DE69014371T2

DE69014371T2 - Schaltung zur Konstanthaltung eines Gleichstroms.

Info

Publication number: DE69014371T2
Application number: DE69014371T
Authority: DE
Inventors: Toyokatsu Okamoto; Sumio Wada
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2010-03-28
Also published as: DE69014371D1; US5034871A; EP0390079B1; AU610457B2; EP0390079A2; JPH02254933A; EP0390079A3; AU5224690A; JP2686135B2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung ist auf eine Schaltung zum Zuführen eines konstanten Gleichstroms und spezieller auf eine solche Schaltung gerichtet, die einen Wechselrichter beinhaltet, dessen Ausgangssignal gleichgerichtet wird, um einen Ausgangsgleichstrom zu liefern, und bei der ein Schaltelement so betrieben wird, daß es wiederholt die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters mit verschiedenen Tastverhältnissen auf rückgekoppelte Weise unterbricht, wobei der Gleichstrom überwacht wird, um den Ausgangsgleichstrom auf konstanten Pegel zu erhöhen oder zu verringern.

HINTERGRUNDBILDENDER STAND DER TECHNIK

Bei bekannten Schaltungen zum Zuführen von Gleichstrom mit einem Wechselrichter und einem Gleichrichter, der einen Ausgangsgleichstrom von einem Wechselrichterausgang an eine Last liefert, wird im allgemeinen eine Regelung dazu verwendet, den Ausgangsgleichstrom zu messen, um den Inverter so anzusteuern, daß er der Last einen im wesentlichen konstanten Gleichstrom zuführt. Der Wechselrichter beinhaltet ein Schaltelement oder einen Transistor, der durch eine Steuerung, normalerweise eine PWM-Steuerung so angesteuert wird, daß er die Ausgangsspannung des Wechselrichters mit verschiedenen Tastverhältnissen schaltet, um den Gleichstrom abhängig vom Pegel des gemessenen Gleichstroms zu erhöhen oder zu verringern, um den Ausgangsgleichstrom auf konstantem Pegel zu halten. Für eine Regelung des Ausgangsgleichstroms ist die bekannte Schaltung so beschaffen, daß sie einen Differenzverstärker beinhaltet, der ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Funktion der Differenz zwischen dem gemessenen Gleichstrompegel und einem Schwellenpegel ist. Das Ausgangssignal, bei dem es sich um ein analoges Signal handelt, wird direkt an die PWM-Steuerung rückgekoppelt, um das Schaltelement des Wechselrichters so anzusteuern, daß ein Ausgangsgleichstrom mit konstantem Pegel erzeugt wird. Um ein Überschwingen des Ausgangsgleichstroms zu Beginn des Betreibens der einen Gleichstrom liefernden Schaltung zu verhindern, ist die bekannte Schaltung so aufgebaut, daß sie eine Verzögerungs- oder Sandstart-Schaltung aufweist, die den Betrieb der PWM-Steuerung oder des Wechselrichters für eine begrenzte Zeitspanne direkt nach dem Start der Gleichstrom liefernden Schaltung sperrt. Die Verzögerungsschaltung beinhaltet einen Kondensator, der durch die Bezugseingangsspannung an den Wechselrichter geladen wird und mit der Wechselrichtersteuerung oder der PWM-Steuerung so verbunden ist, daß es der Wechselrichtersteuerung nur dann möglich ist, den Wechselrichter auf Rückkopplungsweise zu betreiben, nachdem der Kondensator auf einen bestimmten Pegel aufgeladen wurde, wodurch der Betrieb des Wechselrichters durch die begrenzte Zeit verzögert wird, die zum Laden des Kondensators erforderlich ist. Obwohl eine solche sich auf einen Kondensator stützende Verzögerungsschaltung beim Start des Betriebs oder beim Aktivieren der Gleichstrom liefernden Schaltung mit Erfolg arbeitet, arbeitet sie nicht richtig oder verhindert ein Überschwingen, wenn die Gleichstrom liefernde Schaltung innerhalb einer kurzen Zeitspanne nach einem Deaktivieren der Schaltung wieder aktiviert wird oder wenn die Last innerhalb einer kurzen Zeitspanne wieder an die Versorgungsschaltung angeschlossen wird, nachdem sie von dieser getrennt war. Dies, da der Kondensator innerhalb einer solchen kurzen Zeitspanne im geladenen Zustand gehalten wird, so daß die Wechselrichtersteuerung immer noch zum Ansteuern des Wechselrichters auf Rückkopplungsweise in sofortigem Ansprechen auf den gemessenen Ausgangsgleichstrom freigegeben oder bereit ist. Da der Ausgangsgleichstrom im genauen Augenblick des Neuaktivierens der Schaltung oder des Neuanschließens einer Batterie mit dem Pegel null gemessen wird, spricht die Regelung übermäßig auf einen solchen Strom vom Pegel null an, um den Wechselrichter in der Richtung zum schnellen Erhöhen des Ausgangsgleichstroms zu betreiben, was demgemäß ein Überschwingen hervorruft. In diesem Überschwingungszustand leidet das Schaltelement des Wechselrichters unter übermäßiger Belastung und kann schließlich zerstört werden, wenn es wiederholte Belastungen erfährt. Daher sollte ein Überschwingen in einer Gleichstrom liefernden Schaltung vermieden werden, um das Schaltelement des Wechselrichters zu schützen und um für zuverlässige Regelung über eine lange Gebrauchszeitspanne zu sorgen.
Eine ähnliche Spannungsversorgungsschaltung ist auch in EP- A-170 944 offenbart.
