DE3020959A1

DE3020959A1 - Komparator sowie damit hergestellte elektronische geraete, insbesondere praezisions-ladegeraete fuer aufladbare batterien aller art mit abschaltautomatik und optischer kontrollanzeige

Info

Publication number: DE3020959A1
Application number: DE3020959A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7500 Karlsruhe Sorgatz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-03
Filing date: 1980-06-03
Publication date: 1981-12-10

Description

Komparator sowie damit hergestelle elektronische Geräte,
insbesondere Präzisions-Ladegeräte für aufladbare Batterien
aller Art mit Abschaltautomatik und optischer Kontrollanzeige.

Zusatz zur Patentanmeldung P 29 34 3o2.o-32

Gegenstand der Hauptanmeldung P 29 34 3o2.o-32 sind Komparatoren sowie damit hergestellte Geräte, insbesondere automatische Präzisions-Ladegeräte für aufladbare Batterien aller Art. Die Vorteile derartiger Ladegeräte bestehen unter anderem darin, daß dank des Komparators und der vorgeschlagenen Leiterplatte die Schaltungsanordnung übersichtlich, kompakt, leicht
und nicht zuletzt wegen des vergleichsweise verminderten baulichen Aufwandes kostengünstig ausgeführt werden kann. Mit dieser Schaltungsanordnung ist gewährleistet, daß auch die empfindlichen Knopfzellen, wie sie etwa in Hörgeräten, elektrischen Uhren und dergl. breite Verwendung finden, nicht überladen und vor-

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zeitig zerstört werden. Darüber hinaus weisen die beispielsweise für Batterieknopfzellen vorgeschlagenen Steckerladegeräte am Steckergehäuse integrierte, einseitig offene Fassungen auf, welche nur eine polungsrichtige Einführung der Batterie gestatten, so daß die Handhabung sicher und schnell ist. Ferner können durch eine optische Anzeige der AufladeVorgang sowie dessen Beendigung überwacht und der Qualitätszustand der Batterie kontrolliert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung, welche auf dem durch die Hauptpatentanmeldung P 29 34 3o2.o-32 gegebenen Entwicklungsstand aufbaut, welcher hiermit wiederholt wird, * ^ _JJO^_nj_ _{J J}^_J tenroaraturkonrpensiertt ist es, die Schaltungsanordnung insbesondere fur/Batterie-Ladegeräte dahin zu verbessern, daß unter Minimierung des baulichen Aufwandes einerseits zum Schutz der Anordnung wirksame Vorkehrungen gegen einen möglichen Kurzschluß sowie den plötzlichen Ausfall der Netzspannung während des Aufladevorganges getroffen werden und andererseits Voraussetzungen geschaffen werden, daß für den Benutzer sowohl die überwachung des Aufladevorganges sowie dessen Beendigung als auch die Beurteilung des Qualitätszustandes der aufzuladenden Batterie, und die Feststellung, ob ein einwandfreier elektrischer Kontakt zwischen Batterie und Ladegerät besteht, durch optische Anzeige mittels Leuchtdiode noch sinnfälliger erkennbar werden.

Erfindungsgemäß besteht die Problemlösung nach den vorliegenden Ansprüchen im Vergleich zu den in der Hauptanmeldung erörterten Komparatoren im wesentlichen darin, daß zusätzlich zwischen nichtintervertierendem Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers V 1o ein Widerstand R 11o geschaltet ist, der Emitter des Transistors

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T 2o über einen Emitterwiderstand R 80 an die positive Versorgungsspannung und der Kollektor Über eine zusätzliche Entladeschutzdiode D 5o und den Widerstand R 1o gleichfalls am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen sind (Anspruch 1; Fig. 1).

Diese Maßnahmen gewährleisten bei einem Batterie-Ladegerät (s. beispielsweise Ansprüche 3-8, welche hiermit wiederholt werden, sowie nachfolgend Fig. 3 und 4) folgende Funktionen:

Die Entladeschutzdiode D 5o im Kollektorkreis des Transistors T 2o läßt nur den Ladestrom hindurch, nicht aber den Batterierückstrom, so daß sich die zu ladende Batterie nicht entlädt, wenn der Netzstrom ausfällt oder das Ladegerät während des Ladevorgangs aus der Steckdose herausgezogen bzw. von der Netzspannung getrennt wird.

