NO151264B

NO151264B - CHARGING DEVICE

Info

Publication number: NO151264B
Application number: NO803455A
Authority: NO
Inventors: Holger Norlyk
Original assignee: Norlyk H
Priority date: 1979-12-28
Filing date: 1980-11-17
Publication date: 1984-11-26
Also published as: DE3043760A1; FI68743C; FI68743B; FI803839L; GB2066595A; NO803455L; DK548780A; NO151264C; SE417040B; GB2066595B

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en ladeanordning som fortrinnsvis, men ikke utelukkende, er beregnet for lading av stasjonære akkumulatorer, eksempelvis for anvendelse i nød-belysningsanlegg e.l., og som er forsynt med et kapasitivt strømbegrensertrinn i serie med primærviklingen av en transformator, som via sin sekundærvikling og en likeretterkrets leverer ladestrøm til akkumulatoren. The present invention relates to a charging device which is preferably, but not exclusively, intended for charging stationary accumulators, for example for use in emergency lighting systems etc., and which is provided with a capacitive current limiting stage in series with the primary winding of a transformer, which via its secondary winding and a rectifier circuit supplies charging current to the accumulator.

Ved lading av akkumulatorer av ulike slag er det behov When charging accumulators of various types there is a need

for en anordning som kan regulere ladestrømmen under ladings-forløpet, etter som akkumulatorens polspenning varierer kraftig mens ladingen pågår, slik at ladestrømmen uten regulering lett skulle kunne anta altfor store verdier under ladingsforløpets begynnelsesfase. I mange tilfeller kan egenskaper ved ladeanordningen som f.eks. størrelse, effekttap, varmeutvikling, for a device that can regulate the charging current during the charging process, as the accumulator's pole voltage varies greatly while charging is in progress, so that the charging current without regulation could easily assume excessively large values during the initial phase of the charging process. In many cases, characteristics of the charging device such as e.g. size, power loss, heat generation,

■levetid og vekt betraktes som stort sett betydningsløse. Dette kan f.eks. anses å være tilfelle med ladeanordninger som bare er beregnet for leilighetsvis lading av bilbatterier. Når det imidlertid dreier seg om ladeanordninger av det innledningsvis angitte slag, gjelder det derimot nesten alltid at de skal bygges inn i trange rom, som dessuten kan være vanskelige å kjøle, og at de er permanent tilkoplet nettet. Dette medfører at de fysiske målene må være så små som mulig, samtidig som effekttap og derved varmeutvikling er stort sett lik null, og levetiden har en betryggende lengde. ■lifetime and weight are considered largely unimportant. This can e.g. considered to be the case with charging devices that are only intended for occasional charging of car batteries. However, when it comes to charging devices of the kind mentioned at the outset, it almost always applies that they must be built into narrow spaces, which can also be difficult to cool, and that they are permanently connected to the grid. This means that the physical dimensions must be as small as possible, at the same time that power loss and thereby heat generation are largely equal to zero, and the service life has a reassuring length.

Når det gjelder utformingen av ladeanordningens regulerings-anordning, som i praksis vil bestå av et strømbegrensertrinn for begrensning av ladestrømmens størrelse i ladingsforløpets begynnelsesfase, har en tidligere vært henvist til resistiv eller induktiv strømbegrensning i nettransformatorens primærkrets eller til resistiv, kapasitiv eller induktiv strømbegrens-ning i transformatorens sekundærkrets. Kapasitiv strømbegrens-ning i transformatorens primærkrets har hittil ikke kunnet benyttes, etter som det i visse driftstilstander, først og fremst ved tomgang, har oppstått serieresonans på grunn av primærviklingens induktans. As regards the design of the charging device's regulation device, which in practice will consist of a current limiting stage for limiting the size of the charging current in the initial phase of the charging process, reference has previously been made to resistive or inductive current limiting in the mains transformer's primary circuit or to resistive, capacitive or inductive current limiting in the secondary circuit of the transformer. Capacitive current limiting in the transformer's primary circuit has not been able to be used until now, because in certain operating conditions, primarily at idle, series resonance has occurred due to the inductance of the primary winding.