Die vorstehend genannte Schwierigkeit ist bei der Erfindung beseitigt, die eine einen Konstantstrom liefernde Schaltung mit einer einzigartigen und neuen Regelung schafft. Die Erfindung weist eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter, der aus der Quellengleichspannung eine Wechselspannung erzeugt, und einen Wechselspannung-Gleichspannung-Umrichter auf, der einer Last vom Wechselrichterausgang einen Ausgangsgleichstrom zuführt. Der Wechselrichter beinhaltet ein Schaltelement, das so angesteuert wird, daß es mit sich ändernden Tastverhältnissen ein- und ausgeschaltet wird, um die Gleichspannung wiederholt zu unterbrechen, um eine Wechselspannung mit einem Pegel zu erzeugen, der proportional zum Verhältnis der Ein- zur Ausschaltzeit des Schaltelements ist. Die Wechselspannung vom Wechselrichter wird im Wechselspannung-Gleichspannung-Umrichter gleichgerichtet und geglättet, um einen der Last zuzuführenden Gleichstrom zu erzeugen. Ein Stromsensor ist vorhanden, um den Gleichstrom zu messen, der der Last zugeführt wird. Der gemessene Gleichstrom wird in einem Komparator mit einem vorgegebenen Bezugspegel verglichen, wobei der Komparator ein erstes Ausgangssignal erzeugt, wenn der gemessene Gleichstrom einen Pegel unter dem Bezugspegel aufweist, und ein zweites Ausgangssignal erzeugt, wenn der gemessene Gleichstrom einen Pegel über dem Bezugspegel aufweist. In der Schaltung ist eine Regelungseinrichtung enthalten, die auf das erste und zweite Ausgangssignal anspricht, um ein erstes bzw. zweites Regelsignal zu erzeugen. Das erste Regelsignal ist so beschaffen, daß es ein Zug von Impulsen mit Impulsbreiten ist, die um ein vorgegebenes Inkrement ansteigen, um dadurch das Tastverhältnis so zu erhöhen, daß das Ein-/Aus-Zeitverhältnis des Schaltelements des Wechselrichters zum Einstellen eines allmählichen Anstiegs des Ausgangsgleichstroms auf den Bezugspegel entsprechend erhöht wird. Indessen ist das zweite Regelsignal als Zug von Impulsen mit Impulsbreiten festgelegt, die um ein vorgegebenes Dekrement abnehmen, um dadurch das Tastverhältnis zu verringern, um das Ein-/Aus- Zeitverhältnis des Schaltelements des Wechselrichters zum Einstellen einer allmählichen Abnahme des Ausgangsgleichstroms auf den Bezugspegel entsprechend zu verringern. Demgemäß ist es möglich, das Schaltelement des Wechselrichters so anzusteuern, daß der Pegel des Ausgangsgleichstroms mit verzögertem Ansprechen gegenüber dem gemessenen Ausgangsgleichstrom erhöht und erniedrigt wird, wobei die Verzögerung mit einem Zeitintervall erfolgt, das dazu ausreicht, ein Überschwingen des Ausgangsgleichstroms nicht nur beim Start des Aktivierens der Schaltung sondern auch beim Neuaktivieren der Schaltung oder beim Wiederanschließen der Last an die Schaltung innerhalb eines kurzen Zeitintervalls nach dem Deaktivieren der Schaltung oder nach dem Trennen der Last von der Schaltung zu Vermeiden. Daher ist die erfindungsgemäße Gleichstrom liefernde Schaltung höchst wirkungsvoll beim Verhindern, daß das Schaltelement eine übermäßige Belastung erfährt, wie sie entstehen kann, wenn ein Überschwingen auftritt, was das Schaltelement beschädigen könnte. Da die vorstehend genannte Situation des Neuaktivierens der Schaltung oder des Wiederanschließens der Last an die Schaltung innerhalb einer kurzen Zeitspanne nach dem Deaktivieren der Schaltung oder nach dem Trennen der Last von der Schaltung beim tatsächlichen Gebrauch der Schaltung wahrscheinlich ist, wie im Fall, wenn eine nicht mit der Schaltung vertraute Person versucht, die Schaltung schnell von einer Spannungsquelle zu trennen und mit dieser zu verbinden oder die Last schnell von der Schaltung zu trennen und mit dieser zu verbinden, ist die erfindungsgemäße Regelung zum Schützen des Schaltelements des Wechselrichtes von besonderem Vorteil, und zwar selbst dann, wenn die Schaltung in der vorstehend genannten Situation verwendet wird.
Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine einen konstanten Gleichstrom liefernde Schaltung zu schaffen, die dazu in der Lage ist, ein Überschwingen des Ausgangsgleichstroms zu beseitigen, und die daher das Schaltelement des Wechselrichters selbst dann schützen kann, wenn die Schaltung innerhalb eines kurzen Zeitintervalls nach dem Deaktivieren derselben oder nach dem Abtrennen der Last von der Schaltung neu aktiviert wird oder die Last wieder an die Schaltung angeschlossen wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Steuerungseinrichtung eine Regelungseinrichtung, eine Integrierschaltung und eine PWM-Steuerung auf. Die Regelungseinrichtung erzeugt den Zug erster Regelungsimpulse mit zunehmendem Tastverhältnis sowie den Zug zweiter Regelungsimpulse mit abnehmendem Tastverhältnis, jeweils auf ein erstes bzw. zweites Ausgangssignal vom Komparator hin, d.h. auf den gemessenen Ausgangsgleichstrom hin, der einen Pegel unter dem bzw. über dem Bezugspegel aufweist. Die Integrierschaltung ist vorhanden, um die ersten und zweiten Regelungsimpulse zu einem ersten bzw. zweiten entsprechenden Analogsignal mit ansteigendem bzw. abnehmendem Pegel zu integrieren. Die PWM- Steuerung ist in den Kreis geschaltet, um das erste und zweite Analogsignal zu empfangen und das Schaltelement des Wechselrichters mit veränderlichem Tastverhältnis proportional zum Pegel des ersten und zweiten Analogsignals zu betreiben. Daher kann der Wechselrichter durch geeignetes Auswählen des Inkrements und des Dekrements des Tastverhältnisses für das erste und zweite Regelungssignal auf gewünschte verzögerte Weise eingestellt werden, wobei aber die PWM- Steuerung mit Analogeingang dazu verwendet wird, das Schaltelement des Wechselrichters zu betreiben, was demgemäß eine andere Aufgabe der Erfindung ist.
