DE2934302C2

DE2934302C2 - Schaltung für Ladegeräte für aufladbare Batterien mit Abschaltautomatik und optischer Kontrollanzeige sowie Steckerladegeräte hierfür

Info

Publication number: DE2934302C2
Application number: DE2934302A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7500 Karlsruhe Sorgatz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-08-24
Filing date: 1979-08-24
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE2934302A1

Description

1. daß der eine Eingang des Differenzverstärkers (ViO) unmittelbar an der Klemme der Batterie angeschlossen ist, und daß an dem anderen Eingang des D:^rJerenzv;rstärkers eine über einen Spannungsteiler einstellbare Referenzspannung liegt,

2. daß der den Ladestrom begrenzende Widerstand (R 80) auf der Kollektorseite des Leistungstransistors (T20) angeordnet ist,

3. daß die Spannungsversorgung Abgriffe für positive und negative Spannung sowie für Masse aufweist, und daß der Ladestromkreis zwischen positiver Spannung und Masse liegt, während die Spannungsversorgungseingänfce des Differenzverstärkers (VlO) an die positive und die negative Spannung angeschlossen sind,

4. daß am Ausgang des Ladegeräts kein Glättungskondensator parallel zur Batterie vorgesehen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige für die Batteriespannung mittels einer Leuchtdiode (LD20) erfolgt.

3. Schaltung nach Anspruch I oder 2 für höhere Spannungen (bis ±18 V), dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (VlO) aus einem Operationsverstärker vom Typ LM 741 und einem PNP Ladetransistor vom Typ BC 559 besteht.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2 für höhere Ladeströme bestehend aus dem Differenzverstärker (VlO) und einem Darlington-Transistor (T20, Γ30 (Leistungstransistor)) in Emitterschaltung.

5. Automatisches Ladegerät nach Ansprüchen 1 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den elektronischen Bauelementen für die Gesamtschaltung bestückte Leiterplatte (So) in einem Steckergehäuse (C 10, G 12) mit integrierten, polungsrichtigen Batteriefassungen (G 13) sowie herausragenden Steckerstiften (G 11) untergebracht ist.

6. Automatisches Ladegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassungen (G 13) am Steckergehäuse (G 12) einseitig offen sind.

7. Automatisches Steckeriadegerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steckergehäuse (G 10, G12) mit den integrierten Fassungen (G 13) für Batterie-Knopfzellen zweiteilig ausgeführt ist.

8. Doppel-Präzisions-Steckerladegerät bestehend aus zwei Differenzverstärkern und zwei Anzeigen für den Ladezustand der Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung sowie damit aufgebaute automatische Präzisions-Steckerladegeräte für aufladbare Batterien.

Ein Komparator oder Differenzverstärker im Sinne vorliegender Anmeldung hat beispielsweise die Aufgabe, einerseits sich verändernde Spannungen mil einer zweiten, der vorgegebenen Referenzspannung zu vergleichen, andererseits bei Erreichen des Sollwertes eine Schaltfunktion zu übernehmen. So dient ein derartiger Komparator bei Batterie-Ladegeräten dazu, die Batteriespannung mit der Referenzspannung zu vergleichen, die Aufladung der Batterie zu gewährleisten und nach erfolgter Aufladung den Ladestrom zu unterbrechen.

Batterie-Knopfzallen beispielsweise, im folgenden kurz Knopfzellen genannt, welche vorzugsweise in Hörgeräten, elektrischen Uhren, Taschenrechnern, Film- und Fotoapparaten, Rasierapparaten, Zahnbürsten, Rufanlagen, Sicherheitsbeleuchtungen, Taschenlampen, medizinischen Hilfsmitteln und dergleichen Verwendung finden, werden in steigendem Maße benötigt. Derzeit wird der jährliche Bedarf an derartigen Batterien in der Bundesrepublik Deutschland auf 30 bis 40 Millionen Stück geschätzt, wobei die ca. 2 Millionen Hörgeräteträger als die Hauptabnehmer gelten können.

