DE4128962A1 - Solar or wind generator combination with rechargeable battery - has DC generator decoupled by diode(s) and protected against reverse current - Google Patents
Solar or wind generator combination with rechargeable battery - has DC generator decoupled by diode(s) and protected against reverse currentInfo
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Abstract
Description
Fig. 1 Übersichtsschaltbild über die Leistungselektronik, Zusammenschaltung von (Wind-) Generator, Solarpaneel, Batterie und Verbraucher mit den als "black boxes" angedeuteten Hilfsschaltungen: Überlade schutz, Tiefentladeschutz und Drehzahlanzeige. Fig. 1 overview circuit diagram of the power electronics, interconnection of (wind) generator, solar panel, battery and consumer with the auxiliary circuits indicated as "black boxes": overcharge protection, deep discharge protection and speed display.
Fig. 2 Überladeschutz nach dem Stand der Technik. Fig. 2 overload protection according to the prior art.
Fig. 3 Überladeschutz-Elektronikteil der Erfindung mit Spannungs- und Strombegrenzung in pulsweitenmodulierter Ausführung. Fig. 3 overcharge protection electronics part of the invention with voltage and current limitation in pulse width modulated design.
Fig. 4 Diagramm: Temperaturabhängigkeit der Ladeschluß spannung eines Bleiakkumulators. Fig. 4 diagram: temperature dependence of the final charge voltage of a lead accumulator.
Fig. 5 Prinzipschaltbild zur Einführung von Sensing-Lei tungen. Fig. 5 block diagram for the introduction of sensing lines Lei.
Fig. 6 Vier Schaltungsmöglichkeiten zur Erzeugung einer temperaturkompensierten Referenzspannung mit negativem Tem peraturkoeffizienten. Fig. 6 Four circuit options for generating a temperature-compensated reference voltage with a negative temperature coefficient.
Fig. 7 Ausführungsbeispiel einer Elektronik für eine tem peraturkompensierte Spannungsbegrenzung mit besonderer Stromversorgung. Fig. 7 embodiment of electronics for a temperature-compensated voltage limitation with special power supply.
Fig. 8 Tiefentladeschutz im Stand der Technik. Fig. 8 deep discharge protection in the prior art.
Fig. 9 Tiefentladeschutz, Erfindung mit Transistor und elektronischer Sicherung. Fig. 9 deep discharge protection, invention with transistor and electronic fuse.
Fig. 10 Tiefentladeschutz, Erfindung mit bistabilem Relais. Fig. 10 deep discharge protection, invention with bistable relay.
Fig. 11 Gesamtschaltbild eines Ausführungsbeispiels mit Strom- und Spannungsbegrenzung, Tiefentladeschutz mit bistabilem Relais, Gleichrichtung und Überspannungsschutz im Hochstromteil, Meßwiderständen und Anzeigeinstrumenten. Fig. 11 overall circuit diagram of an embodiment with current and voltage limitation, deep discharge protection with bistable relay, rectification and overvoltage protection in the high-current section, measuring resistors and display instruments.
Fig. 12 Erfindung einer Drehzahlanzeige, die die Generator frequenz in eine drehzahlproportionale Spannung umformt. Fig. 12 invention of a speed display that converts the generator frequency into a speed-proportional voltage.
Fig. 13 Regelschaltung für fremderregten (Wind-) Generator unter Zuhilfenahme der Schaltung aus Fig. 12. Fig. 13 control circuit for separately excited (wind) generator with the aid of the circuit of Fig. 12.
Im Übersichtsschaltbild sind nur schematisch die Haupt stromkreise für die Erzeugung, Begrenzung, Ladung und Ver brauch des Starkstromes eingezeichnet. Die Steuer-, Regel und Anzeigeelektroniken für die Ladebegrenzung (Elektronik 1), den Tiefentladeschutz (Elektronik 2), die Drehzahlan zeige (Elektronik 3) und die Gleichrichtung des Genera torstroms sind als "black boxes" gezeichnet und werden im Detail weiter hinten behandelt. Wie in Schaltungen nach dem Stand der Technik sind T1 und D8 als Parallelreglerstell glied bzw. als Rückfluß-Sperrdiode vorhanden. D8 könnte aber in dieser Schaltung eventuell sogar entfallen, wenn die Ladebegrenzung so sicher aufgebaut wird, daß T1 den Akku nicht entleert. Das kommt daher, weil eine weitere Rückfluß-Sperrdiode D7 in Serie zu den Solarzellen einspei send auf den Knotenpunkt von Gleichrichter D1-D6, C1, R1(T1), D8 verhindert, daß der Windgeneratorstrom durch die Solarzellen fließen und diese zerstören kann. Des weiteren sind erfindungsgemäß zusätzlich R1 und C1 in der Schaltung enthalten. C1 dient als Sieb- und Ladekonden sator wie in einem gewöhnlichem Gerätenetzteil. Er bewirkt, daß sich der Mittelwert der Ausgangsgleichspannung von Windgenerator mit Gleichrichtung erhöht und daß Impuls ströme der Pulsweitenmodulation sich nicht als Wechselspan nungen auf den Anschlußleitungen ausbreiten können und da durch hochfrequente Störwellen aussenden sowie die Flügel zum Mitschwingen bringen.The main circuits for the generation, limitation, charging and consumption of the high-voltage current are only shown schematically in the overview circuit diagram. The control, regulation and display electronics for the charge limitation (electronics 1 ), the deep discharge protection (electronics 2 ), the speed display (electronics 3 ) and the rectification of the generator current are drawn as "black boxes" and are dealt with in more detail below. As in circuits according to the prior art, T1 and D8 are present as a parallel regulator actuator or as a reflux blocking diode. However, D8 could even be omitted in this circuit if the charge limit is set up so safely that T1 does not empty the battery. This is because a further reflux blocking diode D7 in series with the solar cells feeding on the node of rectifiers D1-D6, C1, R1 (T1), D8 prevents the wind generator current from flowing through the solar cells and destroying them. Furthermore, according to the invention, R1 and C1 are additionally contained in the circuit. C1 serves as a sieve and charging capacitor as in a normal device power supply. It causes the mean value of the DC output voltage from the wind generator with rectification to increase and that pulse currents of the pulse width modulation cannot spread as AC voltages on the connecting lines and emit high-frequency interference waves and cause the wings to resonate.
R1 liegt in Serie zum Transistor T1 und begrenzt den Strom durch diesen, da ohne R1 sich C1 beim Einschalten von T1 schlagartig über T1 entladen würde, wobei durch Über schreitung des maximalen Drain- bzw. Kollektorstromes T1 zerstört würde. R1 verringert bei analoger Arbeitsweise von T1 stark die Verlustleistung in T1. Bei pulsweitenmodulier ter Arbeitsweise von T1 verringert R1 die Verlustleistung im Generator. Da R1 selbst eine beträchtliche Menge an Ver lustleistung abführen muß, wird er auch als (Ver-) Heizwiderstand oder Verbratwiderstand bezeichnet. Man kann tatsächlich R1 über ein langes Kabel an die Regelung an schließen und in einem besonders wärmebedürftigen Raum, wie z. B. dem Badezimmer, anbringen. Da R1 bei Pulsweitenmodula tion außerdem zu schwingen beginnt und Schall abstrahlt, wurde er auch schon als (Ver-)Quietschwiderstand bezeich net. R1 is in series with the transistor T1 and limits the Current through this, because without R1 C1 turns on when T1 would be suddenly discharged via T1, with over exceeding the maximum drain or collector current T1 would be destroyed. R1 decreases by analog operation T1 strongly the power loss in T1. With pulse width modulation After T1 works, R1 reduces the power loss in the generator. Since R1 itself has a significant amount of ver must perform, it is also referred to as a Heating resistance or burning resistance called. One can actually R1 to the controller via a long cable close and in a particularly warm room, like e.g. B. the bathroom. Since R1 with pulse width modules tion also begins to vibrate and emit sound, it was also called a (squeaking) squeak resistance net.
Derzeit sind Schaltungen wie in Fig. 2 bekannt, die für den Betrieb von Akkumulatoren mit Solarzellen gedacht sind. Da bei fließt Strom durch den parallel zu den Solarzellen (Solarzellen angeschlossen an Klemme 1(+) und Klemme 2(-)) liegenden Leistungstransistor T1 (der einen hohen Stromver stärkungsfaktor haben muß, also z. B. ein Darlingtontransistor oder ein Power-MOS-FET sein muß (je nach Leistung müssen es auch mehrere sein)), wenn die Bat terien ihre Ladeschlußspannung erreicht haben. Der Transistor T1 erhält seinen Basisstrom von einem Operati onsverstärker OP1, der die Batteriespannung mit einer Refe renzspannung vergleicht, die mit R4 und D3 erzeugt wird. Zu beachten ist, daß der invertierende Eingang mit dem nichtinvertierenden Eingang vertauscht ist, da der Transistor die Phase um 180° dreht. Die Diode D1, meist eine Leistungs-Schottky-Diode, verhindert, daß sich der Ak kumulator über die Solarzellen entladen kann, wenn diese keinen Strom liefern.Circuits as in FIG. 2 are currently known, which are intended for the operation of rechargeable batteries with solar cells. Since current flows through the parallel to the solar cells (solar cells connected to terminal 1 (+) and terminal 2 (-)) lying power transistor T1 (which must have a high current amplification factor, e.g. a Darlington transistor or a power MOS -FET must be (depending on the power there may be several)) when the batteries have reached their final charge voltage. The transistor T1 receives its base current from an operational amplifier OP1, which compares the battery voltage with a reference voltage that is generated with R4 and D3. It should be noted that the inverting input is swapped with the non-inverting input because the transistor rotates the phase by 180 °. The diode D1, usually a power Schottky diode, prevents the accumulator from being able to discharge through the solar cells when they are not supplying current.
Der Nachteil der Schaltung in Fig. 2 ist, daß die Leistung, die T1 aushalten muß, sehr hoch ist. Sie ist bei vollem Akkumulator ungefähr das Produkt aus der Akkuspan nung und dem Strom, der von den Solarzellen geliefert wird, also der vollen Leistung, die erzeugt wird. Das hat zur Folge, daß riesige Kühlkörper für T1 notwendig werden.The disadvantage of the circuit in Fig. 2 is that the power that T1 has to endure is very high. When the battery is full, it is roughly the product of the battery voltage and the current supplied by the solar cells, i.e. the full power that is generated. As a result, huge heat sinks are necessary for T1.