Ved strømbegrensning i transformatorens sekundærkrets In case of current limitation in the transformer's secondary circuit

må transformatoren dimensjoneres for summen av det voltampere-tall som er dimensjonerende for selve ladefunksjonen og det VA-tall som er dimensjonerende for reguleringsfunksjonen, i regelen fordobling av det VA-tall som gjaldt ladefunksjonen. the transformer must be dimensioned for the sum of the volt-amperes number that determines the charging function itself and the VA number that determines the regulation function, as a rule doubling the VA number that applied to the charging function.

I en slik konstruksjon blir både transformatoren større og varmeutviklingen alvorligere enn i en konstruksjon hvor strøm-begrenseren var plassert i primærkretsen. Dersom strømbegren-seren er av kapasitiv utførelse må det av praktiske årsaker benyttes elektrolyttkondensatorer, som har stort egetforbruk, endrer kapasitans med tiden og tåler ikke høy omgivelsestem-peratur . In such a construction, both the transformer is larger and the heat generation more serious than in a construction where the current limiter was placed in the primary circuit. If the current limiter is of a capacitive design, electrolytic capacitors must be used for practical reasons, which have a large self-consumption, change capacitance over time and cannot withstand high ambient temperatures.

Plassering av strømbegrenseren i primærkretsen er i og for seg fordelaktig, men både den resistive og den induktive strømbegrensningen har større tap enn en kapasitiv strømbe-grensning skulle ha hatt dersom det var mulig å benytte den uten komplikasjoner. Placing the current limiter in the primary circuit is in and of itself advantageous, but both the resistive and the inductive current limiter have greater losses than a capacitive current limiter would have had if it were possible to use it without complications.

Formålet med oppfinnelsen er derfor å skaffe en ladeanordning av det slag, som er angitt i det foregående, og som er utformet på en slik måte at det kan benyttes kapasitiv strøm-begrensning i nettransformatorens primærkrets uten fare for serieresonans og medfølgende, skadelig transient strøm. The purpose of the invention is therefore to provide a charging device of the kind indicated above, which is designed in such a way that capacitive current limitation can be used in the mains transformer's primary circuit without the risk of series resonance and accompanying harmful transient current.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette ved at det, i den hensikt å begrense ladestrømmen, er koplet en kondensator i serie med den første transformatorens primærvikling, idet det med denne likeens er seriekoplet en vernekrets, som for å hindre strøm-transienter er overførbar mellom en lavohmsk og en høyohmsk ledningstilstand, og at det med den første transformatorens sekundærvikling er seriekoplet en styrekrets, som ved overskridelse av en forutbestemt ladestrøm er innrettet til å overføre vernekretsen til den lavohmske ledningstilstanden. According to the invention, this is achieved in that, with the intention of limiting the charging current, a capacitor is connected in series with the primary winding of the first transformer, as there is also a protective circuit connected in series with this, which, in order to prevent current transients, is transferable between a low-ohmic and a high-ohmic conduction state, and that there is a control circuit connected in series with the secondary winding of the first transformer, which, when a predetermined charging current is exceeded, is arranged to transfer the protection circuit to the low-ohmic conduction state.

Ved en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen omfatter vernekretsen en transistor som i bunnet tilstand via kollektor-emitter hovedsakelig kortslutter vernekretsen i dens lavohmske ledningstilstand og som via kollektor-emitter og båsis-emitter i ikke-bunnet tilstand leder strøm gjennom vernekretsen i dens høyohmske ledningstilstand, idet styrekretsen har forbindelse med transistorens basis og emitter. In an advantageous embodiment of the invention, the protection circuit comprises a transistor which, in the grounded state via the collector-emitter, mainly short-circuits the protection circuit in its low-ohmic conduction state and which, via the collector-emitter and bay ice-emitter in the non-bonded state, conducts current through the protection circuit in its high-ohmic conduction state, the control circuit is connected to the base and emitter of the transistor.

Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan styrekretsen omfatte en andre transformator som med sin primærvikling er seriekoplet med den første transformatorens sekundærvikling og likeretteranordningen, mens dens sekundærvikling via en likeretterkrets er koplet til transistorens basis og emitter. According to a further feature of the invention, the control circuit can comprise a second transformer which, with its primary winding, is connected in series with the first transformer's secondary winding and the rectifier device, while its secondary winding via a rectifier circuit is connected to the base and emitter of the transistor.

