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Schaltungsanordnung zur automatischen Uberwachung
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des Ladezustandes eines Akkumulators Die Erfindung bezieht sich auf
eine Schaltungsanordnung zur automatischen Überwachung des Ladezustandes eines Akkumulators
mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen.
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Es sind Ladeschaltungen bekannt, bei welchen der Ladestromkreis selbsttätig
unterbrochen wird, wenn der Akkumulator auf die vorgeschriebene Sollspannung aufgeladen
ist, um eine Überladung , die zu einer vorzeitigen Zerstörung der Akkumulatorzellen
führen kann, zu vermeiden.
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Es sind dagegen keine Schaltungen bekannt, mit welchen die einzelnen
Akkumulatorzellen im Entladebetrieb wirksam vor Beschädigungen oder Zerstörungen
bewahrt werden können. Im Endladebetrieb besteht nämlich die Gefahr
der
Zerstörung vor allem deswegen, weil von den miteinander in Serie geschalteten Zellen
die schwächeren Zellen entladen oder sogar von den stärkeren Zellen über den Verbraucherstromkreis
umgepolt werden können. Infolge der normalen Fertigungstoleranzen sowie des unterschiedlichen
Verbrauchs einzelner Zellen haben diese zwangsläufig relativ stark differierende
Leistungen.
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Bei einem Akkumulator mit in Reihe geschalteten Zellen bestimmt das
schwächste Glied, nämlich die Zelle mit der geringsten Leistung, seine Lebensdauer.
Hinzu kommt, dass die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung mit der Anzahl der Entlade-
und Ladezyklen zunimmt. Diese Voraussetzungen führen dazu, dass die Kombination
von Akkumulatoren mit Schnelladegeräten, insbesondere Schnellladedynamos, und Verbrauchern
mit relativ grossen Entladeströmen, wie sie z.B. zum Betrieb von Scheinwerfern oder
Motoren notwendig sind, wegen der untragbar hohen Ausfallquote für die Praxis unbrauchbar
ist. Diese an sich bei zahlreichen Anwendungen sehr sinnvolle Kombination ist bislang
an diesen Problemen gescheitert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Problem
zu lösen, d.h. eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit welcher wirksam verhindert
wird, dass einzelne Zellen total entladen oder sogar umgepolt werden, wodurch die
Lebensdauer eines Akkumulators entscheidend verlängert werden kann.
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Nach dem Grundgedanken vorliegender Erfindung wird diese Aufgabe dadurch
gelöst, dass die Spannung j jeder einzelnen Zelle nach Polarität und Grösse getrennt
festgestellt und der Entladestrom, d.h. der Verbraucherstromkreis, sofort unterbrochen
wird, wenn an wenigstens einer Zelle die vorgeschriebene Entladespannung einer Zelle
unterschritten wird.
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Die praktische Verwirklichung dieses Grundgedankens besteht erfindungsgemäss
darin, dass parallel zu jeder Zelle en in Abhangigkeit von der jeweiligen Zellenspannung
steuerbarer Grenzwertschalter vorgesehen ist, wobei die Ausgänge aller Grenzwertschalter
mit den Eingängen eines Serien-UND-Gatters in Verbindungstehen und im Stromkreis
zwischen dem Akkumulator und dem Verbraucher ein vom UND-Gatter gesteuerter Unterbrecherschalter
liegt.
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Sinkt die Spannung einer einzigen Zelle unter den vorgewahlten zulässigen
Spannungswert, so wird der Verbraucherstromkreis unterbrochen. Es kann nicht geschehen,
dass eine Zelle total entladen oder sogar umgepolt wird.
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Als Grenzwertschalter eignen sich z.B. Transistoren, deren Steuerelektroden
jeweils mit den Elektroden der Akkumulatorzellen verbunden sind. Das Serien-UND-Gatter
kann ebenfalls aus Transistoren bestehen, die in Serie geschaltet sind und deren
Steuerelektroden mit den Ausgängen der Grenzwerttransistoren in Verbindung stehen.
