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Verfahren zum automatischen Laden eines Akkumulators
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Laden eines
Akkumulators, in Abhängigkeit des Ladezustandes, für den Bereitschaftsparallelbetrieb
unter Verwendung eines auf zwei Zählrichtungen umschaltbaren Impulszählers und einer
Einrichtung zum Erhaltungsladen.
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Beim Bereitschaftsparallelbetrieb befinden sich die Speisequelle zur
Stromversorgung und der Akkumulator in Parallelschaltung. Der Akkumulator liefert
nur dann Strom an den Verbraucher, wenn die Speisequelle ausfällt. Der Akkumulator
muß bei Ausfall der Speisequelle möglichst geladen sein, um die Stromversorgung
des Verbrauchers möglichst lange aufrechtzuerhalten. Bei Wiederzuschalten der Speisequelle
muß sowohl der Verbraucher versorgt werden, als auch die Ladungsmenge des Akkumulators
ersetzt werden, die bei Ausfall der Speisequelle an den Verbraucher abgegeben wurde.
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Aus der Zeitschrift cq - DL 2/79, Seite 72 bis 73 ist ein Ladegerät
für Nickel-Cadmium-Akkumulatoren bekannt. Als Spei-
sequelle dient
dabei eine Kon::tanl.stromquelle, die vom Netz gespeist wird. Beim Normalladen ist
diese Stromquelle über einen ersten Strompfad mit dem Akkumulator verbunden. Die
Ladespannung am Akkumulator wird überwacht. Erreicht die Ladespannung die Ladeschluß-Spannung,
wird mittels eines Relais ein anderer Strompfad eingeschaltet, der den Akkumulator
mit einem Erhaltungsladestrom versorgt. Diese Erhaltungsladung dient zur Deckung
der Selbstentladung des Akkumulators. Dieses Ladegerät ist aber insofern nur bedingt
brauchbar, als davon ausgegangen wird, daß die Spannungen an den Akkumulatorzellen
eine Aussage über den Ladezustand zulassen. Da die Spannungskurve des Akkumulators
bei der Entladung sehr flach verläuft, ist mit einer Spannungsmessung allein keine
eindeutige Aussage über den Ladungszustand des Akkumulators möglich.
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Aus dem Artikel "SZL - ein Ladegerät in neuer Technik", Funkschau
1979, Heft 14, Seite 49 bis 52, ist ein Ladegerät für-Akkumulatoren bekannt mit
der sogenannten "Merphasenladetechnik". Normal entladende Akkumulatoren werden zuerst
mit einem Mehrfachen des Nennstromes in einem ersten Zeitintervall (1. Phase) geladen.
In einem zweiten Zeitintervall (2. Phase) wird mit Nennstrom geladen und in einem
dritten Zeitintervall (3. Phase) wird mit einem Erhaltungsladestrom geladen.
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Die Ströme in den einzelnen Phasen sind dabei jeweils konstant. Die
einzelnen Zeitintervalle sind nach oben hin begrenzt. Wenn ein Akkumulator schon
vor der oberen Zeitintervallgrenze ein Abschaltkriterium (Erreichen einer bestimmten
Zellenspannung) erreicht hat, werden die Zeitintervalle entsprechend verkürzt. Diese
"Mehrphasenladetechnik" mit konstantem Strom in allen Phasen ist beim Bereitschaftsparallelbetrieb
mit wechselnden Bel.astungsströmen durch angeschlossene Verbraucher und bei längeren
Netzausfällen nicht brauchbar.