Bei den Knopfzellen wiederum unterscheidet man zwischen den relativ teuren, nicht aufladbaren Quecksilberoxid-Element-Knopfzellen und den aufladbaren gekapselten alkalischen Akkumulatoren, beispielsweise vom Typ Cadmium-Nickel.

Wegen der von quecksilberhaltigen Abfällen ausgehenden Umweltgefährdung gewinnen die aufladbaren ungiftigen Knopfzellen immer mehr an Bedeutung, zumal die neu entwickelten, leistungsstärkeren, teureren, ungiftigen und nicht aufladbaren ZINCAIR Knopfzellen, welche die Quecksilberoxid-Element-Knopfzellen ersetzen sollen, den Nachteil haben, daß der Entladevorgang einsetzt, sobald das Element der Luft ausgesetzt wird, was durch unbeabsichtigtes Abziehen der Schutzfolie oder Beschädigung derselben leicht eintreten kann.

Für aufladbare Knopfzellen, z.B. vom Typ 10 und 20 DK (gasdichte (D) Knopfzellen (K) mit einer Kapazität von 10/2OmAh) sind Steckerlader mit integrierter Batterieaufnahme bekannt (VARTA Fachbuchreihe, Band 9 »Gasdichte Nickel-Cadmium-Akkumulatoren«, VARTA Batterie AG, Hannover, S. 229-233; DE-GM 68 07 761).

Die bekannten Geräte haben vor allem die Nachteile, daß die Ladezeiten von außen überwacht werden müssen, der Ladezustand nicht angezeigt wird, nach

Ablauf der vermuteten Ladezeit die Akkumulatoren dem Ladegerät wieder entnommen werden müssen, kein Berührungsschutz besteht und die Bedienung über die Schublade wenig Komfort bietet

Bekannt ist aus der DE-OS 25 44 764 eine Schaltung für Ladegeräte für aufladbare Batterien, mit Abschaltautomatik und optischer Kontroilanzeige, mit einer im Ladestrompfad liegenden Reihenschaltung aus einem strombegrenzenden Widerstand und einem Leistungstransistor, dessen Emitter auf der Seite der Spannungs- ιη Versorgung und dessen Kollektor auf der Batterieseite liegt mit einem Differenzverstärker, an dessen einem Eingang ein von der jeweiligen Spannung an der zu ladenden Batterie abhängige Meßspannung und an dessen anderem Eingang eine der vorgegebenen Ladeendspannung der Batterie entsprechende Referenzspannung liegt und dessen Ausgang eine den Leistungstransistor in den Sättigungsbereich oder in den Sperrbereich steuernde Spannung abgibt wobei ein Spannungsteiler mit seinem einen Endanschluß am Ausgang des Differenzverstärkers, mit seinem mittleren Anschluß an der Basis des Leistungsiransisiors und mit seinem anderen Endanschluß auf der Emitterstrse des Leistungstransistors an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, und wobei die Kontrollanzeige für den Ladezustand vom Ausgang des Operationsverstärkers über einen weiteren Transistor geschaltet wird.

Diese vorbekannte, aufwendige Schaltung für ein Serienladegerät weist eine Versorgungsspannung auf und ist für Knopfzellen (1,2 V) aufgrund ihrer l'ngenauigkeit und des störenden und unkalkulierbaren Temperaturgangs ungeeignet Da der Begrenzungswiderstand 13 auf der Emitterseite angeordnet ist, hat dies zur Folge, daß die Gleichstromverstärkung herabgesetzt und der Leistungstransistor 14 nicht voll durchgeschaltet wird.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen; ihr liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die vorbekannte Schaltung (DE-OS 25 44 764) derart weiterzubilden, daß für Batterien kleiner Spannung und kleiner Kapazität <o eine präzise spannungsabhängige An- und Abschaltung ohne Verzicht auf Entladeschutz möglich ist, und ein darauf basierendes Steckerladegerät zu schaffen, welches in seinem Aufbau in Richtung auf eine Verminderung des Aufwands an Bauelementen und in seiner praktischen Verwendbarkeit verbessert ist.