Die ersten und zweiten Regelungsimpulse sind jeweils so festgelegt, daß sie sich wiederholende Einheiten von Impulsen aufweisen, die für eine vorgegebene Zeitspanne auftreten. Die Breite der Impulse wird so eingestellt, daß sie innerhalb jeder Einheit von Impulsen gleich ist, jedoch ist sie so eingestellt, daß sie stufenweise zunimmt oder abnimmt, wenn die Einheiten wiederholt werden, um das Tastverhältnis der ersten und zweiten Regelungsimpulse auf zunehmende bzw. abnehmende Weise zu verändern. Anders gesagt, werden Impulse mit derselben Breite wiederholt, bevor die Impulsbreite oder das Impulstastverhältnis der ersten und zweiten Regelungsimpulse erhöht oder verringert wird. Daher kann das Ausmaß der Verzögerung beim Steuern des Wechselrichters auf Grundlage des gemessenen Ausgangsgleichstroms leicht dadurch gewählt werden, daß die Zeitperiode geeignet gewählt wird, in der Impulse mit derselben Breite wiederholt werden, was demgemäß eine weitere Aufgabe der Erfindung ist.
Bei einer bevorzugten Regelung gibt die Regelungseinrichtung einen Zug der ersten Regelungsimpulse aus, in dem Impulse derselben Breite für eine erste Zeitperiode wiederholt werden, bis der Ausgangsgleichstrom den Bezugspegel erreicht.
Wenn der Ausgangsgleichstrom einmal den Bezugspegel überschreitet, gibt die Regelungseinrichtung einen Zug der zweiten Regelungsimpulse aus, in dem Impulse mit derselben Breite für eine verkürzte zweite Zeitspanne wiederholt werden, um dadurch eine solche Einstellung vorzunehmen, daß der Ausgangsgleichstrom relativ schnell auf den Bezugspegel ansteigt und abnimmt, um den Ausgangsgleichstrom im wesentlichen auf konstantem Pegel zu halten, während die Welligkeit des Ausgangsstroms auf ein Minimum reduziert wird.
Es ist daher noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine einen konstanten Gleichstrom liefernde Schaltung zu schaffen, die die Regelungsempfindlichkeit erhöhen kann, wenn der Ausgangsgleichstrom einmal den Bezugspegel erreicht hat, um den Ausgangsgleichstrom stabil mit verringerter Welligkeit auf dem Bezugspegel zu halten.
Diese und noch andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Batterieladeschaltung, die die Erfindung realisiert;
Fig. 2, die aus Fig. 2A bis 2D besteht, ist ein Signalverlaufdiagramm, das Signalverläufe an verschiedenen Punkten in der Schaltung veranschaulicht;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm eines Signalverlaufs, der einen Zug von Regelungsimpulsen veranschaulicht, die von einer Regelungseinrichtung der Schaltung ausgegeben werden;
Fig. 4A ist ein Diagramm, das einen Ladestrom veranschaulicht, der gemäß der Erfindung eingestellt wird;
Fig. 4B ist ein Diagramm ähnlich dem von Fig. 4A, veranschaulicht jedoch einen Ladestrom beim Fehlen der Regelung gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Schaltbild eines Komparators, wie er in der vorstehenden Schaltung verwendet wird;
Fig. 7 ist ein Schaltbild eines anderen Komparators, der in einer erfindungsgemäßen Schaltung verwendet werden kann; und
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb einer Modifizierung des vorstehenden Ausführungsbeispiels veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Batterieladeschaltung dargestellt ist, die eine einen konstanten Gleichstrom liefernde Schaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung realisiert. Die Batterieladeschaltung ist so aufgebaut, daß sie aus einer handelsüblichen Wechselstromquelle AC einen Ausgangsgleichstrom zum Laden einer Batterie B erzeugt, die in eine Batteriepackung 10 eingeschlossen ist, die von einem (nicht dargestellten) Ladegerät weggenommen werden kann, das die Ladeschaltung beinhaltet. Die Ladeschaltung weist einen Gleichrichter 20, einen Wechselrichter 30 und einen Gleichrichter 50 auf, der der Batterie B einen Ladestrom zuführt. Die Wechselspannung der Quelle AC wird über ein Leitungsfilter 21 an den Gleichrichter 20 geliefert, wo sie gleichgerichtet wird, um dem Wechselrichter 30 eine Gleichspannung zuzuführen. Der Wechselrichter 30 weist einen Transformator 40 mit einer Primärwicklung 41 und drei Sekundärwicklungen 42, 43 und 44 auf, die unabhängige Spannungsquellen darstellen. Auch ist im Wechselrichter 30 ein Schaltelement 31, das ein MOSFET ist, in Reihe mit der Primärwicklung 41 geschaltet, um die Gleichspannung vom Gleichrichter 20 wiederholt zu unterbrechen, um entsprechende Wechselspannungen an den einzelnen Sekundärwicklungen 42, 43 und 44 zu erzeugen. Die von der Sekundärwicklung 43 ausgegebene Wechselspannung wird dem Gleichrichter 50 zugeführt, wo sie gleichgerichtet und durch eine Schaltung aus Dioden 51, 52, einer Drossel 53 und einem Kondensator 54 geglättet wird, um den Gleichstrom oder Ladestrom zum Laden der Batterie B zu liefern.