Mit dem Emitterwiderstand R 80 wird die Basisgegenspannung am Transistor T 2o vorgegeben. Je größer der Ladestrom, desto größer ist der Spannungsabfall an R 80. Je größer aber der Spannungsabfall an R 80 ist, desto kleiner ist die Basisspannung am Transistor T 2o. Mit abnehmender Basisspannung wird der Emitterstrom kleiner; damit ergibt sich eine bessere Konstanz des Ladestroms sowie eine verbesserte Dauerkurzschlußfestigkeit des Gerätes. Auf diese Weise wird andererseits auch erreicht, daß bei einem etwaigen Kurzschluß der Batterie der Kurzschlußstrom nicht größer wird als der Ladestrom.

Mit den beiden Widerständen R 1o und R Ho wird eine Einschalt-Ausschalt-Spannungshysterese vorgegeben. Am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers V 1o ist der Widerstand R 1o, welcher mit dem negativen Anschluß der

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Entladeschutzdiode D 5ο und dem positven Pol der Batterieverbunden ist, geschaltet. Der Widerstand R 11o ist zwischen dem nichtinvertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers V 1o eingesetzt.

Mit dem Potentiometer P 1o wird die Abschaltspannung eingestellt , mit den Widerständen Rio; R 11 ο die Einschalt-Ausschalt-Spannungshysterese vorgewählt. Je kleiner der Widerstand R 11 ο bzw. je größer der Widerstand R 1o um so größer ist die Einschalt-Ausschalt-Spannungshysterese.

Mit der Hysterese wird erreicht,, daß noch sicherer durch die optische Anzeige der roten Leuchtdiode LD 1ο festgestellt werden kann, ob nach Beendigung des Ladevorgangs der Batterie sich der Ladestrom tatsächlich abgeschaltet hat oder ob eine Kontaktunterbrechung Batterie/Ladegerät vorliegt. Liegt keine Unterbrechung vor, so blinkt die rote Leuchtdiode nach Beendigung der Aufladung; langsames Blinken, ca. 1 Hz, signalisiert, daß die Batterie "gut" ist; je schlechter die Batterie ist, um so schneller blinkt die Leuchtdiode. Durch das Blinken werden daher der elektrische Kontakt Batterie/Ladegerät der Qualitätszustand der Batterie und die Beendigung des Aufladevorganges angezeigt.

Besteht kein elektrischer Kontakt zwischen Batterie/Ladegerät, so leuchtet die rote Leuchtdiode bei eingeschalteter Netzspannung ständig, ohne zu blinken.

Nachfolgend werden die Verbesserungen und Weiterbildungen von in entsprechender Weise abgeänderten Komparatoren sowie eines angepaßten hochkonstanten Referenzspannungsver-

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sorgungsteils am Beispiel von Zeichnungen sowie hinsichtlich der technischen Daten im Zusammenhang mit einer Stückliste für eine Leiterplatte eines elektronischen Präzisions-Ladegeräts mit Abschaltautomatik und optischer Kontrollanzeige für eine aufladbare Knopfzelle 2o mAh (Abschaltspannung bei 1,48 V bei einem Ladestrom von 2 mA) näher erläutert. Die Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus dem erfindungsgemäß weiterentwickelten Kompartor (IV), der optischen Anzeige für den Ladezustand (V) i.V.m. einem Gleichspannungsteil (I), einem Spannungskonstanter (II) und einerBetriebsanzeige (III).

Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäß weiterentwickelten Komparators,

Fig. 2 Schaltung für den Referenzspannungsversorgungsteil hoher Spannungskonstanz,

Fig. 3 Schaltbild für ein elektronisches Präzisions-Ladegerät mit einem Komparator nach Fig. 1,

Fig. 4 Grundschaltung eines automatischen Präzisions-Ladegerätes für höhere Betriebsspannungen durch Spannungsteilung.

