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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie. Die Vorrichtung soll insbesondere zur Aufladung von Batterien geeignet sein, deren Aufladung spannungsgesteuert abläuft, wie das beispielsweise bei Lithium-Ionen-Batterien oder bei Bleibatterien der Fall ist.
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In der
DE 103 35 018 A1 wird vorgeschlagen, einen Transistor in einem Strompfad von einer Spannungsquelle zu der Batterie anzuordnen und den Steuereingang des Transistors an eine Stromquelle anzuschließen, die einen Steuerstrom für den Transistor derart einstellt, dass der Transistor bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Ladespannung an der Batterie abschaltet und den Ladestromfluss unterbricht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie, mit einem Transistor, durch den ein Ladestrom von einer Spannungsquelle in die an die Vorrichtung angeschlossene Batterie fließt und an dessen Steuereingang eine Stromquelle angeschlossen ist, welche den Steuerstrom für den Transistor so einstellt, dass der Transistor bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Ladespannung an der Batterie abschaltet und damit den Ladestromfluss unterbricht, wobei die Stromquelle den Steuerstrom des Transistors während des Ladens derart einstellt, dass der Transistor außerhalb seiner Sättigung betrieben wird.
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Dadurch ist es im Unterschied zu bekannten Schaltungen nicht erforderlich, ein Bauelement – etwa eine Diode oder einen Widerstand – in einen Strompfad von der Spannungsquelle zur Batterie einzufügen, um die Stromquelle an einem Spannungsabfall über dem Bauteil zu betreiben. Stattdessen reicht eine recht geringe, über Anschlüssen des ungesättigten Transistors abfallende Spannung aus, um die Stromquelle sicher zu betreiben. Durch Vermeiden des im Strompfad der Batterie angeordneten Bauteils wird die Vorrichtung einfacher und robuster; außerdem kann durch eine verringerte Anzahl an Bauteilen eine Kostensenkung bei der Produktion der Vorrichtung erzielt werden.
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Ferner wird ein Spannungsabfall der Vorrichtung entlang des gesamten Strompfades zwischen der Spannungsquelle und der Batterie minimiert, weshalb eine Verlustleistung der Vorrichtung gegenüber bekannten Lösungen verringert sein kann. Eine Erwärmung der Vorrichtung im Betrieb kann also minimiert sein, was insbesondere zum Schutz gegen Unfälle eines Benutzers und zur Vermeidung einer thermischen Belastung der Batterie während des Ladevorgangs vorteilhaft ist. Gegebenenfalls kann die Spannungsquelle um den Betrag des verringerten Spannungsabfalls schwächer dimensioniert werden, wodurch weitere Kosteneinsparungen erzielt werden können.
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Die Stromquelle kann an einer Spannung betrieben werden, die zwischen einer Klemme der Spannungsquelle und einem zur anderen Klemme der Spannungsquelle führenden Anschluss des Transistors anliegt. Der Transistor kann etwa einen Kollektor- und einen Emitter-Anschluss umfassen, wovon einer mit der Batterie und der andere mit einer Klemme der Spannungsquelle verbunden ist. Die Stromquelle kann mit dem mit der Spannungsquelle verbundenen Anschluss des Transistors und mit der anderen Klemme der Spannungsquelle verbunden sein. So passiert der von der Spannungsquelle zur Batterie fließende Strom als einziges Bauelement den Transistor. Vorzugsweise ist der Transistor vom NPN-Typ, sein Kollektor ist mit einer positiven Klemme der Spannungsversorgung und sein Emitter mit einem positiven Anschluss der Batterie verbunden.
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Vorzugsweise umfasst die Stromquelle einen zweiten und einen dritten Transistor, die vom PNP-Typ sind, wobei ein Steuereingang des zweiten Transistors mit einem Emitter des dritten Transistors und ein Steuereingang des dritten Transistors mit einem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist und wobei ein Emitter des dritten Transistors über einen Widerstand mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist. Dadurch kann die Stromquelle derart aufgebaut werden, dass sich an dem Widerstand eine konstante Spannung einstellt, so dass eine Stromstärke der Stromquelle durch eine geeignete Dimensionierung des Widerstandes eingestellt werden kann.