Oppfinnelsen beskrives nærmere i det følgende i tilknytning til et utførelseseksempel, som er illustrert på tegningen i form av et koplingsskjema for ladeanordningen. The invention is described in more detail below in connection with an embodiment, which is illustrated in the drawing in the form of a connection diagram for the charging device.

Ladeanordningen omfatter på vanlig måte en nettransformator med primærvikling Li, hjerne Kl og sekundærvikling L2. Primærviklingen er via en kondensator Cl koplet til nettut-taket R. Kondensatoren har til oppgave å begrense strømmen under ladingsforløpets begynnelse, slik at akkumulatoren eller komponenter, som inngår i ladeanordningen, ikke skades av for store strømstyrker. Den andre enden av nettransformatorens primærvikling er via en vernekrets SK koplet til det andre nettut-taket N. Nettransformatorens sekundærvikling L2 er via en likeretterkrets, som stort sett består av fire dioder D10, Dll, The charging device normally comprises a mains transformer with primary winding Li, core Kl and secondary winding L2. The primary winding is via a capacitor Cl connected to the mains socket R. The capacitor has the task of limiting the current during the beginning of the charging process, so that the accumulator or components, which are included in the charging device, are not damaged by excessive currents. The other end of the mains transformer's primary winding is via a protection circuit SK connected to the second mains outlet N. The mains transformer's secondary winding L2 is via a rectifier circuit, which mostly consists of four diodes D10, Dll,

D12 og D13, forbundet med akkumulatoren B som skal lades. Likeretterkretsen omfatter også andre komponenter, og formålet med disse angis i det følgende. D12 and D13, connected to the accumulator B to be charged. The rectifier circuit also includes other components, the purpose of which is stated below.

Spesielt under tomgang vil det på grunn av kondensatoren Cl og induktansen i nettransformatorens primærvikling Li oppstå resonansfenomener, som skulle kunne gi opphav til meget store strømstyrker, som i sin tur skulle kunne skade ladeanordningen. For å hindre en slik transient strøm er det i serie med nettransformatorens primærvikling koplet nevnte vernekrets SK, som hovedkomponenter omfatter transistoren Tl og diodene Dl, Particularly during idling, due to the capacitor Cl and the inductance in the primary winding Li of the mains transformer, resonance phenomena will occur, which could give rise to very large currents, which in turn could damage the charging device. In order to prevent such a transient current, the aforementioned protection circuit SK is connected in series with the primary winding of the mains transformer, the main components of which include the transistor Tl and the diodes Dl,

D2, D3, D4 og D5 samt resistansene Ri og R2. D2, D3, D4 and D5 as well as the resistances Ri and R2.

For styring av vernekretsen er det i serie med nettransformatorens sekundærvikling L2 og likeretterkretsen D10-D13 innkoplet en styrekrets ST, som omfatter en transformator med primærvikling L3, kjerne K2 og sekundærvikling L4, idet viklingen L3 passeres av den strøm som går fra nettransformatorens sekundærvikling L2 til likeretterkretsen. Viklingen L4 er via en likeretterbro med diodene D6, D7, D8 og D9 koplet med plussiden til transistorens Tl basiselektrode og med minussiden til emitterelektroden. For control of the protective circuit, a control circuit ST is connected in series with the mains transformer's secondary winding L2 and the rectifier circuit D10-D13, which comprises a transformer with primary winding L3, core K2 and secondary winding L4, the winding L3 being passed by the current that goes from the mains transformer's secondary winding L2 to the rectifier circuit. The winding L4 is via a rectifier bridge with diodes D6, D7, D8 and D9 connected to the plus side of the base electrode of the transistor T1 and to the minus side of the emitter electrode.