Der Schalttransistor (MOSFET) 31 ist mit seinem Gate an eine PWM(Impulsbreitenmodulation)-Steuerung 60 angeschlossen, so daß er von dieser so betrieben wird, daß er mit veränderlichem Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet wird, um entsprechend den sich ergebenden Ladestrom zu erhöhen und zu erniedrigen. Zu diesem Zweck erzeugt die PWM-Steuerung 60 ein Steuersignal mit einem Zug von Impulsen, deren Breite sich abhängig vom Pegel eines Analogsignals ändert, das in die PWM-Steuerung 60 eingegeben wird und das Tastverhältnis oder das Ein-/Aus-Zeitverhältnis des MOSFETs 31 festlegt. Die PWM-Steuerung 60 wird von einer Hilfsspannungsquelle 70 mit Spannung versorgt, die ihrerseits die Spannung erhält, die an der Sekundärwicklung 42 entsteht.
Eine Sanftstart-Schaltung 73 aus einem Kondensator 71 und einem Widerstand 72 ist an einen Steueranschluß der PWM- Steuerung 60 angeschlossen, damit die PWM-Steuerung 60 einen Zug von Steuerimpulsen erzeugt, deren Breite allmählich von null zu einem Zielwert ansteigt, der durch den Pegel des Eingangssignals festgelegt wird, wenn der Kondensator 71 durch die Quelle 70 bis auf einen vorgegebenen Pegel aufgeladen wird, wodurch der MOSFET 31 beim Start der Aktivierung der Ladeschaltung oder beim Anschließen der Schaltung an die Wechselspannungsguelle AC verzögert betrieben wird. Wenn der Kondensator 71 einmal aufgeladen ist, spricht die PWM-Steuerung 61 vollständig auf das Eingangssignal an, um einen Zug von Impulsen zu erzeugen, deren Breite exakt mit dem Pegel des Eingangssignals übereinstimmt. Wie es später erörtert wird, ist die vorstehende Sanftstart-Schaltung 73 für die Erfindung nicht wesentlich und kann weggelassen werden, ohne daß wesentliche Nachteile entstehen.
Die restliche Sekundärwicklung 44 ist mit einem zusätzlichen Gleichrichter 80 verbunden, der eine konstante Gleichspannung V&sub0; zum Betreiben eines Komparators 100, einer Regelungseinrichtung 110, eines Batteriepackung-Sensors 120 und eines Ende-des-Ladevorgangs-Detektors 130 ausgibt. Ein Stromsensor 90 ist in den Ladestrompfad vom Gleichrichter 50 zur Batterie B eingefügt, um dort den Spannungsabfall zu messen, wie er für den Pegel des Ladestroms repräsentativ ist, der der Batterie B zugeführt wird. Die gemessene Spannung Vs wird im Komparator 100 mit einer Bezugsspannung Vref verglichen, die einem vorgegebenen Strompegel Iref entspricht. Auf das Ergebnis im Komparator 100 hin, gibt die Regelungseinrichtung 110 ein Regelungssignal in Form eines Impulszugs aus, das in ein entsprechendes Analogsignal umgesetzt wird, und an die PWM-Steuerung 60 rückgekoppelt wird, um den Wechselrichter 130 so zu betreiben, daß der Ladestrom auf dem konstantem Pegel Iref gehalten wird, wie er durch die Bezugsspannung Vref vorgegeben wird.
Der Packungssensor 120 ist vorhanden, um ein Freigabesignal auszugeben, wenn eine Batteriepackung 10 am Ladegerät befestigt ist, d.h., wenn sie mit der Ladeschaltung verbunden ist, und um ein Sperrsignal auszugeben, wenn die Batteriepackung 10, wenn die Batteriepackung 10 vom Ladegerät weggenommen wird, d.h. von der Schaltung abgetrennt wird. Die Regelungseinrichtung 110 spricht jeweils auf das Freigabesignal bzw. das Sperrsignal vom Packungssensor 120 an, um direkt die Ausgabe des Regelungssignals zu beenden bzw. um die Erzeugung des Regelungssignals freizugeben.
Der Ende-des-Ladevorgangs-Detektor 130 beinhaltet einen Temperatursensor 131, der in der Nähe der Batterie B angeordnet ist, um die Temperatur der Batterie B zu messen, die geladen wird. Die gemessene Temperatur wird verarbeitet, um den Temperaturgradienten zu ermitteln, der den Ladezustand der Batterie B gut anzeigt. Wenn sich herausstellt, daß der Temperaturgradient ausreichend klein dafür ist, daß er ein vollständiges Laden der Batterie B anzeigt, liefert der Ende- des-Ladevorgangs-Detektor 130 ein solches Ausgangssignal, daß die Regelungseinrichtung 110 so arbeitet, daß sie einen Ladestrom vom Pegel 0 oder einen Pufferladepegel ausgibt. Andernfalls sieht der Ende-des-Ladevorgangs-Detektor 130 die Batterie B als noch nicht vollständig geladen an und liefert ein solches Ausgangssignal, daß die Regelungseinrichtung 110 in einem Normalmodus arbeitet, in dem der Ladestrom geregelt wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verfügt der Komparator 110 über zwei Bezugsspannungen Vref für den Vergleich mit der Spannung, die dem gemessenen Ladestrompegel entspricht, wobei der erste Bezugswert gewählt wird, bis festgestellt wird, daß die Batterie B vollständig geladen ist, und wobei der zweite Bezugswert als kleinerer Wert als der erste Bezugswert definiert ist und er dann ausgewählt wird, wenn einmal festgestellt wurde, daß die Batterie B vollständig geladen ist. Zu diesem Zweck ist