Es gibt andere Schaltungen für Solarzellen nach dem Stand der Technik, die für T1 einen Schalttransistor ver wenden, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Das hat zwar den Vorteil, daß die Verlustleistung in T1 stark ver mindert wird, aber den Nachteil, daß nun die Verlustlei stung in den Solarzellen ansteigt, wodurch diese heißer werden. Wenn man sich vorstellt, daß ein Windgenerator über eine Gleichrichterbrücke an die Schaltung angeschlossen wird, ist dieser Punkt noch wichtiger, weil ein Generator noch empfindlicher auf Erwärmung reagiert. Man müßte ihn größer bauen, damit er die Erwärmung aushält. Es müßte der Drahtquerschnitt der Wicklung erhöht werden, temperaturfestere Kleber verwendet werden, oder/und tempe raturfestere Magnetwerkstoffe verwendet werden. Außerdem wäre das Rechtecksignal vom Schalttransistor auf der ganzen Länge der Leitung und würde hochfrequente Störstrahlung aussenden. Die Flügel würden im Takte der Schaltfrequenz unerwünschten Schall abstrahlen. Die Leistungstransistoren T1 sind empfindlicher gegenüber Spannungs- und Stromspitzen als in Schaltungen nach der Erfindung. There are other circuits for solar cells after State of the art ver a switching transistor for T1 turn, which is controlled by pulse width modulation. That has the advantage that the power loss in T1 ver is reduced, but the disadvantage that now the loss loss power in the solar cells increases, which makes them hotter will. If you imagine that a wind generator over a rectifier bridge connected to the circuit this point is more important because of a generator is even more sensitive to warming. You'd have to build bigger so that it can withstand the warming. It should Wire cross-section of the winding can be increased more temperature-resistant glue can be used, and / or tempe stronger magnetic materials are used. Furthermore would be the square wave signal from the switching transistor all over Length of the line and would be radio frequency interference send out. The wings would be in time with the switching frequency radiate unwanted sound. The power transistors T1 are more sensitive to voltage and current peaks than in circuits according to the invention.
Gegenüber herkömmlichen Schaltungen bietet Fig. 3 erstens eine Pulsweitenmodulation statt analoger Technik und zwei tens eine Strombegrenzung plus Spannungsbegrenzung, also laden mit IU-Kennlinie statt einer bloßen Spannungsbegren zung.Compared to conventional circuits, Fig. 3 firstly offers pulse width modulation instead of analog technology and secondly a current limitation plus voltage limitation, i.e. charging with an IU characteristic instead of a mere voltage limitation.
Die Verquickung von Strom- und Spannungsbegrenzung wird schaltungstechnisch durch eine analoge Oder-Schaltung mit D3, D4 und R22 erreicht. Die Steuerspannungen werden den beiden Anoden von D3 und D4 zugeführt, und das Ausgangssi gnal an den Kathoden folgt der höheren Eingangsspannung ab züglich der Durchlaßspannung der leitenden Diode. Höhere Spannungen bedeuten höheren Leistungsabzug durch T1 (Fig. 1). Dieselbe Schaltung ist mit umgekehrter Polaritäts bedeutung, umgepolten Dioden und Widerstand gegen plus ebenfalls denkbar.The combination of current and voltage limitation is achieved in terms of circuitry by an analog OR circuit with D3, D4 and R22. The control voltages are supplied to the two anodes of D3 and D4, and the output signal on the cathodes follows the higher input voltage less the forward voltage of the conductive diode. Higher voltages mean higher power deduction through T1 ( Fig. 1). The same circuit with reverse polarity meaning, reversed diodes and resistance to plus is also conceivable.
Auf die analoge Oder-Schaltung folgt ein als Schwell wertschalter beschalteter Komparator, (OP3, R23, R24, R25) der an seinem invertierenden Eingang eine Dreieckspannung mit geringfügig überlagerter Rechteckspannung (durch R4) zugeführt bekommt. Die Dreieckspannung wird durch einen Schwellwertschalter mit großer Hysterese (OP4, R1, R2, R3) erzeugt, dessen Ausgangssignal mit einem RC-Glied aus R5, R4, C1 auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt wird, wodurch die Anordnung als Oszillator wirkt, der am Ausgang PIN14 eine Rechteckspannung und an C1 eine Dreieckspannung zur Verfügung stellt. Am Verbindungspunkt von R4 und R5 steht eine Mischform von Dreieckspannung plus geringfügig überlagerter Rechteckspannung zur Verfügung. Die kleine überlagerte Rechteckspannung verbessert das Umschaltverhal ten von OP3 und T1 (Fig. 1), so daß Zustände vermieden wer den sollen, in denen T1 nicht völlig aus- oder eingeschal tet ist, wodurch sich die Verlustleistung in T1 erhöhen würde. Es können auch andere astabile Multivibratoren oder Oszillatoren verwendet werden, sofern sie eine Dreieckspan nung ausreichender Amplitude (Spitze- Spitze etwa halbe Be triebsspannung) zur Verfügung stellen. The analog OR circuit is followed by a comparator (OP3, R23, R24, R25) connected as a threshold switch, which receives a triangular voltage with a slightly superimposed square-wave voltage (through R4) at its inverting input. The delta voltage is generated by a threshold switch with high hysteresis (OP4, R1, R2, R3), the output signal of which is fed back to the inverting input with an RC element from R5, R4, C1, which means that the arrangement acts as an oscillator at the output PIN14 provides a square-wave voltage and a triangular voltage at C1. At the connection point of R4 and R5 there is a mixed form of triangular voltage plus slightly superimposed square wave voltage. The small superimposed square-wave voltage improves the Umschaltverhal th of OP3 and T1 ( Fig. 1), so that states should be avoided, in which T1 is not completely switched on or off, which would increase the power loss in T1. Other astable multivibrators or oscillators can also be used as long as they provide a triangular voltage of sufficient amplitude (peak-peak approximately half the operating voltage).
Die Spannungsbegrenzung um OP1 vergleicht die am Span nungsteiler R6, R7, R8 stehende Batteriespannung mit einer Referenzspannung, die mit R11 und D2 erzeugt wird. OP1 ver stärkt die Differenzspannung mit einer Verstärkung, die mit der Gegenkopplung mit R10 und R9 einstellbar ist. Ein Ver stärkungsfaktor von 100 dürfte ausreichend sein. Mit C2 und C4 wird die Regelschleife frequenzkompensiert, damit sie nicht zu schwingen beginnt. Außerdem glättet C2 die wellige Batteriespannung. Die Strombegrenzung um OP2 verwandelt die Größe des Stroms im Strommeßwiderstand R18 in eine propor tionale Spannung an OP2-Ausgang PIN7, die der analogen Oder-Schaltung als zweites Signal zugeführt wird. R18 ist ein niederohmiger Shunt mit hoher Belastbarkeit, der in der Stromleitung zur Batterie hängt. D1 in Fig. 3 entspricht D8 in Fig. 1. Mit einer Brückenschaltung aus Widerständen zwi schen Shunt in der Plusleitung und der Minusleitung wird der Spannungsabfall an Shunt R18 in den Gleichtaktspan nungsbereich des Operationsverstärkers OP2 gebracht und kann verstärkt werden. R19 und R20 sind ein Teil der Brücke und bestimmen mit Gegenkopplungswiderstand R21 zusammen die Verstärkung. Da zur Verringerung der Regelabweichung die Verstärkung groß sein sollte und gleichzeitig R19 und R20 hochohmig sein sollen, damit über sie der Akku nicht entla den wird, muß natürlich R21 extrem hochohmig gewählt wer den. Der andere Brückenzweig wahlweise mit R12, R13, R14 oder R15, R16, R17 ist umschaltbar und einstellbar ausgelegt. Mit R13 und R16 können zwei unterschiedliche Stromstärken vor eingestellt werden, bei denen der Strom in die Batterie be grenzt wird, und mit dem Umschalter kann eine der beiden Begrenzungsstromstärken angewählt werden. Es können mit ei ner entsprechenden Anzahl von Widerständen und Schaltkon takten auch mehr als zwei Stromwerte voreingestellt werden. Zum Abgleich der Strombegrenzung ersetzt man zweckmäßiger weise R18 durch einen hochohmigeren Widerstand (z. B. 1 Ohm statt 0,01 Ohm ), damit man ein Netzgerät mit üblichen ge ringen Stromstärken (z. B. 0-2 A) verwenden kann. Der Ab gleich für Spannungs- und Strombegrenzung wird getrennt vorgenommen, und zwar so, daß am Ausgang zum Gate des Schalttransistors bei dem jeweiligen Grenzwert ein Pulswei tenmodulationssignal mit 50% Tastverhältnis (gemessen z. B. mit einem Oszilloskop) entsteht. C5 in dem Gegenkopplungs pfad von OP2 verhindert ein Schwingen der Regelschleife.The voltage limitation around OP1 compares the battery voltage at the voltage divider R6, R7, R8 with a reference voltage that is generated with R11 and D2. OP1 amplifies the differential voltage with a gain that can be set with the negative feedback with R10 and R9. A gain factor of 100 should be sufficient. The control loop is frequency compensated with C2 and C4 so that it does not start to oscillate. C2 also smoothes the rippled battery voltage. The current limitation around OP2 converts the magnitude of the current in the current measuring resistor R18 into a proportional voltage at OP2 output PIN7, which is fed to the analog OR circuit as a second signal. R18 is a low-resistance shunt with a high load capacity that hangs in the power line to the battery. D1 in FIG. 3 corresponds to D8 in FIG. 1. With a bridge circuit consisting of resistors between the shunt in the positive line and the negative line, the voltage drop across shunt R18 is brought into the common-mode voltage range of the operational amplifier OP2 and can be amplified. R19 and R20 are part of the bridge and together with the negative feedback resistor R21 determine the gain. Since the gain should be large to reduce the control deviation and at the same time R19 and R20 should be high-impedance so that the battery is not discharged through them, R21 must of course be selected to be extremely high-impedance. The other bridge branch with either R12, R13, R14 or R15, R16, R17 is switchable and adjustable. R13 and R16 can be used to preset two different current levels at which the current into the battery is limited, and one of the two limit current levels can be selected with the changeover switch. With a corresponding number of resistors and switching contacts, more than two current values can also be preset. To adjust the current limit, R18 is expediently replaced by a higher-impedance resistor (e.g. 1 ohm instead of 0.01 ohm), so that a power supply unit with usual low currents (e.g. 0-2 A) can be used. From the same for voltage and current limitation is carried out separately, in such a way that a pulse width modulation signal with 50% duty cycle (measured z. B. with an oscilloscope) arises at the respective limit at the output to the gate. C5 in the negative feedback path of OP2 prevents the control loop from oscillating.
C6, D5 und R26 sind Verpolschutz und Schutz vor tran sienten Überspannungen. Der Verpolschutz der Schaltung in Fig. 3 ist allerdings noch nicht vollkommen, da die Eingänge von OP1 und OP2 nicht gegen Verpolung geschützt sind. Man müßte dafür noch drei Dioden verwenden, die mit der Kathode am Eingang und mit der Anode an Minus liegen. C6, D5 and R26 are reverse polarity protection and protection against transient overvoltages. The reverse polarity protection of the circuit in FIG. 3 is not yet complete, however, since the inputs of OP1 and OP2 are not protected against reverse polarity. Three diodes would have to be used for this purpose, with the cathode at the input and the anode at the minus.