Når det koples en vekselspenning til nettuttakene R og N, går det en begynnelsesstrøm fra R gjennom Cl, Li, Dl, Ri og D5, hvoretter strømmen forgrener seg via basis-emitter av Tl og R2 og deretter forenes igjen via D4. Alternativt (under den andre halvperioden) går begynnelsesstrømmen fra N gjennom D3, Ri og D5 før den forgrener seg via Tl og R2, hvoretter den igjen forenes via D2 og går gjennom Li og Cl til R. Begynnelsesstrøm-men via baéis-emitter i Tl er således avpasset at ledningstilstanden via kollektor-emitter er høyohmsk og ikke tillater noen skadelig transient strøm. Den maksimale strøm i denne tilstand When an alternating voltage is connected to the mains outlets R and N, an initial current flows from R through Cl, Li, Dl, Ri and D5, after which the current branches via the base-emitters of Tl and R2 and then unites again via D4. Alternatively (during the second half-cycle) the initial current from N passes through D3, Ri and D5 before branching via Tl and R2, after which it again unites via D2 and passes through Li and Cl to R. Initial current-but via baéis emitters in Tl is thus adjusted so that the conduction state via collector-emitter is high ohmic and does not allow any harmful transient current. The maximum current in this state

(ved tomgang, f.eks. med nettransformatorens sekundærkrets åpen) (at idle, e.g. with the secondary circuit of the mains transformer open)

gjennom nettransformatorens primærkrets vil følgelig bli summen av transistorens basis-emitter strøm og dens kollektor-emitter strøm. Sistnevnte beløper seg til verdier av strømforsterknings-faktoren ganger basis-emitter strømmen. Begynnelsesstrømmen (tomgangsstrømmen) gjennom Li, som av Tl er begrenset til en maksimal verdi, induserer via kjernen Kl en spenning i L2. Denne spennings momentane verdi overstiger akkumulatorens B polspenning med et passende beløp. through the mains transformer's primary circuit will consequently be the sum of the transistor's base-emitter current and its collector-emitter current. The latter amounts to values of the current amplification factor times the base-emitter current. The initial current (no-load current) through Li, which is limited by Tl to a maximum value, induces via the core Kl a voltage in L2. The instantaneous value of this voltage exceeds the accumulator B pole voltage by a suitable amount.

Når lading skal finne sted, dvs. når nettransformatorens sekundærkrets er sluttet, gir spenningen, som ble indusert i sekundærviklingen L2, opphav til en strøm som også passerer gjennom viklingen L3 i styrekretsens transformator, som via likeretteren D6-D9 tilfører transistoren Tl en styrestrøm til basis-emitter. Denne styrestrøm er avpasset slik at den er til-strekkelig stor til å bunne transistoren Tl i kollektor-emitter overgangen. Dette medfører i det store og hele at vernekretsen kortsluttes av transistoren, slik at ladestrømmen bare begrenses av nettspenningens momentanverdi og kondensatoren Cl. When charging is to take place, i.e. when the secondary circuit of the mains transformer is closed, the voltage, which was induced in the secondary winding L2, gives rise to a current which also passes through the winding L3 in the control circuit's transformer, which via the rectifier D6-D9 supplies the transistor Tl with a control current to base emitter. This control current is adjusted so that it is sufficiently large to bottom the transistor T1 in the collector-emitter transition. This generally means that the protection circuit is short-circuited by the transistor, so that the charging current is only limited by the instantaneous value of the mains voltage and the capacitor Cl.

For å hindre overlading av akkumulatoren og på samme tid tillate vedlikeholdslading er det over akkumulatoren B innkoplet et spenningsvern Sv, som avgir et optisk signal når akkumulatoren er fullt ladet. Spenningsvernet er optisk koplet til en fotomotstand Fm, som sammen med en transistor T3 og en resistans R3 er innkoplet i vernekretsen på den måten koplingsskjemaet viser... In order to prevent overcharging of the accumulator and at the same time allow maintenance charging, a surge protector Sv is connected above the accumulator B, which emits an optical signal when the accumulator is fully charged. The voltage protection is optically connected to a photoresistor Fm, which, together with a transistor T3 and a resistance R3, is connected to the protection circuit in the way the connection diagram shows...

