DE2902894C2

DE2902894C2 - Akkumulatorladegerät

Info

Publication number: DE2902894C2
Application number: DE2902894A
Authority: DE
Inventors: Helmut A. Dipl.-Phys. 8036 Herrsching Heine; Otto H. Dipl.-Ing. Schmidt
Original assignee: Heine Optotechnik & Co Kg 8036 Herrsching De GmbH
Current assignee: Heine Optotechnik & Co Kg 8036 Herrsching De GmbH
Priority date: 1979-01-25
Filing date: 1979-01-25
Publication date: 1985-06-13
Also published as: GB2047025A; US4327317A; DE2902894A1; GB2047025B; FR2447630A1; CA1144985A; FR2447630B1; CH650620A5

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Akkumulatorladegerät, bei dem eine Bezugsspannung und die Akkumulatorspannung auf ein Hystereseverhalten aufweisendes Vergleichsglied mit positiver Rückkopplung geführt sind, mit einer dem Akkumulator vorgeschalteten Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Halbleiterschalter, dessen Steueranschluß an den Ausgang des Vergleichsgliedes angeschlossen ist. Ein solches Ladegerät ist aus der US-PS 36 59 181 bekannt.

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 den bekannten Ladeverfahren, besonders bei der beschleunigten Ladung und natürlich der Schnelladung, ist die Notwendigkeit der zeitlichen Begrenzung der Ladedauer, da die Akkumulatoren stärkere Oberladung nicht vertragen. Stand der Technik für die Begrenzung der Ladung ist auch heute noch die Schaltuhr; darüberhinaus gibt es Vorschläge und ausgeführte Geräte, bei denen die Ladedauer mit dem Erreichen bestimmter Werte der vom Ladezustand abhängigen und meßtechnisch erfaßbaren Akkumulatorkenngrößen, 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.

Je höher jedoch bei dem aus der US-PS 36 59 181 bekannten Akkumulatorladegerät 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.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Akkumulatorladegerät so weiter zu entwickeln, daß die Batteriespannung unverfälscht erfaßt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs ! gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Akkumulatorladegerät wird die Batteriespannung nur während der Ladepause erfaßt, also während Zeiten, während deren kein Strom fließt, so daß sich die Übergangswiderstände nicht störend auswirken.

Dabei ist es aus der DE-AS 20 61 055 an sich bekannt, bei einem Ladegerät bei Versorgung mit geglättetem Halbwellenstrom die Batteriespannung in den stromlosen Pausen zu messen. Dieses bekannte Gerät arbeitet jedoch nicht automatisch; nach Anschluß einer Batterie muß zuerst eine Taste betätigt werden, damit die Schaltung prüfen kann, ob die Batteriespannung unter der Einschaltschwelle für die Schnelladung liegt.

Auch ist die Durchbruchspannung eines invers betrie-

benen Transistors in jedem !'all so hoch, ikiU clic bekannte Anordnung sich nicht zum Laden von Akkumulatoren mit nur zwei oder drei Zellen entsprechend einer Batteriespannung von etwa 2,5 bzw. 3,7 V eignet. Auch würde sich bei Ausfall oder Abschalten der Versorgungsspannung die Batterie wieder entladen. Die Bedienung des bekannten Geräts ist daher wegen der notwendigen Aufmerksamkeit problematisch.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Akkumulatorladegeräts sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 5. Durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 werden Schwankungen der Bezugsspannung in Abhängigkeit vom Lade- und vom Betriebszustand des Geräts vermieden, so daß die Bedienung des Geräts insbesondere bei Benutzung zum Aufladen von in diagnostischen Haindinstrumenten vorgesehenen Akkumulatoren keinerlei Aufmerksamkeit des Bedienungspersonals erfordert. Darüberhinaus ist es auch möglich, nur wenige oder auch nur einen Akkumulator aufzuladen, während bei dem aus der US-PS 39 56 181 bekannten Gerät stets mehrere Akkumulatoren gleichzeitig aufgeladen werden müssen. Die Merkmale der Patentansprüche 3 und 4 ermöglichen es, Vergleichsglied und Bezugsspannungsquelle zusammen mit der übrigen Schaltung des Ladegeräts als integrierte Schaltung auszuführen. Die Merkmale des Patentanspruchs 5 erlauben eine Kontrolle, ob das Gerät überhaupt arbeitet und in welchem Ladezustand es sich befindet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt das Schaltbild eines Akkumulatorladegeräts.

An einen Transformator Γ ist ein Vierweggleichrichter G 1 angeschlossen, an dessen Gleichspannungsseite eine zwischen Null und einem Maximalwert pulsierende Spannung abgegriffen wird. An die Gleic hspannungsseite des Gleichrichters G 1 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 R 1 in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer Zenerdiode Z1 und einem Potentiometer P angeschlossen ist. Die Versorgungsspannung U+ dient weiter zur Speisung zweier Operationsverstärker Vl und V 2. Der direkte Eingang des Operationsverstärkers V1 ist an den Schleifer des Potentiometers Pangeschlossen; seine Ausgangsspannung Ur ist auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt.