Die Ladeschlußspannung eines Akkumulators ist derjenige am Ladegerät einzustellende Spannungswert, bei dem der Akku zu 100% vollgeladen werden kann, nach dem Volladen jedoch am Ladegerät angeschlossen bleiben kann, ohne allzusehr zu ga sen. Unter "gasen" versteht man das Hochperlen der Luft aus den Zellen, die bei der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff entsteht. Die entstehende Menge Gas ist di rekt proportional zum fließenden Reststrom und zur ver brauchten Wassermenge. Um die Batterien möglichst wartungs frei zu halten, versucht man, den Strom so gering wie mög lich zu machen. Je höher die Ladeschlußspannung ist, umso größer ist auch der Reststrom, dessen Energie mit Hilfe der Elektrolyse verbraucht wird. Gebräuchliche Einstellwerte für die Ladeschlußspannung bei 20°C liegen zwischen 13,8 V und 14,4 V für einen 12 V Akku. Der Restladestrom sollte zwi schen 0,2 A und 0,5 A je 100 Ah Akkukapazität sein, also rela tiv ausgedrückt ein Fünfhundertstel bis ein Zweihundertstel der Akkukapazität. Wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist, ist die notwendige Ladeschlußspannung stark temperaturabhängig. Bei tiefen Temperaturen ist wesentlich mehr Spannung erforder lich als bei hohen Temperaturen. Der Temperaturkoeffizient ist etwa -46 mV/°C bei einer 12 V Batterie oder allgemein, relativ ausgedrückt -0,38%/°C. Der Wert des Temperaturkoef fizienten ebenso wie der absolute Wert der Ladeschlußspan nung bei 20°C ist etwas abhängig vom Alterungszustand der Batterie. Neue Batterien haben eine höhere Ladeschlußspan nung und auch einen höheren negativen Temperaturkoeffizien ten als alte Batterien. Das hier Geschriebene, besonders die angegebenen Zahlenwerte, beziehen sich ausschließlich auf Bleiakkumulatoren mit Schwefelsäureelektrolyt. Tempera turen unter -10°C sind mit Vorsicht zu betrachten, da ein tiefentladener Akku schon bei -10°C gefrieren und platzen kann. Will man zu extrem tiefen Temperaturen vorstoßen, muß sichergestellt sein, daß während dieser Frostperioden die Akkus immer voll sind und nur maximal 20% der Kapazität entnommen werden. The end-of-charge voltage of an accumulator is the voltage value to be set on the charger at which the battery can be fully charged, but can remain connected to the charger after being fully charged without overly ga sen. "Gases" means the bubbling of air out of the cells, which occurs when water is split into hydrogen and oxygen. The amount of gas produced is directly proportional to the flowing residual current and the amount of water consumed. In order to keep the batteries as maintenance-free as possible, attempts are made to keep the current as low as possible. The higher the final charge voltage, the greater the residual current, the energy of which is consumed with the help of electrolysis. Common setting values for the final charge voltage at 20 ° C are between 13.8 V and 14.4 V for a 12 V battery. The residual charge current should be between 0.2 A and 0.5 A per 100 Ah battery capacity, in other words, one five hundredth to two hundredths of the battery capacity. As can be seen from Fig. 4, the necessary end-of-charge voltage is strongly temperature-dependent. At low temperatures, much more voltage is required than at high temperatures. The temperature coefficient is approximately -46 mV / ° C for a 12 V battery or, generally speaking, -0.38% / ° C. The value of the temperature coefficient as well as the absolute value of the final charge voltage at 20 ° C is somewhat dependent on the aging condition of the battery. New batteries have a higher end-of-charge voltage and also a higher negative temperature coefficient than old batteries. What is written here, especially the numerical values given, relate exclusively to lead accumulators with sulfuric acid electrolyte. Temperatures below -10 ° C should be viewed with caution, as a deeply discharged battery can freeze and burst at -10 ° C. If you want to reach extremely low temperatures, you must ensure that the batteries are always full during these frost periods and that only a maximum of 20% of the capacity is removed.
Bei gewöhnlichem Anschluß der Batterie mit zwei Leitungen, einer Leitung L1 für Plus und einer Leitung L4 für Minus ist es so, daß die Elektronik eine höhere Spannung sieht als an der Batterie ist, während der Akku aufgeladen wird, weil der Spannungsabfall an den Leitungswiderständen RL1 und RL4 die Spannung am Akku mindert. Dadurch wird der Akku langsamer aufgeladen, als dies theoretisch möglich wäre. Beim Entladefall ist es umgekehrt. Die Elektronik sieht we niger Spannung im Reglergehäuse als Spannung an der Batte rie ist. Die Folge davon ist, daß bei hohen Entladeströmen die Last zu früh abgeschaltet wird.When the battery is normally connected with two lines, a line L1 for plus and a line L4 for minus is that the electronics see a higher voltage than on the battery while the battery is charging, because the voltage drop across the line resistors RL1 and RL4 reduces the voltage on the battery. This will make the battery charged slower than would be theoretically possible. The reverse is the case when unloading. The electronics see us less tension in the controller housing than tension on the battery rie is. The consequence of this is that at high discharge currents the load is switched off too early.
Zur Vermeidung dieser Nachteile werden die internen Brücken Br.1 und Br.2 entfernt und zwei Sensing-Leitungen L2 und L3 direkt von der Elektronik, die die Spannung "sieht", zu den Polen der Batterie Plus und Minus gelegt. Der Querschnitt dieser Leitungen kann relativ zu den Hoch stromleitungen L1 und L4 sehr gering sein, z. B. 2×0,75 qmm.To avoid these disadvantages, the internal Bridges Br.1 and Br.2 removed and two sensing lines L2 and L3 directly from the electronics, which is the voltage "sees", placed on the poles of the battery plus and minus. The cross section of these lines can be relative to the high power lines L1 and L4 be very small, e.g. B. 2 × 0.75 mm².
Beim Sensing-Betrieb muß noch beachtet werden, daß das Gate von T1 zu dessen Source nicht zu positiv vorgespannt wird. Es darf kein Zustand eintreten, bei dem T1 dauernd leitet. Beispielhaft wurden in die Zeichnung Fig. 5 die Spannungspfeile für einen Power-MOS-FET eingezeichnet, der bei einer Gatespannung von 3 V noch nicht leitet. Da die Low-Ausgangsspannung des Treiber-IC′s (LM124) unter 0,3 V liegt, dürfen an RL4 höchstens noch 2,7 V abfallen. Angenom men, der Ladestrom sei 27 A, so muß der Leitungswiderstand der Minusleitung RL4 kleiner als 0,1 Ohm sein. Das ent spricht bei einem Kupfer-Leiterquerschnitt von 2,5 qmm ei ner maximalen Länge von 14 Meter. Ist eine größere Lei tungslänge notwendig, kann man den Querschnitt erhöhen oder man muß sich etwas anderes einfallen lassen. Dies wäre eine andere Ansteuerung des T1, zum Beispiel mit Optokoppler oder einfacher mit einem Kollektorwiderstand zwischen Gate und Source von T1, der vom Kollektor eines pnp-Transistors (open collector) angesteuert wird. When sensing, it must also be noted that the gate from T1 to its source is not biased too positively. No state may occur in which T1 is continuously conducting. The voltage arrows for a power MOS FET which does not yet conduct at a gate voltage of 3 V have been drawn as an example in the drawing in FIG. 5. Since the low output voltage of the driver IC's (LM124) is below 0.3 V, a maximum of 2.7 V may drop at RL4. Assuming that the charging current is 27 A, the line resistance of the minus line RL4 must be less than 0.1 ohm. With a copper conductor cross-section of 2.5 qmm, this corresponds to a maximum length of 14 meters. If a longer line length is necessary, you can increase the cross-section or you have to come up with something else. This would be a different control of the T1, for example with an optocoupler or more simply with a collector resistor between the gate and source of T1, which is controlled by the collector of a pnp transistor (open collector).
Um eine temperaturkompensierte Ladeschlußspannung zu erhal ten, ist es am einfachsten, man verwendet für die Referenz spannung eine Schaltung, die eine Spannung zur Verfügung stellt, die den gleichen relativen negativen Temperaturko effizienten aufweist, wie ihn die Ladeschlußspannung haben soll. Fig. 6 zeigt vier verschiedene Schaltungen, mit denen man eine Referenzspannung mit negativem Temperaturkoeffizi enten erzeugen kann. In allen vier Schaltungen Fig. 6a-d wird zunächst mit Widerstand R1 und Z-Diode D1 (oder inte grierter Spannungsreferenz D1) eine ziemlich konstante Re ferenzspannung erzeugt. Ein temperaturabhängiger Widerstand (R3, R6, R12 oder R15) ist der Umgebungstemperatur oder bes ser der Batterietemperatur direkt ausgesetzt. Gut ist es, wenn der Temperatursensor in einem Gehäuse aus gut tempera turleitfähigem Material (also Metall) eingegossen wird. Es kann sich um ein Röhrchen handeln, auf dessen einem Ende die zwei Anschlußkabel herausgeführt sind und auf dessen anderem Ende eine Lasche angebracht ist mit einem Loch (meist für M6), mit dessen Hilfe man die Vorrichtung an ei nem Batteriepol mit anschrauben kann.The easiest way to obtain a temperature-compensated end-of-charge voltage is to use a circuit for the reference voltage which provides a voltage which has the same relative negative temperature coefficient as the end-of-charge voltage should have. Fig. 6 shows four different circuits with which one can generate a reference voltage with a negative temperature coefficient. In all four circuits Fig. 6a-d, a fairly constant reference voltage is first generated with resistor R1 and Zener diode D1 (or integrated voltage reference D1). A temperature-dependent resistor (R3, R6, R12 or R15) is directly exposed to the ambient temperature or better to the battery temperature. It is good if the temperature sensor is cast in a housing made of a material with good temperature conductivity (i.e. metal). It can be a tube, on one end of which the two connection cables are led out and on the other end a tab is attached with a hole (usually for M6), with the help of which the device can be screwed to a battery terminal.
Schaltung Fig. 6a benutzt einen PTC-Widerstand (R3) in der Gegenkopplung zwischen invertierendem Eingang und Masse. Die Referenz-Eingangsspannung liegt am nichtinver tierenden Eingang des OP. Wenn die Temperatur ansteigt, steigt der Widerstand von R3, folglich fließt weniger Strom durch R4, folglich ist weniger Spannung an R4, folglich ist die Ausgangsspannung U kleiner. Eine einfache mathematische Formel: Temperaturkoeffizient von U in Abhängigkeit von R2, R3, R4 und Temperaturkoeffizient von R3 gibt es nicht. Am einfachsten ist es, man setzt Werte für R2, R3, R4 ein und berechnet für verschiedene Temperaturen die Ausgangsspan nung, bis man am Ziel des richtigen Temperaturkoeffizienten angelangt ist.Circuit Fig. 6a uses a PTC resistor (R3) in the negative feedback between the inverting input and ground. The reference input voltage is at the non-inverting input of the OP. When the temperature rises, the resistance of R3 increases, consequently less current flows through R4, consequently there is less voltage at R4, consequently the output voltage U is lower. A simple mathematical formula: there is no temperature coefficient of U depending on R2, R3, R4 and temperature coefficient of R3. The easiest way is to use values for R2, R3, R4 and calculate the output voltage for different temperatures until you have reached the right temperature coefficient.
