DE3411904A1 - Schaltungsanordnung zum betreiben einer last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last, wie z.B. zum Laden eines Akkumulators, aus einer elektrischen Energiequelle, wobei diese Energiequelle entweder eine Gleichstromenergiequelle oder eine Wechselstromenergiequelle mit nachgeschaltetem Gleichrichter ist, wobei parallel zur Energiequelle eine Reihenschaltung vorgesehen ist, welche die Primärwicklung eines Sperrwandlers, einen ersten elektronischen Schalter mit einer Steuerelektrode und einen Widerstand enthält, wobei ferner ein zweiter elektronischer Schalter vorgesehen ist, dessen einer Hauptanschluß mit der Steuerelektrode des ersten elektronischen Schalters verbunden ist, und wobei der Sperrwandler eine Sekundärwicklung aufweist, die über ein gleichrichtendes Element an die Last, z.B. an den aufzuladenden Akkumulator, angeschlossen ist.

Schaltungsanordnungen der oben bezeichneten Art sind insbesonders für Elektrokleingeräte vorgesehen, die an verschiedene Netzspannungen angeschlossen werden können, welche unterschiedlich große Netzwerte aufweisen. Ein in diesem Zusammenhang bestehendes Problem besteht darin, daß, gleichgültig in welchen Grenzen die Netzspannung schwankt, immer gewährleistet sein soll, daß der maximal zulässige Ladestrom der Kleinakkumulatoren, welche für den Betrieb der Elektrokleingeräte vorgesehen sind, nicht überschritten werden darf, da es ansonsten zu einer Zerstörung dieser Akkumulatoren kommt. Es wurde daher vorgeschlagen, eine Kompensation des Schwingzustandes des Sperrwandlers in Abhängigkeit von Eingangsspannungsschwankungen in der Art vorzunehmen, daß abhängig von Eingangsspannungsschwankungen die Schwingfrequenz des Wandlers beeinflußt wird. Eine derartige Kompensation

kann aber naturgemäß nur unvollständig wirken und ist beschränkt auf einen relativ kleinen Eingangsspannungsschwankungsbereich. Sie ist unvollständig, d.h. es treten weiterhin Schwankungen im Ladestrom auf, so daß es nicht möglich ist, den Ladestrom innerhalb kleiner Grenzen konstant zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die eingangs genannte Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, daß gewährleistet ist, daß bei Eingangsspannungsschwankungen von etwa 100 bis 250 V der Laststrom, insbesondere der Ladestrom des Akkumulators, in engen Grenzen konstant gehalten werden kann. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters gleichzeitig sowohl mit einer elektrischen Steuergröße, die proportional dem Strom durch die Primärwicklung des Sperrwandlers ist, als auch mit einer elektrischen Steuergröße beaufschlagt wird, die dem Laststrom, z.B. dem Ladestrom des Akkumulators, proportional ist. Durch diese Maßnahmen erfolgt somit eine Regelung des Laststromes, insbesondere des Akkumulatorstromes, was eine hohe Konstanz des Laststromes gewährleistet.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 und Fig. 2 jeweils Schaltbilder möglicher Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Akkumulatorladeschaltung. Der Schalttransistor 1 bildet gemeinsam mit dem Wandlertransformator 2 und der Gleichrichterdiode 3 den Leistungsteil einer S(VM ι w.-un! 1 cm ϊ.ι-h.·» 1 ( nno . Ks ist dabei an die Eingangs-

