollständiger Entladung der Batterie, arbeiten kann.

Dabei soll der Umsetzer eine akzeptable und praktisch konstante Energieausbeute für einen breiten Bereich von Beleuchtungswerten für die einzige Sonnenzelle aufweisen, mit der er verbunden ist. Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch die

so Merkmale nach dem Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst.

Vorzugsweise ist der Transformator mit einer dritten Wicklung versehen, die über eine Diode mit einer der Klemmen der Batterie verbunden ist.

Die Anwendung eines Feldeffekttransistors gestattet, den Umsetzer unter nur der Spannung der einzigen Sonnenzelle anzulassen. Dabei wird der Verlauf des Drainstromes als Funktion der Spannung zwischen der Steuerelektrode und der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors benutzt.

Andererseits kann dadurch, daß die Batterie mit der Spannung, die über der Sekundärwicklung des Transformators entwickelt wird, aufgeladen und der Emitter-Basis-Übergang des Schalttransistors als Gleichrichterelement benutzt wird, eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades und kann außerdem eine Selbstanpassung der Schaltung in einem breiten Bereich von Werten des von der Sonnenzelle gelieferten Stromes erhal-

ten werden.

Dadurch, daß der Transformator mit einer zusätzlichen »Rückgewinnungswicklung« versehen wird, kann der Wirkungsgrad der Schaltung um 40% erhöht werden, wodurch dauernd aus einer einzigen Sonnenzelle mit angemessener Oberfläche eine Uhr angetrieben oder eine elektronische Schaltung für eine Uhr gespeist werden kann.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild der Umsetzerschaltung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Umsetzerschaltung nach der Erfindung,

F i g. 3a bis 3d Strom- und Spannungsdiagramme der Schaltung nach F ί g. 1, und

F i g. 4a und 4b Stromdiagramme der Schaltung nach Fig. 2.

In F i g. 1 ist der Kollektor eines Transistors 1 vom npn-Typ mit einem Ende der Primärwicklung 2 eines Transformators 3 verbunden. Das andere Ende dieser Wicklung ist mit der positiven Ausgangsklemme 4 verbunden. Die letztere Klemme ist sowohl mit dem positiven Pol einer Sonnenzelle 5 ais auch mit der positiven Klemme einer Batterie 6 verbunden. Die Wicklung 2 des Transformators wird von einer Schutzdiode 7 überbrückt.

Der Emitter des Transistors 1 ist mit dem negativen Pol der Sonnenzelle 5 verbunden, während die Basis über die Sekundärwicklung 8 des Transformators 3 mit der negativen Ausgangsklemme 9 verbunden ist, die mit der negativen Klemme der Batterie 6 verbunden ist.

Die Source- und die Drain-Elektrode eines Feldeffekttransistors 10 sind mit der Kollektor- bzw. Emitter-Elektrode des Transistors 1 verbunden, während die Steuerelektrode (Gate) über einen Widerstand 11 mit der Basis des Transistors 1 verbunden ist

Die Schaltung nach F i g. 1 gehört zu der Gruppe der »Sperrschwinger«.

Es ist bekannt, daß in Schaltungen dieser Art wegen einer magnetischen Kopplung zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 1 durch einen Anhäufungseffekt dieser Transistor in sehr kurzer Zeit zwischen dem Sperr- und dem Sättigungszustand geschaltet werden kann. Während dieses Schaltvorgangs ändert sich die Kollektorspannung von praktisch Null zu dem Wert, der von der Sonnenzelle 5 geliefert wird (Fig.3a). Während der Sättigungsperiode nimmt der Kollektorstrom nahezu linear zu (F i g. 3b).

In der Schaltung nach Fig. 1 wird die Batterie 6 einerseits mit der an Klemmen der Wicklung 8 des Transformators 3 entwickelten Spannung und andererseits mit der von der Zelle 5 gelieferten Spannung aufgeladen, wobei dieses Aufladen über den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 1 erfolgt, der in der Durchlaßrichtung polarisiert ist. Der Ladestrom weist den in F i g. 3c gezeigten Verlauf auf, der praktisch dem des Kollektorstroms I_c nach F i g. 3b entspricht.

Die Batteiie 6 wird also von zwei in Reihe geschalteten Spannungsquellen, und zwar der Zelle 5 und der Wicklung 8, aufgeladen. Die wirksame Ladespannung ist gleich der Summe der Spannung der Quellen 5 und 8 abzüglich der Basis-Emitter-Schwellwertspannung (Viu) des Transistors 1; diese Schwellwertspannung beträgt z. B. 0.7 V.