Schaltungsmäßig wird die Aufgabe mit der Maßgabe gelöst,

1. daß der eine Eingang des Differenzverstärker (ViO) unmittelbar an der Klemme der Batterie angeschlossen ist und daß an dem anderen Eingang des Differenzverstärkers eine über einen Spannungsteiler einstellbare Referenzspannung liegt,

2. daß der den Larfestrom begrenzende Widerstand (R 80) auf der Kollektorseite des Leistungstransistors (T20) angeordnet ist,

3. daß die Spannungsversorgung Abgriffe für positive und negative Spannung, sowie für Masse aufweist, und daß der Ladestromkreis zwischen positiver Spannung und Masse liegt, während die Spannungsversorgungseingänge des Differenzverstärkers (VlO) an die positive und die negative Spannung angeschlossen sind und

Bezüelich weiterer Einzelheiten sowie hinsichtlich der Ausbildung des Steckerladegeräts mit seinen integrierten, polungsrichtigen, einseitig offenen Batteriefassungen wird auf die Ansprüche 2 bis 8 verwiesen, welche Bestandteil dieser Beschreibung sind und hiermit wiederholt werden.

Schaltungsmäßig zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, daß die Versorgungsspannung nicht geteilt werden muß, die Batterie direkt am Differenzverstärkereingang liegt und damit der große elektrolytische Glättungskondensator entfällt, so daß die einfache, kompakte und aus wenigen Bauteilen bestehende Schaltung in einem Steckerladegerät untergebracht werden kann, wobei durch die schaltungstechnischen Maßnahmen in jedem Fall Berührungsschutz gewährleistet ist Die hohe Präzision wird im Unterschied zur Schaltung nach der DE-OS 25 44 764 insbesondere durch den Kollektorwiderstand (R 80) ermöglicht der dafür sorgt daß der Transistor Γ20 vollständig durchgeschaltet wird. Weil der kleinstmögliche Spannungsabfall ausgenutzt werden kann, wird darüber hinaus eine Erwärmung vermieden, so daß auch keine Kühlkörper erforderten sind.

Die vorerörterten angestrebten Verbesserungen bei einem bekanntermaßen aus Gleichspannungsteil, Spannungskonstanter für die Referenzspannung und Eetriebsanzeige aufgebauten Stecker-Ladegerät werden dadurch erreicht daß es den Differenzverstärker enthält (z. B. F i g. 4 i. V. m. Fi g. 1), welcher an den Referenzspannungsversorgungsteil (Fig. la bis Id) über einen Entkopplungswiderstand angeschlossen ist. Auf diese Weise ist der automatische Betrieb möglich.

Von besonderem Vorteil ist ferner, wenn, wie hier vorgeschlagen, der Ladezustand und die Betriebsspannung bei einem Ladegerät optisch angezeigt werden. Insoweit erfolgen bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäß mit einem Differenzverstärker ausgerüsteten automatischen Ladegeräts die Anzeige für die Betriebsspannung mittels einer grünen Leuchtdiode (LD 20), die Anzeige des Ladezustandes der Batterie mittels einer roten Leuchtdiode (LD 10) (F i g. 1).

Es versteht sich, daß gerade auch die optische Anzeig, des Ladezustandes für sich den Gebrauchswert eines jeden Ladegeräts unabhängig davon, ob es mit einem Differenzverstärker ausgerüstet ist oder nicht, erheblich steigert, weil eine einfache Kontrollmüglichkeit gegeben ist, ob der Ladezustand andauert oder bereits beendet ist.

Eine Miniaturisierung und weitere bauliche Vereinfachung gestattet die Leiterplatte (So), so daß speziell automatische Präzisions-Ladegeräte für Knopfzellen der vorgenannten Art kompakt in einem Steckergehäuse untergebracht werden können, in welchem zweckmäßigerweise polungsrichtige Fassungen für die Batterien integrier* sind.