der Komparator 100 so aufgebaut, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, daß er einen Differenzverstärker 101 aufweist, mit einem inverten Eingang, der mit dem Stromsensor 90 verbunden ist, und einem nicht invertierten Eingang, der mit einem Spannungsteilernetzwerk verbunden ist, das aus Widerständen 102, 103 und 104 besteht. Ein Transistor 105 ist in Reihe züm Widerstand 104 über den Widerstand 103 eingesetzt und er ist mit dem Ende-des-Ladevorgangs-Detektor 130 so verbunden, daß er ansprechend auf dessen Ausgangssignal leitend wird, das anzeigt, daß die Batterie B vollständig geladen ist, um den zweiten Bezugswert, der durch die Widerstände 102, 103 und 104 bestimmt wird, zum Vergleich mit dem zweiten Ladestrompegel, oder die entsprechende Spannung, zu ergeben. Andernfalls, oder bis die Batterie B vollständig geladen ist, wird der Transistor 105 nichtleitend gehalten, um den ersten Bezugswert auszugeben, der durch die Widerstände 102 und 103 bestimmt wird.
Wie in den Fig. 2A und 3 dargestellt, ist das von der Regelungseinrichtung 110 ausgegebene Regelungssignal als Zug rechteckiger Impulse mit veränderlicher Breite festgelegt, der anschließend in ein entsprechendes Analogsignal mit sich änderndem Pegel umgesetzt wird, das vom zusätzlichen Gleichrichter 80 her durch eine Photodiode 140 fließt. Die Photodiode 140 ist optisch mit einem Photodetektor 61 auf der Seite der PWM-Steuerung 60 gekoppelt, um ein zugehöriges Analogsignal zu erzeugen, das durch den Photodetektor 61 zum Steuereingang der PWM-Steuerung 60 fließt, um dadurch den MOSFET 31 so zu betreiben, daß er mit veränderlichem Tastverhältnis schaltet, um den der Batterie B zugeführten Ladestrom einzustellen. Um die Regelungsimpulse in ein Analogsignal umzusetzen, ist eine Integrierschaltung 150 vorhanden, die folgendes aufweist: einen Kondensator 151, der zwischen eine Reihenkombination aus der Photodiode 140 und einem Widerstand 152 geschaltet ist; und einen Widerstand 153, der in Reihe mit einem Transistor 111 und der Parallelkombination aus dem Kondensator 151 sowie der Photodiode 140 und dem Widerstand 152 geschaltet ist. Der Transistor 111 wird durch die Regelungsimpulse von der Regelungseinrichtung 110 geschaltet, wodurch die Regelungsimpulse integriert werden, um an einem im Schaltbild von Fig. 1 dargestellten Punkt eine Spannung V&sub1; zu erzeugen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Transistor 111 beim Pegel L leitend und er sperrt beim Pegel H des Regelungsimpulses. Daher ist, wie dies in Fig. 2A gekennzeichnet ist, die Breite des Regelungsimpulses als die Dauer der Ausgabe des Pegels L oder die Einschaltdauer des Transistors 111 definiert. Wie in den Fig. 2A bis 2D erkennbar, steigt die Einschaltbreite der Regelungsimpulse an, wenn die Spannung V&sub1; entsprechend abnimmt. Da der Strom IPH, der durch die Photodiode 140 fließt direkt proportional zur Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung V&sub0; des zusätzlichen Gleichrichters 80 und der Spannung V&sub1; ist, steigt der durch die Photodiode 140 fließende Strom oder der von dieser ausgegebene Analogsignalpegel an, wenn die Spannung V&sub1; auf die ansteigende Impulsbreite hin abnimmt, wodurch das durch den Photodetektor 60 zum Steuereingang der PWM-Steuerung 60 fließende Analogsignal entsprechend ansteigt, was demgemäß das Tastverhältnis des MOSFETs 31 erhöht und dadurch den Ladestrom an die Batterie B erhöht.
Die Regelungseinrichtung 110 wird durch einen Mikrocomputer gebildet, um den vorstehend genannten Zug von Regelungsimpulsen zu erzeugen, der, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wiederholte Einheiten von Impulsen aufweist. Jede Einheit beinhaltet eine Anzahl von Impulsen derselben Breite, die mit einem festgelegten Zeitzyklus td (z.B. 512 us) für eine vorgegebene Zeitdauer Tstep (z.B. 62 ms) auftreten. Die Impulsbreite wird so eingestellt, daß sie sich auf das Ausgangssignal des Komparators 100 hin mit einem Inkrement oder Dekrement von 1/255 x td ändert. D.h., daß die Regelungseinrichtung 110 dann, wenn im Komparator 110 festgestellt wird, daß der Ladestrompegel kleiner als der Bezugspegel ist (d.h. Vs < Vref), so anspricht, daß sie die Impulsbreite mit einem Inkrement von 1/255 x td in der Richtung eines ansteigenden Ladestroms erhöht. Wenn sich dagegen herausstellt, daß der Ladestrom größer als der Bezugspegel ist (d.h. Vs > Vref), spricht die Regelungseinrichtung 110 so an, daß sie die Impulsbreite mit einem Dekrement von 1/255 x td in der Richtung der Abnahme des Ladestroms verringert. Es wird hierbei darauf hingewiesen, daß die Impulse gleicher Breite für eine festgelegt Zeitdauer Tstep wiederholt werden, so daß die Impulsbreite nicht inkrementiert oder dekrementiert wird, solange die Pulse für die vollständige Periode Tstep wiederholt werden.