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Vorzugsweise ist an den Steuereingang des ersten Transistors eine Zenerdiode angeschlossen, deren Zenerspannung bei Erreichen der vorgegebenen maximalen Ladespannung an der Batterie überschritten wird, wobei der größte Teil des von der Stromquelle gelieferten Steuerstroms über die Zenerdiode abfließt, so dass der Steuerstrom für den ersten Transistor so klein wird, dass der erste Transistor öffnet und damit den Ladestromfluss unterbricht. Durch diese Auslegung kann eine sehr einfache und zuverlässige Ladeschaltung mit automatischer Abschaltung realisiert werden.
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Es kann eine Ladeende-Schaltung vorgesehen sein, die bei einem sinkenden Basisstrom des ersten Transistors die Stromquelle nach Art einer Mitkopplung derart beeinflusst, dass der von der Stromquelle bereitgestellte Strom weiter sinkt. Durch die Mitkopplung wird eine besonders zuverlässige und gut definierte Abschaltung des Ladestroms am Ende des Ladevorgangs erreicht.
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Es kann eine Anzeigeschaltung vorgesehen sein, die mit einem Signal der Stromquelle verbunden ist. Die Anzeigeschaltung stellt während eines Ladevorgangs der Batterie ein beispielsweise optisches Signal bereit, so dass ein Benutzer der Vorrichtung über ein Fortdauern des Ladevorgangs informiert wird. Die Anzeigeschaltung kann beispielsweise mit dem Steuereingang des dritten Transistors verbunden sein, wodurch eine einfache und sichere Signalisierung erreicht werden kann, ohne eine separat aufgebaute Einrichtung zum Bestimmen des Fließens des Ladestroms zu erfordern, was üblicherweise ein Erzeugen und Bestimmen eines Spannungsabfalls im Strompfad bedingt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung, die eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie in Form einer elektrischen Schaltung zeigt, genauer beschrieben.
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Die in der Zeichnung dargestellte Schaltung 100 zum Aufladen einer Batterie ist beispielsweise zum Einsatz mit einer Batterie eines Handwerkzeugs wie einem Akkuschrauber oder einem ähnlichen Gerät geeignet. Die Schaltung 100 weist zwei Eingangsklemmen 1 und 2, an die eine nicht dargestellte Spannungsquelle, beispielsweise ein Netzteil, anschließbar ist, und zwei Ausgangsklemmen 3 und 4 auf, an die eine aufzuladende Batterie B angeschlossen wird. Die aufzuladende Batterie B ist beispielsweise eine Lithium-Ionen Batterie oder eine Bleibatterie. Die Klemme 3 liegt auf Plus-Potential der Batterie B, und die Klemme 4 liegt auf Masse.
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Die Spannungsquelle weist vorzugsweise einen Innenwiderstand auf, der größer als Null ist. Der Innenwiderstand kann durch die Bauart der Spannungsquelle bedingt sein, beispielsweise kann bei einem Netzteil ein sogenannter „weicher” Transformator mit einer hohen Wicklungszahl mit einem relativ dünnen Wicklungsdraht verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Schaltung zur Strombegrenzung und/oder ein Längswiderstand in der Spannungsquelle vorgesehen werden. Bei einem Netzteil mit einem parallel zum Ausgang des Netzteils angeschlossenen Kondensator, wie er zum Sieben einer im Netzteil gleichgerichteten Sinusspannung verwendet wird, kann sonst unmittelbar nach dem Anschließen der Schaltung 100 an das Netzteil ein sehr hoher Strom fließen, der einen vierten Transistor V3-2 zum Durchschalten bringen kann, so dass, wie unten ausgeführt ist, ein Ladevorgang der Batterie B nicht beginnt.
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Um eine Beschädigung der Schaltung 100 bei verpolt angeschlossener Spannungsquelle zu vermeiden, kann im Bereich einer der Eingangsklemmen 1, 2 eine Längsdiode (nicht dargestellt) vorgesehen sein, durch die der Strom der Schaltung 100 nur in der vorgesehenen Richtung fließen kann.