Weitere Einzelheiten werden nachfolgend anhand der Zeichnungen und hinsichtlich der technischen Daten an Beispielen automatischer Präzisions Ladegeräte näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 das SchaltbiiJ eines automatischen Präzisions-Ladegeräts

F i g. la bis Id Schaltungen für die Referenzspannung,

F i g. 2 Schaltbild für ein automatisches Dcppel-Präzisions-Steckerladegerät mit zwei Differenzverstärkern für Knopfzellen,

F i g. 3 eine mit elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatte für das Ladegerät nach F i g. 2; Maßstab etwa 2: 1,

F i g. 4 Draufsicht auf das Steckerladegerät; Maßstab etwa 1 :1,

Fig.5 Seitenansicht des Steckerladegeräts entlang der Linie Wonach F i g. 4 im Schnitt,

F i g. 6 Ausbildung der Fassung G 13 des Steckerladegeräts nach F i g. 4; etwa doppelter Maßstab,

F i g. 7 Schnitt durch die Fassung entlang der Linie AB nach F i g. 6,

Fig.8 eine mit elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatte für ein automatisches Steckerladegerät für eine aufladbare 9-V-Batterie; Maßstab etwa 2:1.

Funktion des Differenzverstärkers am Beispiel eines automatischen Ladegeräts (Fig. 1 in Verbindung mit Fig. lc): is

Grundsätzlich besteht die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts (Fig. 1 bzw. Fig. 2) für Knopfzellen vom Typ 20 DK aus einem Gleichspannungsteil (I). einem Spannungskonstanter (II), einer Betriebsanzeige (III) sowie dem erfindungsgemäßen Komparator (IV) und der vorgeschlagenen optischen Anzeige für den Ladezustand (V).

Zur Wirkungsweise des Differenzverstärkers (IV) in Verbindung mit der optischen Anzeige für den Ladezustand (V):

An den Differenzverstärker VlO wird die 4- und Versorgungsspannung vom Netzteil (I) angelegt: die zu ladende Batterie wird direkt zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers und Masse der Mittelanzapfung des Netzteils (1) angeschlossen. Am invertierenden Eingang liegt die einstellbare Referenzspannung, für Knopfzellen 20 DK: 1,48 V bei 2 mA Ladestrom.

Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers VlO steuert die Transistor-Basisspannung Γ20 an J5 derart, daß sich an den Eingängen des Differenzverstärkers VlO die gleiche Spannung einstellt.

Aufladevorgang

1st die zu messende Spannung am nicht invertierenden Eingang kleiner als am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers VlO, dann ist die Spannung am Ausgang des Differenzverstärkers negativ, und es fließt ein Strom durch den Spannungsteiler R 50, R 60. Der Transistor Γ20 erhält die Basis-Emitter-Spannung und wird damit durchgeschaltet, so daß der Ladestrom nahezu konstant vom + Pol der Versorgungsspannung durch die Emitterstrecke des Transistors T2O und den Strombegrenzungswiderstand R 80 direkt zum + Pol der Batterie fließt, wobei der nicht invertierende so Eingang des Differenzverstärker VlO gleichfalls unmittelbar am + Pol der Batterie liegt. Ist die Spannung am nicht invertierenden Eingang etwas größer als am invertierenden Eingang, dann schaltet sich der Ladestrom automatisch ab.

Solange die Ausgangsspannung am Differenzverstärker negativ ist, ist der Transistor T10 geöffnet, zwischen Emitter und Kollektor fließt kein Strom, so daß die Leuchtdiode LD10 nicht aufleuchtet.

Aufladevorgang beendet ^ω

Wird die Spannung am nicht invertierenden Eingang etwas größer als am invertierenden Eingang, dann entsteht am Ausgang des Differenzverstärkers VlO eine positive Spannung. Dann fließt durch den Spannungsteiler R 50. R 60 kein Strom mehr zum positiven Pol +Usr, die Basis-Emitter-Spannung ist gleich Null, und der Transistor 720 öffnet sich, d. h. es fließt kein Strom mehr durch den Emitter/Kollektor, im allgemeinen nur ein kleiner Reststrom durch den Begrenzungswiderstand RSO, so daß die Spannung am nicht invertierenden Eingang gleich der Referenzspannung Uni am invertierenden Eingang ist.

