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Anordnung zur automatischen Ladung und Puferung von Sammlern Es sind
bereits Anordnungen zur automatischen Ladung und Pufferung von Sammlern bekannt,
bei denen die Klemmenspannung konstant gehalten und der Lade- bzw. Pufferstrom begrenzt
werden. Es sind ferner Ladevorrichtungen bekannt, bei denen durch Abschaltung oder
Herabsetzung des Ladestromes eine überladung vermieden wird. Solche Vorrichtungen
arbeiten zum Teil mit spannungsempfindlichen Relais, also mit stufenweiser Regelung.
Andere Vorrichtungen weisen zur Erreichung einer kontinuierlichen Regelung vormagnetisierte
Drosseln (Transduktorsteuerung) auf. Derartige Vorrichtungen erfordern eine hohe
Präzision der verwendeten Bau-und Schaltelemente und somit einen erheblichen technischen
Aufwand zumal dann, wenn die Spannungsdifferenzen, die mit Sicherheit zu einer Um-
oder Abschaltung führen sollen, sehr klein sind, wie beispielsweise bei der Ladung
empfindlicher Silber-Zink-Zellen. Bei diesen liegt die kritische Zellenspannung,
bei der eine Abschaltung der Ladung durchgeführt werden muß, bei nur wenigen Millivolt.
Zahlreiche Sammlertypen verlangen eine getrennte Ladung der einzelnen in Reihe liegenden
Zellen. Hier ist dann die kritische Potentialdifferenz besonders klein. Die ideale
Ladekurve für eine Silber-Zink-Zelle hat etwa den in Fig. 1 der Zeichnung dargestellten
Verlauf: Bis zu einer Zellenspannung von 1,3 Volt darf der Ladestrom einen bestimmten
Höchstwert nicht überschreiten, auch dann nicht, wenn eine vollkommen entladene
Zelle an die Geräteklemmen angeschlossen wird. Oberhalb 1,3 Volt muß dann der Ladestrom
gemäß der Kurve abfallen, bis er bei einer Zellenspannung von genau 2,10 Volt den
Wert Null erreicht hat. Mit Rücksicht auf eine nicht zu große Ladezeit soll dabei
der Strom zunächst allmählich, zuletzt bei Annäherung an die Lade-Endspannung steil
abfallen.
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Die bekannten Regel- und Steuervorrichtungen erfüllen die geschilderten
Forderungen nicht in befriedigendem Maße, außerdem sindVorrichtungen, die nach dem
Transduktorprinzip arbeiten, mit einer verhältnismäßig großen Zeitkonstante behaftet.
Andere eine Phasensteuerung verwendende Vorrichtungen erfordern besondere technische
Maßnahmen, um sie von der Netzfrequenz unabhängig zu machen. Außerdem ergeben sich
bei fortgeschrittenem Ladungsprozeß in der Ladespannung schädliche Spannungsspitzen,
wenn nicht eine besonders gute Siebung vorgesehen wird, welche wiederum die Regelzeitkonstante
heraufsetzt. Endlich bereitet auch die Stabilisierung in bezug auf Betriebs-(Einlauf)
Zeit und Erwärmung der Geräte ebenso wie eine zuverlässige Anzeige des Ladungszustandes
bei einer größeren Anzahl angeschlossener Zellen, die aus wirtschaftlichen Gründen
in Parallelschaltung geladen werden müssen, erhebliche Schwierigkeiten. Die Verwendung
nur eines einzigen Transduktors für mehrere Ladestromkreise ist nicht zweckmäßig,
da dann eine entladene oder nahezu entladene Zelle einen unzulässig hohen Strom
aufnehmen würde. Sicherung für die einzelnen Stromkreise sind wegen der schädlichen
unsicheren 17bergangskontakte, die bereits einige Millivolt Spannungsabfall hervorrufen
würden, nicht anwendbar. Mit Einzelabsicherungen versehene Ladegeräte sind nicht
betriebssicher und kompliziert und erfordern außerdem zur Vermeidung von Ausgleichsströmen
zwischen den parallel liegenden Zellen ein netzspannungsgesteuertes Rückstromrelais,
das einen weiteren Anlaß zu Störungen gibt.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Ladung und
Pufferung von Sammlern, insbesondere von gegen überspannungen oder überladeströme
empfindliche Zellen bzw. Verbrauchern, bei der der Strom in Abhängigkeit von der
Klemmenspannung oder vom Verbraucherstrom über elektronische Röhrenregler beeinflußt
wird und die Nachteile der bekannten Anordnungen und Vorrichtungen vermieden werden.
