DE2634863A1

DE2634863A1 - Schnelladeschaltung

Info

Publication number: DE2634863A1
Application number: DE19762634863
Authority: DE
Inventors: Arthur Ing Grad Schneider
Original assignee: Rollei Werke Franke und Heidecke GmbH and Co KG
Current assignee: Rollei Fototechnic GmbH
Priority date: 1976-08-03
Filing date: 1976-08-03
Publication date: 1978-02-09
Also published as: GB1589432A; US4162439A

Description

ROLLEI -WERKE

Franke & Heidecke H- 263Λ8Β3

Braunschweig

A 1068

Pa tentanme!dung

Sehne Hade schaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Schneiladung eines Akkumulators mit einem pulsierenden Strom, bei welcher im Ladekreis des Akkumulators ein elektronischer Schalter angeordnet ist, der über seine

Steuerelektrode einschaltbar und bei Erreichen einer Ladespannung des Akkumulators, die einer einstellbaren Referenzspannung entspricht, sperrbar ist.

Bei bekannten Ladeschaltungen dieser Art ist der elektronische Schalter im Ladekreis des Akkumulators als Thyristor ausgebildet, dessen Steuerelektrode an einem der pulsierenden Ladespannung parallelgeschalteten Spannungsteiler und dessen Kathode an dem positiven Pol des Akkumulators angeschlossen ist. Dabei ist der Spannungsteiler so ausgelegt, daß die an der Steuerelektrode an-

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liegenden Spannung um die Zündspannung des Thyristors · größer ist als die Sollspannung des geladenen Akkumulators. Der Thyristor wird über den Spannungsteiler in jeder Phase der pulsierenden Ladespanhung gezündet. Wenn die Ladespannung des Akkus die Solladespannung erreicht hat, reicht die Differenz zwischen dem Steuerelektrodenpotential und dem Kathodenpotential des Thyrisotrs nicht mehr aus, den Thyristor zu zünden. Der Ladevorgang ist beendet, (vergl. DT-OS 23 64 326).

Diese Schaltung arbeitet einwandfrei bei Ladeströmen mittlerer Größe, welche im Leistungsbereich von Thyrisotren mit relativ kleinen Steuerströmen liegen. Hier kann der Spannungsteiler so bemessen werden, daß die durch ihn fließenden Querströme sehr klein im Verhältnis zum Ladestrom sind. Für große Ladeströme sind jedoch Thyristoren höherer Leistung notwendig, die höhere Steuerströme bedingen. In diesen Fällen reicht eine solch einfache Ladeschaltung zur Erzeilung eines exakt wiederholbaren definierten Abschaltpunktes des Akkumulators nicht mehr aus, so daß ein vergrößerter Aufwand getrieben werden muß.

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Darüberhinaus besteht ein Nachteil dieser Schaltung darin, daß geringe Netzspannungsschwankungen relativ hohe LadestromSchwankungen hervorrufen. Je nach Auslegung' der Schaltung können dabei die LadeStromschwankungen bei durchaus üblichen NetzspannungsSchwankungen von 10 % bis zu 30 % betragen. Da aber die Größe des Ladestroms bestimmend für die Ladeschlußspannung ist, bei welcher die Ladeschaltung den Ladevorgang unterbricht, führen solche großen Ladestromänderungen dazu, daß bei erhöhtem Ladestrom der Ladevorgang bereits beendet wird, obwohl die gewünschte Sollspannung des Akkumulators noch nicht erreicht ist. Legt man jedoch den Wert des mittleren Ladestroms, um zu hohe Ladeströme bei Netzschwankungen zu vermeiden, relativ niedrig, so kann bei normalen Spannungsabfall im Netz der nunmehr sich wiederum erheblich verminderte Ladestrom den Akkumulator nicht mehr auf die Sollspannung aufladen, wodurch die Ladeschaltung nicht abschaltet, der Akkumulator ständig am Netz liegt und thermisch zerstört wird.

Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ist, daß der Ladestrom mit Rücksicht auf den zu Beginn des Ladevorgangs

vergrößerten bei völlig entladenem Akkumulator fließenden /Ladestrom

nicht allzu hoch gewählt werden kann.

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Der Erfindung liegt daher die.Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei Beibehaltung des einfachen Aufbaus auch für hohe Ladeströme geeignet ist'und den Einfluß von Netzspannungsschwankungen auf den Ladestrom weitgehend reduziert.

Diese Aufgabe ist gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der elektronische Schalter als Transistor in Kollektorschaltung mit Emitterwiderstand ausgebildet ist, dessen Steuerspannung mindestens während der Pulsdauer des Ladestromes konstant ist und dessen Basis an dem Ausgang eines Vergleiches angeschlossen· ist, an dessen einem Eingang die Ist-Ladespannung des Akkumulators und an dessen anderem Eingang die Referenzspannung liegt

ein
und dessen Ausgang/den Transistor sperrendes Potential annimmt, sobald die Ladespannung die Referenzspannung übersteigt.

In dieser Schaltung übernimmt der Transistor sowohl die Funktion einer Strombegrenzung, als auch die Funktion der Steuerung des Ladevorgangs. Durch die zwischen Emitter- und Steuerelektrode des Transistors liegende konstante Potentialdifferenz ist der Stromfluß durch den Transistor

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und damit der Ladestrom des Akkumulators unabhängig von der Ist-Ladespannung des Akkumulators immer konstant. Sobald die Ist-Ladespannung die Referenzspannung erreicht hat, wird die Steuerelektrode des Transistors mit einem Sperrpotential belegt und der Transistor sperrt, womit der Ladevorgang des Akkumulators beendet ist. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird dabei der Transistor in einer Komplementär-Darlington-Schaltung angeordnet.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Emitterwiderstand durch eine Glühlampe ersetzt, deren Widerstand mit zunehmenden Effektivwert des Lampenstromes anwächst. Durch diese Widerstandscharakteristik wird ein zusätzlicher Begrenzungseffekt bei Ladestromschwankung mit sehr hohen Stromspitzen erzielt.

Die konstante Steuerspannung wird nach einem bevorzugten . Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Z-Diode erzeugt, die parallel zu der Reihenschaltung aus Basis-Emitter-Strecke des Transistors und dem Emitterwiderstand geschaltet ist.

Der Komparator kann nach einer Weiterbildung der Erfindung als- Thyristor ausgebildet sein, wobei die Anode des Thyristors mit der Steuerelektrode des Transistors bzw. der

Darlington-Schaltung, die Kathode des Thyristors mit dem positiven Pol des Akkumulators und die Steuerelektrode des Thyristors mit der Referenzspannung verbunden ist. Alternativ hierzu kann auch der Vergleicher als Operationsverstärker ausgebildet sein, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode des Transistors bzw. der Darlington-Schaltung, dessen invertierender Eingang mit der Referenzspannung und dessen nichtinvertierender Eingang mit dem positiven Pol des Akkumulators verbunden ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei der Schaltanordnung, die zwei zum Akku führende Speiseleitungen aufweist, von welchen die erste hohes Potential und die zweite niedriges Potential aufweist, die Referenzspannung am Abgriff eines Potentiometers abgenommen ist, das in Reihe mit einem einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Widerstand einer Konstantspannungsquelle parallelgeschaltet ist, die aus einer an den Speiseleitungen angeschlossenen Reihenschaltung zweier Z-Dioden besteht, wobei die Kathode der ersten Z-Diode mit dem Potentiometer und die Anode der zweiten Z-Diode mit dem Widerstand verbunden ist, und daß der zweiten Z-Diode ein pnp-Transistor parallelgeschaltet ist, dessen Basis· an dem Verbindungspunkt von