Bei positiver Ausgangsspannung am Differenzverstärker V10 ist der Transistor Γ10 durchgeschaltet, und die Leuchtdiode LD10 leuchtet auf und zeigt damit an, daß die Spannung an den Eingängen des Differenzverstärkers gleich ist, d. h. üer Aufladevorgang ist beendet.

Beispiel 1

Stückliste für die Leiterplatte eines Doppel-Präzisions-Ladegerätes mit 2 Spannungskomparatoren als Stekkerladegerät mit integrierten KnopfzeJlenlassungen (2 χ 20 DK; Absctmltspannung bei 1,48 V, bei einem Ladestrom von 2 mA) (Fig. 2 und 3 in Verbindung mit Fig. Ic)

Anzahl	Art	Typ/technische
		Daten
1	Leiterplatte: So 2
	LA 1,5 V - 1 W
1	Potentiometer: />(1/3W)	500 U
3	Kohleschichtwiderstände	je 560 Ii
	(1/4 W, Toleranz ± 10%):
	R 30, R 40, R 41
1	J? 20	820 Ω·)
2	R 50, R 51	je 2,2 kQ
2	R M, R 81	je 5,6 kil
6	R 10, R 11, R 60, R 61,	je 10 kü
	R 70, R 71
2	Kondensatoren: ClO, C2*	je 220 uF/16 V
4	Dioden: Z) 10, £>20, D 30,	je 1 N4148
	D 49
1	Leuchtdiode: LD20	grün, 5 mm 0
2	LD 10, LD Il	rot, 5 nun 0
2	NPN Transistoren: Γ10,	BC 338
	πι
2	PNP Transistoren: TUB,	BC 559
	Tl\
1	Sperrschicht-Feldeffekt-	BF 245 C
	Transistor: Γ50
2	Operationsverstärker:	je LM 741
	KlO, KIl	für Betrievs-
		spannungen
		bis ±18 V
1	Transformator: Tr	1 VA; 220 V/6
		V/6 V
3	Lötstifte: M, 510,511
6	Abstandsschläuche fur LD

*) Anmerkung:

Zwischen 560 Ω und 1,2 kü je nach Streuung des Transistors Γ50.

Beispiel 2

Stückliste für die Leiterplatte eines automatischen Ladegeräts mit einem Spannungskomparator als Stek-

kerladegerät (1x9 V/11 mA) (Fig. 8 in Verbindung mit Fig. Ib)

Anzahl	Art	typ/technische Daten
1	Leiterplatte: Sol ?a9V-IW
4	Kohleschichtwiderstand« (1/4 W, Toleranz ±10%): R 10, R 60, Λ 70, R Τ»	je 10 kli
2	R 30, R 40	je 1 kli
1	Ä50	2.2 kll
2	RM, R 90	je 470 Ω
2	Lötstifte
1	Potentiometer: P (1/3 W)	4,7 kli
2	Kondensatoren: C16, C 2·	je 22O;i/F/16 V
4	Dioden: DlO, D 20, D30, £»40	je 1 N 4148
1	Zenerdiode: ZZ)	12 V
1	Transistor: Γ10	BC 338
1	Γ 20	BC 559
1	Operationsverstärker: KlO	LM 741
1	Leuchtdiode: LD 10	rot, 5 mm 0
1	LD 20	grün, 5 mm 0
1	»ransformator: 7>	1 VA; 220 V/9 V/9 V

Bei Anwendungsbeispielen mit höherer Spannung handelt es sich um Anwendungen außerhalb des der Anmeldung zugrundeliegenden Problemkreises.

Der Sperrschichtfcidcffckttransistor 750 {s. auch Spannungskonstanter nach Fig. Ic) garantiert eine sehr konstante Referenzspannung, wie sie für Knopfzellen erforderlich ist: die Anordnung ist geeignet für Spannungen bis ca. 2,4 V.