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Aus der DE-OS 29 02 334 ist ein Kontrollgerät für den Ladungszustand
eines elektrischen Akkumulators bekannt. Ein über die
beiden Anschlüsse
des Akkumulators fließender Strom aktiviert einen Taktgenerator, der Taktimpulse
an einen Impulszähler abgibt. Es ist außerdem ein Sensor vorhanden, der die Zählrichtung
des Impulszählers nach Maßgabe der Richtung des Stromes vorgibt. Dieses Kontrollgerät
ist für den Bereitschaftsparallelbetrieb mit angeschlossenem Verbraucher, der veränderliche
Belastungsströme aufweist, nicht ohne weiteres verwendbar, da aus der Anzeige des
Ladezustandes keine Kriterien zum optimalen Laden des Akkumulators abgeleitet werden.
Das Kontrollgerät ist primär für den Batteriebetrieb nach VDE 0510 konzipiert.
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Der aktuelle Zählerstand wird hier auch nicht gespeichert, so daß
ein Rückschluß auf die Vorgeschichte des Akkumulators allenfalls anhand des Kriteriums
Zellenspannung möglich ist, was aber durch die nicht ausreichende Korrelation zwischen
Zellenspannung und Ladezustand, wie schon eingangs geschildert, nicht zu empfehlen
ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das immer einen voll geladenen
Akkumulator zur Speisung des Verbrauchers bei Ausfall der Versorgungsquelle zur
Verfügung stellt und den Jeweiligen Ladezustand des Akkumulators speichert, um damit
den Akkumulator bei Wiedereinschalten der Speisequelle mit dem günstigsten Strom
zu laden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es, daß die optimale Ladung des Akkumulators
automatisch erfolgt und nicht durch einen Benutzer gesteuert werden muß. Eine optische
Anzeige des jewei-
ligen Ladezustandes erübrigt sich damit. Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß verschiedene Arten von Speisequellen
verwendet werden können, z.B. Speisung aus dem Netz, Speisung aus Solarzellen mit.witterungs-
und tageszeitbedingtem variablen Ladestrom. Außerdem wird der Akkumulator vor Tiefenladung
und überladung geschützt. Die durch die Selbtentladung verlorengehende Ladungsmenge
wird bei ausreichend vorhandener Spannung der Speisequelle ständig ersetzt. Das
Laden erfolgt mit einem den Ladefaktor L eingeladene Kapazität in Amperestunden
entnehmbare Kapazität in Amperestunden berücksichtigenden größeren Wert des Strom-Zeit-Integrals
als das Entladen.
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Der Akkumulator wird erfindungsgemäß immer entsprechend seinem tatsächlichen
Bedarf geladen, wohingegen beim Intervallladen durch fest vorgegebene Ladestrompakete
in bestimmten Zeitintervallen eine Unter deckung des Akkumu-lators auftreten kann,
z.B. bei Lastsprungverhalten des Verbrauchers.
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Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung nun näher erläutert werden.
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Dabei zeigt Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer nach dem erfindungsgemässen
Verfahren konzipierten Ladeschaltung, Fig. 2 eine detailliertere Ladeschaltung und
Fig. 3 ein Aufbauschema der Steuerelektronikeinrichtung.
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In Fig. 1 zeigt Q die Speisequelle. Als Speisequelle kann entweder
das Versorgungsnetz dienen oder eine vom Netz unabhängige Quelle, wie z.B. Solarzellenanordnungen.
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Zur Beschreibung der Funktion der nach dem erfindungsmäßigen Verfahren
konzipierten Ladeschaltung wird zuerst angenommen, daß die Speisequelle Q eine ausreichend
hohe Spannung aufweist und der Akkumulator A voll geladen ist. Der Impulszähler
Z soll in diesem Fall den Zählerstand 0 aufweisen und der den Impulszähler Z beeinflussende
spannungsge-
steuerte Oszillator VCO abgeschaltet'sein. Ausgehend
von diesem Zustand fließt ein Erhaltungsladestrom von der Speisequelle Q über den
Gleichrichter Gel1, den Widerstand RR, den Akkumulator A, den Ladestrommeßwiderstand
RL, den mittels Steuerelektronikeinrichtung St geschlossen gehaltenen Schalter S1
zurück zur Speisequelle Q. Bei diesem Fall der Erhaltungsladung wird der Verbraucher
V aus der Quelle Q gespeist.