In entsprechender Weise bietet sich als Unterbrecherschalter ein vom UND-Gatter
gesteuerter Leistungstransistor an, wie dieser bei Ladegeräten bereits Verwendung
findet.
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Um bei einer derartigen Schaltung zu vermeiden, dass die Akkumulatorzellen
über die relativ niederohmige Basis-Emitterstrecke des Leistungstransistors entladen
werden, wird ferner vorgeschlagen, in dem Stromkreis zwischen Akkumulator und Leistungstransistor
einen Schalter an£uordnen, welcher nur bei Einschalten oder Anschliessen eines Verbrauchers
selbsttätig geschlossen wird. Hierbei kann es sich entweder um einen mechanisch
betätigbaren oder auch einen elektronisch gesteuerten Schalter handeln.
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Im letzteren Fall ist in erfindungsgemässer Weise in Reihe mit dem
UND-Gatter ein weiterer Steuertransistor vorgesehen, der gesperrt ist, wenn an der
Reihenschaltung eines im Verbraucherstromkreis angeordneten Widerstandes mit der
Basis-Emitterstrecke des Leistungstransistors eine dem Basis-Ruhestrom entsprechende
Spannung abfällt.
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Bei dieser Schaltung ist es ferner möglich, in einfacher Weise den
Entladestrom auf einen für den verwendeten Akkumulator zulässigen Wert automatisch
zu begrenzen und damit zu vermeiden, dass bei Kurzschlüssen im Verbraucherkreis
einzelne Akkumulatorzellen durch über belastung zerstört werden. In Weiterbildung
der Erfindung wird dies dadurch gelöst, dass mittels der an dem erwDhnten Vorwiderstand
abfallenden Spannung ein Transistor gesteuert wird, der im Uberlastungsfall durchgeschaltet
wird und hierdurch einen Transistor des UND-Gatters sperrt.
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Diese Schaltungsmassnahmen, mit welchen verhindert wird, dass einzelne
Zellen beim Entladevorgang durch totale Entladung oder Umpolung vorzeitig zerstört
werden, lassen sich in einfacher Weise mit an sich bekannten Schaltungen zur automatischen
Begrenzung des Ladestromes kombinieren. Bei diesen bekannten Schaltungen wird die
Akkumulatorspannung während des Ladevorganges ständig gemessen und ein im Ladestromkreis
angeordneter Schalter, vorzugsweise ein Leistungstransistor selbsttätig in Abhängigkeit
von der Akkumulatorspannung gesperrt, wenn diese ihren Sollwert erreicht.
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Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die tatsächlich gemessene Akkumulatorenspannung
dadurch verfälscht ist, dass der Ladestrom am Zelleninnenwiderstand einen Spannungsabfall
erzeugt.
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Bei einer an sich bekannten Schaltung wird dies dadurch vermieden,
dass der Akkumulator aus einer Wechselspannungsquelle über eine der Gleichrichtung
dienende Thyristorschaltung derart vesorgt wird, dass der Ladevorgang nur während
der positiven Halbwellen erfolgt und während der negativen Halbwellen die Akkumulatorspannung
gemessen wird. Aus der gemessenen Akkumulatorspannung wird eine Steuergrösse hergeleitet,
mittels welcher der Ladestromkreis bei Erreichen einer vorgeschriebenen Akkumulatorspannung
unterbrochen wird.
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Diese Prinzip lässt sich bei einfachren Schaltungsanordnungen wegen
des relativ hohen Schaltungsaufwandes sowie dann nicht arwenden, wenn als Ladegerät
ein Gleichstromgenerator vorgesehen ist.