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Potentiometer und Widerstand angeschlossen ist. Durch diese Schaltungsmaßnahme wird erreicht, daß zwar grundsätzlich der Ladevorgang des Akkumulators immer dann beendet wird, wenn die Ladeschlußspannung des Akkumulators, die gleichzeitig Referenzspannung ist, erreicht ist, darüberhinaus aber in den Fällen, in welchen sich der Akkumulator durch Ausfall einer oder mehrerer Zellen oder durch andere Umstände vor Erreichen der Ladeschlußspannung bereits auf seine maximal zulässige Temperatur erwärmt hat, der Ladevorgang mit Erreichen dieser Temperatur abgebrochen wird, unabhängig davon, ob der Akkumulator geladen ist oder nicht. Dabei wird in geschickter Weise nicht eine zusätzliche von der Akkumulator-Temperatur abhängige Steuerspannung an den Vergleicher gelegt, sondern durch die vorstehend beschriebene schaltungstechnische Maßnahme, die an dem Vergleicher liegende Referenzspannung um einen gewissen Betrag reduziert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einer Schnelladeschaltung dargestellt.

Es zeigen:

Fig-. 1 Die Schaltungsanordnung mit einem als Thyristor

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ausgebildeten Vergleicher und

Fig. 2 einen als Operationsverstärker ausgebildeten

. Vergleicher, der anstelle des Thyristors in Fig. an die entsprechenden Schaltungspunkte angeschlossen werden kann.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Transformator bezeichnet, dessen Primärwicklung an einem Wechselspannungsnetz 2, beispielsweise mit 220 Volt Netzspannung angeschlossen ist, während die Sekundärwiclung mit dem Eingang einer Zweiweggleichrichtbrückenschaltung 3 verbunden ist» Vom Plusausgang der Gleichrichtbrückenschaltung 3 führt eine Potentialleitung 4 zu einem Akkumulator 5,-der über eine zweite Potentialleitung 6 mit gegenüber der ersten Leitung 4 niedrigerem Potential mit dem anderen Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist. In der Potentialleitung 4 ist eine Komplementär-Darlington-Schaltung 7 angeordnet, die aus einem PNP-Transistor 71 und aus einem NPN-Transistor 72 in bekannter Zusammenschaltung besteht. Die Steuerelektrode der Darlington-Schaltung ist über eine Zenerdiode 8 mit der ersten Potentialleitung 4 verbunden, so daß zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors 71 immer eine konstante Potentialdifferenz"herrscht. Der Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 71 und der Basis-Emitter-Strecke

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des Transistors 72 ist je ein Widerstand 9 bzw. 10 parallelgeschaltet.

Zwischen der Potentialleitung 4 und dem Eingang der Darlingtonschaltung 7, also dem Emitter des Transistors bzw. dem Kollektor des Transistors 72, ist eine Glühlampe 20 angeordnet. Der Glühlampenwiderstand bildet den Eiflitterwider-

Kollektorschaltung

stand in der /des Transistors 71 und damit der Darlingtonschaltung 7. Durch die spezielle Widerstandscharakteristik der Glühlampe, deren Widerstand mit zunehmender Stromstärke zunimmt,wird gegenüber einem konstanten Widerstand anstelle der Glühlampe ein zusätzlicher Begrenzungseffekt für sehr hohe Ladeströme erzielt. Darüberhinaus zeigt die Glühlampe das Fließen des Ladestromes an, so daß ihr Erlöschen die Beendigung des Ladevorgangs signalisiert. Parallel zur Darlington-Schaltung ist noch eine zweite Lampe 21 angeordnet, die nur Strom führt, wenn die Darlington-Schaltung gesperrt ist, der Ladevorgang also beendet ist und infolge der unvermeidlichen EntladeVerluste des Akkumulators dessen Ladespannung geringfügig unter die Ladeschlußspannung absinkt. In diesen Fällen fließt ein kleiner Ladestrom zur Erhaltung der Ladespannung des Akkumulators öder zum Nachladen der Restkapazität, was durch Aufleuchten dieser Lampe 21 angezeigt wird.