Schaltung Fig. 6b verwendet einen PTC-Widerstand R6 im oberen Teil eines passiven Spannungsteilers mit R5, R6, R7, der noch mit dem OP und R8 und R9 gepuffert und verstärkt wird. Die Ausgangsspannung hat einen festlegbaren negativen Temperaturkoeffizienten.Circuit Fig. 6b uses a PTC resistor R6 in the upper part of a passive voltage divider with R5, R6, R7, which is also buffered and amplified with the OP and R8 and R9. The output voltage has a definable negative temperature coefficient.
Schaltung Fig. 6c verwendet einen NTC-Widerstand R12 in der Gegenkopplung eines OP′s zwischen dessen Ausgang und invertierendem Eingang. Die temperaturstabile Referenzspan nung liegt dabei am nichtinvertierenden Eingang. Bei Tempe raturerhöhung sinkt der Widerstand von R12 plus R11, da durch sinkt bei konstantem Strom der Spannungsabfall und damit sinkt auch die Gesamtausgangsspannung.Circuit Fig. 6c uses an NTC resistor R12 in the negative feedback of an OP's between its output and inverting input. The temperature-stable reference voltage lies at the non-inverting input. When the temperature rises, the resistance of R12 plus R11 decreases, as the voltage drop decreases with a constant current and thus the total output voltage also decreases.
Schaltung Fig. 6d verwendet einen NTC-Widerstand R15 als Temperaturfühler, der im unteren Teil eines passiven Span nungsteilers liegt, der an der Referenzspannung von D1 liegt. Erhöht sich die Temperatur, sinkt der Widerstand von R15 und sinkt damit die Ausgangsspannung, die mit einem OP und R16 und R17 gepuffert und verstärkt werden kann. Circuit Fig. 6d uses an NTC resistor R15 as a temperature sensor which lies in the lower part of a passive voltage divider which is connected to the reference voltage of D1. If the temperature rises, the resistance of R15 drops and thus the output voltage drops, which can be buffered and amplified with an OP and R16 and R17.
Fig. 7 Temperaturkompensierte pulsweitenmodulierte Span nungsbegrenzung mit Stromversorgung für höhere Versorgungs spannungen, mit Schutz vor Verpolung und vor transienten Überspannungen. Ausführungsbeispiel mit Wertangaben für die Bauteile. Fig. 7 Temperature compensated pulse width modulated voltage limitation with power supply for higher supply voltages, with protection against reverse polarity and against transient overvoltages. Exemplary embodiment with values for the components.
Die temperaturabhängige Referenzspannung in Fig. 7 wird mit IC2 (LM136 Z2, 5 V) und IC1b (LM124) erzeugt. Die Schal tung entspricht im Prinzip Fig. 6a, ist jedoch um ein paar Kondensatoren (C1, C2, C3, C11) ergänzt, die Störeinstrahlungen und PWM-Reste unschädlich machen. Dem Spannungsverglei cher IC1a wird neben der temperaturabhängigen Referenzspan nung auch die Batteriespannung über den Spannungsteiler R12, R13, und R14 zugeführt. Die richtige Ladeschlußspannung wird mit R13 abgeglichen. D1 (z. B. 1N4148) klemmt zu hohe Eingangsspannungen auf die 13,5 V Betriebsspannung und schützt so die OP-Eingänge vor Überspannungen. Der Dreieckoszillator mit IC1d in Fig. 7 entspricht OP4 in Fig. 3. Positivere Eingangsspannungen an Pin10 und 1 haben ein PWM-Ausgangssignal zur Folge, das eine höhere Ein schaltdauer hat, als wenn das Gleichspannungs-Eingangssi gnal niedriger ist.The temperature-dependent reference voltage in FIG. 7 is generated with IC2 (LM136 Z2, 5 V) and IC1b (LM124). The circuit device corresponds in principle to Fig. 6a, but is supplemented by a few capacitors (C1, C2, C3, C11), which make interference and PWM residues harmless. In addition to the temperature-dependent reference voltage, the voltage comparator IC1a is also supplied with the battery voltage via the voltage divider R12, R13 and R14. The correct final charge voltage is compared with R13. D1 (e.g. 1N4148) clamps input voltages that are too high to the 13.5 V operating voltage and thus protects the OP inputs from overvoltages. The triangular oscillator with IC1d in Fig. 7 corresponds to OP4 in Fig. 3. More positive input voltages at pin 10 and 1 result in a PWM output signal, which has a higher duty cycle than when the DC input signal is lower.
Die Stromversorgung in Fig. 7 ist gegenüber der von Fig. 3 weiterentwickelt. Je höher die Leistung eines Generators, desto wichtiger wird es, auf höhere Spannungen auszuwei chen, um die Ströme in annehmbaren Grenzen zu halten. Auch der Gleichrichterwirkungsgrad erhöht sich mit zunehmender Betriebsspannung. Eine Verdoppelung der Betriebsspannung halbiert die Gleichrichterverluste bei gleichbleibender Ge neratorleistung. Verwendet man z. B. eine Drehstrom-Kompakt gleichrichterbrücke mit 30 A Belastbarkeit, kann man bei 12 V Betriebsspannung einen 300 Watt Generator verwenden, bei 24 V Betriebsspannung einen 600 Watt Generator und bei 48 V Betriebsspannung einen 1200 Watt Generator, bei jeweils gleicher Gleichricht-Verlustleistung von etwa 50 Watt.The power supply in FIG. 7 has been developed further than that of FIG. 3. The higher the output of a generator, the more important it is to switch to higher voltages in order to keep the currents within acceptable limits. The rectifier efficiency also increases with increasing operating voltage. A doubling of the operating voltage halves the rectifier losses with the same generator power. If you use e.g. B. a three-phase compact rectifier bridge with 30 A load capacity, you can use a 300 watt generator at 12 V operating voltage, a 600 watt generator at 24 V operating voltage and a 1200 watt generator at 48 V operating voltage, each with the same rectification power loss of approx 50 watts.
Der Verpolschutz in Fig. 7 besteht aus D2, einer Gleich richterdiode in Serie zum Anschluß der Batterie in Durch laßrichtung. Wird die Batterie verpolt angeschlossen, sperrt einfach D2 und hält die zerstörerische negative Spannung von der Spannungsversorgung der Schaltung und von den Regeleingängen (IC1a Pin3) fern. Die Lastabschaltung wird genauso geschützt angeschlossen. Ein eventuell sich verändernder Spannungsabfall an D2 führt zwar zur Verände rung von Ladeschlußspannung, Abschaltspannung und Wieder einschaltspannung, ist aber unwesentlich, da sich die Span nungen nur im Bereich von 0,1 V-0,2 V ändern.The reverse polarity protection in Fig. 7 is made D2, a rectifier diode in series to the terminal of the battery in through laßrichtung. If the battery is connected with the wrong polarity, simply locks D2 and keeps the destructive negative voltage away from the power supply of the circuit and from the control inputs (IC1a Pin3). The load cut-off is connected with the same protection. A possibly changing voltage drop at D2 leads to changes in the end-of-charge voltage, switch-off voltage and switch-on voltage, but is insignificant since the voltages only change in the range of 0.1 V-0.2 V.
Vor Überspannungen schützen D5, D1 und D4. D5 ist eine Z- Diode oder Transil-Diode, die nach D2 parallel zum Eingang liegt. Die Z-Spannung von D5 sollte etwas über der maxima len Batteriespannung liegen (ca. 20%), wobei zu berücksich tigen ist, daß die Ladeschlußspannung bei extrem tiefen Temperaturen stark ansteigt. Der Eingang von IC1a (Pin3) wird durch D1 und D4 geschützt. Der Strom fließt dabei über D2, R14, D1, D4.Protect against overvoltages D5, D1 and D4. D5 is a Z Diode or Transil diode, which after D2 parallel to the input lies. The Z voltage of D5 should be slightly above the maxima len battery voltage (approx. 20%), whereby too term is that the final charge voltage at extremely low Temperatures rise sharply. The input of IC1a (Pin3) is protected by D1 and D4. The current overflows D2, R14, D1, D4.
T1, D3, C8, R20, R21, R22 versorgen die Elektronik mit einer stabilisierten Betriebsspannung. Vorwiderstand R21 und Z- Diode D3 stabilisieren die Spannung, die über R22 an die Basis von T1 gegeben wird. T1 ist ein Darlingtontransistor mittlerer Leistung, dessen maximale Kollektor-Emitter-Span nung größer als die Z-Spannung von D5 sein soll. Mit dieser Schaltung wird es möglich, die Batterienennspannung über 24 Volt zu machen, ohne daß die IC′s durch zu große Spannungen (Maximalspannung der Standard-IC′s ist meist 36 V) zerstört würden.T1, D3, C8, R20, R21, R22 supply the electronics with a stabilized operating voltage. Series resistor R21 and Z- Diode D3 stabilize the voltage across R22 to the Base of T1 is given. T1 is a Darlington transistor medium power, its maximum collector-emitter chip voltage should be greater than the Z voltage of D5. With this Circuit it becomes possible to set the battery voltage above 24 To make volts without the IC's due to excessive voltages (The maximum voltage of the standard IC's is usually 36 V) destroyed would.
R20, ein Widerstand in der Kollektorleitung von T1, schützt den Transistor vor Stromspitzen. R20 muß so gewählt werden, daß die Spannung am Emitter von T1 nicht zusammen bricht, wenn der maximale Verbrauchsstrom fließt, was wäh rend dem Umschalten des bistabilen Relais der Fall sein wird.R20, a resistor in the collector line from T1, protects the transistor from current peaks. R20 must be chosen this way that the voltage at the emitter of T1 is not related breaks when the maximum consumption current flows, which would rend switching of the bistable relay becomes.
C8, C9, C10 glätten die Betriebsspannung und sorgen für eine Energiereserve bei Stromspitzen. Es muß darauf geach tet werden, daß die Spannung der Transil- oder Z-Diode D4 am Emitter von T1 mindestens gleich hoch oder etwas höher als die Spannung der Z-Diode D3 an der Basis sein muß, da durch D4 normalerweise kein Strom fließen soll. R22, der Basiswiderstand von T1, verhindert Schwingneigung, da T1 ohne R22 mit der Basis hochfrequenzmäßig auf Massepotential liegen würde, also in Basisschaltung schwingen könnte (Fig. 7). C8, C9, C10 smooth the operating voltage and provide an energy reserve during current peaks. Care must be taken that the voltage of the transil or Z diode D4 at the emitter of T1 must be at least as high or slightly higher than the voltage of the Z diode D3 at the base, since normally no current should flow through D4 . R22, the base resistance of T1, prevents the tendency to oscillate, since without the base R22 T1 would be at ground potential in terms of radio frequency, i.e. could oscillate in the base circuit ( FIG. 7).