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Der Verbraucherstrom fließt von der Speisequelle Q über den Gleichrichter
G11, die Stabilisiereinrichtung Stab, den Verbraucher V zurück zur Speisequelle
Q.
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Unterschreitet die Spannung der Speisequelle Q eine bestimmte Schwelle,
z.B. bei Netzspannungsausfall, so wird der Verbraucher V vom Akkumulator A gespeist.
Es fließt ein Entladestrom vom Akkumulator A über den Gleichrichter Gl2, die Stabilisiereinrichtung
Stab, den Verbraucher V, den von der Steuerelektronikeinrichtung St geschlossen
gehaltenen Schalter S2 und den Entladestrommeßwiderstand RE zurück zum Akkumulator
A. Der Impulszähler Z wird bei diesem Betriebsfall von der Steuerelektronikeinrichtung
St zum Aufwärtszählen veranlaßt.
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Bei Wiederkehr der Spannung der Speisequelle Q in ausreichender Höhe
erfolgt das Laden des nun teilentladenen Akkumulators A mit dem Normalladestrom.
Der Normalladestrom fließt von der Speisequelle Q über den Gleichrichter G11, die
von der Steuerelektronikeinrichtung St gesteuerte Stromquelle IQ, den Akkumulator
A, den Ladestrommeßwiderstand RL, den von der Steuerelektronikeinrichtung St geschlossen
gehaltenen Schalter S1 zur Speisequelle Q zurück. Der Impulszähler Z zählt bei diesem
Betriebsfall in die andere Zählrichtung, also abwärts, ausgehend vom aktuellen gespeicherten
Zählerstand bis er wieder vollgeladen ist. Der Volladezustand entspricht, wie schon
uvor erläutert, dem Zählerstand 0. Beim Erreichen dieses Zählerstandes werden die
Stromquelle IQ und der VCO ausgeschaltet und es setzt wieder der zuvor geschilderte
Er haltungsiade vorgang ein.
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Neben den bisher geschilderten Betriebstallell kUnnera tonnen noc:h
weitere auftreten, auf die im Zusammenhang mit der ausführlichen Funktionsbeschreibung
eingegangen wird.
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In Fig. 1 ist außerdem prinzipiell dargestellt, wie aus den Lade-
und Entladeströmen Impulse zur Beeinflussung des Impulszählers Z abgeleitet werden.
Dazu ist eine Vergleichseinrichtung VG vorgesehen an deren invertierenden, bzw.
nichtinvertierenden, Eingang über einen Widerstand Ri, bzw. R3, die stabilisierte
Spannung Ust als Referenzspannung geführt ist. Über den am invertierenden Eingang
angeschlossenen Widerstand R4 wird der Ladestrom erfaßt und über den am nichtinvertierenden
Eingang angeschlossenen Widerstand R2 der Entladestrom. Die Ausgangsspannung der
Vergleichseinrichtung VG steuert den spannungsgesteuerten Oszillator VCO in der
Frequenz. Bei hohem Lade- bzw. Entladestrom liefert der spannungsgesteuerte Oszillator
VCO eine Schwingung mit hoher Frequenz.
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Die Perioden der Schwingung werden mittels des Impulszählers Z gezählt.
Die Zählrichtung des Impulszählers Z wird durch ein Freigabesignal F der Steuerelektronikeinrichtung
St bestimmt, je nachdem ob geladen oder entladen wird.
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In Fig. 2 ist eine detaillierte Ladeschaltung angegeben, anhand derer
das erfindungsgemäße Verfahren nun näher erläutert wird.
