DE3509149A1

DE3509149A1 - Schaltungsanordnung fuer ein schnelles aufladen von batterien aus dem netz

Info

Publication number: DE3509149A1
Application number: DE19853509149
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. 7157 Murrhardt Meir
Original assignee: Witte und Sutor GmbH
Current assignee: Witte und Sutor GmbH
Priority date: 1984-11-27
Filing date: 1985-03-14
Publication date: 1986-05-28

Description

Dipl-Phys. M. Becker , &

r S _3- Auf dem Ilaii-st

Patentanwältin Telefon (οτπ)

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Witte & Sutor, GmbH 7157 Murrhardt

Schaltungsanordnung für ein schnelles Aufladen von Batterien aus dem Netz

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein schnelles Aufladen von wiederaufladbaren Batterien aus dem Netz mit einem Vorwiderstand und einem Brückengleichrichter zur Abgabe eines praktisch konstanten Stroms an die aufzuladende Batterie. Derartige Schaltungen werden z.B. für tragbare Lampen mit wiederaufladbaren Nickel-Cadmium-Batterien verwendet. Sie lassen sich ebenso gut für Bleibatterien einsetzen.

Bei den bisher ausgeführten Ladeschaltungen darf der Ladestrom einen maximalen Wert, der von der Kapazität und dem Typ der Batterie abhängt, nicht überschreiten, damit auch bei längerer Ladung die Batterie keinen Schaden nimmt oder gar explodiert. Dadurch ergeben sich jedoch Ladezeiten, die zwischen 24 und 36 Stunden liegen können. Dieser Mangel haftet allen mit Nickel-Cadmium-Batterien ausgerüsteten aufladbaren Lampen an. Ähnliches trifft auch für Bleiakkumulatoren zu.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und preiswerte Ladeschaltung zu schaffen, mit der z.B. eine Nickel-Cadmium-Batterie spätestens nach 8 Stunden voll aufgeladen ist. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß parallel zu der Batterie eine nichtlineare spannungsab-

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hängige Schaltung mit negativer Widerstandskennlinie angeordnet ist. Vorzugsweise enthält die nichtlineare spannungsabhängige Schaltung ein aktives Bauelement.

In ihrer einfachsten Form kann die nichtlineare spannungsabhängige Schaltung durch Dioden, Licht emittierende Dioden oder Zenerdioden dargestellt werden. Die Daten dieser Bauteile streuen jedoch so stark, daß keine zufriedenstellende Funktion der Schaltung erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird deshalb über einen Spannungsteiler ein Teil der Batteriespannung an die Basis eines Transistors angelegt. Mit einem veränderbaren Widerstand, der Teil des Spannungsteilers ist, kann der Arbeitspunkt des Transistors eingestellt werden. Damit können die Toleranzen der Bauteile ausgeglichen werden .

Die Spannungsänderung an der Basis des Transistors ist mit zunehmender Ladung nur ein Teil der Spannungsänderung an der Batterie. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es deshalb vorteilhaft, den oberen Widerstand des Spannungsteilers durch eine Diodenstrecke oder eine Zenerdiode zu ersetzen. Der Spannungshub an der Basis des Transistors ist dadurch fast so groß wie der an den Klemmen der Batterie.

Da der Spannungsteiler unmittelbar an der Batterie angeschlossen ist, würde er laufend Strom verbrauchen, wenn nicht geladen wird. Um das zu verhindern, ist zwischen der Batterie und dem Spannungsteiler eine Diode eingeschaltet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, den Arbeitswiderstand des Transistors durch eine Licht emittierende Diode zu ersetzen, die im folgenden mit LED bezeichnet werden soll.

Bei leerer Batterie ist der Strom Null und die LED ist dunkel. Je stärker die Batterie aufgeladen ist, umso mehr Strom fließt über den Transistor und umso

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heller leuchtet die LED. Sie ist also auch eine Anzeige für den Ladezustand der Batterie.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen Schaltungen verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, wobei sich gleiche Bezugszeichen jeweils auf einander entsprechende Bauteile beziehen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipschaltung;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein verbessertes Ausführungsbeispiel;

Fig. 4a, b und c

den Verlauf des Konstantstromes 1^, des Batteriestromes L und des durch den Parallelzweig fließenden

Stromes L in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel in Kollektorschaltung

und
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel mit Thyristor.