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klemmen A, B des Sperrwandlers eine Serienschaltung bestehend aus der Primärwicklung 4 des Transformators, der Hauptstrecke des Transistors 1 und einem Stromfühlwiderstand 5 angeschlossen und bildet den Primärkreis des Sperrwandlers. Der Sekundärkreis des Sperrwandlers umfaßt eine Serienschaltung bestehend aus der Sekundärwicklung 6 des Transformators 2, der sekundären Gleichrichterdiode 3, dem Akkumulator 7 als Last und einem zweiten Stromfühlwiderstand 8. Der Rückkopplungszweig des Sperrwandlers besteht einerseits aus einer Serien-Parallel-Schaltung der Kondensatoren 9, 10 und des Widerstandes 11 von der Steuerelektrode des ersten Schaltertransistors 1 zum Verbindungspunkt der Sekundärwicklung 6 des Transformators mit der sekundären Gleichrichterdiode 3 und andererseits aus einem zweiten Schaltertransistor 12, der mit seiner Hauptstrecke parallel zur Serienschaltung der Hauptstrecke des Transistors 1 und des Stromfühlwiderstandes 5 angeordnet ist. Der Steuereingang des Transistors 1 ist weiter über den Widerstand 20 an die Verbindung der Hauptstrecke dieses Transistors mit der Primärwicklung 4 des Transformators 2 geführt. Der Hauptstrecke des Transistors 12 ist eine Diode 13 antiparallel geschaltet. Der Steuereingang des Transistors 12 ist sowohl über einen Widerstand 14 an das an die Hauptstrecke des Transistors 1 angeschlossene Ende des Stromfühlwiderstandes 5 als auch über einen Widerstand 15 an das mit der Sekundärwicklung 6 verbundene Ende der Parallelschaltung des Stromfühlwiderstandes 8 und des Kondensators 16 geführt.

An die Eingangsklemmen A, B des Sperrwandlers kann als Betriebsspannung Gleichspannung großer Welligkeit angelegt werden. Soll die Schaltung aus dem Wechselstromnetz

versorgt werden, so kann dem Sperrwandler eine Gleichrichterschaltung 17 mit den Eingangsklemmen A¹, B¹ bestehend aus einer Gleichrichterbrückenschaltung 18 und einem Siebkondensator 19 mit kleiner Kapazität vorgeschaltet werden. Zusätzlich zu dem an den Ausgang des Sperrwandlers geschalteten Akkumulator 7 kann ein Motor 21 über einen zweipoligen Einschalter 22 parallel zum Akkumulator 7 geschaltet werden, wobei über den zweiten Einschaltkontakt des Schalters 22 ein Widerstand 23 parallel zur Parallelschaltung aus dem Widerstand 8 und dem Kondensator 16 geschaltet werden kann.

Im folgenden soll vereinfacht die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 1 beschrieben werden. Sobald an den Eingangsklemmen A, B mit A als positiver Klemme Gleichspannung ausreichender Größe anliegt, fließt über den Widerstand 20 ein kleiner Steuerstrom in die Basis des Transistors 1 und bewirkt, daß der Transistor 1 leitend zu werden beginnt. Dadurch vermindert sich die Kollektor-Emitter-Spannung dieses Transistors, und die Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung an den Klemmen A, B und der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors wird an der Primärwicklung 4 des Transformators 2 anliegen. Dadurch wird transformatorisch eine Spannung gleicher Polarität in der Sekundärwicklung 6 induziert (dabei ist das mit einem Punkt bezeichnete Ende der Wicklung 6 positiv). Über das Rückkoppelnetzwerk 9 bzw. 10 und 11, das die Verbindung zwischen dem positiv orientierten Ende der Sekundärwicklung 6 und der Steuerelektrode des Transistors 1 darstellt, wird dadurch ein zusätzlicher Steuerstrom in die Basis des Transistors 1 geliefert. Dadurch wird dieser Transistor schließlich vollständig durchgesteuert. Entsprechend dem linearen

Anstieg des Stromes durch eine Induktivität, an die eine konstante Spannung gelegt wird, tritt im Primärkreis des Wandlers ein dreieckförmig zunehmender Strom auf, der auch den Stromfühlwiderstand 5 durchfließt und dort zu einem Spannungsabfall führt. Diese Spannung wird über den Widerstand 11 an die Basis des Abschalttransistors 12 geführt. Sobald die durch die Eingangscharakteristik des bipolaren Transistors 12 festgelegte Schwelle überschritten wird, beginnt der Transistor 12 zu leiten und übernimmt den bis dahin als Steuerstrom dem Transistor