Vor dem Erörtern des Betriebs der Ladeschaltung wird darauf hingewiesen, daß die PWM-Steuerung 60 so beschaffen ist, daß sie den MOSFET 31 mit einem solchen minimalen Tastverhältnis betreibt, wie es erforderlich ist, um überhaupt am zusätzlichen Gleichrichter 80 eine stabilisierte Ausgangsspannung V&sub0; (d.h. 5 V) zu erzeugen, wenn kein Strom durch den Photodetektor 61 zum Steuereingang der PWM-Steuerung 60 fließt. Im Betrieb wird die Regelungseinrichtung 110 während einer kurzen Zeitperiode direkt nach dem Verbinden der Wechselspannungsquelle AC mit der Ladeschaltung oder nach der Aktivierung hierdurch, deaktiviert gehalten, um kein aktives an die PWM-Steuerung 60 rückgekoppeltes Regelsignal zu erzeugen, bis der zusätzliche Gleichrichter 80 stabilisiert ist, um die konstante Spannung V&sub0; zu liefern. D.h., daß der Transistor 110 nichtleitend gehalten wird, damit kein Strom durch den Photodetektor 140 fließt, um dadurch kein wesentliches Regelungssignal für die PWM-Steuerung 60 zu erzeugen. Wenn der zusatzliche Gleichrichter 80 einmal die stabilisierte Spannung V&sub0; liefert, ist die Regelungseinrichtung 110 dazu bereit, eine Regelschleife zu starten, wie im Flußdiagramm von Fig. 5 veranschaulicht, während gleichzeitig der Komparator 100, der Packungssensor 120 und der Ende-des-Ladevorgangs-Detektor 130 aktiv werden. Im ersten Schritt stellt die Regelungseinrichtung 110 das Tastverhältnis D oder die Impulsbreite des Regelungsimpulses auf 0 (D = 0) und erzeugt für eine Zeitperiode Tstep (= 62 ms) einen Zug von Regelungsimpulsen mit dem Tastverhältnis 0, und sie erhöht das Tastverhältnis D mit einem Inkrement von 1/255 x td, um den Ladestrom allmählich zu erhöhen. Diese Routine wird solange wiederholt, bis die Batteriepackung 10 befestigt ist und bis der gemessene Ladestrompegel oder die entsprechende Spannung Vs die Bezugsspannung Vref (Vs > Vref) übersteigt. Wenn die Batteriepackung 10 abgenommen wird, wird die Regelungseinrichtung 110 so rückgesetzt, daß sie die Routine mit dem Tastverhältnis D = 0 neu startet. Wenn der gemessene Ladestrompegel, d.h. die entsprechende Spannung Vs in der obigen Schleife die Bezugsspannung Vref überschreitet, spricht die Regelungseinrichtung 110 so an, daß sie das Tastverhältnis D oder die Impulsbreite mit dem Dekrement 1/255 x td in der Richtung zum Verringern des Ladestroms verringert, nachdem eine Wiederholung erfolgte, um Impulse mit dem vorigen Impulsverhältnis D für die festgelegte Zeitperiode Tstep zu liefern. Auf diese Weise kann der Ladestrom so eingestellt werden, daß er einen im wesentlichen festgelegten Pegel aufweist, der durch die Bezugsspannung Vref festgelegt wird, wenn eine Wiederholung zum Erhöhen und Verringern auf den Bezugspegel mit einem Ausmaß erfolgt, das einer Impulsbreite von 1/255 x td entspricht, wie in einem Teilbereich A in Fig. 4A veranschaulicht. Es wird hierbei darauf hingewiesen, daß, da die Regelungseinrichtung 110 für eine kurze Zeit direkt nach dem Aktivierungsstart der Ladeschaltung kein Regelungssignal an die PWM-Steuerung 60 ausgibt, und da das Tastverhältnis D ausgehend von null stufenförmig durch Wiederholen des Erzeugens einer Anzahl von Impulsen mit kleiner Impulsbreite auf einen optimalen Wert erhöht wird, der Ladestrom allmählich auf den Bezugspegel oder mit derart verzögerter Weise erhöht werden kann, daß ein Überschwingen des Ladestroms oder das Erzeugen eines zeitweiligen übermäßig großen Ladestroms bei übermäßigem Ansprechen auf den gemessenen Ladestrom vermieden werden kann, um dadurch-mit dieser Anordnung das Hervorrufen eines Sanftstart-Betriebs zu ermöglichen. In diesem Sinn kann die Sanftstart-Schaltung 73 auf der Seite der PWM-Steuerung 60 in der erfindungsgemäßen Schaltung weggelassen werden, ohne daß irgendein unerwünschtes Problem hervorgerufen wird. Fig. 4B ist dargestellt, um einen Ladestrom zu veranschaulichen, wie er von einer Schaltung erzeugt wird, die weder die Sanftstart-Schaltung 73 noch die vorstehend genannte Regelungsanordnung enthält, und zwar für einfachen Vergleich mit Fig. 4A, die die Charakteristik des Ladestroms veranschaulicht, wie er von der erfindungsgemäßen Ladeschaltung erzeugt wird. Aus einem Vergleich zwischen den Fig. 4A und 4B ist leicht erkennbar, daß der in der erfindungsgemäßen Schaltung erzeugte Ladestrom (Fig. 4A) eher allmählich zum Bezugspegel Iref ansteigt, ohne daß irgendein merkliches Überschwingen hervorgerufen wird, wie es in Fig. 4B zu Beginn des Lieferns des Ladestroms erkennbar ist.
Es wird auch darauf hingewiesen, daß selbst dann, wenn der Ladestrom den Bezugspegel erreicht, die Regelungseinrichtung 110 die Impulsbreite wiederholt schrittweise um 1/255 x td erhöht oder verringert, um dadurch den Pegel des in die PWM- Steuerung 60 eingegebenen Analogsignals kontinuierlich zu verändern, und um dadurch konstant das Einschaltverhältnis des MOSFETs 31 zu verändern. Obwohl die Änderung des Einschaltverhältnisses des MOSFETs 31 des Wechselrichters 30 in einem begrenzten Bereich liegt, kann sie sicher zu einer Streuung der Schaltfrequenz des MOSFETs 31 in einem begrenzten Frequenzbereich führen, um dadurch Frequenzstörsignale eher in weißes Rauschen zu überführen, das verringerte Peakwerte aufweist, was es erleichtert, das Rückstreuen von am MOSFET 31 auftretenden Frequenzstörsignalen zur Wechselspannungsquelle AC zu unterdrücken.