Die Erfindung besteht darin, daß in einem besonderen Modulator eine Wechselspannung
mit der Differenzspannung zwischen Klemmenspannung und einer stabilisierten Vergleichsspannung
moduliert wird und diese Spannung nach Verstärkung und Gleichrichtung unmittelbar
zur Lieferung des Ladestromes herangezogen wird. Dadurch wird eine Regelung möglich,
die in hohem Grade trägheitslos auf minimale Spannungsschwankungen zuverlässig anspricht.
Das
Grundprinzip der Erfindung ist in Fig. 2 an einem Blockschema und in Fig. 3 an einem
Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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Nach Fig. 2 wird die, in einem Oszillator O erzeugte Wechselspannung
über einen Modulator M einem Vorverstärker V = und anschließend einem Leistungsverstärker
L zugeführt. Die hier abgegebene Leistung von der Größenordnung der erforderlichen
Ladeleistung wird dann in einem Gleichrichter G gleichgerichtet, geglättet und zur
Ladung der Sammlerbatterie B bzw. zur Speisung eines spannungsempfindlichen anderen
Verbrauchers benutzt. Zur Regelung der Stromstärke erfolgt ein Vergleich der gelieferten
Klemmenspannung mit einer einstellbaren stabilisierten Gleichspannung geringer Leistung
im Modulator M. Dabei arbeitet der Modulator in der Weise, daß bei (infolge sinkender
Belastung) steigender Klemmenspannung des Gerätes (beispielsweise Batteriespannung)
die durchgeschleuste Wechselspannung vermindert wird und somit der Ladestrom herabgesetzt
wird, bis dieser schließlich nach Erreichung der kritischen Spannung gleich Null
wird. Wird hingegen die Batterieklemmenspannung infolge stärkerer Stromentnahme
wieder geringer oder wird an die Ladeklemmen eine andere leere Batterie angeschlossen,
so erreicht - bei gänzlich entsperrtem Modulator - der Ladestrom einen bestimmten
Maximalwert, der niemals überschritten werden kann, auch nicht bei vollkommenem
Kurzschluß der Ausgangsklemmen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Aussteuerbarkeit
einer Stufe im Vorverstärker oder die abgebbare Leistung im Leistungsverstärker
gemäß der höchstzulässigen Stromstärke begrenzt ist.
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Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird in dem von einer Elektronenröhre
Rö 1 gebildeten Oszillator eine elektrische Schwingung mit einer Frequenz von z.
B. 1000 Hz erzeugt. Dem Schwingkreis bzw. dem Kathodenkreis der Schwingröhre wird
eine kleine Spannung, die etwa zwischen 0,1 und 0,5 Volt eingestellt werden kann,
entnommen. An zwei Dioden 2 und 3 (wobei die eine Diode auch durch einen entsprechenden
Ohmschen Widerstand ersetzt werden kann) erfolgt eine Modulation mit der Klemmenspannung
U= der Stromquelle K. Um diese Modulation durchzuführen, ist der Klemmenspannung
eine einen Stabilisator 4 über einen Spannungsteiler 5 bis 8 entnommene Vergleichsspannung
entgegengeschaltet. Ist nämlich das Potential am Punkt b höher als am Punkt a, so
ist die Diode 2 geöffnet, und die über einen Kopplungskondensator 17 vom Oszillator
Rö 1 her eingespeiste Wechselspannung gelangt über Diode 2 und Kopplungskondensator
18 an das Steuergitter von Röhre 9. Sie hebt die gegenphasige Spannung gleich großer
Amplitude, die über eine Kapazität 15 an das Steuergitter der Röhre 9 gelangt, auf,
so daß hier die resultierende Spannung gleich Null ist. Die Diode 3 ist in diesem
Zustand gesperrt. Ist hingegen das Potential am Punkt b niedriger als an den Punkten
a und c, so ist die Diode 2 gesperrt, die Diode 3 dagegen entsperrt, und auch die
an der Anode der Oszillatorröhre 1 liegende Wechselspannungsamplitude gelangt über
die Kopplungskondensatoren 16 und 18, verstärkt noch durch die gleichphasig über
15 wirkende Spannung, an das Steuergitter der Röhre 9. Nach der Verstärkung in dieser
Zwischenstufe durch eine Röhre 10 und schließlich in der Leistungsstufe durch eine
Röhre 11 erfolgt die Gleichrichtung an Gleichrichterzellen 12 und 13 und
die Siebung (Kapazität 14) und danach die Speisung (Ladung bzw. Pufferung) der Stromquelle
K.