Wesentlich für die Funktionsweise der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ist der in Flg. 1 dargestellte, gegenüber dem Gegenstand in der Hauptanmeldung weiter ausgebildete Komparator mit Einschalt-Ausschalt-Spannungshysterese, sowie, beispielsweise für die empfindlichen Knopfzellen, ein hochkonstantes Referenzspannungsversorgungsteil (Fig. 2). Mit

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dem Potentiometer P 1o wird die Abschaltspannung eingestellt«

Aufladeyorgang

Ist die zu messende Spannung am Anschluß 2 kleiner als am Anschluß 3 des Operationsverstärkers V 1o, dann ist die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers negativ, und es fließt ein Strom durch den Spannungsteiler R 5o, R 6o. Der Transistor T 2o. erhält die Basis-Emitter-Spannung und wird damit durchgeschaltet, so daß der Ladestrom nahezu konstant durch den Strombegrenzungswiderstand R 8o über D 5o zur Batterie fließt. Ist die Spannung am Anschluß 2 gleich der Spannung am Anschluß 3, dann schaltet sich der Ladestrom automatisch ab. Der Spannungsabfall am Emitterwiderstand R 8o sorgt dafür, daß der Ladestrom bei einem Kurzschluß nicht unzulässig hoch wird.

Sc-lange die Ausgangsspannung am Operationsverstärker negativ ist, ist der Transistor T 1o geöffnet, zwischen Emitter und Kollektor fließt kein Strom, so daß die Leuchtdiode LD 1ο nicht aufleuchtet.

Wird die Spannung am Anschluß 2 etwa größer als die Referenzspannung am Anschluß 3, dann entsteht am Ausgang des Operationsverstärkers V 1o eine positive Spannung.

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Dann fließt durch den Spannungsteiler R 5o, R 60 kein Strom mehr zum positiven Pol + Ug; die Basis-Emitter-Spannung ist gleich Null, und der Transistor T 2o öffnet sich, d.h. es fließt kein Strom mehr durch den Emitter/Kollektor.

Ist die Batterie voll aufgeladen, so ist die Ausgangsspannung am Operationsverstärker V 1o positiv, der Transsistor T 1o ist durchgeschaltet, und die Leuchtdiode LD leuchtet auf.

Der nichtinvertierende Eingang 2 des Operationsverstärkers erhält nun durch den Widerstand R Ho eine etwas höhere positive Spannung; die Batteriespannung baut sich etwas ab. Sinkt nun die Batteriespannung entsprechend der Spannungshysterese ab, so daß am nichtinvertierenden Eingang 2 des Operationsverstärkers die Spannung kleiner wird als die Referenzspannung, so kippt der Operationsverstärker so, daß an seinem Ausgang eine negative Spannung entsteht, d.h. am Anschluß 2 ist die Spannung wieder abgesunken, dadurch fließt durch D 5o ein Ladestrom.

Ist die Ladespannung wieder so hoch, daß die Spannung am Anschluß 2 wieder etwas größer ist als die Referenzspannung, so kippt der Operationsverstärker derart, daß sein Ausgang positiv wird.

Das auf diese Weise ständig bewirkte Ein- und Ausschalten des Transistors T 1o ruft ein Blinken hervor, welches anzeigt, daß der Aufladevorgang beendet ist.

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Beispiel

Stückliste für die Leiterplatte HESO o2 eines elektronischen Präzisions-Ladegerätes mit Abschaltautomatik und optischer Kontrollanzeige in der Ausführung als Steckerladegerät für eine aufladebare NiCd-Knopfzelle (2o mAh; Abschaltspannung bei 1,48 V, bei einem Ladestrom von 2 mA) (Fig. 3 i.V.m. Fig. 1 und 2)