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Zwischen den Potentialleitungen 4 und 6 ist die Reihenschaltung aus einem Widerstand 11 und zweier Z-Dioden 12 und 13 angeordnet. Die Reihenschaltung der beiden Z-Dioden bilden eine Konstantspannungsquelle, welcher ein Spannungsteiler, bestehend aus dem Potentiometer 14 und einem Widerstand 15 mit negativen Temperaturkoeffizienten, der räumlich zwischen den Akkumulatorenzellen angeordnet ist, so daß er die Temperatur der Zellen erfassen kann, parallelgeschältet ist. Der Z-Diode 13 ist ein PNP-Transistor 16 parallelgeschaltet, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt zwischen Potentiometer 14 und Widerstand 15 verbunden ist.

Die Steuerelektrode der Darlington-Schaltung 7 ist. weiterhin-über einen Widerstand 17 und einen Vergleicher

18 der in Fig. 1 als Thyristor 19 ausgebildet ist, mit dem Pluspol des Akkumulators 5 verbunden. Der Thyristor

19 ist dabei so geschaltet, daß seine Anode mit der Steuerelektrode der Darlington-Schaltung, seine Kathode mit dem Pluspol des Akkumulators und seine Steuerelektrode mit dem Teilerpunkt des Spannungsteilers 14, 15 verbunden ist.

Die Wirkungsweise der vorstehenden Schaltungsanordnung ist wie folgt: - 11 -

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Ak

Solange die Spannung am Akkumulator kleiner ist als die am Potentiometerabgriff eingestellte Referenzspannung wird in jeder Halbphase des am Ausgang des Gleichrichters auftretenden pulsierenden Stromes der- Thyristor 19 ge-

troden
zündet, da sein Steuerelek/ potential größer ist als sein Anodenpotential. Damit fließt ein Strom durch die Zenerdiode 8 und den Widerstand 19, so daß an der Zenerdiode 8 eine konstante Spannung abfällt, und die Darlingtonschaltung leitend wird. Es fließt ein Ladestrom über die Lampe 20, den Transistor 72 zu dem Akkumulator 5, was durch Aufleuchten der·Lampe 20 angezeigt wird.

Sobald die Ladespannung des Akkumulators die Referenzspannung erreicht hat, sind das Steuergitterpotential und das Anodenpotential des Thyristors gleich groß, so daß der Thyristor 19 mit wiederkehrender pulsierender Spannung nicht mehr zünden kann. Damit fällt aber auch an der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 71 keine Spannung ab, so daß die Darlington-Schaltung 7 gesperrt ist. Der- Ladevorgang ist beendet.

Der Spannungsteiler ist so ausgelegt, daß bei Temperaturen, die nicht die Grenztemperatür des Akkumulators erreichen, die am Widerstand 15 abfallende Spannung größer ist als die Zenerspannung der Z-Diode 13. Wenn jedoch der Akkumu-

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AS

lator während des Ladevorgangs in den Bereich seiner Grenztemperatur kommt, so ist der Widerstandswert des Widerstandes 15 soweit abgesunken, daß das Potential an der Basis des Transistors 16 kleiner wird als das Potential am Emitter. Damit wird die Zenerdiode 13 kurzgeschlossen und der Spannungswert der Konstantspannungsquelle 12, 13 halbiert. Damit sinkt das Referenzpotential am Abgriff des Potentiometers 14 erheblich ab, so daß es unter einen mittleren Spannungswert der Ladespannung des Akkumulators absinkt. Dieser Wert ist einstellbar. Der Thyristor 19 sperrt und damit auch die Darlington-Schaltung 7, wodurch der Ladevorgang abgebrochen wird.

Wie leicht ersichtlich, wird der eigentliche Ladestrom für den Akkumulator von dem Transistor 72 geführt, so daß der Thyristor 19 nicht mit dem Ladestrom belastet ist. Er führt nur relativ geringe Ströme, die kaum eine Erwärmung des Thyristors bewirken. Dadurch wird erreicht, daß der Abschaltpunkt des Akkumulators unabhängig wird von der Erwärmung des den Ladestrom führenden Schaltelementes (Transistor 72),so daß der Ladevorgang immer exakt bei Erreichen des gleichen Spannungswertes des Akkumulators beendet wird.