Funktion der Schaltung: Ein Schwellwertschalter wie in Fig. 8 mit Operationsverstärker realisiert oder anders, z. B. mit einem Schmitt-Trigger, vergleicht die Batteriespannung (heruntergeteilte Batteriespannung) mit einer mit einer Z- Diode mit Vorwiderstand hergestellten Referenzspannung. Der Ausgang von OP1 hat High-Potential, wenn die Batteriespan nung einen bestimmten Wert überschreitet. Durch Mitkopplung über R5 und R6 vom Operationsverstärkerausgang auf den nichtinvertierenden Eingang erhält man eine Schalthysterse, das heißt, die Last wird bei Unterschreitung der Batterie spannung von z. B. 10,5 V abgeschaltet, und erst wieder ein geschaltet, wenn z. B. 12,5 V überschritten werden, wenn nachgeladen wird oder die Batterie sich selbst erholt. Der OP-Ausgang liefert über R7 den Basisstrom für T1, mit des sen Kollektorstrom der Relaisspulenstrom aufgebracht wird. Das Relais schaltet mit seinem Kontakt S1 die Last ein.Function of the circuit: A threshold switch as implemented in FIG. 8 with an operational amplifier or otherwise, e.g. B. with a Schmitt trigger, compares the battery voltage (divided battery voltage) with a reference voltage produced with a Zener diode with a series resistor. The output of OP1 has high potential if the battery voltage exceeds a certain value. By coupling via R5 and R6 from the operational amplifier output to the non-inverting input, a switching hysteresis is obtained, which means that the load is reduced when the battery voltage falls below z. B. 10.5 V, and only switched on again when z. B. 12.5 V are exceeded when recharging or the battery recovers. The OP output supplies the base current for T1 via R7, with which the collector coil current is applied to the relay coil current. The relay switches on the load with its contact S1.
1. Der Relaisansteuerstrom ist sehr hoch mit z. B. 0,24 A. Dieser Strom wird bei voller Batterie ständig der Batterie entnommen, bis sie leer ist. Bei einer Batteriekapazität von z. B. 100 Ah ist eine volle Batterie schon nach 400 Stun den tiefentladen, wenn kein Laststrom fließt. Nun könnte jemand auf die Idee kommen, statt eines Arbeitskontaktes für S1 einen Ruhekontakt zu verwenden. Damit ist das Problem aber nur verschoben. Jetzt fließt zwar fast kein Strom, solange die Batterien voll sind, aber sind sie einmal leer, entlädt der Relaisspulenstrom sie noch weiter, so daß sie durch Tiefentladung ihre Wiederaufladefähigkeit verlieren. Durch Sulfatierung der positiven Bleiplatten beim Tiefentladen werden die Akkus unbrauchbar.1. The relay drive current is very high with z. B. 0.24 A. This current is constantly the battery when the battery is full removed until it is empty. With a battery capacity from Z. B. 100 Ah is a full battery after 400 hours deep discharge if no load current flows. Well could someone come up with the idea instead of a work contact to use a normally closed contact for S1. That’s it Problem just postponed. Now there is almost no flow Electricity as long as the batteries are full, but they are once empty, the relay coil current discharges them even further, so that they can be recharged by deep discharge to lose. By sulfating the positive lead plates the batteries become unusable during deep discharge.
Bei den Abgleicharbeiten an einer Schaltung nach Fig. 8 mit tels der Einstellwiderstände R3 für die Spannungshöhe und mit R6 für die Schalthysterese beeinflussen sich die beiden Bauteile gegenseitig. Es ist also sehr schwer, zumindest langwierig, exakt die gewünschte Ausschaltspannung und Wie dereinschaltspannung einzustellen.In the adjustment work on a circuit according to Fig. 8 with means of adjusting resistors R3 for the voltage level and the switching hysteresis with R6 for the two components interfere with each other. It is therefore very difficult, at least protracted, to set the exact switch-off voltage and switch-on voltage.
Bei Lastwiderständen, die einen hohen Anlaufstrom haben, kann die Schaltung in Fig. 8 vorzeitig abschalten, wobei Kippschwingungen wie bei einem astabilen Multivibrator auf treten, die abgesehen davon, daß die Last nicht eingeschal tet bleibt und anläuft, die Relaiskontakte zu stark ver schleißen. Solche Lastwiderstände sind z. B. Motoren und Glühlampen. Sollte das Abschalten und Multivibrieren nicht am Einschaltstrom, sondern an einem zu hohen Dauerstrom liegen, kann man nichts machen, als die Akkukapazität auf den zehnfachen Wert des Dauerstroms zu erhöhen. With load resistors that have a high starting current, the circuit in Fig. 8 can switch off prematurely, with tilting vibrations occurring as in an astable multivibrator, which apart from the fact that the load does not remain switched on and starts up, the relay contacts wear out too much. Such load resistors are e.g. B. motors and incandescent lamps. If switching off and multivibrating is not due to the inrush current, but to an excessive continuous current, there is nothing you can do but increase the battery capacity to ten times the value of the continuous current.
Die Schaltung Fig. 9 zeigt eine Lastabschaltung, in der ein Power-MOS-FET (T1) als Schaltelement dient. Dieser wird am Gate von einem Komparator angesteuert, der als Schwellwert schalter geschaltet ist. Dieser Komparator (ICI) vergleicht die Batteriespannung mit der Referenzspannung einer Z-Diode (D1) in der Weise, daß er bei Abfallen der Spannung der Batterie bei deren Tiefentladung dem Power MOS-FET (T1) die Gatespannung zwischen Gate und Source schnell wegnimmt, so daß dieser sperrt. Mit R11 werden die Schaltspannungen ein gestellt, bei der die Last ein- bzw. ausgeschaltet wird. Das Schwellwertschalterverhalten des Komparators wird durch Mitkopplung über R1 und R14 zwischen Ausgang und nichtin vertierendem Eingang erreicht. Diese beiden Widerstände be stimmen die Hysterese. Der Kondensator C1 verhindert durch seine spannungshaltende Wirkung die Abschaltung der Last bei kurzzeitigen (ungefähr 1-2 s) Spannungseinbrüchen der Batterie beim Einschalten von Lasten mit hohen Anlaufströ men wie z. B. Motoren, Glühlampen, Leuchtstofflampen und Netzteilkondensatoren. Andererseits darf dabei der maximale Drainstrom von T1 auch nicht kurzzeitig überschritten wer den. Hierzu dient die flinke elektronische Kurzschlußsiche rung mit R2, T2 und V1. R2 fungiert als niederohmiger Meßwi derstand, durch den der Verbraucherstrom fließt. Ober schreitet der Spannungsabfall an R2 die Basis-Emitter-Span nung von T2, bei der dieser aufsteuert, so zündet der Kol lektorstrom von T2 den Thyristor V1 über R5. Damit nimmt V1 dem T1 die Gate-Source-Spannung weg und T sperrt schnell.The circuit in FIG. 9 shows a load cutoff in which a power MOS FET (T1) serves as a switching element. This is controlled at the gate by a comparator, which is switched as a threshold switch. This comparator (ICI) compares the battery voltage with the reference voltage of a Zener diode (D1) in such a way that if the voltage of the battery drops when it is deeply discharged, the power MOS-FET (T1) quickly takes away the gate voltage between the gate and source, so that it locks. R11 sets the switching voltages at which the load is switched on or off. The threshold switch behavior of the comparator is achieved by feedback via R1 and R14 between the output and the non-inverting input. These two resistors determine the hysteresis. Due to its voltage-retaining effect, the capacitor C1 prevents the load from being switched off in the event of short-term (approximately 1-2 s) voltage dips in the battery when switching on loads with high starting currents such as e.g. B. motors, incandescent lamps, fluorescent lamps and power supply capacitors. On the other hand, the maximum drain current of T1 must not be exceeded for a short time. The fast electronic short-circuit protection with R2, T2 and V1 is used for this. R2 acts as a low-resistance measuring resistor through which the consumer current flows. Above the voltage drop across R2 exceeds the base-emitter voltage of T2, at which this turns on, the collector current of T2 ignites the thyristor V1 via R5. V1 thus removes the gate-source voltage from T1 and T blocks quickly.
Da es im praktischen Betrieb bei Funkstörungen, wie sie beim Schalten von induktiven Verbrauchern auftreten, zu un erwünschten Abschaltungen kam, wurde die Funkentstörung mit R6, C4, R5, C5 eingefügt. Als Anhaltspunkt zur Dimensionierung kann gelten: Eine Verzögerung der Abschaltung um 1 µs ist für die modernen Power-MOS-FET′s schon zu lange. Hartnäckige Störer sind zum Beispiel: Leuchtstofflampen (Netz), Motoren, Transformatoren in unentstörter Ausführung beim Abschalten. Zum Schutze der MOSFET′s vor Spannungs spitzen sind weiterhin Oberspannungsableiter, Varistoren (R13) und Transildioden zwischen Source und Drain und par allel zur Lastseite erforderlich. Eine Leuchtdiode D2 mit Vorwiderstand R7 parallel zur Last (gleich Ausgang) zeigt an, ob die Last Spannung bekommt. Zur Wiedereinschaltung schließt ein Schalter parallel zum Thyristor diesen kurz. Since it is in practical operation in the event of radio interference such as this occur when switching inductive consumers, too un desired shutdowns came, the radio interference suppression R6, C4, R5, C5 inserted. As a guide to dimensioning can apply: There is a delay of the switch-off by 1 µs too long for the modern power MOS FETs. Persistent interferers are, for example: fluorescent lamps (Mains), motors, transformers in undisturbed execution when switching off. To protect the MOSFETs from voltage Spikes are still high voltage arresters, varistors (R13) and transile diodes between source and drain and par allel required on the load side. A light emitting diode D2 with Series resistor R7 parallel to the load (same as output) shows whether the load is getting tension. For restarting a switch in parallel with the thyristor shorts it.
Aufgabe: Die Lastabschaltung hat die Aufgabe, die Batterie (die Akkumulatoren) vor Beschädigung durch Tiefentladung zu schützen. Dazu wird als Regelgröße die Batteriespannung herangezogen. Eine Temperaturkompensation der Abschaltspan nung ist aufgrund dem Verhalten von Akkumulatoren nicht nö tig. Das heißt, daß man die Tiefentladeschwelle immer auf gleicher Spannungshöhe lassen kann, unabhängig davon, wel che Temperatur die Batterien haben. Dagegen ist die Tief entladeschwelle (Entlade-)stromabhängig (Innenwiderstand). Bei der Ladeschlußspannungsbegrenzung für die (Blei )Akkumulatoren ist dagegen eine Temperaturabhängigkeit der Ladeschlußspannung dringend anzuraten.Task: The load switch-off has the task, the battery (the accumulators) from damage due to deep discharge protect. The battery voltage is used as the control variable used. A temperature compensation of the switch-off chip Because of the behavior of accumulators, voltage is not necessary tig. This means that the deep discharge threshold is always on can leave the same voltage level, regardless of which temperature of the batteries. In contrast, the low Discharge threshold (discharge) dependent on current (internal resistance). With the final charge voltage limitation for the (lead ) Accumulators, on the other hand, is a temperature dependency of the Final charge voltage strongly advised.