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Der Transistor V1 ist vom NPN-Typ und als Transistor verschaltet. Der Transistor V1 weist einen Kollektor C auf, der zur positiven Klemme 1 der Spannungsversorgung führt, und einen Emitter E, der zur Batterie B führt. Ferner ist ein Steueranschluss (die Basis) B des Transistors V1 vorgesehen. Ein Spannungsabfall der Schaltung 100 im Ladestrompfad beträgt insgesamt ca. 1,3–1,4 V und setzt sich zusammen aus der Kollektor-Basis-Spannung UCB und der Basis-Emitter-Spannung UBE des Transistors V1. Die zweite Eingangsklemme 2 und die zweite Ausgangsklemme 4 sind jeweils auf Massepotential gelegt.
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Damit der Transistor V1 einen Ladestrom durch die Batterie B fließen lässt, muss sein Steuereingang (die Basis) mit einem ausreichenden Steuerstrom beaufschlagt werden. Dieser Steuerstrom wird durch eine Stromquelle bereitgestellt, die um PNP-Transistoren V4-2 und V3-1 sowie die Widerstände R1 und R4 aufgebaut ist.
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Die Basis des Transistors V4-2 ist mit dem Emitter des Transistors V3-1 verbunden und die Basis des Transistors V3-1 ist mit dem Kollektor des Transistors V4-2 verbunden. Der Emitter des Transistors V3-1 ist über den Widerstand R1 mit dem Emitter des Transistors V4-2 verbunden, wobei der Emitter des Transistors V4-2 mit dem Kollektor C des Transistors V1 und der positiven Klemme 1 der Spannungsversorgung verbunden ist. Von der Basis des Transistors V3-1 bzw. dem Kollektor des Transistors V4-2 führt ein Widerstand R4 an Masse. Der Kollektor des Transistors V3-1 ist an die Basis des Transistors V1 und über eine Zenerdiode V2, der ein Widerstand R2 parallel geschaltet ist, mit Masse verbunden.
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Der Transistor V3-1 wird mit einem Strom angesteuert, der durch den Widerstand R4 fließt. Dadurch öffnet der Transistor V3-1 so weit, dass ein Strom durch den Widerstand R1 fließt und eine Spannung am Widerstand R1 abfällt. Die am Widerstand R1 abfallende Spannung entspricht der Emitter-Basis-Spannung UEB des Transistors V4-2. Der Kollektorstrom des Transistors V4-2 fließt in den Widerstand R4, so dass der Transistor V3-1 einen verminderten Basisstrom erhält und einen geringeren Strom durch den Widerstand R1 fließen lässt. Durch die gegenseitige Steuerung der Transistoren V4-2 und V3-1 stellt sich ein Strom durch den Widerstand ein, der zu einem Spannungsabfall über den Widerstand R1 von typischerweise 0,6 V führt. Der Strom der Stromquelle bestimmt sich also als der Quotient aus 0,6 V und dem Widerstand R1.
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Ist die Summe aus der Batteriespannung und der Basis-Emitter-Spannung UBE des Transistors V1 kleiner als die Zenerspannung der Zenerdiode V2, fließt der von der Stromquelle bereitgestellte Strom fast vollständig in die Basis des Transistors V1 und hält diesen leitend. Nur ein kleiner Teil des Stroms fließt durch den zur Zenerdiode V2 parallel geschalteten Widerstand R2 nach Masse ab. Durch den Strom in die Basis des Transistors V1 kann durch diesen ein Ladestrom für die Batterie B gesteuert werden, der beispielsweise im Bereich von 250 mA für eine Lithium-Ionen-Batterie eines Akkuschraubers liegt. Sobald die Summe der Ladespannung der Batterie B an der Klemme 3 und der Basis-Emitter-Spannung UBE des Transistors V1 einen Wert erreicht hat, welcher der Zenerspannung der Zenerdiode V2 entspricht, fließt der größte Teil des von der Stromquelle gelieferten Steuerstromes über die Zenerdiode V2 nach Masse ab. Das bedeutet, dass der Steuerstrom für den Transistor V1 so klein wird, dass er nicht mehr ausreicht, den Transistor V1 zu schließen. Dann öffnet der Transistor V1 und unterbricht den Ladestrom zur Batterie B.