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In solchen Fällen wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen,
den im Ladestromkreis vorgesehenen Leistungstransistor mittels eines Impulsgenerators,
der zwei invertierende Ausgänge besitzt, derart zu steuern, dass der Ladevorgang
wie bei der an sich bekannten Thyristorschaltung nur während einer Halbwelle erfolgt,
wahrend für die Dauer der anderen Halbwelle die Akkumulatorspannung einem nur während
dieser Zeit parallel geschalteten Spannungsteiler zugeführt wird, dessen Teilerspannung
den im Ladestromkreis angeordneten Leistungstransistor steuert, nämlich sperrt,
wenn die Akkumulatorspannung ihren vorgeschriebenen Sollwert erreicht hat. Damit
die Sperrung auch währen der Dauer der positiven Impulse, also bei
abgetrenntem
Spannungsteiler, aufrecht-erhalten wird, ist parallel zu einem Teilerwiderstand
ein rückgekoppelter Gleichspannungsverstärker vorgesehen, dessen Ausgangsspannung
sprungartig ansteigt, wenn der Grenzwert erreicht ist und auch bei fehlender Eingangsspannung
aufrechterhalten wird.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt die Speisung dieses
vorzugsweise integrierten Verstärkers nicht aus der Akkumulatorspannung sondern
unmittelbar aus der Spannung des Ladegerates, also des Gleichstromdynamos. Diese
Massnahme hat den Vorteil, dass der rückgekoppelte Gleichspannungsverstärker bei
Absinken, insbesondere Wegfall, der Dynamospannung in seinen Ausgangszustand zurückfällt,
so dass ein besonderer Schalter zum Zurücksetzen dieses rückgekoppelten Gleichspannungsverstärkers
nicht notwendig ist.
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Weitere Einzelheiten der erfindungsgemassen Vorschläge werden nachstehend
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, deren Schaltbilder in der Zeichnung dargestellt
sind, im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 Schaltbild einer Entladeschutzschaltung
nach einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 Schaltbild einer Entladeschutzschaltung
mit elektronischem Unterbrecherschalter gem. einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 Schaltbild einer mit den Entladeschutzschaltungen gem. Fig. 1 und 2 kombinierbaren
Ladeschutzschaltung nach einem ersten Ausführungsbeispiel und
Fig.
4 Schaltbild einer gleichfalls mit den Entladeschutzschaltungen nach Fig. 1 oder
2 kombinierbaren Entladeschutzschaltung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer
Entladeschutzschaltungen für einen Akkumulator B mit n-Zellen, von welchen die erste
Zelle B1 und die letzte B dargestellt sind. An diesem Akkun mulator sei ein Verbraucher
angeschlossen, der als Lastwiderstand RL symbolisiert ist. Im Stromkreis zwischen
Akkumulator B und Verbrauch RL ist ein Leistungstransistor T9 vorgesehen, der im
wesentlichen die Funktion eines Schalters hat. Die Basis dieses Transistors T1 wird
über ein Serien-UND-Gatter G angesteuert, das aus den Transistor ren T12 bis Tn2,
die jeweils den Akkumulatorzellen B1 bis Bn zugeordnet sind, gebildet ist. Die Arbeitstromkreise
dieser Transistoren T12 bis Tn2 sind in Reihe geschaltet und führen dem Leistungstransistor
T1 über den Basiswiderstand R1 den Basistrom zu. Die Sperrung eines der Transistoren
D12 bis n2 führt zur Sperrung des Transistors T1.
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Nach dem wesentlichen Vorschlag gem vorliegender Erfindung werden
die Spannungen der einzelnen Akkumulatorzellen Bi bis Bn unabhängig voneinander
kontrolliert. Zu diesem Zweck ist parallel zu jeder Zelle B1 bis Bn ein Steuerkreis,
bestehend aus dem Steuertransistor T11 bis Tn1 und dem Vorwiderstand R11 bzw. Rn1,
geschaltet. Ist die Zellenspannung positiv und z.B. grösser als 0,6 Volt, so wird
der jeweilige Steuertransistor X ... Tn1 durchgeschaltet und der Transistor T12
bzw. Tn2 über den Vorwiderstand 212 bzw. Rn2 geöffnet. Sinkt dagegen die Spannung
einer
der Akkumulatorzellen -31 bis Bn unter die definierte Grenzspannung
von z.B. o,6 Volt, so wird der zugehörige Transistor des Serien-UND-Gatters G über
den jeweiligen Steuertransistor gesperrt. Dies hat die Sperrung des Leistungstransistors
T1 und damit die Unterbrechung des Entladestromkreises zum Verbraucher RL zur Folge.