R1, R2, R3, R4, R5 und C1 bilden einen einstellbaren Span nungsteiler. Mit R3 kann die Wiedereinschaltspannung einge stellt werden (Bei einem 12 V-Akku zum Beispiel auf 12,2 bis 12,5 V), und mit R4 wird eingestellt, bei welcher Akkuspan nung die Last abgeschaltet wird (Spannung z. B. 10,5 V bis 11,5 V für ein 12 V-Akku). Der Kondensator C1 verleiht dem Spannungsteiler Tiefpaßeigenschaften und verhindert, daß kurzzeitige Spannungseinbrüche des Akkus, zum Beispiel beim Einschalten von Glühlampen oder Motoren, zum Abschalten führen. Man wird seinen Wert so wählen, daß eine Zeitkon stante von etwa ein bis zehn Sekunden erreicht wird.R1, R2, R3, R4, R5 and C1 form an adjustable span divider. The reclosing voltage can be switched on with R3 (For a 12 V battery, for example, to 12.2 to 12.5 V), and R4 is used to set the battery voltage the load is switched off (voltage e.g. 10.5 V to 11.5 V for a 12 V battery). The capacitor C1 gives that Voltage divider low pass characteristics and prevents brief voltage drops in the battery, for example when Switch on incandescent lamps or motors to switch off to lead. One will choose its value so that a time con constant of about one to ten seconds is reached.
Vorwiderstand R6, Zener-Diode D1 und C2 erzeugen eine sta bile Vergleichsspannung, die OP2 am invertierenden Eingang und OP1 am nichtinvertierenden Eingang zugeführt wird. Die stabilisierte Spannung kann innerhalb des Gleichtaktbe reichs der OP′s, zweckmäßigerweise aber von ungefähr 0,2*U Akku bis 0,7*U Akku gewählt werden. Bei dem Ausführungsbei spiel in Fig. 10 läge sie bei 0,5*U Akku. Die beiden Opera tionsverstärker sind als Schwellwertschalter mit einer ge ringen Hysterese von z. B. 0,005*U Akku geschaltet. Der Aus gang von OP1 springt auf High, wenn an dessen invertieren den Eingang die vom Spannungsteiler geteilte Akkuspannung die Referenzspannung unterschreitet, während OP2 auf High springt, wenn die seinem nichtinvertierenden Eingang zuge führte geteilte Akkuspannung die Referenzspannung über schreitet.Series resistor R6, Zener diode D1 and C2 generate a stable reference voltage, which is supplied to OP2 at the inverting input and OP1 at the non-inverting input. The stabilized voltage can be selected within the common-mode range of the OPs, but expediently from approximately 0.2 * U battery to 0.7 * U battery. In the exemplary embodiment in FIG. 10, it would be 0.5 * U battery. The two operational amplifiers are as a threshold switch with a low hysteresis of z. B. 0.005 * U battery switched. The output of OP1 jumps to high when the input of the battery voltage divided by the voltage divider inverts below the reference voltage, while OP2 jumps to high if the divided battery voltage supplied to its non-inverting input exceeds the reference voltage.
Den Operationsverstärkern folgen zwei gleichartig aufge baute Impulsabtrenn- und Verstärkerstufen, bestehend aus C4, D2, R11, R12, T1, D4 und C3, D3, R13, R14, T2, D5. Die Funktionen sind folgende: T1 und T2 sind Schalttransistoren für die Relaiswicklungen, die nicht wie üblich dauernd lei ten, sondern nur kurzzeitig nach einem low auf high- Über gang der Operationsverstärkerausgänge. T1 wird von OP1 über C4 und R12 angesteuert und schaltet die Last ab, indem er einen Stromstoß auf die abschaltende Wicklung W1 des bista bilen Relais gibt. T2 wird von OP2 über C3 und R14 ange steuert und gibt einen Stromimpuls auf die einschaltende Wicklung W2 des bistabilen Relais, wenn der Ausgang von OP2 high wird. Die Transistoren T1, T2 befinden sich in Emit terschaltung. Die Freilaufdioden D4 und D5 befinden sich parallel zu den Relaiswicklungen W1 und W2 und schützen die Transistoren T1 und T2 vor Gegeninduktionsspannungen von W1 und W2. D2 und D3 begrenzen die Basis-Sperrspannung der Transistoren T1 und T2 auf ungefährliche Werte. Falls OP1 und OP2 keinen internen Kurzschlußschutz der Ausgänge hät ten, müßte noch je ein Widerstand zwischen den Operations verstärkerausgängen und den Dioden eingefügt werden, oder man legt die Kathoden der Dioden direkt an die Basis von T1, T2. R11 und R13 lassen die Sperrströme von C3 und .4 und von den Kollektor-Basisstrecken von den Basen gegen Masse abfließen. R12 und R14 liegen in Reihe zwischen den Basen und den OP-Ausgängen mit C4 bzw. C3 zusammen und be grenzen einmal den Basisstrom (falls dieser nicht schon durch den Kurzschlußschutz der Operationsverstärker be grenzt wird) und zum Anderen verlängern sie die Impulszeit. C4 und R12 bzw. C3 und R13 bestimmen die Impulszeit, die zum sicheren Umschalten des Relais zwischen 100 ms und 1 s liegen sollte. C5 hat neben der Betriebsspannungsabblockung noch die Aufgabe, soviel Ladung zu speichern, daß damit das Re lais noch auf "Aus" schalten kann, falls der Fall eintreten sollte, daß die Leitung für die Elektronik unterbrochen wird, während die Leitung des Laststromkreises nicht unter brochen wird. Würde das Relais nicht noch auf "Aus" schal ten können, bestünde die Gefahr, daß der Akku tiefentladen wird.The operational amplifiers follow two similarly built pulse separation and amplifier stages, consisting of C4, D2, R11, R12, T1, D4 and C3, D3, R13, R14, T2, D5. The Functions are as follows: T1 and T2 are switching transistors for the relay windings, which do not continuously operate as usual but only briefly after a low to high over output of the operational amplifier outputs. T1 is over by OP1 C4 and R12 controlled and switched off the load by a current surge on the winding W1 of the bista cheap relay there. T2 is indicated by OP2 via C3 and R14 controls and gives a current pulse to the switching on Winding W2 of the bistable relay when the output of OP2 gets high. The transistors T1, T2 are in emit circuit. The freewheeling diodes D4 and D5 are located parallel to the relay windings W1 and W2 and protect the Transistors T1 and T2 before mutual induction voltages from W1 and W2. D2 and D3 limit the base reverse voltage of the Transistors T1 and T2 to safe values. If OP1 and OP2 has no internal short-circuit protection of the outputs there would have to be resistance between the operations amplifier outputs and the diodes are inserted, or the cathodes of the diodes are placed directly on the base of T1, T2. R11 and R13 leave the reverse currents of C3 and .4 and from the collector base routes from the bases against Drain mass. R12 and R14 are in series between the Bases and the OP outputs with C4 or C3 together and be limit the base current (if this is not already the case) by the short circuit protection of the operational amplifier and on the other hand they extend the pulse time. C4 and R12 or C3 and R13 determine the pulse time that the safe switching of the relay lie between 100 ms and 1 s should. In addition to blocking the operating voltage, C5 also has the task of storing so much charge that the Re relay can still switch to "Off" if the event occurs should that the line for electronics is broken is not under while the line of the load circuit will break. Wouldn't the relay be switched to "off" there is a risk that the battery will be over-discharged becomes.
Die Vorteile der vorgestellten Schaltung in Fig. 10 sind insgesamt drei Stück. Erstens: Der Stromverbrauch ist da durch, daß durch die Wicklungen des bistabilen Relais keine Dauerströme fließen, sondern nur kurzzeitige Impulse bei Betätigung, sehr gering. Zweitens: Die Abschaltspannung und die Wiedereinschaltspannung können getrennt voneinander (mit R4 und R3) eingestellt werden und man kann damit die Schaltung gut auf unterschiedliche Lastfälle anpassen. Drittens sind die Einstellarbeiten einfacher durchzuführen als wie bei Schaltungen nach dem Stand der Technik, da sich Hysterese und Absolutwerte der Schwellen nicht gegenseitig beeinflussen. The advantages of the circuit presented in FIG. 10 are a total of three. First: The current consumption is due to the fact that no continuous currents flow through the windings of the bistable relay, but only brief pulses when actuated, very low. Second: The switch-off voltage and the switch-on voltage can be set separately from each other (with R4 and R3) and the circuit can thus be adapted well to different load cases. Thirdly, the adjustment work is easier to carry out than in the case of circuits according to the prior art, since hysteresis and absolute values of the thresholds do not influence one another.
Die Drehzahlanzeige in Fig. 12 hat die Aufgabe, ohne zusätz liche Sensoren und ohne zusätzliche Leitungen zum Windgene rator die momentane Drehzahl des Windgenerators anzuzeigen. Da die Drehzahl über die Schnelläufigkeitszahl ungefähr linear mit der Windgeschwindigkeit zusammenhängt, kann man sich bei zusätzlicher Leistungsmessung einen groben Ober blick über die Leistungskurve in Abhängigkeit von Drehzahl und Windgeschwindigkeit machen.The speed display in Fig. 12 has the task of displaying the current speed of the wind generator without additional sensors and without additional lines to the wind generator. Since the speed is roughly linearly related to the wind speed via the speed factor, you can get a rough overview of the power curve as a function of speed and wind speed with additional power measurement.
Der Anschluß der Drehzahlanzeige an den Generator muß massefrei erfolgen, da sonst der Minuspol der Batterie mit einer Phase des Generators kurzgeschlossen wäre, was nur ginge, wenn der Generator in Sternschaltung mit Mittel punktsleiter an Masse plus drei Gleichrichterdioden für die drei Phasen (wie in Fig. 13) geschaltet wäre. Um einen Mas seanschluß an den Generator überflüssig zu machen- ist beim Drehzahlmesser erfindungsgemäß eine symmetrische Eingangs stufe vorgeschaltet, deren zwei Eingänge an zwei Phasen des Generators angeschlossen werden.The connection of the speed indicator to the generator must be mass-free, because otherwise the negative terminal of the battery would be short-circuited with a phase of the generator, which only would if the generator in a star connection with neutral conductor to ground plus three rectifier diodes for the three phases (as in Figure . 13) would be switched. In order to make a Mas connection to the generator superfluous - according to the invention a symmetrical input stage is connected upstream, the two inputs of which are connected to two phases of the generator.
Die Aufgabe, ohne zusätzliche Sensoren und Leitungen auszukommen, wird dadurch gelöst, daß die vom Synchrongene rator abgegebene Wechselstromfrequenz vor der Gleichrich tung angezapft und in eine der Frequenz proportionale Span nung bzw. Strom für ein Drehspulinstrument umgewandelt wird. Die Hauptbestandteile der Erfindung umfassen einen monostabilen Multivibrator um IC2 herum, einen Nadelimpuls former mit C6 und IC1a zur Ansteuerung des monostabilen Multivibrators mit Nadelimpulsen, einen Schwellwertschalter mit IC1b zur Erzeugung einer Rechteckspannung für den Na delimpulsformer, und aus einem symmetrischen Eingang um IC1c und IC1d herum.The task without additional sensors and cables get along is solved by the fact that the synchronous genes alternator output frequency before the rectifier tapping and into a span proportional to the frequency voltage or electricity converted for a moving coil instrument becomes. The main components of the invention include one monostable multivibrator around IC2, a needle pulse former with C6 and IC1a to control the monostable Multivibrators with needle impulses, a threshold switch with IC1b to generate a square wave voltage for the Na delimpulsformer, and from a balanced input around IC1c and IC1d around.