Når akkumulatoren B er fullt ladet og ladestrømmen følgelig skal reduseres betydelig, sender spenningsvernet Sv et optisk signal til fotomotstanden Fm som i belyst tilstand leder strøm via basis-emitter i transistoren T3. Begynnelsesstrømmen (ved halvperiodenes begynnelse) gjennom vernekretsen går nå ikke lenger gjennom basis-emitter i transistoren Tl men avledes via kollektor-emitter i transistoren T3. Dette betyr at transistoren Tl ikke får den styrestrøm som trengs for at strømmen i nettransformatorens sekundærkrets via styrekretsen ST skal frem-bringe den nødvendige strøm for bunning av transistoren Tl, hvorved ladestrømmen altså hindres i å oppnå sin fulle verdi. Strømmen går nå fra R via Cl, LI, Dl, hvoretter den forgrener seg dels via Ri, kollektor-emitter i T3 og dels via Fm, basis-emitter i T3 samt parallelt med disse via R3, hvoretter del-strømmene igjen forenes via D4 til N. Alternativt (under den andre halvperioden) passerer strømmen fra N til D3, hvor den forgrener seg dels via Fm, basis-emitter i T3 og R3 og dels via Ri og kollektor-emitter i T3, hvoretter delstrømmene igjen forenes via D2 og passerer gjennom Li og Cl til R. When the accumulator B is fully charged and the charging current must consequently be significantly reduced, the surge protector Sv sends an optical signal to the photoresistor Fm which, in the illuminated state, conducts current via the base-emitter in the transistor T3. The initial current (at the start of the half-cycle) through the protection circuit no longer passes through the base-emitter in the transistor Tl but is diverted via the collector-emitter in the transistor T3. This means that the transistor Tl does not receive the control current needed for the current in the mains transformer's secondary circuit via the control circuit ST to produce the necessary current for bottoming out the transistor Tl, whereby the charging current is therefore prevented from reaching its full value. The current now goes from R via Cl, LI, Dl, after which it branches partly via Ri, collector-emitter in T3 and partly via Fm, base-emitter in T3 and in parallel with these via R3, after which the partial currents are again united via D4 to N. Alternatively (during the second half-period) the current passes from N to D3, where it branches partly via Fm, base-emitter in T3 and R3 and partly via Ri and collector-emitter in T3, after which the partial currents are again united via D2 and passes through Li and Cl to R.

Gjennom et passende valg av resistans Ri gis strømmen gjennom nettransformatoren en slik verdi ved fullt oppladet akkumulator (i prinsippet med Tl utkoplet) at strømmen gjennom-dens sekundærkrets, dvs. ladestrømmen, blir passende for vedlikeholdslading av akkumulatoren B. Denne strøm må imidlertid ikke velges så stor at den spenning, som induseres i sekundærviklingen L4 i styrekretsens transformator overstiger terskel-verdien for diodene D6-D9, etter som det i et slikt tilfelle ville bli avgitt styrestrøm til Tl, som derved ble bunnet og ladestrømmen igjen fikk full styrke. Through a suitable choice of resistance Ri, the current through the mains transformer is given such a value with a fully charged accumulator (in principle with Tl disconnected) that the current through its secondary circuit, i.e. the charging current, becomes suitable for maintenance charging of the accumulator B. However, this current must not be selected so large that the voltage induced in the secondary winding L4 in the control circuit's transformer exceeds the threshold value for the diodes D6-D9, after which in such a case a control current would be delivered to Tl, which was thereby grounded and the charging current regained full strength.

Dersom akkumulatoren utlades, f.eks. via et nødbelysnings-anlegg under strømbrudd, vil dens polspenning synke. Dette inn-treffer også i tidens løp dersom den bare får vedlikeholdslading. Når dette har funnet sted i et slikt omfang at en forutbestemt verdi for spenningsvernet Sv er underskredet, avgir denne optisk et signal til fotomotstanden Fm, som derved går over til en ikke-ledende tilstand, hvorved transistorens T3 blokkerende innvirk-ning brytes, slik at transistoren Tl igjen kan få styrestrøm. Derved oppnår ladestrømmen igjen full styrke inntil akkumulatoren på ny er fullt oppladet og forløpet gjentas. If the accumulator is discharged, e.g. via an emergency lighting system during a power failure, its pole voltage will drop. This also happens over time if it only receives a maintenance charge. When this has taken place to such an extent that a predetermined value for the voltage protection Sv is undershot, this optically emits a signal to the photoresistor Fm, which thereby switches to a non-conducting state, whereby the blocking effect of the transistor T3 is broken, so that the transistor Tl can again receive control current. Thereby, the charging current again reaches full strength until the accumulator is fully charged again and the process is repeated.

