CH650620A5

CH650620A5 - Akkumulatorladegeraet.

Info

Publication number: CH650620A5
Application number: CH553/80A
Authority: CH
Inventors: Otto-H Schmidt; Helmut A Heine
Original assignee: Heine Optotech Kg
Priority date: 1979-01-25
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1985-07-31
Also published as: GB2047025A; GB2047025B; US4327317A; CA1144985A; DE2902894C2; FR2447630A1; DE2902894A1; FR2447630B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Akkumulatorladegerät, bei dem eine Bezugsspannung und die Akkumulatorspannung auf ein Hystereseverhalten aufweisendes Vergleichsglied geführt sind, mit einer dem Akkumulator vorgeschalteten Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Halbleiterschalter, dessen Steueranschluss an den Ausgang des Vergleichsgliedes angeschlossen ist.

Für den medizinischen Bedarf gibt es eine Vielzahl von diagnostischen Handinstrumenten, die zur Ausleuchtung von Körperhöhlen mit Kleinstglühlampen bestückt sind. Als Energiequelle für den Betrieb dieser Lampen haben sich in den letzten Jahren Nickel-Cadmium-Akkumulatoren immer mehr gegenüber Primärbatterien durchgesetzt. Grund hierfür ist, dass sie, bezogen auf ihr Volumen, eine verhältnismässig hohe Kapazität und, wenn sie ständig auf ihre Nennkapazität geladen sind, eine verhältnismässig hohe Lebensdauer haben.

Nun sind die Anforderungen an die Ausleuchtung des Untersuchungsfeldes in jüngster Zeit gestiegen, was den Einsatz von Lampen mit relativ hoher Stromaufnahme bedingt. Durch die grosse Patientenzahl vieler Arztpraxen und Kliniken ergibt sich häufig eine recht hohe Benutzungsfrequenz für ein- und dasselbe Instrument bzw. für einen Akkumulator. Daraus folgt, dass die während einer Untersuchung aus einem Akkumulator entnommene Energie anschliessend in möglichst kurzer Zeit, vorzugsweise bis zur nächstfolgenden Untersuchung, wieder nachgeladen werden sollte.

Nickel-Cadmium-Akkumulatoren werden im allgemeinen mit einem Strom geladen, der einem Zehntel ihrer Kapazität in mAh entspricht, also beispielsweise mit 100 mA bei einem Akkumulator mit 1 Ah. Mit diesem Nennladestrom erreicht ein Akkumulator im allgemeinen nach 14 Stunden seine Nennkapazität. Häufig wird auch eine sogenannte beschleunigte Ladung angewendet, wobei über entsprechend verkürzte Zeit mit dem zwei- bis vierfachen Nennladestrom geladen wird. Bei besonders geeigneten Akkumulatoren lässt sich auch die sogenannte Schneiladung anwenden, bei der der

Ladestrom das Zehnfache des Nennladestroms oder mehr betragen kann.

Nachteilig bei all diesen Lade verfahren, besonders bei der beschleunigten Ladung und natürlich der Schnelladung, ist die Notwendigkeit der zeitlichen Begrenzung der Ladedauer, da die Akkumulatoren stärkere Überladung nicht vertragen. Stand der Technik für die Begrenzung der Ladung ist auch heute noch die Schaltuhr; darüber hinaus gibt es Vorschläge und ausgeführte Geräte, bei denen die Ladedauer mit dem Erreichen bestimmter Werte der vom Ladungszustand abhängigen und messtechnisch erfassbaren Akkumulatorkenngrös-sen, vorzugsweise der Akkumulatorspannung, unterbrochen wird. Diese Geräte arbeiten insoweit grundsätzlich automatisch, als sie die Ladung selbsttätig beenden und gegebenenfalls auf die sogenannte Erhaltungsladung umschalten, die zur Vermeidung der Selbstentladung notwendig ist. Als Steuereinrichtung dient ein Vergleichsglied, dem die Bezugsspannung und die Akkumulatorspannung zugeführt werden, und dessen Ausgang ein Relais oder einen Halbleiterschalter steuert.