Der Ausgang des Operationsverstärkers Vl ist weiler über einen Widerstand Λ 2 an den direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 angeschlossen. Sein Ausgang ist über einen Widerstand R 3 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 Widerstand R 5 und einer Leuchtdiode Ll 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 L 2 und einem Widerstand R 6. Der Ausgang des Operationsverstärkers V2 ist über einen Widerstand R 4 an den Steuerünschluß des Thyristors Th Die Zenerdiode /1 siclli eine stabilisierte Gleichspannung bereit, die mit Hilfe des Potentiometers P innerhalb gewisser Grenzen einstellbar ist. Der Operationsverstärker Vl arbeitet als Spannungsfolger mit niedriger Ausgangsimpedanz. An seinem Ausgang kann die n.it dem Potentiometer P eingestellte Gleichspannung rückwirkungsfrei abgenommen werden. Dem Operationsverstärker V2 wird an seinem direkten Eingang die Bezugsspannung Ue zugeführt, während die Akkumulatorspannung Ub am invertierenden Eingang des OperaiionsVerstärkers V 2 anliegt. Solange die Akkumulatorspannung Ub kleiner als die Bezugsspannung t/eist, ist die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 ungefähr gleich U+. Dann erhält der Steueranschluß des Thyristors 77? ein so hohes Potential, daß der Thyristor Th durchschalten und mit jeder Sinushalbwelle über die Parallelschaltung aus der Leuchtdiode L 1 und dem Widerstand R 5 sowie dem Thyristor Th der Ladestrom in den Akkumulator fließen kann.

Der Widerstand R 5 ist zur Begrenzung des Stromes durch die Leuchtdiode L 1 erforderlich.

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

Ua + Ur

Ue

Rl

1 +

R3 Rl

Für das Verhältnis der Widerstände R 2 und R 3 ergibt sich daraus:

R3_ Rl

Ua-Ue Ue-Ur

Während der beschleunigten Ladung ist die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 stets größer als Ur, so daß ein Strom durch die Widerstände Λ 3 und R 2 zum Ausgang des Operationsverstärkers Vl fließen kann. Dadurch ist die Spannung Ue am direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 höher als die Ausgangsspannung Ur des Operationsverstärkers Vl. 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 beendet wird. Über die Leuchtdiode L 2 und den Widerstand R 2 fließt nun ein niedriger Ladestrom in den Akkumulator B, der zur Ladungserhaltung dient. In diesem Zustand der Schaltung ist die Ausgangsspannung Odes Operationsverstärkers Vl größer als die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2, so daß jetzt ein Strom in umgekehrter Richtung durch die Widerstände R 2 und R 3 fließt. Die Eingangsspannung Ue am direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 ist dadurch niedriger als die Ausgangsspannung Ur des Operationsverstärkers Vl. Die Differenz der verschiedenen Spannungen Ue bei beschleunigter und bei Dauerladung ist die Hysteresespannung. Ihr absoluter Wert läßt sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Widerstände R 2 und R 3 festlegen.

Wenn der Akkumulator aus der Schaltung entfernt wird, bleibt die Schaltung im gleichen Zustand wie bei

&5 der Erhaltungsladung, d. h., die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 ist gleich Null und der Thyristor Th somit gesperrt. Beim Wiedereinsetzen des Akkumulators prüft die Schaltung dann, ob der Akku-

mulator β ladungsbedürftig ist.

Die Höhe des Ladestroms für beschleunigte Ladung und bei Erhaltungsladung, die im wesentlichen durch den Innenwiderstand des Transformators Tbestimmbar ist, wird vorzugsweise so gewählt, daß bei einem Verhältnis von Entladedauer 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 L 1 und L 2 ablesen.

In die Rückkopplungsschleife vom Ausgang des Operationsverstärkers V2 und dessen direktem Eingang ist die Basis-Emitter-Strecke eines mit seinem Kollektor an den positiven Pol des Vierwegegleichrichters GI 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 RiIR2 ist bei dieser Ausführungsform in den Nenner der Gleichungen (1) und (2) jeweils noch der Term — Übe für den Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tr einzufügen.

Im Zustand der beschleunigten Ladung ist die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 wiederum ungefähr gleich U+, so daß der Transistor Tr durchgeschaltet ist. Dem direkten Eingang des Operationsverstärkers V 2 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 100 mal pro Sekunde der Fall), hat die Spannung (Jeden durch die Spannung L/rund die Rückkopplung über den Widerstand R 3 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 Operationsverstärkers 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.

Im übrigen enthält die Schaltung zur Erhöhung der Stabilität der Bezugsspannung eine weitere Zenerdiode Z 2 zur Vorstabilisierung, der noch ein Widerstand R 7 vorgeschaltet ist.

Die beiden Operationsverstärker Vl und V2 können in einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis zusammengefaßt werden. Bei einer Ausführungsform des Akkumulatorladegeräts sind zwei Ladeschaltungen für zwei verschiedene Akkumulatorhandgriffe unabhängig voneinander in 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Akkumulatorladegerät, bei dem eine Bezugsspannung (Us) und die Akkumulatorspannung (Ub) auf ein Hysiereseverhalten aufweisendes Vergleichsgüed (V2) mit positiver Rückkopplung geführt sind, mit einer dem Akkumulator (B) vorgeschalteten Parallelschaltung aus einem Widerstand (RS) und einem Halbleiterschalter (Th), dessen Steueranschluß an den Ausgang des Vergleichsgliedes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsglied (V2) eine hohe Verstärkung aufweist und in die auf den Bezugsspannungseingang geführte Rückkopplungsschleife des Vergleichsgliedes (V2) die Basis-Emitter-Strekke eines nvt seinem Kollektor an die Ladespennung angeschlossenen Transistors (Tr) geschaltet ist

2. Akkumulatorladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergleichsglied (V2) eine niederohmige Bezugsspannungsquelle (Vi) vorgeschaltet ist.

3. Akkumulatorladegerät nach Anspruch 2, 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 (Zl) parallelgeschalteten Potentiometers (T^geführt ist.

4. Akkumulatorladegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsglied aus einem Operationsverstärker (V 2) besteht.

5. Akkumulatorladegerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Halbleiterschalter (Th) und/oder dem Widemand (R 6) je eine Leuchtdiode (L 1 bzw. L 2) in Reihe geschaltet ist.