Symmetrischer Eingang um ICIc und IC1d: IC1c und IC1d sind Spannungsfolger mit Verstärkungsfak tor gleich eins. Wichtig dabei ist, daß die Eingangsstufen nicht übersteuert werden, da sonst IC2 mehrfach triggert und ein zu hoher Wert der Drehzahl angezeigt wird. Deshalb dienen R1 und R3 beziehungsweise R2 und R4 als Spannungs teiler. C1 und C2 sperren Gleichspannung, aber lassen tief frequente Wechselströme ab 0,5 Hertz durch. Höhere Frequen zen über 100 Hertz werden unterdrückt durch C3 und C4, da Störfrequenzen, zum Beispiel die Pulsweitenmodulationsfre quenz von der Ladebegrenzung (mit z. B. 1 kHz) stören könn ten. Die Dioden D1, D2, D3, D4 klemmen die Eingangsspannung auf positive bzw negative Betriebsspannung von IC1, um die Eingänge von IC1d und IC1c vor Überspannung zu schützen. R5 und R6 halbieren die Betriebsspannung, (C5 dient als Sieb kondensator), und über R3 und R4 werden die Eingänge von IC1d und IC1c mit der halben Betriebsspannung vorgespannt.Symmetrical input around ICIc and IC1d: IC1c and IC1d are voltage followers with a gain factor goal equal to one. It is important that the input stages must not be overdriven, otherwise IC2 will trigger several times and a too high speed value is displayed. That's why R1 and R3 or R2 and R4 serve as voltage divider. C1 and C2 block DC voltage, but leave low frequency alternating currents from 0.5 Hertz through. Higher frequencies Zen over 100 Hertz are suppressed by C3 and C4, because Interference frequencies, for example the pulse width modulation frequency frequency from the charge limit (e.g. 1 kHz) The diodes D1, D2, D3, D4 clamp the input voltage to positive or negative operating voltage of IC1 in order to Protect inputs from IC1d and IC1c from overvoltage. R5 and R6 halve the operating voltage, (C5 serves as a sieve capacitor), and via R3 and R4 the inputs of IC1d and IC1c biased with half the operating voltage.
Am Ausgang von IC1d und IC1c steht dann also Gleichspan nung in halber Betriebsspannungshöhe (mit Betriebsspannung ist die Ausgangsspannung des Spannungsreglers IC3 gemeint) plus einer Wechselspannung, die an den Ausgängen (IC1 Pin8 und 14) gleich hoch, aber phasenverschoben ist. Das Signal an IC1 Pin14 und 8 wird nun mittels IC1b zu einem einzigen Signal zusammengeführt und gleichzeitig in ein Rechtecksi gnal verwandelt. Dazu wird das Signal von IC1d (Pin14) dem positiven Eingang (Pin5) von IC1b über R7 und das Signal von IC1c (Pin8) über den Spannungsteiler R9 und R10 an den negativen Eingang (Pin6) des Operationsverstärkers IC1b ge führt. Durch eine Mitkopplung mit R8 vom Ausgang des ICIb (Pin7) zum nichtinvertierenden Eingang (Pin5) wird das Schwellwertschalterverhalten eingestellt. Zur Erzielung ei ner optimalen Gleichtaktunterdrückung ist es wichtig, daß R8/R7=R10/R9 sind. Trotzdem ist die Funktion auch bei einer anderen Anordnung oder bei einem anderen Verhältnis gewähr leistet, solange R8 größer 100×R7 ist, dann kann R9=0 Ohm und R10=unendlich Ohm sein. Nun wird das rechteckförmige Ausgangssignal von IC1b differenziert, und zwar mit C6 und R11 parallel zu R13. Es ist eine Impulsdauer am Ausgang von IC1a von 1 µs bis 100 µs anzustreben. Die Impulsdauer muß un terhalb der Periodendauer der Frequenz des Windgenerators liegen. Da die Frequenz des Windgenerators meist gering ist (unter 200 Hz), kann die Impulsdauer verhältnismäßig lange gewählt werden. IC1a verstärkt, als Komparator geschaltet, das differenzierte Rechtecksignal zu einem Rechteck-Impuls, mit dem der monostabile Multivibrator (IC2) angesteuert wird. Wenn das Ausgangs-Ruhesignal von IC1a (Pin1) positiv sein soll mit negativen Impulsen (wie das Beispiel-IC "555" sie benötigen würde), muß der nichtinvertierende Eingang von IC1a positiver vorgespannt sein als der invertierende Eingang. Umgekehrt, wenn ein negatives Ruhepotential mit positiven Impulsen für den monostabilen Multivibrator benö tigt würden, müßte der invertierende Eingang von IC1a posi tiver vorgespannt sein als der nichtinvertierende Eingang. C7, der Kondensator am nichtinvertierenden Eingang, hält Störimpulse fern, kann aber unter Umständen entfallen. Die Gleichspannungsvoreinstellung der Eingänge geschieht durch die beiden Spannungsteiler, R11 und R13, und R12 und R14.DC chip is then at the output of IC1d and IC1c voltage at half the operating voltage level (with operating voltage the output voltage of the voltage regulator IC3 is meant) plus an alternating voltage, which at the outputs (IC1 Pin8 and 14) the same height, but out of phase. The signal at IC1 Pin14 and 8 is now one using IC1b Signal merged and at the same time in a rectangle gnal transformed. For this the signal from IC1d (Pin14) is the positive input (pin5) of IC1b via R7 and the signal from IC1c (Pin8) via the voltage divider R9 and R10 to the negative input (pin6) of the operational amplifier IC1b ge leads. By coupling with R8 from the output of the ICIb (Pin7) to the non-inverting input (Pin5) Threshold switch behavior set. To achieve ei ner optimal common mode rejection, it is important that R8 / R7 = R10 / R9. Nevertheless, the function is also with one grant another arrangement or a different ratio provides, as long as R8 is greater than 100 × R7, then R9 = 0 ohm and R10 = infinite ohms. Now that becomes rectangular Differentiated output signal from IC1b, namely with C6 and R11 parallel to R13. It is a pulse duration at the output of Aim for IC1a from 1 µs to 100 µs. The pulse duration must be un below the period of the frequency of the wind generator lie. Since the frequency of the wind generator is usually low (below 200 Hz), the pulse duration can be relatively long to get voted. IC1a amplified, switched as a comparator, the differentiated square wave signal to a square wave pulse, with which the monostable multivibrator (IC2) is controlled becomes. When the output idle signal from IC1a (Pin1) is positive should be with negative impulses (like the example IC "555" you would need), the non-inverting input biased more positively by IC1a than the inverting one Entrance. Conversely, if a negative resting potential with positive impulses for the monostable multivibrator the inverting input of IC1a would have to be posi be more biased than the non-inverting input. C7, the capacitor at the non-inverting input, holds Distant interference pulses, but may not be necessary under certain circumstances. The DC voltage presetting of the inputs is done by the two voltage dividers, R11 and R13, and R12 and R14.
Der folgende Schaltungsteil, der monostabile Multivibra tor um IC2, verwandelt im Prinzip die Eingangsimpulse in längerdauernde Ausgangsimpulse, die aber konstante Dauer und Höhe haben. Dadurch steigt der Mittelwert der Ausgangs spannung proportional zur Eingangsfrequenz an. Diese pul sierende Ausgangsspannung wird mit Spannungsteilern und Kondensatoren geglättet und an das Drehspulinstrument M1 bzw. an den Ausgang Klemme 6 für einen Meßschreiber gege ben, der dann die Drehzahl in Abhängigkeit von der Zeit oder einer anderen Größe aufschreibt oder plottet. R17 und R21 am Ausgang von IC2 sind der einstellbare Vorwiderstand für das Strommeßgerät M1, das vorzugsweise ein Drehspulin strument mit linearer Skala sein sollte, damit die Drehzahl linear abgelesen werden kann. C10 glättet den pulsierenden Strom, wobei eine kleine Zeitkonstante von zum Beispiel 0,2 Sekunden ausreicht, da das Drehspulinstrument in der Regel von selber sehr träge reagieren wird. Anders ist das beim Meßschreiberausgang, hier sollte die Zeitkonstante höher liegen, etwa bei 0,5 bis 2 Sekunden, da der Meßschreiber stift jeder Spannungswelligkeit, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, also Drehzahlen kleiner als 300 Upm, folgt. C11 ist der Glättungskondensator für den Meßschreiberausgang (Kl.6) und wirkt zusammen mit dem Spannungsteiler R18, R22 und R19. Mit R22 kann man die Ausgangsspannung fein abglei chen. Der Grobabgleich der Ausgangsspannung wird über den Abgleich der Impulslänge mit R20 und C9 durchgeführt. Die Impulslänge muß kleiner sein als die minimale Periodendauer der Windgeneratorfrequenz. R16 schützt den IC2-internen Entladetransistor vor zu hohen Stromspitzen. Näheres über die Funktionsweise des 555-IC′s kann man aus einem Daten buch der Firma Raytheon erfahren. C8 entkoppelt die IC2- interne Referenzspannung vor Spannungsspitzen. R15 erhöht den maximalen Ausgangsspannungshub von IC2. In diesem Zu sammenhang möchte ich noch darauf hinweisen, daß der Aus gangsspannungshub von IC′s des Typs "555" und der der C- MOS-Version "7555" unterschiedlich sind, so daß bei einem Austausch ein erneuter Abgleich notwendig wird. Außerdem haben die IC′s vom Typ "555" oder "7555" durch die IC-in ternen Kollektor-Emitter -Restspannungen auch im Ruhezu stand, bei stehendem Windgenerator, eine geringfügige Aus gangsspannung, die das Meßergebnis verfälschen kann. Es gibt dazu folgende Möglichkeiten der Abhilfe: Beim Dreh spulinstrument M1 kann mechanisch der Nullpunkt korrigiert werden, beim Meßschreiber ist sicherlich auch ein Knopf zur Nullpunktkorrektur vorhanden. Hat man allerdings diese Mög lichkeiten der Korrektur nicht, kann man auch elektrisch kompensieren, durch einen Spannungsteiler zwischen Be triebsspannung und Masse zum Beispiel, dessen minusseitiges Trimmpotentiometer eine Spannung zur Verfügung stellt, die gleich der Restspannung des IC2 ist. Die Meßgeräte werden dann zwischen den beiden gleich hohen Spannungen ange schlossen, und der Nullpunktfehler so vermieden. Außerdem wäre noch ein Operationsverstärker als Ausgangsstufe denk bar, der gleichzeitig Nullpunktkorrektur und Glättung über nehmen könnte. The following circuit section, the monostable multivibra tor around IC2, in principle transforms the input pulses into longer-lasting output pulses, which, however, have a constant duration and level. As a result, the mean value of the output voltage increases in proportion to the input frequency. This pul sizing output voltage is smoothed with voltage dividers and capacitors and is given to the moving-coil instrument M1 or to the output terminal 6 for a recorder, which then records or plots the speed as a function of time or another variable. R17 and R21 at the output of IC2 are the adjustable series resistor for the current measuring device M1, which should preferably be a rotary instrument with a linear scale so that the speed can be read linearly. C10 smoothes the pulsating current, whereby a small time constant of, for example, 0.2 seconds is sufficient, since the moving coil instrument will normally react very slowly. It is different with the recorder output, here the time constant should be higher, for example 0.5 to 2 seconds, since the recorder pens any voltage ripple, especially at low frequencies, i.e. speeds less than 300 rpm. C11 is the smoothing capacitor for the recorder output (Kl.6) and works together with the voltage divider R18, R22 and R19. With R22 you can fine tune the output voltage. The rough adjustment of the output voltage is carried out by adjusting the pulse length with R20 and C9. The pulse length must be less than the minimum period of the wind generator frequency. R16 protects the IC2 internal discharge transistor from excessive current peaks. You can find out more about how the 555-IC works from a data book from Raytheon. C8 decouples the IC2 internal reference voltage before voltage peaks. R15 increases the maximum output voltage swing of IC2. In this context I would like to point out that the output voltage swing of IC's of the type "555" and that of the C-MOS version "7555" are different, so that a new adjustment is necessary when replacing. In addition, the IC's of type "555" or "7555" by the IC-in internal collector-emitter residual voltages also stood at rest, with the wind generator stopped, a slight output voltage, which can falsify the measurement result. There are the following remedies: The zero point can be mechanically corrected on the M1 moving instrument, and there is certainly a button on the recorder for zero point correction. However, if you do not have these correction options, you can also compensate electrically, for example by using a voltage divider between the operating voltage and ground, whose minus-side trim potentiometer provides a voltage that is equal to the residual voltage of the IC2. The measuring devices are then connected between the two equally high voltages, thus avoiding the zero point error. In addition, an operational amplifier would be conceivable as an output stage, which could take over zero correction and smoothing at the same time.