Ist keine hohe Präzision verlangt, dann eignet sich für die Referenzspannung bis ca. 1,8 V die Schaltungsanordnung nach Fig. la. für höhere Spannungen die Schaltungsanordnung mit Zenerdiode ZD(Fig. Ib); je nach Wahl der Zenerdiode kann die Schaltung für Spannungen zwischen 2,4 und 100 V ausgelegt werden. Hohe Präzision für Spannungen bis 30 V erlaubt die Schaltung mit Sperrschichtfeldeffckttransistor T nach Fig. Id.

Wegen der kleinen Abmessungen und des geringen Gewichts kann die Gesamtanordnung, auch des Doppel-Präzisions-Ladegeräts, in einem handlichen voliintegrierten Steckergehäuse (G 10 bis G 13) untergebracht werden.

Die einseitig offenen Fassungen für die Knopfzellen,

welche nur das polungsrichtige Einlegen gestatten (Fig.6 in Verbindung mit Fig.4), d.h., daß der Gehäusenapf der Knopfzelle positiv, der Deckel der Knopfzelle negativ gepolt ist, erlauben einerseits eine bequeme Bedienung, andererseits wird ein etwaiger Wärmestau beim Aufladevorgang vermieden, da die umgebende Luft für Temperaturausgleich sorgt. Die Kontakte für die Fassungen können beispielsweise aus Nickeldraht bestehen (0.6—0,8 mm 0).

Es versteht sich, daß die Ladegeräte, ohne am prinzipiellen Aufbau etwas zu ändern, auch für andere

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3ü H; ausgelegt

können.

Der erfindungsgemäße Komparator, dessen Vorzüge an zwei Beispielen des daraus entwickelten handlichen automatischen Präzisions-Ladegeräts für aufladbare Batterien in Form von dauerkurzschlußfesten

(_Rm,

Steckerladegeräten mit integrierten Fassungen für die Batterien, insbesondere die empfindlichen, leicht überladbarcn Knopfzellen, ausführlich erörtert wurde, gewährleistet, daß die Batterien nicht überladen und vorzeitig zerstört werden, auch wenn der Aufladevorgang beendet ist, da die Abschaltspannung in hoher Spannungskonstanz eingehalten wird und sich der Ladestrom automatisch abschaltet.

Durch die Präzision des Aufladens wird somit auch die Lebensdauer der Batterien beträchtlich verlängert:

durch die optische Anzeige, insbesondere für den Ladezustand, wird der Gebrauchswert der Ladegeräte erheblich verbessert, da eine einfache Kontrollmöglichkeit gegeben ist. Gleichzeitig wird angezeigt, ob die Batterie »gut« oder »schlecht« ist, da sich eine »schlechte« Batterie im entladenen Zustand nach kurzer Zeit aufladen läßt. Schließlich fördern die einseitig offenen Fassungen unter gleichzeitiger Verringerung des Materials, des Gewichts- und der Herstellungskosten auch die Handhabbarkeit.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung für Ladegeräte für aufladbare Batterien, mit Abschaltautomatik und optischer Kontrollanzeige, mit einer im Ladestrompfad liegenden Reihenschaltung aus einem strombegrenzenden Widerstand und einem Leistungstransistor, dessen Emitter auf der Seite der Spannungsversorgung und dessen Kollektor auf der Batterieseite liegt, mit einem Differenzverstärker, an dessen einem Eingang ein von der jeweiligen Spannung an der zu ladenden Batterie abhängige Meßspannung und an dessen anderem Eingang eine der vorgegebenen Ladeendspannung der Batterie entsprechende Referenzspannung liegt und dessen Ausgang eine den Leistungstransistor in den Sättigungsbereich oder in den Sperrbereich steuernde Spannung abgibt wobei ein Spannungsteiler mit seinem einen Endanschluß am Ausgang des Differenzverstärkers, mit seinen* mittleren Anschluß an der Basis des Leistungstransistors, und mit seinem anderen Endanschluß auf der Emitterseite des Leistungstransistors an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, und wobei die Kontrollanzeige für den Ladezustand vom Ausgang des Differenzverstärkers über einen weiteren Transistor geschähet wird, dadurch gekennzeichnet,