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Ausgegangen wird dabei, wie zuvor, von dem Fall, daß der Impulszähler
Z voll geladen ist - Zählerstand O - und daß die Speisequelle Q eine ausreichend
hohe Spannung aufweist. über den Ausgang 8 der Steuerelektronikeinrichtung St erhält
der spannungsgesteuerte Oszillator VCO an seinem Inhibit-Eingang 9 High-Potential
und ist dadurch ausgeschaltet. Es fließt aus der Speisequelle Q bei vorhandener
Netzspannung nach Herabtransformation mittels Transformator T und Gleichrichtùng
mittels Gleichrichterbrücke Br ein Erhaltungsladestrom über Gleichrichter Gl-1,
den Widerstand RR, den Akkumulator A, den Ladestrommeßwiderstand RL und über den
Schalter S1, der als n-Kanal VMOS-Feldeffekttransistor ausgebildet ist, zurück
zur
Speisequelle Q. Der Gateanschluß des VMOS-Feldeffekttransistors 1 erhält lJbers
den Anschluß 5 der Steuerelektronikeinrichtung High-Potential. Dieses High-Potential
am Anschluß 5 kommt folgendermaßen zustande: Am Anschluß 1 der Steuerelektronikeinrichtung
St liegt über den Widerstand R5 die gleichgerichtete Netzspannung.. Ist die Netzspannung
ausreichend hoch, d.h. höher als die Spannung des Akkumulators A, so kippt der in
Fig. 3 als Bestandteil der Steuerelektronikeinrichtung St dargestellte Schmitt-Trigger
T1 um. Da der Schmitt-Trigger T1 invertiert, führt er bei Ansteuerung mit High-Potential
über Anschluß 1 an seinem Ausgang Low-Potential und führt dieses Low-Potential dem
Anschluß 3 der Steuerelektronikeinrichtung St zu. Das Low-Potential gelangt über
die Verbindungsleitung der Anschlüsse 3 und 4 an den Steuereingang des ebenfalls
invertierenden Schmitt-Triggers T2 und verhindert damit ein Umkippen von T2.
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Der Ausgang von T2 weist demnach High-Potential auf. Dieses High-Potential
gelangt über den Anschluß 5 der Steuerelektronikeinrichtung St an den Gateanschluß
des VMOS-Feldeffekt-.
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transistors S1, so daß S1 durchlaßgesteuert ist.
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Alle Schmitt-Trigger T1 bis T4 erhalten ihre Referenzspannung über
den Anschluß 2 der Steuerelektronikeinrichtung St.
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Beim Zählerstand 0 steht am Ausgang 6 des Impulszählers Z keine Spannung.
Der über deri Anschluß 7 ansteuerbare Schmitt-Trigger T3 erhält über die Verbindungsleitung
zwischen Ausgang 6 und Anschluß 7 Low-Potential. Am Ausgang von T3 und damit am
Anschluß 8 erscheint kein invertiertes Potential. Das am Ausgang von T3 anstehende
High-Potential wird am Anschluß 8 der Steuerelektronikeinrichtung St abgenommen
und dazu verwendet, den spannungsgesteuerten Oszillator VCO über den Inhibit-Eingang
9 abzuschalten. Das High-Potential am Anschluß 8 bewirkt auch, daß der Feldeffekttransistor
F1, ein n-Kanal VMOS-Fet, leitend gesteuert ist. Durch die Leitendsteuerung des
Feldeffekttransistors F1 ist der Feldeffekttransistor F3., gebildet aus einem n-Kanal
J-Fet, gesperrt. Es kann also nur über den Widerstand RR ein Erhaltungsladestrom
fließen.
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Fällt nun die Netzspannung aus, so erscheint am Anschluß 1 der Steuerelektronikeinrichtung
St Low-Potentsial. Der Schmitt-Trigger T1 invertiert daher nicht, was zur Folge
hat, daß an Anschluß 3 High-Potential erscheint. Dieses High-Potential wird als
Freigabesignal F dem Impulszähler Z zugeführt und gibt diesen zum Aufwärtszählen
frei. Das High-Potential wird über die Verbindungsleitung zwischen Anschluß 3 und
Li dem Steuereirlgang von T2 zugerUhrt,. T2 kippt um, so daß am Anschluß 5 Low-Potential
eruchcint und der n-Kanal VMOS-Fet S1 öffnet.