Anzahl	1	Art [	!yp/techn. Daten
	1	Leiterplatte	-IESO o2 1, 5 V/2 mA
I	4	Transformator Tr. nach VDE o551 (PrüfSpannung 6 kV)	VAi 22o V/6 V/6 V
	2	Dioden: D 1o; D 2o; D 3o; D 4o	je 1 N 4148
		gepolte Elko: C 1o; C 2o	je 22o /u F/16 V
II	1
	1 1	N-Kanal-Sperrschicht-Feld- effekt-Transistor: T 5o	3F 245 c
	1	Kohleschichtwiderstand (1/4 W, Toleranz + 1o %) R 1oo R 2o	22o Sä 56-1oo-^ö Je nach Streuung von T 5o
		Potentiometer: P 1b (i/3 W)	I oo JT?,
III	1
	1	Leuchtdiode: LD 2o	grün, 5 mm 0
		R 3o	56o^.ö
IV	1
	1	Operationsverstärker: V 1o	LM 741
	1	Rio	2,2 k J2
	1 .	R 11o	3,3 MzQ
	1 1	R 6o	1o k £2
	1	R 5o R 8o	2,4 k S2 4,7 S2
	1	PNP-Transistor: T 2o	PC 559
		D 5o	1 N 4148
V	1
	1	R 7o	1o k J^
	1	NPN-Transistor: T 1o	3C 338
	1	R 4o	?6o v£j
	2	LD 1o	?ot, 5 mm 0
	Lötstifte für Baterie +,__

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Is versteht sich, daß die Ladegeräte, ohne am prinzipiellen Aufbau etwas zu ändern, auch für andere Netzspannungen als 22o V und 5o Hz, die Schaltungsanordnung für den Referenzspannungsversorgungsteil je nach der erforderlichen Spannung und verlangten Präzision in bekannter Weise und die Schaltung nach Fig. 3 entsprechend für Doppel-Ladegeräte und dergl. ausgelegt werden können.

Schaltet man anstelle der Batterie einen Kondensator und einen Widerstand, so ergibt sich die Schaltung für einen Rechteckgenerator. Auf dieser Grundlage können ferner auf einfache Weise DC-DC-Wandler (Direct- Current) oder spannungsgesteuerte Generatoren (Voltage-Controlled-Oscillator; VCO) großer Qualität gefertigt werden.

Fig. 4 zeigt, als eine gleichfalls im Rahmen der Erfindung liegende Abwandlung, die Grundschaltung für ein automatisches elektronisches Präzisionsladegerät mit nur einer Versorgungsspannung für höhere Batteriespannungen durch Spannungsteilung (R 1o/R 2oo). Mit dem Potentiometer P 2o kann der Ladestrom eingestellt werden (s. auch Anspruch 2).

Eine derartige Anordnung wird vorzugsweise für größere Akkumulatoren (etwa 12 - 22o V bei einem Ladestrom von etwa 1 mA - 3o A),beispielsweise für die Batterie-Notstrom-Versorgung in Betracht kommen. Gemeinsam mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sind ferner die mit der Abschaltautomatik und optischen Kontrollanzeige vorstehend beschriebenen Vorzüge.

Bei Außentemparaturunterschieden größer als 1o° - 4o° C kann die Batterie wegen unterschiedlicher Ladespannung durch ein Widerstandsnetz des Referenzspannungsversorgungsteils für die Abschaltspannung mit einem Widerstand R 2o als Heißleiter angepaßt werden.

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Die erfindungsgemäßen, an einer Ausführungsform im einzelnen beschriebenen, relativ einfach aufgebauten, kompakt und preisgünstig zu fertigenden elektronischen Ladegeräte vereinigen neben hoher Präzision des Aufladevorgangs, großer Spannungskonstanz und Dauerkurzschlußfestigkeit zum Schutz von Batterie und Gerät, zur Bequemlichkeit des Benutzers eine Abschaltautomatik für den Ladestrom, eine Einschalt-Ausschalt-Spannungshysterese und eine optische Kontrollanzeige für den Ladestrom in sich. In Jeder Phase kann sich der Benutzer von dem Ladezustand der Batterie ein Bild machen. Es ist nicht erforderlich, daß beim Erreichen der Ladeschlußspannung die Batterie abgeklemmt wird. Insbesondere durch die optische Kontrollanzeige wird der Bedienungskomfort ganz erheblich verbessert; bei eingeschalteter Netzspannung zeigt das ständige Leuchten der roten Leuchtdiode LD 1o an, daß kein Kontakt zwischen der aufzuladenden Batterie und dem Ladegerät besteht und kein Ladestrom fließt? besteht ein Kontakt, so leuchtet die Leuchtdiode LD io während des Ladevorgangs nicht; Blinken signalisiert die Beedigung des Aufladevorgangs; langsames Blinken deutet darauf hin, daß die aufgeladene Batterie "gut" ist, schnelles Blinken deutet darauf hin, daß die Batterie nicht mehr "gut" ist (schlechte Kapazität). Der einfache Aufbau der Schaltung erlaubt ihrerseits eine kompakte und gedrängte Bauweise, so daß die Ausführung der Ladegeräte auch in Form von Steckerladegeräten möglich ist. Soweit die Anordnung insbesondere für aufladbare Batterie-Knopfzellen ausgeführt wird und beispielsweise dem großen Abnahmerkreis der Hörgeräte-Träger zugute kommt, 1st weiterhin durch die bauliche Ausgestaltung der am Steckerladegerät integrierten einseitigen, nur d£.p polungsrichtige Einlegen zulassende Fassungen dafür gesorgt, daß das Gerät auch von einem technischen Laien sicher und problemlos gehandhabt werden kann. So können u.a. gerade