For å beskytte ladeanordningen mot skader forårsaket av store spenningstransienter som kan oppstå dersom akkumulatoren (av mistak) skulle koples ut mens det eksisterer full lade-strøm, er det i samsvar med koplingsskjemaet på kjent måte anordnet en kondensator C2, en transistor T2 og en resistans In order to protect the charging device against damage caused by large voltage transients that may occur if the accumulator (by mistake) were to be disconnected while full charging current exists, a capacitor C2, a transistor T2 and a resistance are arranged in accordance with the circuit diagram in a known manner

R4 i likeretterkretsen. Det spenningsstøt, som oppstår ved ut- R4 in the rectifier circuit. The voltage surge, which occurs when out-

kopling av akkumulatoren, lader kondensatoren C2 via basis- connection of the accumulator, charges the capacitor C2 via base

emitter i transistoren T2, som derved bunnes mer eller mindre i kollektor-emitter overgangen, slik at den farlige spennings-transient unngås. emitter in the transistor T2, which is thereby grounded more or less in the collector-emitter transition, so that the dangerous voltage transient is avoided.

Resistansene R2, R3 og R4 har til oppgave å forsyne basis-elektrodene i de motsvarende transistorer, henholdsvis Tl, T3 The resistances R2, R3 and R4 have the task of supplying the base electrodes in the corresponding transistors, Tl, T3 respectively

og T2 med potensial som passer for å oppnå den ønskete basis- and T2 with potential suitable for achieving the desired basic

emitter strømmen. emit the current.

Oppfinnelsen kan modifiseres innenfor den ramme som er The invention can be modified within the framework that is

trukket opp av etterfølgende patentkrav. Det skulle således f.eks. være mulig å erstatte transistoren Tl med et relé, even- drawn up by subsequent patent claims. It should, for example, be possible to replace the transistor Tl with a relay, even

tuelt sammenkoplet med en resistans. Som et alternativ til transformatoren L3, L4, K2 kan det tenkes anordnet en optisk eller akustisk overføring av informasjon om ladestrømmens størrelse (gjennom L2). Det er således eksempelvis mulig å tually connected with a resistance. As an alternative to the transformer L3, L4, K2, an optical or acoustic transmission of information about the magnitude of the charging current (through L2) can be thought of. It is thus, for example, possible to

skifte viklingen L3 ut med en glødelampe. Dennes lysutbytte avspeiler strømmen i ladekretsen, idet det på et senere tids- replace winding L3 with an incandescent lamp. Its light output reflects the current in the charging circuit, since at a later time

punkt i styrekretsen ST avføles et slikt lyssignal for styring av dennes og derved av vernekretsens SK tilstand. point in the control circuit ST, such a light signal is sensed for controlling its state and thereby that of the protection circuit SK.

Claims

1. Charging device for charging an accumulator and comprising a first transformer (Ll,Kl,L2) which with its secondary winding (L2) is connected to the accumulator (B) via a rectifier device (D10-D13), characterized in that, in order to limit the charging current, the connection is a con-

densator (Cl) in series with the primary winding (Li) of the first transformer, as there is a protective circuit (SK) connected in series with this, which, in order to prevent current transients, is transferable between a low-ohmic and a high-ohmic conduction state, and that with the first, the transformer's secondary winding (L2) is connected in series to a control circuit (ST), which, when a predetermined charging current is exceeded, is arranged to transfer the protection circuit to the low-ohmic conduction state.

2. Charging device in accordance with claim 1, characterized in that the protection circuit (SK) comprises a transistor (Tl) which, in the grounded state via collector-emitter, mainly short-circuits the protection circuit in its low-ohm conduction state and which via collector-emitter and base-emitter in non- grounded state conducts current through the protection circuit in its high-ohmic conduction state, the control circuit (ST) being connected to the base and emitter of the transistor.

3. Charging device in accordance with claim 2, characterized in that the control circuit (ST) comprises a second transformer (L3,K2,L4) which with its primary winding (L3) is connected in series with the secondary winding (L2) of the first transformer (L1,K1,L2) ) and the rectifier device (D10-D13), while its secondary winding (L4) via a rectifier circuit (D6,D7,D8,D9) is connected to the base and emitter of the transistor (Tl).