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Der elektronische Schalter S2, ebenfalls ein n-Kanal VMOS-Fet, erhält
über den Widerstand R9 das High-Potential von Anschluß 3 an seinem Gateanschluß
und ist damit geschlossen. Da am Ausgang 6 des Impulszählers Z beim Aufwärtszählen
ein Signal ansteht (High-Potential) ändert T3 seinen Zustand. An Anschluß 8 erscheint
dann Low-Potential, welches über die Verbindungsleitung zwischen 8 und 9 an den
Inhibit-Eingang den VCO weitergeleitet wird und letzteren zum Aufwärtszählen freigibt.
Der Feldeffekttransistor F3 kann nicht eingeschaltet sein, da bei Netzspannungsausfall
oder bei Versorgungsspannung in nicht ausreichender Höhe das Potential des. Akkumulators
A höher ist als das Potential an der Katode des (Leichrittlters G12. D fließt also
ein Entladestrom vom Akkumulator A Xber den Gleichrichter Gl2, den p-Kanal VMOS-Fet
L der Stabilisier ein"'ichtung Stab, den Verbraucher V, den Schalter S2 und den
Entladestrommeßwiderstand RE. Durch den Spannungsabfall an RE wird der VCO über
VG so beeinflußt, daß entsprechend der Höhe des Entladestromes, d.h. entsprechend
dem vom Verbraucher V aufgenommenen Strom, längere oder kürzere Impulse an den Impulszähler
Z abgegeben werden.
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Kehrt während des Entladevorgangs des Akkumulators A die Netzspannung
zurück erhält Anschluß 1 High-Potential. über den nun umkippenden Schmitt-Trigger
T1 gelangt Low-Potential an Anschluß 3. Dieses Low-Potential wird dem Impulszähler
Z als Freigabesignal zum Abwärtszählen, d.h. Laden des Akkumula-
tors
A zugeführt. Anschluß 4 weist, da mit Anschluß 3 verbunden, ebenfalls Low-Potential
auf. Anschluß 5 führt, hervorgerufen durch den Schmitt-Trigger T2, High-Potential.
Dieses High-Potential steuert den Gateanschluß des Schalters S1, so daß S1 eingeschaltet
wird. S2 ist bei diesem Betriebsfall ausgeschaltet, da sein Gateanschluß von Anschluß
3 über den Widerstand kein Durchschaltpotential erhält. Da der Impulszähler Z noch
nicht seinen Endzustand erreicht hat (maximaler Zählerstand), führt sein Ausgang
6 noch High-Potential, so daß T3 über Anschluß 8 Low-Potential führt.
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Dadurch ist der n-Kanal VMOS-Fet F1 nicht angesteuert.
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Der n-Kanal J-Feldeffekttransistor F3 der Stromquelle IQ ist dann
leitend. F3 erhält seine Steuerspannung durch den Spannungsabfall an R7 über R8.
Es fließt ein Normalladestrom über Gl1, F3, den Akkumulator A, Ladebegrenzungswiderstand
RL und Schalter S1. Gleichzeitig wird der Verbraucher V aus der Speiseqeulle Q mit
Strom versorgt über Gll und L. Der Normalladestrom fließt nun solange bis der Impulszähler
Z, der ausgehend vom aktuellen Zählerstand abwärts zählt, den Zählerstand 0 erreicht
hat. Bei Erreichen des Zählerstandes O liegt am Ausgang 6 des Impulszählers Z Low-Potential.