Da die Akkumulatorspannung je nach Alter und Qualität des Akkumulators nach dem Abschalten des hohen Ladestroms mehr oder weniger schnell etwas absinkt, würde diese Schaltung ohne weitere Massnahmen wie ein astabiler Multi-vibrator funktionieren. Die bekannten Akkumulatorladegeräte sind daher so ausgebildet, dass nach dem selbsttätigen Umschalten auf Erhaltungsladung der Ladevorgang erneut manuell gestartet werden muss, wenn aus dem geladenen Akkumulator soviel Energie entnommen wurde, dass sie durch die Erhaltungsladung nicht mehr rechtzeitig ersetzt werden kann. Dieses Einschalten des Geräts nach Einlegen eines Akkumulators oder eines mit diesem versehenen Handgriffs wird gerade in Arztpraxen und Kliniken häufig vergessen, bis sich die mangelnde Ladung des Akkumulators durch Ausfall des Geräts bemerkbar macht. Dann ist aber eine sehr lange Zeit notwendig, um den Akkumulator wieder vollständig aufzuladen.

Aus der US-PS 3 659 181 ist bereits ein Akkumulatorladegerät der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei dem das Hystereseverhalten des Vergleichsgliedes dazu dient, zwischen Ein- und Ausschaltung der Schnelladung eine gewisse Spannungsdifferenz vorzusehen, so dass ein allzu häufiges Umschalten zwischen Schnell- und Erhaltungsladung nach Art eines astabilen Multivibrators vermieden ist. Bei dem bekannten Akkumulatorladegerät ist jedoch die Bezugsspannung je nach dem Ladezustand verhältnismässig starken Schwankungen unterworfen, so dass das Arbeitsverhalten des bekannten Geräts verhältnismässig instabil ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein automatisch arbeitendes Akkumulatorladegerät anzugeben, das bei völlig automatischer Betriebsweise bei stabil festgelegter Bezugsspannung arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass dem Vergleichsglied eine niederohmige Bezugsspan-nungsquelle vorgeschaltet ist.

Bei dem erfindungsgemässen Akkumulatorladegerät ist die Bezugsspannung praktisch unabhängig vom Ladezustand des Akkumulators und vom Betriebszustand des Geräts, so dass die Bedienung des Geräts insbesondere bei Benutzung zum Aufladen von in diagnostischen Handinstrumenten vorgesehenen Akkumulatoren keinerlei Aufmerksamkeit des Bedienungspersonals erfordert. Darüber hinaus ist es bei dem erfindungsgemässen Gerät auch möglich, nur wenige oder auch nur einen Akkumulator aufzuladen, während bei dem aus der US-PS 3 659 181 stets mehrere Akkumulatoren gleichzeitig aufgeladen werden müssen.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Bezugsspannungsquelle aus einem Operationsverstärker, des5

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sen Ausgang auf seinen invertierenden Eingang ( — ) und dessen direkter Eingang ( + ) an den Schleifer eines einer Zener-diode parallelgeschalteten Potentiometers geführt ist.

Um das Vergleichsglied zusammen mit der übrigen Schaltung des Ladegeräts möglichst einfach als integrierte Schaltung ausführen zu können, ist es vorzugsweise als positiv rückgekoppelter Operationsverstärker ausgeführt.

In einer praktischen Ausführungsform des Akkumulatorladegeräts ist dieses mit einem oder mehreren Köchern versehen, in die die Akkumulatorhandgriffe eingelegt werden. Zweckentsprechend angeordnete Kontakte in den Köchern und an den Gerätehandgriffen sorgen dafür, dass der Akkumulator ohne weiteres Zutun an die Ausgangsspannung des Ladegeräts angeschlossen wird.

Je höher jedoch der Ladestrom gewählt wird, desto grösser werden die Schwierigkeiten, störende Übergangswiderstände zwischen den Akkumulatorpolen und den Anschlusskontakten des Ladegeräts zu vermeiden. Der Ladestrom erzeugt an allen Übergangswiderständen Spannungsabfälle, die sich zur Akkumulatorspannung addieren und zu einer scheinbar erhöhten Akkumulatorspannung führen. Dadurch kann es vorkommen, dass ein Akkumulator fälschlicherweise als geladen erkannt und die beschleunigte Ladung abgeschaltet wird. Um diese Unvollkommenheit zu vermeiden, ist vorzugsweise in die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers die Basis-Emitter-Strecke eines mit seinem Kollektor an die Ladespannung angeschlossenen Transistors geschaltet. Der Transistor kann durch einen Thyristor ersetzt werden.