I zugeflossenen Strom aus dem Rückkoppelnetzwerk 9 bzw. 10, 11. Dadurch wird der Transistor 1 abgeschaltet. Sobald der Strom im Primärstromkrein des Sperrwandlers abnimmt,, kehren sich die Polaritäten der Spannungen an den Wicklungen des Transformators um, und der Schaltertransistor 1 wird über den im Rückkoppelnetzwerk 9 bzw. 10,

II jetzt in umgekehrter Richtung fließenden Strom endgültig ausgeschaltet und solange ausgeschaltet gehalten, bis die Spannung an den Wicklungen des Transformators 2 zusammengebrochen, d.h. der Fluß im Kern des Transformators vollständig abgebaut ist; erst dann kann der Strom durch den Widerstand 20 den Transistor 1 wieder teilweise einschalten, und der Schwingzyklus beginnt von neuem. Während des Abschaltvorganges verhindert die Diode 13 eine zu große auftretende negative Basis-Emitter-Spannung des Transistors 1 und ermöglicht so ein Umladen der beiden Kondensatoren 9 und 10.

Während der nun folgenden Phase der Schwingung, während der die während der vorhergehenden Leitendphase des Transistors 1 im Kern des Transformators aufgebaute magnetische Energie wieder abgebaut wird, fließt Ladestrom für den Akkumulator 7 im Sekundärkreis des Wandlers bestehend

aus der Serienschaltung der Sekundärwicklung 6 des Transformators 2, der Diode 3, des Akkumulators 7 und dem Stromfühlwiderstand 8. Die am Stromfühlwiderstand 8 auftretende, dem Ladestrom des Akkumulators proportionale Spannung wird durch den Kondensator 16 integriert und über den Widerstand 15 an die Basis des Abschalttransistors 12 gelegt. Dadurch wird erreicht, daß entsprechend dem Ladestrom des Akkumulators die Primärstromschwelle für die Abschaltung des Transistors 1 während seiner Leitphase verändert wird. Es wird dadurch, daß der Ladestrom des Akkumulators selbst für die Steuerung des Wandlers herangezogen wird, erreicht, daß der mittlere Ladestrom des Akkumulators selbst bei stark schwankender Eingangsspannung des Wandlers annähernd konstant gehalten wird. Über die Größe des Widerstandes 8 kann der Ladestrom des Akkumulators in einfacher Weise festgelegt werden. Dadurch kann z.B. auch erreicht werden, wie in Fig. 1 durch den Motor 21, den Schalter 22 und den zusätzlichen Widerstand 23 angedeutet, daß ein an den Ausgang angeschlossener Motor entweder, wenn der Akkumulator ausreichend geladen ist und keine Versorgungsspannung an den Eingangsklemmen des Wandlers anliegt, direkt aus dem Akkumulator betrieben werden kann, oder bei Netzversorgung über den Sekundärstrom des Wandlers betrieben werden kann. Dieser kann über den parallel zum Stromfühlwiderstand 8 angeschlossenen Widerstand 23 entsprechend dem Betriebsstrom des Motors in weiten Grenzen gewählt werden. So ist es z.B. möglich, den Akkumulator mit einem Ladestrom von 60 mA zu versorgen, für den angeschlossenen Motor jedoch 1 A Betriebsstrom zu liefern. Dieser Ladestrom für den Akkumulator bzw. Betriebsstrom für den Motor wird z.B. für einen Eingangswechselspannungsbereich (an den Klemmen A¹, B¹) von 100 bis 250 V annähernd konstant gehalten.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Laden eines Akkumulators bzw. zur Versorgung eines Motors mit positiver Ausgangsspannung. Dadurch, daß in der Schaltung entsprechend Fig. 2 die Polarität der Sekundärwicklung 6 im Vergleich zur Fig. invertiert ist, kann die darin induzierte Spannung nicht als Rückkoppelspannung für den Schaltertransistor 1 herangezogen werden. Es ist daher eine zusätzliche Sekundärwicklung 24 des Transformators 2 vorhanden, die im Verein mit dem Rückkoppelnetzwerk 9, 10, 11 für die Steuerung des Wandlers die Aufgabe der Wicklung 6 der Fig. 1 übernimmt. Entsprechend der Polarität des Ladestromes, die im Vergleich zu der Polarität des Ladestromes in Fig. 1 invertiert ist, ist in der Fig. 2 der Ladestromfühlwiderstand 8 in der Verbindungsleitung des Akkumulators mit dem Bezugspotential der Schaltung (Klemme B) angeordnet. Ferner ist in Fig. 2 der zweipolige Einschalter so angeordnet, daß gleichzeitig der Motor 21 parallel zum Akkumulator 7 und ein Widerstand 25 parallel zum Stromfühlwiderstand 8 geschaltet werden kann. Von diesen Strukturunterschieden abgesehen ist die Funktionsweise der Schaltung entsprechend Fig. 2 analog zu der in Fig. 1 beschriebenen Schaltung. Es weisen dabei einander entsprechende Bauteile jeweils gleiche Bezugszeichen auf. Auch hier wird dasselbe vorteilhafte Verhalten bezüglich Stabilität des Ladestromes des Akkumulators zusätzlich bei Motorbetrieb erreicht. Es werden also eine Stabilität des gesamten Laststromes gegenüber Schwankungen der Eingangsspannung und wählbare stark unterschiedliche Ladeströme des Akkumulators bzw. Gesamtlastströme, insbesondere auch Betriebsströme des Motors, erreicht. Der besondere Vorteil dieser Schaltung gegenüber der in Fig. 1 beschriebenen Schaltung besteht hauptsächlich darin, daß die für die Rückkopplung wirk-