Der Anschluß 8 erhält dann über T3 High-Potential. Damit wird der VCO über seinen
Inhibit-Eingang 9 ausgeschaltet. Das High-Potential am Anschluß 8 schaltet auch
den Feldeffekttransistor F1 ein. Dadurch ist der Feldeffekttransistor F3 und damit
die Stromquelle IQ ausgeschaltet. Es fließt wieder ein Erhaltungsladestrom über
den Widerstand RR und den elektronischen Schalter S1. Der Verbraucher V wird weiterhin
aus der Speisequelle Q versorgt.
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Fällt nun die Netzspannung wieder aus, so erfolgt die zuvor geschilderte
Entladung des Akkumulators A bis die Netzspannung wiederkehrt oder bis der Impulszähler
Z seinen maximalen Zählerstand erreicht hat. Dieser maximale Zählerstand entspricht
der Tiefentladungsgrenze des Akkumulators A zuzüglich einer gewissen Reserve. Die
Reserve, d.h. Restkapazität des Akkumulator.s A, reicht aus zür Stromversorgung
des
Impuls zählers Z und Erhaltung seines Zählerstandes auch bei langem Netzausfall.
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Beim Erreichen des maximalen Zählerstandes des Impulszählers Z erscheint
an seinem Ausgang 6 Low-Potential. Damit erhält auch der Steuereingang des Schmitt-Triggers
T3 über den Anschluß 7 der Steuerelektronikeinrichtung St Low-Potential. Am Anschluß
8 erscheint dann High-Potential. Dieses High-Potential schaltet zum einen über den
Inhibit-Eingang 9 den VCO aus und veranlaßt den invertierenden Schmitt-Trigger T4,
da dessen Steuereingang das High-Potential über die Verbindungsleitung 8 bis 10
erhält, zum Umkippen. Nach Umkippen des Schmitt-Triggers T4 erscheint am Anschluß
11 Low-Potential.
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Das High-Potential von Anschluß 3 wird dadurch über den Gleichrichter
Gl3 abgezogen. Der Gateanschluß von S2 erhält nun keine ausreichende Steuerspannung
mehr. S2 trennt den Akkumulator vom Verbraucher V und schützt den Akkumulator A
vor der Tiefentladung.
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Bei Wiederkehr der Netzspannung beginnt der Normalladevorgang von
neuem.
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Das Verhältnis des Entladestrommeßwiderstandes RE wird in Bezug auf
den Ladestrommeßwiderstand RL entsprechend dem Lade faktor fL gewählt. Die Ladestromzeit
ist also genau um den Faktor fL höher als die Entladestromzeit. Dementsprechend
werden beim Ladevorgang pro Zeiteinheit um den Faktor fL längere Zählimpulse erscheinen,
als beim Entladevorgang.
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Die Berücksichtigung des Ladefaktors durch wahlweises Einschalten
von RE oder RL bedeutet eine Umschaltung der Steigung der Kennlinie des spannungsgesteuerten
Oszillators VCO.
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Als Spannungsstabilisiereinrichtung Stab wird eine Schaltung verwendet,
die im wesentlichen aus dem p-Kanal VMOS-Feldeffekttransistor L und einem Operationsverstärker
Op besteht.
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Dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers Op wird
über einen Spannungsteiler die Spannung am Verbraucher
V zugeführt.
Sein invertierender Eingang ist mit einer Vergleichsspannung beaufschlagt. Je nach
Höhe der Spannung am Verbraucher V wird der Feldeffekttransistor L durch die am
Ausgang des Operationsverstärkers pp anstehende Stellspannung mehr oder weniger
aufgesteuert. Das frequenzbestimmende Element des VCO ist durch den Kondensator
C dargestellt. Zur Realisierung des VCO wie auch zur Realisierung des Impulszählers
Z und der Steuerelektronikeinrichtung St können handelsübliche integrierte Bausteine
verwendet werden. Zur Temperaturstabilisierung weist der VCO einen Gegenkopplungspfad
auf, der von einem seiner Ausgänge 12 über einen Gegenkopplungswiderstand RG auf
den nichtinvertierenden Eingang der Vergleichseinrichtung VG führt.