Bei dieser Weiterbildung des erfindungsgemässen Ladegeräts wird, da die Ladespannung wie üblich als pulsierende Gleichspannung bereitgestellt wird, der Vergleich zwischen Akkumulator- und Bezugsspannung immer dann ausgeführt, wenn der Ladestrom gleich oder annähernd gleich Null ist, d.h. wenn sich die durch den Ladestrom bedingten Übergangswiderstände nicht bemerkbar machen.

Um eine Kontrolle zu ermöglichen, ob das Gerät überhaupt arbeitet oder in welchem Ladezustand es sich befindet, ist vorzugsweise mit dem Halbleiterschalter und/oder dem zu diesem parallel liegenden Widerstand je eine Leuchtdiode in Reihe geschaltet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer ersten und

Fig. 2 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Akkumulatorladegeräts.

Gemäss Fig. 1 ist an einen Transformator T ein Vierweggleichrichter Gl angeschlossen, an dessen Gleichspannungsseite eine zwischen Null und einem Maximalwert pulsierende Spannung abgegriffen wird. An die Gleichspannungsseite des Gleichrichters Gl ist die Reihenschaltung aus einer Entkopplungsdiode D und einem Kondensator C angeschlossen. An dem Verbindungspunkt zwischen der Entkopplungsdiode D und dem Kondensator C wird eine geglättete Versorgungs-Gleichspannung U + abgegriffen, an die ein Widerstand R1 in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer Zenerdiode ZI und einem Potentiometer P angeschlossen ist. Die Versorgungsspannung U + dient weiter zur Speisung zweier Operationsverstärker VI und V2. Der direkte oder nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers VI ist an den Schleifer des Potentiometers P angeschlossen; seine Ausgangsspannung Ur ist auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt.

Der Ausgang des Operationsverstärkers VI ist weiter über einen Widerstand R2 an den direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 angeschlossen. Sein Ausgang ist über einen Widerstand R3 auf den direkten Eingang rückgekoppelt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers V2

ist an den positiven Pol des zu ladenden Akkumulators B angeschlossen, dessen negativer Pol an der negativen Seite des Vierweggleichrichters Gl liegt. Der positive Pol des Vierweggleichrichters Gl ist über eine Parallelschaltung aus einem 5 Widerstand R5 und einer Leuchtdiode LI und einem hiermit in Reihe geschalteten Thyristor Th an den positiven Pol des zu ladenden Akkumulators B angeschlossen. Hierzu parallel liegt die Reihenschaltung aus einer Leuchtdiode L2 und einem Widerstand R6. Der Ausgang des Operationsverstär-io kers V2 ist über einen Widerstand R4 an den Steueranschluss des Thyristors Th gelegt.

Die Zenerdiode ZI stellt eine stabilisierte Gleichspannung bereit, die mit Hilfe des Potentiometers P innerhalb gewisser Grenzen einstellbar ist. Der Operationsverstärker VI arbeitet 15 als Spannungsfolger mit niedriger Ausgangsimpedanz. An seinem Ausgang kann die mit dem Potentiometer P eingestellte Gleichspannung rückwirkungsfrei abgenommen werden. Dem Operationsverstärker V2 wird an seinem direkten Eingang die Bezugsspannung Ue zugeführt, während die 20 Akkumulatorspannung Ub am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers V2 anliegt. Solange die Akkumulatorspannung Ub kleiner als die Bezugsspannung Ue ist, ist die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 ungefähr gleich U +. Dann erhält der Steueranschluss des Thyri-25 stors Th ein so hohes Potential, dass der Thyristor Th durchschalten und mit jeder Sinushalbwelle über die Parallelschaltung aus der Leuchtdiode LI und dem Widerstand R5 sowie dem Thyristor Th der Ladestrom in den Akkumulator fliessen kann.