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Eine weitere Entladung oder gar eine Umpolung einer Zelle wird damit
verhindert.
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Werden als Steuertransistoren T1 bis Tn1 sowie für das UND-Gatter
G Transistoren mit hoher Gleichstromverstärkung verwendet, so ist die Strombelastung
dieser Mess- und Steueranordnung für jede einzelne Zelle relativ gering und liegt
in der Grössenordnung von wenigen Mikroampere.
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Stärker füllt dagegen schon der Basisruhestrom des Leistungstransistors
T1 ins Gewicht, dessen Stromverstärkung relativ niedrig ist. Um eine vorzeitige
Entladung des Akkumulators durch don Basisruhestrom zu verhindern, ist zwischen
Akkumulator und Leistungstransistor T1 ein Unterbrecherschalter S vorgesehen, der
bei Anschluss des Verbrauchers RL manuell oder auch selbsttätig eingeschaltet wird.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Abwandlung der Schaltung gem. Fig.
1 ist dieser mechanische Unterbrecherschalter durch eine selbsttätig arbeitende
Zusatz-Elektronik ersetzt. Bei dieser Zusatz-Elektronik wrkt als Schalter der Transistor
T2, der im Basis-Stromkreis des Transistors T1 in Reihe mit den Transistoren T12
bis Tn2 des UND-Gatters G liegt und dessen Kollektor bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
über den Basis-Widerstand R1 mit der Basis des Leistungstransistors T1 verbunden
ist. Er
ist in Abhängigkeit vom Entladestrom derart gesteuert,
dass er bei angeschlossenem Verbraucher geöffnet, dagegen bei unterbrochenem Verbraucherstromkreis
gesperrt ist. Zur Erzeugung der hierfür erforderlichen Steuerspannung ist zwischen
Leistungstransistor Ti und dem Akkumulator B ein Widerstand R4 vorgesehen. Mit dem
an diesem Widerstand R4 und dem Leistungstransistor T1 auftretenden Spannungsabfall
wird über den Basis-Widerstand 113 der Transistor T3 angesteuert, der seinerseits
über den Basiswiderstand R2 den Transistor T2 steuert. Bei unterbrochenem Verbraucherstromkreis
liegt in der Basis des Transistors Tx der am Widerstand R4 und der Basis-Emitterstrecke
des Transistors Tq durch dessen Basis-Ruhestrom erzeugte Spannungsabfall, der nicht
ausreicht, den Transistor T3 zu öffnen. Folglich sind die Transistoren T2 und T1
gleichfalls gesperrt. Im Belastungsfall dagegen ist der Spannungsabfall am Widerstand
R4 und dem Transistor T1 so gross, dass die Transistoren T3 und T2 durchgeschaltet
sind.
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Diese Schaltung bietet vorteilhafterweise weiterhin die Möglichkeit
eines sehr einfach aufgebauten Sberlastschutzes.
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Diese Aufgabe dient der Transistor T4, dessen Basis von der an dem
Widerstand R4 abfallenden Spannung angesteuert wird. Uberschreitet die Sparmung
an R4 infolge zunehmender Belastung einen festgesetzen Sollwert, so wird der Transistor
T4 durchgeschaltet, wodurch der Transistor T3, dessen Basis über den Transistor
T4 angesteuert wird, sowie der Transistor T2 gesperrt werden. Durch diese einfache
Massnahme wird eine Beschädigung oder Zerstörung des Akkumulators B und des Leistungstransistors
T1 zuverlüssig vermieden.