Die Ladeschaltung gemäß Fig. 1 weist einen Kondensator 1 auf, an dem fast die gesamte Netzspannung abfällt, weil die Ladespannung für z.B. zwei Nickel-Cadmium-Batterien maximal 3VoIt beträgt. Ein Widerstand 2 dient zum Entladen des Kondensators 1, falls dieser beim Abschalten vom Netz noch aufgeladen sein sollte. Ein Widerstand 3 begrenzt beim Einschalten

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einen evt. auftretenden Stromstoß auf ein unbedenkliches Maß. Ein BrUkkengleichrichter 4 richtet den Wechselstrom gleich, so daß in der Leitung 5 ein pulsierender, praktisch konstanter bzw. eingeprägter Strom fließt. Der Strom kann deshalb als eingeprägt bezeichnet werden, weil man eine Änderung der Ladespannung von z.B. 2,5 V auf 3 V gegenüber der Netzspannung von 220 V/V vernachlässigen kann und somit im gesamten Stromkreis konstan-

te Verhältnisse vorliegen. Dieser Strom lädt die Batterie auf.

Der Kondensator 1 ist so bemessen, daß der Ladestrom ein Mehrfaches des Nennladestromes ist. Eine nichtlineare, spannungsabhängige Schaltung 7 sorgt dafür, daß mit zunehmender Ladespannung ein immer größer werdender Teil des konstanten Ladestromes über die Schaltung 7 fließt. Ein Schalter 8 und eine Glühlampe 9 vervollständigen die Schaltung der Lampe.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel für die nichtlineare spannungsabhängige Schaltung 7. Parallel zu der Batterie 6 liegt ein npn-Transistor 10 mit einem Arbeitswiderstand Π . Die Basis des Transistors 10 ist mit einem Spannungsteiler verbunden, der aus einem Widerstand 12 und einem veränderbaren Widerstand 13 besteht. Eine in die Leitung 5 eingeschleifte Diode 14 verhindert eine Entladung der Batterie 6, wenn nicht geladen wird. Sobald an der Basis des Transistors 10 eine genügend hohe Spannung liegt, beginnt ein Strom über den Widerstand 11 und den Transistor 10 zu fließen. Dieser Strom wird umso größer, je höher die an dem Spannungsteiler 12, 13 liegende Spannung ist.

Weil aber der Strom, der vom Wechselstromnetz kommt, praktisch konstant ist, nimmt in dem Maße, wie der Strom L über den Widerstand 11 und den Transistor 10 zunimmt, der Strom L nach der Batterie 6 ab. Der Spannungsabfall über der Diode 14 isi
über die Diode 14 fließen.

abfall über der Diode 14 ist praktisch konstant, weil beide Ströme L und I_n

B P

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Der Spannungsbereich, in dem die Strom Übernahme erfolgt, ist bei dieser Schaltung noch relativ groß. Der Grund dafür liegt darin: Wenn sich z.B. am Spannungsteiler (Widerstand 12 und Widerstand 13) die Spannung von 3,5 V auf 3,6 V erhöht, also eine Änderung um 0,1 V, dann ändert sich die Spannung an der Basis des Transistors 10 nur um ca. 1/6, d.h. um 0,016 Volt.

Fig. 3 zeigt, wie erfindungsgemäß der Spannungsbereich für die Stromübernahme verbessert werden kann. Der Widerstand 12 ist dabei durch eine Zenerdiode 15 ersetzt. Dadurch gelangt fast die gesamte Spannungsänderung am Spannungsteiler 13, 15 an die Basis des Transistors 10. Mit dieser Schaltung erfolgt die Strom Übernahme in einem Bereich von 0,15 Volt, wodurch bereits eine einwandfreie Funktion der Schnelladung und Übernahme des Stromes mit ansteigendem Ladezustand der Batterie erreicht wird. Ein weiterer Vorteil läßt sich erfindungsgemäß für die-se Schaltung dadurch erzielen, daß der Widerstand 11 durch eine LED 16 ersetzt wird. Je mehr die Batterie geladen ist, umso mehr Strom fließt über den Transistor 10 und die LED 16. D.h. je mehr die Batterie 6 aufgeladen ist, umso heller leuchtet die LED 16.