same Spannung hier über das Windungszahlverhältnis der Wicklungen 24 und 6 des Transformators 2, unabhängig von der Ladespannung des Akkumulators, eingestellt werden kann, währenddessen die für die Rückkopplung zur Verfügung stehende Spannung in der Schaltung entsprechend" Fig. 1 gleich der Ladespannung des Akkumulators ist. Daher ist die Schaltung entsprechend Fig. 2 besonders als Ladeschaltung für Akkumulatoren mit wenigen hintereinander geschalteten Zellen, d.h. kleiner Akkumulatorspannung, geeignet.

Claims (7)

1. Patentansprüche

   (1.JSchaltungsanordnung zum Betreiben einer Last, wie z.B. zum Laden eines Akkumulators aus einer elektrischen Energiequelle, wobei diese Energiequelle entweder eine Gleichstromenergiequelle oder eine Wechselstromenergiequelle mit nachgeschaltetem Gleichrichter ist, wobei parallel zur Energiequelle eine Reihenschaltung vorgesehen ist, welche die Primärwicklung eines Sperrwandlers, einen ersten elektronischen Schalter mit einer Steuerelektrode und einen Widerstand enthält, wobei ferner ein zweiter elektronischer Schalter vorgesehen ist, dessen einer Haupt-

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   anschluß mit der Steuerelektrode des ersten elektronischen Schalters verbunden ist, und wobei der Sperrwandler eine Sekundärwicklung aufweist, die über ein gleichrichtendes Element an die Last, z.B. an den aufzuladenden Akkumulator, angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters (12) gleichzeitig sowohl mit einer elektrischen Steuergröße, die proportional dem Strom durch die Primärwicklung (4) des Sperrwandlers (6) ist, als auch mit einer elektrischen Steuergröße beaufschlagt wird, die dem Laststrom, z.B. dem Ladestrom (I₂) des Akkumulators, proportional ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters sowohl an einen im Laststromkreis in Serie geschalteten ersten Stromfühler als auch an einen mit der Primärwicklung in Serie geschalteten zweiten Stromfühler geführt ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromfühler, durch ein RC-Glied gebildet ist, dessen Zeitkonstante größer als die Periodendauer der Schwingfrequenz des elektromagnetischen Wandlers ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromfühler durch einen Ohm¹sehen Widerstand gebildet ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters über jeweils einen Bewertungswiderstand an die Stromfühler angeschlossen ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstromstrecke des zweiten elektronischen Schalters eine zweite Sekundärwicklung des Sperrwandlers, gegebenenfalls über ein Rückkopplungsnetzwerk parallel geschaltet ist.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromfühler für den Betrieb eines Motors durch den Akkumulator und/ oder die Schaltungsanordnung veränderbar ausgebildet ist.