In der Schaltung Fig. 13 wurde beispielhaft eine Drehstrom- Lichtmaschine mit ihren drei Phasen U, V, W in Sternschaltung mit Sternpunkt Mp eingezeichnet. Der positive Anschluß der Erregerwicklung ist J, während der negative K ist. T1 und die Schaltung um IC1b herum ist die gewöhnliche Regelung, wie sie zum Beispiel in Kfz eingesetzt wird. Die Dioden D4, D5, D6 richten den Drehstrom gleich und laden damit die Batterie bzw. versorgen angeschlossene Verbraucher. D1, D2 und D3 richten ebenfalls den Drehstrom gleich, versorgen damit aber die Regelschaltung und die Erregerwicklung mit Strom. Damit nach einem Stillstand des (Wind-) Generators bzw. bei abgeschaltetem Erregerstrom Strom für die Regel schaltung da ist, versorgt D11 die Regelschaltung aus der Batterie mit Strom.A three-phase alternator with its three phases U, V, W in a star connection with a star point Mp was shown as an example in the circuit in FIG. 13. The positive terminal of the excitation winding is J, while the negative is K. T1 and the circuit around IC1b is the usual regulation, as used for example in motor vehicles. The diodes D4, D5, D6 rectify the three-phase current and thus charge the battery or supply connected consumers. D1, D2 and D3 also rectify the three-phase current, but thereby supply the control circuit and the field winding with current. So that there is power for the control circuit after the (wind) generator has come to a standstill or when the excitation current is switched off, D11 supplies the control circuit with current from the battery.
Damit kein Erregerstrom fließt, wenn der Windgenerator stillsteht oder so langsam läuft, daß er seinen eigenen Er regerstrom nicht selbst aufbringen kann, muß der Erreger strom unterhalb der wirtschaftlichen Drehzahlen abgeschal tet werden. In alternativer Literatur ,ist dazu ein Wind druckschalter beschrieben, der im einfachsten Fall aus ei ner Metallplatte besteht, die senkrecht zur Windrichtung steht und bei höheren Windgeschwindigkeiten einen Kontakt schließt, der dann den Erregerstrom fließen läßt. Die Nach teile dieses Verfahrens sind seine Ungenauigkeit und die Geräuschentwicklung der anschlagenden Metallplatte, vor al lem bei böigem Wind. Außerdem sind Drehzahl und Windge schwindigkeit bei böigem Wind zeitlich nicht gleichlaufend, weil der Windgenerator aufgrund seiner Massenträgheit ver spätet hochläuft.So that no excitation current flows when the wind generator stands still or runs so slowly that it has its own er The exciter cannot apply the excitation current itself current below the economic speed be tested. In alternative literature, there is a wind about this described pressure switch, which in the simplest case from egg ner metal plate that is perpendicular to the wind direction is in contact and at higher wind speeds closes, which then allows the excitation current to flow. The After parts of this process are its inaccuracy and Noise development of the striking metal plate, especially al lem with gusty wind. There are also speed and windge speed in gusty wind not synchronized in time, because the wind generator ver runs up late.
Die Erfindung löst das Problem auf elegante Weise. Es wird mit Hilfe des Drehzahlmessers die Drehzahl bestimmt. Die der Drehzahl proportionale Ausgangsspannung des Dreh zahlmessers (Fig. 12) wird mit einem Schwellwertschalter (IC1a) mit einer Referenzspannung (D10) verglichen. Das Ausgangssignal des Schwellwertschalters ist bei zu niedri ger Drehzahl High, bei genügend hoher Drehzahl Low. Damit wird über R3 und Z-Diode D9 die Basis eines Schalttransi stors (T2) angesteuert, der den Basisstrom für T1 wegnimmt, wenn die Drehzahl zu niedrig ist (IC1a PIN1=High). Damit geht der Erregerstrom dann auf null zurück, weil T1 nicht mehr leitet.The invention solves the problem in an elegant manner. The speed is determined using the tachometer. The output voltage of the tachometer ( FIG. 12), which is proportional to the speed, is compared with a reference voltage (D10) using a threshold switch (IC1a). The output signal of the threshold switch is high if the speed is too low and low if the speed is high enough. The base of a switching transistor (T2), which takes away the base current for T1 when the speed is too low (IC1a PIN1 = High), is thus controlled via R3 and Zener diode D9. The excitation current then drops to zero because T1 no longer conducts.
Die drehzahlproportionale Ausgangsspannung des Drehzahl messers wird gut gesiebt (C1) dem invertierenden Eingang eines Komparators oder Operationsverstärkers zugeführt (IC1a). Dieser Komparator vergleicht diese Spannung mit der Spannung am nichtinvertierenden Eingang (PIN3), die einge stellt wird mit dem Spannungsteiler R6, R7, R8, der seine Referenzspannung von D10 erhält. Mit R7 kann die Erreger stromeinschaltung exakt eingestellt werden. Da der Windge nerator zunächst leerläuft, beim Einschalten des Erreger stroms aber belastet wird und deshalb abbremst, ist eine Hysterese im Schaltverhalten erforderlich. Diese Hysterese wird mit einer Mitkopplung zwischen Ausgang und nichtinver tierendem Eingang von IC1a mit R5 und R4 erreicht, die mit R4 einstellbar ist.The speed proportional output voltage of the speed knife is well screened (C1) the inverting input a comparator or operational amplifier (IC1a). This comparator compares this voltage with that Voltage at the non-inverting input (PIN3), the on is with the voltage divider R6, R7, R8, its Receives reference voltage from D10. With R7 the pathogen can current switch-on can be set exactly. Because the windge nerator initially runs empty when the exciter is switched on but is loaded and therefore slows down is one Hysteresis in switching behavior required. This hysteresis is with a positive feedback between output and noninver ting input of IC1a with R5 and R4 reached with R4 is adjustable.
Noch ein Wort zur Drehzahlanzeige: Ihre Funktion ist bei ausreichender Eingangsempfindlichkeit sichergestellt, da der Restmagnetismus im Läufer eine genügend hohe unbela stete Ausgangsspannung zur Verfügung stellt. Falls die durch den Restmagnetismus erzeugte Ausgangsspannung für eine Ansteuerung der Drehzahlanzeige nicht ausreicht, (Fig. 12), muß das Eingangsspannungsteilerverhältnis von R1 : R3 und R2 : R4 erniedrigt werden und eventuell zusätzlich eine Spannungsverstärkung der IC1d und IC1c mit einer Ge genkopplung mit 3-4 Widerständen eingeführt werden.One more word about the speed display: your function is at sufficient input sensitivity ensured, because the residual magnetism in the rotor a sufficiently high unbela provides constant output voltage. if the output voltage generated by the residual magnetism for control of the speed display is not sufficient, (Fig. 12), the input voltage divider ratio of R1: R3 and R2: R4 are lowered and possibly additionally a voltage gain of the IC1d and IC1c with a Ge gene coupling with 3-4 resistors are introduced.
Und noch ein Wort zum Generator: Da Windräder kleinere Drehzahlen haben als Verbrennungsmotoren, muß im Generator entsprechend die Windungszahl erhöht werden, oder es ist zwischen Windrad und Generator ein Getriebe einzubauen.And one more word about the generator: Because wind turbines are smaller Have speeds as internal combustion engines, must in the generator accordingly the number of turns can be increased or it is install a gearbox between the wind turbine and the generator.
Claims (17)
- a) der Verpolschutz durch eine Diode (D2) in Durchlaß richtung bei richtig gepoltem Betrieb übernommen wird, die das vorderste Bauteil ist, an das die Betriebsspannung kommt, und bei einem Versagen von D2 (hoher Sperrstrom) die Transil-Diode D5 in Durchlaßrichtung die maximale negative Spannung auf 0,7 V begrenzt (Fig. 7).
- b) der Schutz vor (transienten) Überspannungen durch die Transil-Diode D5 parallel zum Eingang in Sperrichtung ange ordnet ist, während dauerhafte Überspannungen durch eine hohe Kollektor-Emitter- Spannung von T1 anliegen können und der Eingang von IC1a (Spannungsdetektor) aus einer Kombina tion aus D1 (Diode) und D4 (Z-Diode oder Transil-Diode über der stabilisierten Versorgungsspannung, mit einer höheren Z-Spannung als diese) geschützt wird (Fig. 7).
- c) die Spannungsstabilisierung aus Vorwiderstand R21 und Z-Diode D3, Basiswiderstand gegen Schwingneigung R22, (Darlington-) Transistor T1 und Strombegrenzungswiderstand R20 sowie Abblockkondensatoren C8, C9, C10 besteht, (Fig. 7), die die Batteriespannung auf eine für die (Halbleiter-) Bauelemente ungefährliche Spannung herunterholen.
- a) reverse polarity protection is taken over by a diode (D2) in the forward direction with correctly polarized operation, which is the foremost component to which the operating voltage comes, and in the event of a failure of D2 (high reverse current), the transil diode D5 in the forward direction maximum negative voltage limited to 0.7 V ( Fig. 7).
- b) the protection against (transient) overvoltages by the Transil diode D5 is arranged parallel to the input in the reverse direction, while permanent overvoltages may be present due to a high collector-emitter voltage of T1 and the input of IC1a (voltage detector) from a combina tion of D1 (diode) and D4 (Z diode or Transil diode above the stabilized supply voltage, with a higher Z voltage than this) is protected ( Fig. 7).
- c) the voltage stabilization consists of series resistor R21 and Zener diode D3, base resistance to oscillation tendency R22, (Darlington) transistor T1 and current limiting resistor R20 as well as blocking capacitors C8, C9, C10 ( Fig. 7), which the battery voltage to a for the Lower the voltage of the semiconductor devices.
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