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ο c q L ρ c Anstelle des Thyristors 19 in Fig· 1 kann auch der in Fig. 2 dargestellt Operationsverstärker 22 Verwendung finden, dessen Ausgang über einen Widerstand 23 mit seinen nichtinvertierenden Eingang verbunden ist. Wie aus den in Fig· I und 2 übereinstimraenden Anschlußbezeichnungen A, B, C hervorgeht, ist dabei der Ausgang des Operations-

Verstärkers 22 über den Widerstand 17 mit der Steuerelektrode der Darlington-Schaltung 7 (mit der Basis des Transistors 71), der nichtinvertierende Eingang mit dem Pluspol des Akkumulators und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 22 mit dem Abgriff des Potentiometers 14 zu verbinden.

Die Wirkungsweise der mit dem Operationsverstärker arbeitenden Schaltungsanordnung ist die gleiche wie vorstehend beschrieben. Solange die Ist-Ladespannung des Akkumulators 5 kleiner ist als die Referenzspannung am invertierenden Eingang weist der Ausgang des Operationsverstärkers negatives Potential auf, so daß die Basis des Transistors 71 immer negativer ist als sein Emitter. Die Darlington-Schaltung ist somit leitend und der Akkumulator wird geladen. Sobald jedoch die Akkumulatorspannung die Referenzspannung um einen geringfügigen definierten Betrag übersteigt, nimmt der Ausgang des Operationsverstärkers 22 positives Potential an und die

Al

Darlington-Schaltung wird gesperrt.

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Claims

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/ 1. !schaltungsanordnung zur Schnelladung eines Akkumulators mit einem pulsierenden Strom, bei welcher im Ladekreis des Akkumulators ein elektronischer Schalter angeordnet ist, der über seine Steuerelektrode einschaltbar und bei Erreichen einer Akkumulatorenspannung, die einer einstellbaren Referenzspannung entspricht, sperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter als Transistor (71) in Kollektorschaltung mit Emitterwiderstand ausgebildet ist, dessen Steuerspannung mindestens während der Pulsdauer des Ladestromes konstant ist und dessen Basis an den Ausgang eines Vergleichers (18) angeschlossen ist, an dessen einem Eingang die Ist-Ladespannung des Akkumulators (5) und an dessen anderem Eingang die Referenzspannung liegt und dessen Ausgang ein den Transistor sperrendes Potential annimmt, sobald die Ladespannung die Referenzspannung übersteigt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus Basis-Emitter-Strecke des Transistors (71) und Emitterwiderstand eine Z-Diode (8) parallelgeschaltet ist.

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3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwiderstand als Glühlampe (20) ausgebildet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorgergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (18) als Thyristor (19) ausgebildet ist, dessen Anode mit der Basis des Transistors (71), dessen Kathode mit dem positiven Pol des Akkumulators (5) und dessen Steuerelektrode mit der Referenzspannung verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (18)

. als Operationsverstärker (19) ausgebildet ist, dessen Ausgang mit der Basis des Transistors (71), dessen invertierender Eingang mit der Referenzspannung und dessen nichtinvertierender Eingang mit dem positiven Pol des Akkumulators (5) verbunden ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (71) mit einem Komplementärtransistor (72) zu einer Darlington-Schaltung vereinigt ist.

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7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 mit zwei zum Akkumulator führenden Speiseleitungen, von welchem die erste hohes Potential und die zweite niedriges Potential aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung am Abgriff eines Potentiometers (14) abgenommen ist, das in Reihe mit einem einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Widerstand (15) einer Konstantspannungsquelle parallelgeschaltet ist, die aus einer an den Speiseleitungen (4, 6) angeschlossenen Reihenschaltung zweier Z-Dioden(12, 13) besteht, wobei die Kathode der ersten Z-Diode (12) mit dem Potentiometer und die Anode der zweiten Z-Diode (13) mit dem Widerstand verbunden ist, und daß der zweiten Z-Diode ein PNP-Transistor (16) parallelgeschaltet ist, dessen Basis an dem Verbindungspunkt von Potentimeter und Widerstand angeschlossen ist.

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