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Eine Anzeigeschaltung ist um einen PNP-Transistor V4-1, Widerstände R5 und R6 sowie eine Leuchtdiode (LED) V6 aufgebaut. Der Emitter des Transistors V4-1 ist mit dem Kollektor C des Transistors V1 verbunden; der Kollektor des Transistors V4-1 ist über den Widerstand R6 und die Leuchtdiode V6 mit Masse verbunden. Die Basis des Transistors V4-1 ist über den Widerstand R5 mit dem Kollektor des Transistors V4-2 verbunden. Während des Ladens beträgt die Emitter-Kollektor-Spannung UEC des Transistors V4-2, die sich aus der Emitter-Basis-Spannung UEB des Transistors V4-2 und der Emitter-Basis-Spannung UEB des Transistors V3-1 zusammensetzt, etwa 1,2 V. Damit kann durch den Widerstand R5 ein Strom fließen, der ausreicht, um den Transistor V4-1 anzusteuern, so dass ein Strom vom Kollektor C des Transistors V1 durch den Transistor V4-1, den Widerstand R6 und die Leuchtdiode V6 fließt und die Leuchtdiode V6 leuchtetet. Das Leuchten zeigt den laufenden Ladevorgang an.
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Eine Ladeende-Schaltung ist um den PNP-Transistor V3-2, den Widerstand R3 und den Kondensator C1 aufgebaut. Der Kondensator C1 ist einerseits mit der Basis und andererseits mit dem Emitter des Transistors V3-2 verbunden. Von der Basis des Transistors V3-2 führt ein Widerstand R3 zur Basis des Transistors V1. Der Kollektor des Transistors V3-2 ist mit der Basis des Transistors V3-1 und der Emitter des Transistors V3-2 mit der Basis des Transistors V4-2 verbunden. Ist der Transistor V1 wie oben beschrieben angesteuert, verringert sich die Kollektor-Basis-Spannung UCB des Transistors V1, bis der Transistor V3-1 gesättigt ist. Damit bleibt die Spannung über dem Kondensator C1 sehr klein und der Transistor V3-2 bleibt gesperrt, so dass der Ladevorgang fortgesetzt wird.
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Das Ende des Ladevorgangs ist erreicht, sobald die Batteriespannung eine zulässige Ladespannung erreicht. Der von der Stromquelle bereitgestellte Strom muss nun so eingestellt werden, dass die Kollektor-Basis-Spannung des Transistors V1 ansteigt.
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Mit steigender Batteriespannung der Batterie B steigt auch die Spannung an der Zenerdiode V2. Die Zenerdiode V2 weist einen differentiellen Widerstand auf, durch den dann ein vergrößerter Strom fließt. Da der von der Stromquelle gelieferte Strom konstant ist, nimmt folglich der Basisstrom des Transistors V1 ab. Damit steigt auch die Kollektor-Basis-Spannung UCB des Transistors V3-1, so dass der Kondensator C1 über den Widerstand R3 aufgeladen wird. Ist die Spannung über dem Kondensator C1 ausreichend groß, so steuert der Transistor V3-1 durch und schließt die Emitter-Basis-Strecke des Transistors V3-1 kurz. Dadurch vermindert sich der von der Stromquelle bereitgestellte Strom, was zu einem weiteren Anstieg der Kollektor-Basis-Spannung UCB des Transistors V1 führt. Diese Selbstverstärkung entspricht einer Mitkopplung, man spricht auch davon, dass die Schaltung 100 „kippt”. Der Widerstand R2 vermindert die Spannung an der Zenerdiode zusätzlich, so dass die Basis-Emitter-Spannung UBE des Transistor V1 negativ wird. Damit ist die Batterie B über die sperrende Basis-Emitter-Strecke des Transistors V1 von der Spannungsquelle getrennt und der Ladestrom ist unterbrochen.
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Der Transistor V4-2 ist dann gesättigt, so dass der Transistor V4-1 keinen Basisstrom mehr bekommt und nicht mehr durchsteuert, was zur Folge hat, dass die Leuchtdiode V6 erlischt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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