Wenn die Batteriepackung 10 von der Ladeeinrichtung weggenommen oder von der Ladeschaltung abgetrennt wird, spricht die Regelungseinrichtung 110 auf das Ausgangssignal des Pakkungssensors 120 so an, daß sie unmittelbar deaktiviert wird, wobei sie im wesentlichen keinen Regelungsimpuls liefert, um dadurch das Erzeugen eines Ladestroms für die Batterie B anzuhalten. Wenn die Batteriepackung 10 erneut am Ladegerät befestigt wird, spricht die Regelungseinrichtung 110 so darauf an, daß sie die Impulsbreite oder das Impulstastverhältnis D erneut schrittweise auf solche Weise von null auf den Zielwert erhöht, daß der Ladestrom allmählich auf den Bezugspegel Iref erhöht wird. Demgemäß erfährt der Ladestrom selbst dann, wenn die Batteriepackung 10 direkt nach dem Abnehmen vom Ladegerät befestigt wird, wie es bei tatsächlicher Verwendung des Ladegeräts wahrscheinlich ist, kein Überschwingen wie aus Fig. 4A erkennbar, was im Gegensatz zu Fig. 4B steht, wo ein Überschwingen als Folge des Wechselrichterbetriebs zum Erhöhen des Ladestroms in schnellem Ansprechen auf das Regelungssignal unvermeidbar ist, wobei der bekannten Ladeschaltung die einzigartige Regelung gemäß der Erfindung fehlt. Dies ist insbesondere beim Schützen des MOSFETs 31 vor übermäßiger Belastung von Vorteil, wie sie beim Überschwingen auftreten kann und wie sie schließlich den MOSFET 31 zerstört. Ferner besteht, da ein Überschwingen in der erfindungsgemäßen Schaltung gut vermieden werden kann, keine Möglichkeit, daß sich die überschwingende Spannung vervielfacht, was andernfalls aufgrund einer Rückwärtsspannung der Fall wäre, wie sie am Transformator 40 entsteht, wenn die Batteriepackung 10 gerade im Augenblick des Überschwingens weggenommen wird, was über den Source- Drain-Pfad des MOSFETs 31 wirken würde, wodurch der MOSFET 31 vor Beschädigung geschützt wird.
Fig. 7 veranschaulicht einen Komparator 100A mit modifiziertem Aufbau, der anstelle des Komparators 100 des vorstehenden Ausführungsbeispiels verwendet werden kann. Der modifizierte Komparator 100A ist so beschaffen, daß er verhindert, daß die Schaltung der Batterie einen übermäßigen Ladestrom zuführt, was aufgrund eines möglichen Störsignals oder anderer Umweltfaktoren der Fall sein könnte. Zu diesem Zweck beinhaltet der Komparator 100A zusätzlich zur ersten Bezugsspannung Vref1 zum Einstellen des Ladestroms eine zweite Bezugsspannung Vref2, die höher als Vref1 ist, um einen übermäßig hohen Strom zu erkennen. In der Schaltung beinhaltet der Komparator 100A ein Paar Differenzverstärker 101A und 106A, die mit ihren jeweiligen invertierten Eingängen mit einem Widerstandsnetzwerk 102A und 103A bzw. einem Widerstandsnetzwerk 107A und 108A verbunden sind, um die Bezugsspannungen Vref1 bzw. Vref2 festzulegen. Die anderen Eingänge der einzelnen Verstärker 101A und 106A sind gemeinsam angeschlossen, um das Ausgangssignal des Stromsensors 90 zu empfangen, damit dann, wenn ein Überstromzustand mit einer Eingangsspannung größer als Vref2 gemessen wird, der Verstärker 106A ein Rücksetzsignal für die Regelungseinrichtung 110 erzeugt, um das Erzeugen des Regelungssignals direkt anzuhalten und eine Erhöhung der Impulsbreite ausgehend von null auf einen Zielwert neu zu starten, der dem gewünschten konstanten Pegel des Ladestroms entspricht, wie durch Vref1 festgelegt.
Im Flußdiagramm von Fig. 8 ist eine Modifizierung des vorstehenden Ausführungsbeispiels erkennbar, die dadurch gekennzeichnet ist, daß dann, wenn der gemessene Ladestrom einmal den Bezugspegel erreicht hat (Vs > Vref), die Regelungseinrichtung so reagiert, daß sie die Zeitperiode von Tstep auf Tstep2 verkürzt, in welchen beiden Perioden Regelungsimpulse derselben Breite wiederholt werden. Andere Betriebsabläufe sind mit denen des vorstehenden Ausführungsbeispiels, wie durch Fig. 5 veranschaulicht, identisch. Beim Messen eines Ladestroms, der den Bezugspegel überschreitet (VS > Vref) wird das Impulstastverhältnis D (die Impulsbreite) um ein Dekrement 1/255 x td verringert, damit Regelungsimpulse mit so dekrementiertem Tastverhältnis für die verkürzte Zeitspanne Tstep2 wiederholt werden. Danach werden die Regelungsimpulse so eingestellt, daß sie für diese verkürzte Zeitperiode Tstep2 wiederholt werden, um die Ansprecheinpfindlichkeit zu erhöhen. Auch in dieser Schleife wird der Ladestrom oder die entsprechende Spannung Vs dauernd mit dem Bezugspegel Vref verglichen, um die Impulsbreite um 1/255 x td zu erhöhen oder zu erniedrigen, um den Ladestrompegel im wesentlichen auf dem Bezugspegel zu halten. Auf diese Weise ist es möglich, die Ansprechempfindlichkeit der Ladeschaltung zu erhöhen, nachdem der Ladestrom auf den Bezugspegel erhöht ist, um dadurch eine Stabilisierung zu erzielen, bei der ein konstanter Ladestrom mit verringerter Welligkeit erzeugt wird. Die verringerte Welligkeit des Ausgangsladestroms ist bevorzugt, um die Größe eines Kondensators zu verringern, wie er in der Ausgangsschaltung verwendet wird.

