DE3525061A1 - Ladenetzwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzwerk zum Anlegen einer Akkumulatoren-Batterie, insbesondere einer Batterie von Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, bei Ausfall einer elektri­ schen Betriebsspannung als Pufferstromquelle an eine batteriegepufferte Schaltungsanordnung bzw. Schaltungsteile, wie Speicherbausteine in Mikrorechnersystemen, und zum Laden dieser Akkumulatoren während des Normalbetriebes aus der elektrischen Versorgungs-Spannungsquelle über der Kapazität der Akkumulatoren angepaßte, den Ladestrom begrenzende Schaltungsteile.

Die meisten der modernen Mikrorechnersysteme enthalten u. a. batteriegepufferte Speicherbausteine. Diese dienen in der Regel dazu, bei Stromausfällen die gerade an­ liegenden Zustände der zentralen Rechnereinheit zu speichern, um nach Rückkehr der Spannungsversorgung ohne Datenver­ luste weiterrechnen zu können. Weitere Anwendungsfälle sind die Speicherung von Geräteeinstellungen nach dem Ausschalten. Meist nimmt man als Pufferbatterie eine Batterie aus wiederaufladbaren Akkumulatoren, insbesondere Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Um diese Akkumulatoren auf einem bestimmten Ladezustand zu halten, werden sie zweck­ mäßigerweise einer Dauerladung unterworfen. Hierzu ist ein von der Kapazität des Akkumulators abhängiger maximal zulässiger Ladestrom festzulegen. Bei einem Akkumulator mit einer Kapazität von 100 mAh ist der zulässige Ladestrom mit beispielsweise 1 mA anzusetzen. Bei den bekannten Lade­ schaltungen für solche Pufferbatterien, insbesondere aus Nickel-Cadmium-Akkumulatoren ist die Auswahl eines geeig­ neten Ladestromes für die Akkumulatoren problematisch.

Wird der Ladestrom zu groß gewählt, kommt es zu Schädigungen der Akkumulatoren im Dauerbetrieb. Wird andererseits der Ladestrom zu gering gewählt, kommt es nur zu ungenügendem Aufladen der Akkumulatoren, und es können bei kurzen Be­ triebszeiten längere Stromausfälle nicht überbrückt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Ladenetzwerk der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß sowohl ein genügendes und schnelles Aufladen der Akkumula­ toren in der Pufferbatterie nach Stromausfällen sicherge­ stellt ist, so daß die Pufferbatterie sehr schnell wieder geeignet ist, einen weiteren, längeren Stromausfall zu überbrücken, wobei andererseits sichergestellt sein soll, daß bei langzeitigem Betrieb bzw. Dauerbetrieb kein Über­ laden und damit Schädigung der Akkumulatoren eintritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die im Ladenetzwerk vorgesehenen, den Ladestrom begrenzenden Schaltungsteile zwei interne, d. h. in der Baugruppe be­ findliche, und bzw. oder externe, d. h. von der Baugruppe aus gesteuerte, unterschiedliche Konstantstromquellen ent­ halten, von welchen die eine Konstantstromquelle für die Abgabe eines auf die Kapazität der Akkumulatoren abge­ stimmten Dauerladestroms und die zweite Konstantstromquelle für die Abgabe eines gegenüber diesem Dauerladestrom wesent­ lich erhöhten Kurzladestromes ausgebildet sind, und daß eine zeitgesteuerte Umschalteinrichtung für die beiden Konstantstromquellen im Ladestromkreis für den Akkumulator bzw. die Akkumulatoren der Batterie angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Ladenetzwerk beruht auf dem Prinzip, den zu ladenden Akkumulator bzw. die zu ladenden Akkumula­ toren nach jedem Einschalten zunächst eine kurze Zeit mit einem relativ hohen Kurzladestrom zu laden und dann mittels der zeitgesteuerten Umschalteinrichtung den Ladestrom auf den für Dauerladung geeigneten Strom zu reduzieren. Dieses Prinzip könnte auch allgemein für das Laden von Akkumula­ toren (Konsumelektronik) angewandt werden, um beispielsweise Monozellen vor Überladung zu schützen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die zeitgesteuerte Umschalteinrichtung eine an die Ver­ sorgungsspannungsquelle gelegte, elektronische, integrierte Schaltung, die bei jedem Wegfall der Versorgungsspannung in ihren Ausgangszustand zurückgesetzt wird und auf eine vorher festgelegte Schaltzeit programmiert bzw. programmier­ bar ist, wobei die Umschalteinrichtung ferner einen von dieser integrierten Schaltung betätigten Schalter enthält, der bei rückversetztem Zustand der integrierten Schaltung die Konstantstromquelle für Kurzladestrom und bei Ablauf der einprogrammierten Zeit die Konstantstromquelle für Dauerladestrom in den Ladestromkreis des Akkumulators bzw. der Akkumulatoren schaltet.