Figuren 4a, b, und c zeigen den Verlauf des Konstantstromes \^, des Ladestromes L für die Batterie und des Stromes durch den Parellelzweig I .

D P

Fig. 4o zeigt dabei, daß der vom Netz über den Gleichrichter gelieferte Strom konstant und unabhängig vom Ladezustand der Batterie ist.

Fig. 4b zeigt den Ladestrom L. Er nimmt mit zunehmender Ladung ab und

geht bei voll geladener Batterie auf einen Wert in der Größenordnung des Dauerladestromes zurück.

Fig. 4c zeigt den durch den Transistor 10 und die LED 16 fließenden Strom. Zwischen den 3 Strömen besteh!· die Beziehung

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Fig. 5 zeigt eine Abwandlung von Fig. 3, in der ein npn-Transistor 10 in Emitterschaltung betrieben wurde, wilhrend in Fig. 5 nunmehr ein pnp-Transistor 17 in Kollektorschaltung betrieben wird. Beide Schaltungen sind im Ergebnis gleichwertig.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der Fig. 3. Dabei ist der Transistor 10 durch einen Thyristor 19 und einen Widerstand 18 ersetzt. Während in den Schaltungen gemäß Figuren 2, 3 und 5 der Ladestrom allmählich abnimmt, erfolgt in der Schaltung gemäß Fig. 6 dieser Übergang sprungartig.

Es kann besonders günstig sein, wenn man statt des Transistors höher verstärkende Schaltungen wie z.B. einen Darlington-Transistor oder einen Operationsverstärker, einsetzt.

Bei Bleiakkumulatoren kann es erforderlich sein, einen Mindestladestrom aufrechtzuerhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß man in Fig. 6 in dem Stromkreis mit der LED 16 und dem Thyristor 19 den Widerstand 18 entsprechend bemißt, so daß nur ein Teil des Konstantstromes vom Tyristor übernommen werden kann.

Die gleiche Wirkung läßt sich erreichen, wenn in dieser Schaltung gemäß Fig. 6 statt des Thyristors 19 ein Transistor 10 verwendet wird.

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Claims

Dipl-Phys. M. Becker 7000 sm^ 70

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Patentanwaltin

Witte & Sutor, GmbH 7157 Murrhardt

PATENTANSPRÜCHE

. Schaltungsanordnung für ein schnelles Aufladen von wiederaufladbaren Batterien aus dem Netz, mit einem Vorwiderstand (1; 2) und einem Brückengleichrichter (4) zur Abgabe eines praktisch konstanten Stromes an die aufzuladende Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Batterie (6) eine nicht lineare spannungsabhängige Schaltung (7) mit negativer Widerstandskennlinie angeordnet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare spannungsabhängige Schaltung (7) ein aktives Bauelement (10; 17; 19) enthält.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, | daß die nichtlineare spannungsabhängige Schaltung (7) aus einem Spannungsteiler (12, 13; 15, 13) und als aktivem Bauelement einem dazu parallel geschalteten Transistor (10) in Emitterschaltung und einem Arbeitswiderstand (11) besteht.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einem Festwiderstand (12) und einem veränderbaren Widerstand (13) besteht.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einem veränderbaren Widerstand (13) und einer Zenerdiode (15) besteht.

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6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitswiderstand des Transistors (10) eine Licht emittierende Diode (16) ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare spannungsabhängige Schaltung (7) aus einem Spannungsteiler (12, 13 bzw. 15, 13) und als aktivem Bauelement einem dazu parallel geschalteten Transistor (17) in Kollektorschaltung mit einer Licht emittierenden Diode (16) als Arbeitswiderstand besteht.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Bauelement ein Thyristor (19) ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Bauelement eine Darlington Transistorstufe ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Bauelement ein Operationsverstärker ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Übernahmestromes zwischen Diode (16) und dem aktiven Bauelement ein Widerstand (18) eingeschaltet ist.

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