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Während die Schaltungsanordnungen nach den Figuren 1 und 2 dem Schutze
des Akkumulators beim Entladevorgang dienen, soll mit den Schaltungen nach Fig.
3 und 4 der Akkumulator während des Ladevorganges geschützt werden. Diese Ladesschutzschaltungen
können unmittelbar mit den Entladeschutzschaltungen gem. Fig. 1 und 2 verbunden
werden, da die im Ladestromkreis vorgesehene Diode D1 für eine gleichstrommmässige
Trennung beider Kreise or.
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Als Ladeeinrichtung ditilt z.B. e in ein Gleichstromgenerator Ge,
der jedoch durch jeden anderen Gleichstromerzeuger ersetzt werden kann. Der vom
Generator Ge erzeugte Gleichstrom wird über den Widerstand R10, den Leitungstransistor
T5 und die Diode D1 dem Akkumulator B zugeführt. Die Ladeschutzschaltungen nach
Fig. 3 und 4 haben die Aufgabe, den Ladestrom zu unterbrechen, sowie der Akkumulator
seine Sollspannung erreicht hat, um eine Überladung und damit vorzeitige Zerstörung
des Akkumulators zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird mittels des parallel zu den
Akkumulatorzellen geschalteten Spannungsteilers R21, R22 eine der Akkumulatorspannung
proportionale Spannung abgeleitet, mittels welcher die Basis des im Ladestromkreis
gelegenen Leistungstransistors T5 über die Transistoren T6 und T7 derart gesteuert
wird, dass bei Erreichen der Akkumulator-Sollspannung der Transistor T6 durchgeschaltet,
wodurch der über die Transistoren T7 und T steuert Ladestrom allmählich reduziert
wird. Stift der in Reihe mit dem Spannung teiler 1121, 1122 angeordneten Zener-Diode
D2 wird die erforderliche, im wesentlichen stromunabhängige Vergleichsspannung erzeugt.
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Parallel zum Ausgang des Gleichstromgenerators ist ein weiterer Spannungsteiler
mit den Widerständen R23, R24 geschaltet, mit welchem die zum Durchschalten des
Transistors T7 erforderliche Basis-Spannung erzeugt wird.
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Nachteilig bei der Ladeschutzschaltung gem. Fig. 3 ist, dass sich
der gemessenen Akkumulatorspannung die gleichzeitig vorhandene, durch den Ladestrom
an dem Akkumulatorinnenwiderstand abfallende Spannung überlagert, so dass die Messung
und damit die Steuerung ungenau ist.
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Dieser Nachteil wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemässen Ladeschutzschaltung gemäss Fig. 4 vermieden.
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Das Grundprinzip dieser Schaltung besteht darin, dass der Ladegleichstrom
impulsartig zugeführt wird und dass wahrend der Impulspausen die Überprüfung der
Akkumulatorspannung erfolgt. Hierdurch wird vermieden, dass sich der zu prüfenden
Akkumulatorspannung der durch den Lade strom verursachte Spannungsabfall überlagert
und damit das Messergebnis verfülscht.
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Bei der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung wird dieses Prinzip
dadurch verwirklicht, dass der den Basisstrom des Leistungstransistors T5 steuernde
Transistor T7 impulsartig durchgeschaltet und gesperrt wird. Diesem Zweck dient
ein Rechteckimpulsgenerator, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von zwei
invertierenden, integrierten Verstärkern V1 und V2 in Verbindung mit den Rückkopplungswiderständen
R28, R29 und dem Kondensator C gebildet wird. Frequenzbestimmend bei diesem Impulsgenerator
sind im wesentlichen der Widerstand R 28 sowie der Kondensator C. Der erste Ausgang
des Rechtechimpulsgenerators
steuert die Basis des Transistors
T7 über den Widerstand R7 an. Der zweite, ein invertiertes Signal erzeugende Ausgang
ist über den Widerstand R8 mit der Basis des Transistors T8 verbunden, mit welchem
die Basis des Transistors T9 über den Widerstand R9 angesteuert wird. Dieser Transistor
T9 dient der impulsartigen Zu- und Abschaltung des parallel zu dem Akkumulatorzellen
B1 bis Bn angeordneten und aus den Widerständen R25, r26 und 1127 bestehendea Spannungsteilers.