Claims

1. Schaltung zur Zuführung eines konstanten Gleichstroms an eine Last, umfassend:

eine Gleichspannungsquelle (20),

einen Wechselrichter (30) mit einer Schalteinrichtung (31), die so gesteuert ist, daß sie ein- und ausschaltet und dadurch die Gleichspannung wiederholt unterbricht, um eine Wechselspannung zu erzeugen,

einen Gleichrichter (50), der die Wechselspannung gleichrichtet und glättet, um einen der Last (10) zuzuführenden Gleichstrom zu erzeugen,

eine Strommeßeinrichtung (90) zur Messung des der Last (10) zugeführten Gleichstroms, und

eine Vergleichereinrichtung (100) zum Vergleichen des Pegels des gemessenen Gleichstroms mit einem vorgegebenen Bezugspegel, um ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn der Pegel des gemessenen Gleichstroms unter dem Bezugspegel liegt, und ein zweites Ausgangssignal, wenn der Pegel des gemessenen Gleichstroms den Bezugspegel überschreitet,

gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (110, 150, 60), die in Abhängigkeit von dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal ein erstes bzw. ein zweites Rückkopplungs-Steuersignal erzeugt, wobei das erste Rückkopplungs-Steuersignal eine Folge von Impulsen ist, deren Breite in einem vorgegebenen Maß zunimmt, so daß das Tastverhältnis und dementsprechend das Ein/Aus-Verhältnis der Schalteinrichtung (31) steigen, um den Gleichstrom allmählich zu erhöhen, und wobei das zweite Ruckkopplungs-Steuersignal eine Folge von Impulsen ist, deren Breite in einem vorbestimmten Maß abnimmt, so daß das Tastverhältnis und dementsprechend das Ein/Aus-Verhältnis der Schalteinrichtung sinken, um den Gleichstrom allmählich zu verringern.

2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei

die Steuereinrichtung einen Rückkopplungsregler (110), einen Integrierkreis (150) und eine pulsbreitenmodulierten Regler (60) enthält,

wobei der Rückkopplungsregler (110) die Folge von ersten Rückkopplungs-Steuerimpulsen mit steigendem Tastverhältnis in Abhängigkeit von dem ersten Ausgangssignal der Vergleichereinrichtung (100) und die Folge von zweiten Rückkopplungs- Steuerimpulsen mit sinkendem Tastverhältnis entsprechend dem zweiten Ausgangssignal der Vergleichereinrichtung (100) erzeugt,

wobei der Integrierkreis (150) die ersten bzw. die zweiten Rückkopplungs-Steuerimpulse zu einem entsprechenden ersten Analogsignal mit steigendem Pegel bzw. einem entsprechenden zweiten Analogsignal mit sinkendem Pegel integriert, und

wobei der pulsbreitenmodulierte Regler (60) so geschaltet ist, daß er das erste bzw. das zweite Analogsignal erhält und die Schalteinrichtung (31) mit veränderlichem Tastverhältnis als Funktion des Pegels des ersten bzw. des zweiten Analogsignals ansteuert.

3. Schaltung nach Anspruch 2, wobei die ersten bzw. die zweiten Rückkopplungs-Steuerimpulse jeweils sich wiederholende Einheiten von über eine vorgegebene Zeitspanne (Tstep) auftretenden Impulsen umfaßt, deren Breite innerhalb jeder Einheit gleich ist, jedoch in sich wiederholenden Einheiten zu- bzw. abnimmt, um das Tastverhältnis der ersten bzw der zweiten Rückkopplungs-Steuerimpulse in Richtung einer Zu- bzw. Abnahme des Ausgangsgleichstroms zu ändern.

4. Schaltung nach Anspruch 3, wobei der Rückkopplungsregler (110) eine erste Zeitspanne (Tstep) und eine gegenüber dieser kürzere zweite Zeitspanne (Tstep2) aufweist und so arbeitet, daß er die ersten Rückkopplungs-Steuerimpulse mit den über die erste Zeitspanne (Tstep) sich wiederholenden Impulseinheiten erzeugt, bis der Gleichstrom den Bezugspegel erreicht, und die ersten und die zweiten Rückkopplungs-Steuerimpulse mit den über die verkürzte zweite Zeitspanne (Tstep2) sich wiederholenden Impulseinheiten erzeugt, sobald der Gleichstrom den Bezugspegel überschreitet.