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auch im Gesundheitswesen beispielsweise die Kosten für Hörgeräte-Batterien aufgrund der Wiederverwendung der im Handel befindlichen Knopfzellen drastisch reduziert werden.

Die vorgeschlagenen und nach der Erfindung in Betracht kommenden Geräte sind insbesondere auch aufgrund des Komparators
und des Referenzspannungsversorgungsteils gegen Temparatur- und Netzspannungsschwankungen unempfindlich, was den Einsatz - und Anwendungsbereich des Erfindungsgegenstandes beträchtlich erweitert.

3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche

Komparator, insbesondere für Batterie-Ladegeräte, beispielsweise nach der Hauptanmeldung P 29 34 3o2.o-32, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen nichtinvertierendem Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers (V 1o) ein Widerstand (R 11o) geschaltet ist, am Ausgang des Operationsverstärkers ein Spannungsteiler (R 5o, R 6o) für die Basis des Transistors (T 2o) angeschlossen ist, dessen Emitter (5) über einen Emitterwiderstand (R 8o) an die positive Versorgungsspannung (+ U«; k) und dessen Kollektor (7) über eine Entladeschutzdiode (D 5o) und einen Widerstand (R 1o) ebenso wie die zu messende Spannung am nichtinvertierenden Eingang (2) des Operationsverstärkers -, während die Referenzspannung (U_ref) am invertierenden Eingang (3) des Operationsverstärkers (V 1o) angeschlossen sind, und die negative Versorgungsspannung (- Ug) am Anschluß (1).

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2. Komparator, insbesondere nach Hauptanmeldung P 29 34 3o2.o-32, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom

durch ein zwischen den Spannungsteiler (R 5o, R 6o) geschaltetes Potentiometer (P 2o) eingestellt wird (Fig. 4).
3. Elektronisches Präzisions-Ladegerät für aufladbare Batterien aller Art, insbesondere nach Hauptanmeldung P 29 34 3o2.o-32, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ladestrom automatisch und vollständig abschaltet, sobald die Ladespannung der aufzuladenden Batterie erreicht ist.
4. Elektronisches Präzisions-Ladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Ladevorgangs durch optische Anzeige der Qualitätszustand der Batterie angezeigt wird.
5. Elektronisches Präzisions-Ladegerät nach Ansprüchen und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Spannungshysterese aufweist derart, daß der Aufladevorgang automatisch einsetzt, wenn die Batteriespannung kleiner ist als die vorgegebene Soll-Spannung und sich der Ladestrom nach Erreichen der Soll-Spannung automatisch abschaltet.
6. Elektronisches Präzisions-Ladegerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 3-5 mit optischer Anzeige, dadurch

gekennzeichnet, daß die optische Anzeige (LD 1o) aufgrund unterschiedlicher Signalgebung als Kontrollanzeige für den Aufladevorgang, dessen Beendigung und die Überwachung des Qualitätszustandes der Batterie geschaltet ist.
7. Elektronisches Präzisions-Ladegerät nach Anspruch 6, ausgerüstet mit einem Komparator nach Anspruch

1 oder 2.

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8. Ladegerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (V 1o) ein hochkonstantes Referenzspannungsversorgungsteil, bestehend aus Sperrschichtfeldeffekttransistor (T 5o) sowie den Widerständen (R 1oo; R 2o) und dem Potentiometer (P 1o), angeschlossen ist.

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