30 Der Widerstand R5 ist zur Begrenzung des Stromes durch die Leuchtdiode LI erforderlich.

Für die Spannung, bei der von Schnell- auf Erhaltungsladung umgeschaltet wird, gilt

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Ua + ür

Ue =

R3 R2

1 +

R3 R2

(1)

Für das Verhältnis der Widerstände R2 und R3 ergibt sich « daraus:

R3 R2

Ua - Ue

Ue - Ur

(2)

45 Während der beschleunigten Ladung ist die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 stets grösser als Ur, so dass ein Strom durch die Widerstände R3 und R2 zum Ausgang des Operationsverstärkers VI fliessen kann.

Dadurch ist die Spannung Ue am direkten Eingang des Ope-50 rationsverstärkers V2 höher als die Ausgangsspannung Ur des Operationsverstärkers VI. Sobald die Akkumulatorspannung ebenfalls diese Spannung erreicht, ändert der Operationsverstärker V2 schlagartig seine Ausgangsspannung auf 0 Volt, so dass der Thyristor Th sperrt und die beschleunigte Ladung 55 beendet wird. Über die Leuchtdiode L2 und den Widerstand R2 fliesst nun ein niedriger Ladestrom in den Akkumulator B, der zur Ladungserhaltung dient. In diesem Zustand der Schaltung ist die Ausgangsspannung Ur des Operationsverstärkers VI grösser als die Ausgangsspannung Ua des Opera-60 tionsverstärkers V2, so dass jetzt ein Strom in umgekehrter Richtung durch die Widerstände R2 und R3 fliesst. Die Eingangsspannung Ue am direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 ist dadurch niedriger als die Ausgangsspannung Ur des Operationsverstärkers VI. Die Differenz der verschie-65 denen Spannungen Ue bei beschleunigter und bei Dauerladung ist die Hysteresespannung. Ihr absoluter Wert lässt sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Widerstände R2 und R3 festlegen.

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Wenn der Akkumulator aus der Schaltung entfernt wird, bleibt die Schaltung im gleichen Zustand wie bei der Erhaltungsladung, d.h. die Ausgangsspannung Ua des Operations-Verstärkers V2 ist gleich Null und der Thyristor Th somit gesperrt. Beim Wiedereinsetzen des Akkumulators prüft die Schaltung dann, ob der Akkumulator B ladungsbedürftig ist.

Die Höhe des Ladestroms für beschleunigte Ladung und bei Erhaltungsladung, die im wesentlichen durch den Innenwiderstand des Transformators T bestimmbar ist, wird vorzugsweise so gewählt, dass bei einem Verhältnis von Entlade-dauer zu Ladedauer von etwa 1:5 der Akkumulator B beliebig oft ohne Erschöpfung seiner Kapazität betrieben werden kann, wobei die Entladung jeweils nur einige Minuten dauert. Der Betriebszustand des Ladegeräts und damit der Ladezustand des Akkumulators lässt sich an den Leuchtdioden LI und L2 ablesen.

Je höher der Ladestrom gewählt wird, desto grösser werden die Übergangswiderstände zwischen den Akkumulatorpolen und den Anschlusskontakten des Akkumulatorladegeräts. Da bei einer bevorzugten Ausführung die Nickel-Cadmium-Akkumulatoren in Handgriffen mit nach aussen geführten Kontakten untergebracht sind und diese Handgriffe aus Gründen der einfachen Handhabung zum Aufladen in dafür vorgesehene Ladeköcher mit entsprechenden Verbindungen zur eigentlichen Ladeschaltung eingesetzt werden, ergibt sich eine Vielzahl von Übergangskontakten, die sämtlich mit Übergangswiderständen behaftet sind. Der Ladestrom erzeugt nun an allen Übergangswiderständen Spannungsabfälle, die sich zur Akkumulatorspannung addieren und zu einer scheinbar erhöhten Akkumulatorspannung Ub führen. Dadurch kann es bei der Schaltung der Fig. 1 vorkommen, dass ein Akkumulator fälschlicherweise als geladen erkannt und die beschleunigte Ladung abgeschaltet wird.