Die Dimensionierung der Schaltung ist derart, dass der Transistor T9 immer dann
durchgeschaltet ist, wenn der Transistor T5 gesperrt ist, d.h. dass die Batteriespannung
am Spannungsteiler R25, R26, 1127 anliegt, wenn der Ladestrom unterbrochen ist.
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Ähnlich wie bei der Schaltungsanordnung gem. Fig. 3 wird auch bei
dieser Schaltungsanordnung aus der Spannungsteilerspannung eine Steuerspannung abgeleitet,
welche bei tberschreiten eines vorbestimmten Sollwertes den über den Basis-Widerstand
R6 mit dem Spannungsteilerpunkt verbundenen Transistor T6 durchschaltet, wodurch
der Steuertransistor T7 und der Leistungstransistor T5 gesperrt werden.
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Der Teilerwiderstand R26 ist von einem über diesen rückgekoppelten
Gleichspannungsverstärker überbrückt, welcher aus zwei invertierenden, integrierten
Verstärkerbausteinen V3 und V4 besteht. Diese Schaltungsanordnung hat die Eigenschaft,
dass die Ausgangsspannung des Verstärkerbausteins V4, wenn die Eingangsspannung
des Verstärkerbausteins V3 einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, sprungartig
ansteigt und auch bei Wegfall der Eingangsspannung erhalten bleibt. Erreicht die
am Teilerpunkt zwischem dem Widerständen 1125 und R26 anstehende Spannung den der
Akkumulatorsollspannung entsprechenden Wert, so wird der Gleichspannungsverstarker
V3,
V4 in der beschriebenen Weise durchgeschaltet und der Leistungstransistor T5 über
die Steuertransistoren T6 und T7 gesperrt. Die Sparrung bleibt auch dann aufrechterhalten,
wenlinach Beendigung der Tastpause über den Widerstand R7 mit einem Rechteckimpuls
angesteuert wird.
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In zeichnerisch nicht dargestellter Weise werden die integrierten
Verstärker V3, V4 von der Generatorspannung und nicht von der Akkumulatorspannung
gespeist. Dies hat den Vorteil, dass die Verstärkerschaltung V3, V4 selbsttätig
in den gesperrten Zustand zurückfallt, wenn die Generatorspannung unter den Öffnungsschwellwert
des Transistors T8 abgesunken ist, so dass ein Schalter zum Zurücksetzen von V3
und V4 in den gesperrten Zustand nicht erforderlich ist.
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Wie bei der Entladeschutzschaltung gem. Fig. 2 ist auch bei den Ladeschutzschaltungen
gem. Fig. 3 und Fig. 4 eine Anordnung zur Strombegrenzung vorgesehen, welche die
insbesondere bei Beginn der Ladung oder bei Kurzschluss auftretende Überlastung
und damit evtl. Zerstörung des Transistors T5 verhindert. Diese Aufgabe hat der
Transistor T10, dessen Basis von der Spannung gesteuert wird, die an dem im Ladestromkreis
angeordneten Widerstand R10 abfällt. Übersteigt dieser Spannungsabfall die Flussspannung
des Transistors T10 so wird dieser durchgeschaltet und folglich der Basis -Strom
des Transistors T5 herabgesetzt, so dass eine Überlastung des Leistungstransistors
T5 vermieden wird.
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L e e r s e i t e