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Die Regelung erfolgt also in der Weise, daß bei einer Zunahme der
Klemmenspannung U= der zu ladenden Stromquelle K und infolge einer entsprechenden
Potentialverlagerung am Punkt b die Wechselspannung am Steuergitter der Röhre 9
herabgesetzt wird und als Folge hiervon sofort der Ladestrom 1 in der Speiseleitung
zurückgeht, bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Lade- und Entladestrom eingestellt
hat. Die Einspielzeit für den Gleichgewichtszustand kann durch die Wahl einer sehr
kleinen Zeitkonstante bei der hier benutzten hohen Frequenz sehr niedrig gehalten
werden, so daß die Regelung sehr rasch erfolgt und eine unliebsame Selbsterregung
des Systems unterbunden werden kann. Zur Entlastung der Leistungsstufe ist in Reihe
mit der geregelten Gleichspannung noch eine nahezu konstante gesiebte Gleichspannung
Us vorgesehen, die unter Verwendung des 50-Hertz-Netzes in üblicher Weise gewonnen
wird. Die Umschaltung des Gerätes von »Puffern« auf »Laden« geschieht durch Betätigung
eines Schalters S mit Kontaktsätzen S 1 bis S4, und zwar selbsttätig, sobald der
Verbraucher von der Stromquelle K abgeschaltet wird. Hierbei wird unter anderem
die Hilfsspannung mittels des Kontaktes S3 abgetrennt. Gleichzeitig wird die Vergleichsspannung
mittels S1 auf denjenigen Betrag erhöht, der bei einer Ladung der Batterie im unbelasteten
Zustand zulässig ist, z. B. für eine Süber-Zink-Batterie eine Ladespannung von maximal
2,10 Volt je Zelle. Durch den Kontakt S2 wird die Anpassung am Ausgangstransformator
der Leistungsstufe durch Umlegung auf eine Anzapfung den bei der Ladung gegenüber
den beim Pufferbetrieb herrschenden Belastungsverhältnissen entsprechend geändert.
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Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Ladestrom
bis kurz vor Erreichen der Lade-Endspannung nahezu konstant und relativ sehr hoch
gehalten werden kann und bei Erreichung der Endspannung schnell auf den Wert Null
absinkt. Die Steilheit dieses Abfalls kann in weiten Grenzen mittels eines Potentiometers
20 durch Regelung der vom Oszillator Rö 1 kommenden Spannung beeinflußt werden.
Bei der dargestellten Ausführung, bei der eine Anzahl unabhängiger Lade- bzw. Pufferstromkreise
vorgesehen sind, können die Hilfsspannungen wie Anodenspannung, Heizspannung, Stabilisatorspannung
einem gemeinsamen Netzteil und die Oszillatorspannung einem gemeinsamen Oszillator
entnommen sein. An Stelle der im Beispiel vorgesehenen Oszillatorspannung höherer
Frequenz kann natürlich auch eine aus dem Netztransformator von einer besonderen
Wicklung zu entnehmende 50-Hertz-Spannung benutzt werden, sofern bezüglich der Welligkeit
des Ladestroms nicht so hohe Anforderungen gestellt zu werden brauchen. In diesem
Fall könnte der Oszillator ganz in Fortfall kommen.
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Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Schaltungsarten möglich. Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde aus Vereinfachungsgründen die Leistungsverstärkerstufe
als A-Verstärker ausgebildet. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades läßt sich eine
B- oder C-Schaltung anwenden. Ebenso läßt sich eine Kompoundschaltung vorsehen,
bei der gleichzeitig sowohl Klemmenspannung als auch der Pufferstrom für die Regelung
herangezogen werden. Die als Röhren dargestellten Diodenstrecken können ebensogut
auch
durch Kontaktdioden ersetzt werden. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Regelprinzips
in Geräten, die mehrere Ladestromkreise enthalten, können bestimmte Schaltaggregate
und Bauelemente wie die Stabilisierung, der Netzteil und gegebenenfalls (wie im
Beispiel der Fig. 3) der Oszillatorteil in geringerer Zahl oder sogar nur einmal
vorhanden sein.