Diesem Mangel wird bei der Schaltung der Fig. 2 dadurch abgeholfen, dass in die Rückkopplungsschleife vom Ausgang des Operationsverstärkers V2 und dessen direktem Eingang die Basis-Emitter-Strecke eines mit seinem Kollektor an den positiven Pol des Vierwegegleichrichters Gl angeschlossenen Transistors Tr geschaltet ist. (Diese Schaltung gilt bei dem gezeigten Aufbau für einen npn-Transistor; bei entsprechend geändertem Schaltungsaufbau müsste ein pnp-Transistor analog eingesetzt werden.) Für die Berechnung der Abschaltspannung und des Widerstandsverhältnisses R3/R2 ist bei dieser Ausführungsform in den Nenner der Gleichungen (1) und (2) jeweils noch der Term — UBh für den Spannungsabfall 5 an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tr einzufügen.

Bei der Schaltung der Fig. 2 ist im Zustand der beschleunigten Ladung die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 wiederum ungefähr gleich U +, so dass der Transistor Tr durchgeschaltet ist. Dem direkten Eingang des Ope-lo rationsverstärkers V2 wird damit eine Spannung aufgeprägt, die ebenso wie die Ladegleichspannung pulsiert. Nur wenn die Ladespannung gleich oder annähernd gleich Null ist (dies ist bei einer Netzfrequenz von 50 Hz lOOmal pro Sekunde der Fall), hat die Spannung Ue den durch die Spannung Ur und 15 die Rückkopplung über den Widerstand R3 und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tr festgelegten Bezugswert, mit dem die Akkumulatorspannung verglichen werden soll. Da aber gerade in diesem Augenblick der Ladestrom gleich Null ist, liegt am invertierenden Eingang des Operationsver-20 stärkers V2 die wahre Akkumulatorspannung zum Vergleich an. Durch diese Schaltungsweise wird also erreicht, dass der Akkumulator B unabhängig von Kontakt- und Innenwiderständen beschleunigt auf seine Sollspannung aufgeladen werden kann.

25 Im übrigen enthält die Schaltung der Fig. 2 zur Erhöhung der Stabilität der Bezugsspannung eine weitere Zenerdiode Z2 zur Vorstabilisierung, der noch ein Widerstand R7 vorgeschaltet ist.

Die beiden Operationsverstärker VI und V2 können in 30 einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung in einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis zusammengefasst werden. Bei einer besonderen Ausführungsform des Akkumulatorladegeräts sind zwei Ladeschaltungen für zwei verschiedene Akkumulatorhandgriffe unabhängig voneinander in 35 einem Gehäuse untergebracht. Die Bezugsspannung wird dabei für beide Ladeschaltungen nur einmal erzeugt, so dass insgesamt drei Operationsverstärker benötigt werden, die wiederum in einem einzigen integrierten Schaltkreis zusammengefasst sind. Versorgt werden die Schaltungen von einem Transformator, der zwei getrennte Sekundärwicklungen hat.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Akkumulatorladegerät, bei dem eine Bezugsspannung und die Akkumulatorspannung auf ein Hystereseverhalten aufweisendes Vergleichsglied geführt sind, mit einer dem Akkumulator vorgeschalteten Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Halbleiterschalter, dessen Steueran-schluss an den Ausgang des Vergleichsgliedes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vergleichsglied (V2) eine niederohmige Bezugsspannungsquelle (VI) vorgeschaltet ist.

2. Akkumulatorladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die niederohmige Bezugsspannungsquelle aus einem Operationsverstärker (VI) besteht, dessen Ausgang auf seinen invertierenden Eingang ( — ) und dessen direkter Eingang ( + ) an den Schleifer eines einer Zenerdiode (ZI) parallelgeschalteten Potentiometers (P) geführt ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Akkumulatorladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsglied aus einem positiv rückgekoppelten Operationsverstärker (V2) besteht.

4. Akkumulatorladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers (V2) die Basis-Emitter-Strecke eines mit seinem Kollektor an die Ladespannung angeschlossenen Transistors (Tr) geschaltet ist.

5. Akkumulatorladegerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Halbleiterschalter (Th) und/oder dem Widerstand (R6) je eine Leuchtdiode (LI bzw. L2) in Reihe geschaltet ist.