Wenn die Zelle 5 z. B. eine Spannung von 0,4 V liefert, ist es zum Überwinden der Gegen-EMK von z. B. 1, 2 V der Batterie 6 genügend, daß die Wicklung eine Ladespannung von \2 — 0,4 + 0,7 = 1,5 V liefert

F i g. 3d zeigt die Spannung Vbf. des ι ransistors 1. Während der Leitungsperioden des Transistors 1 ist die Spannung V_BE + 0,7 V und während eier Sperrperioden ist diese Spannung einige Volt negativ.

Beim Fehlen des Feldeffekttransistors 10 kann der Oszilliervorgang der Schaltung nach F i g. 1 nicht starten, wenn die Batterie 6 völlig entladen ist, sogar wenn

ίο die Zelle 5 die maximale Spannung liefen.

Beim Vorhandensein des Feldeffekttransistors wird infolge des Verlaufes des Drainstroms als Funktion der Spannung an der Steuerelektrode dieses Transistors die Spannung nur der Zelle 5 einen Source- und Drainstrom herbeiführen, der die Wicklung 2 eines Transformators 3 durchfließt, wodurch der Oszilliervorgang eingeleitet wird.

Wenn der Oszilliervorgang einmal gestartet ist, wird durch das Vorhandensein des Widerstandes 11 eine Energieverschwendung in der Schaltung des Steuergitters des Transistors 10 vermieden.

Im Schaltbild nach Fig. 1 wird die Energie, die nach wie vor in dem Magnetkreis des Transformators gespeichert ist, zum Zeitpunkt der Sperrung des Transistors 1 in der Schutzdiode 7 abgeleitet wodurch die Erzeugung einer gefährlichen Überspannung verhindert wird.

Im Schaltbild der bevorzugten Ausführungsform nach F i g. 2, in der entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 bezeichnet sind, ist der Transformator 3 mit einer dritten sogenannten »Rückgewinnungswicklung« 12 versehen, von der ein Ende mit dem Emitter des Transistors 1 verbunden ist, während das andere Ende dieser Wicklung mit der Kathode einer Diode 13 verbunden ist, deren Anode mit der negativen Klemme der Batterie 6 verbunden ist.

Zum Zeitpunkt der Sperrung des Transistors 1 wird die magnetische Restenergie in Form eines Stromes durch die Diode 13 zu der Batterie 6 geschickt. Der Verlauf dieses Stromes Id ist in F i g. 4a dargestellt. Dieser »Rückgewinnungsladestrom« wird zu dem normalen Ladestrom Ib nach F i g. 3c addiert, so daß der Gesamtladestrom Ib + h die in F i g. 4b dargestellte Form erhält. Dadurch, daß die zusätzliche Wicklung 12 angebracht ist, wird die Energieausbeute der Schaltung erheblich erhöht.

Die automatische Anpassung der Umsetzerschaltung nach der Erfindung an die starken Änderungen des von der Zelle 5 gelieferten Stromes ist dem konstanten Verhältnis zwischen den Kollektor- und Basisströmen des

so Transistors 1 zuzuschreiben, das nur von dem Transformationsverhältnis zwischen den Wicklungen 2 und 8 des Transformators 3 abhängig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gleichspannungsumsetzer, der einen Transformator mit wenigstens je einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei wenigstens eine Sekundärwicklung einen zur Primärwicklung entgegengesetzt gerichteten Wicklungssinn aufweist, und einen Schalttransistor enthält und aufgeteilt ist in einen Primärstromkreis, der sich über eine Stromquelle, die Primärwicklung des Transformators und die Emitter-Kollektor-Strecke des SchalUransistors schließt, und einen Sekundärstromkreis, der sich über die Stromquelle, einen Verbraucher, die Sekundärwicklung mit entgegengesetztem Wicklungssinn und die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors schließt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufladen einer Batterie aus einer Sonnenzelle die Sonnenzelle als Stromquelle und die Batterie als Verbraucher vorgesehen ist und daß ein Feldeffekttransistor (10) vorgesehen ist, dessen Drain-Elektrode mit der Kollektor-Elektrode des Schalttransistors (1), dessen Source-Elektrode mit der Emitter-Elektrode des Schalttransistors und dessen Steuerelektrode (Gate) über einen Widerstand (11) mit der Basis-Elektrode des Schalttransistors verbunden ist.

2. Gleichspannungsumsetzer nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (3) mit einer dritten Wicklung (12) versehen ist, von der ein Ende mit dem Emitter des SchalUransistors (1) und das zweite Ende mit der Kathode einer Diode (13) verbunden ist, deren Anode mit einer Batterieklemme (9) des Umsetzers verbunden ist.