Um das erfindungsgemäße Ladenetzwerk in Verbindung mit verschiedener Anzahl von Akkumulatoren benutzen zu können, empfiehlt es sich, die Konstantstromquellen für wahlweisen Anschluß an verschiedene elektrische Versorgungsspannungen, beispielsweise 5 V und 15 V auszubilden. Das Ladenetzwerk kann dann ohne Änderung der Beschaltung je nach Anzahl der zu ladenden Akkumulatoren an die eine oder andere Versor­ gungsspannung gelegt werden. Zum Schutz der zu betreibenden Schaltungsanordnung bzw. Schaltungsteile, wie Speicherbau­ steine vor Überspannung bei fehlerhaftem Einbau der Puffer­ stromquelle kann in dem erfindungsgemäßen Ladenetzwerk eine auf die Betriebsspannung der batteriegepufferten Schaltungsanordnung abgestimmte Pufferstromquelle, d. h. der Akkumulatorbatterie vorgesehen sein.

In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist das erfindungsge­ mäße Ladenetzwerk in Form einer aufrecht stehenden Dick­ schicht-Schaltungseinheit mit Lötanschlüssen an der Unter­ seite ausgebildet. Dadurch läßt sich das erfindungsgemäße Ladenetzwerk in einfacher Weise innerhalb von Schaltungsan­ ordnungen, beispielsweise Mikrorechnersysteme, wie jede andere Schaltungseinheit anbringen. Beispielsweise kann hierzu das erfindungsgemäße Ladenetzwerk in Form einer aufrechtstehenden, gedruckten Schaltungsplatte mit an der Oberfläche montierten elektrischen Bauelementen und Löt­ anschlüssen an der Unterseite ausgebildet sein. Anstelle der Lötanschlüsse können auch Steckkontakte an der Unter­ seite der Ladenetzwerkeinheit vorgesehen sein. Zum Schutz und für gute Handhabbarkeit beim Einbau empfiehlt es sich, daß die erfindungsgemäße Ladenetzwerk-Einheit durch Ver­ gießen bzw. Umgießen mit elektrisch isolierendem Kunststoff zu einer handhabbaren, geschlossenen und elektrisch iso­ lierten Einheit geformt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ladenetzwerkes und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ladenetzwerk-Einheit in perspektivischer Darstellung.

Das in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 gezeigte Lade­ netzwerk 10 ist dazu gedacht, in moderne Mikrorechnersysteme oder sonstige batteriegepufferte Schaltungsanordnungen bzw. Schaltungsteile enthaltende Geräte eingebaut zu werden. Ein besonderer Benutzungsfall des Ladenetzwerks 10 ist beim Entwickeln von Speicherkarten. Hierbei ist das Lade­ netzwerk geeignet, dem Entwickler von Speicherkarten alle Probleme der Ladung von Akkumulatoren, sowie der Umschaltung von Netzbetrieb auf Batteriebetrieb und umgekehrt abzu­ nehmen.

Äußerlich ähnelt das Ladenetzwerk 10 in seiner dargestellten Ausführungsform einem Widerstandsnetzwerk. Es ist in der dargestellten Ausführungsform in Art einer aufrechtstehenden, gedruckten Schaltungsplatte 11 mit an der Oberfläche montier­ ten elektrischen Bauelementen 12 und Lötanschlüssen oder Steckkontakten 13 an der Unterseite ausgebildet. Die Gesamt­ heit der gedruckten Schaltungsplatte 11 und der Bauelemente 12 ist mit elektrisch isolierendem Kunststoff umgossen und bildet dadurch eine handhabbare, geschlossene und elek­ trisch isolierte Einheit, die in der jeweiligen Schaltungs­ anordnung durch Einlöten bzw. Einstecken anzubringen ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, enthält das Ladenetzwerk 10 zwei Konstantstromquellen 21 und 22, von welchen die Kon­ stantstromquelle 22 für den gemäß der Kapazität der zu ladenden Akkumulatoren berechneten Dauerladestrom und die Konstantstromquelle für die Erzeugung eines wesentlich höheren Kurzladestromes oder Grundladestromes ausgelegt sind. Die beiden Konstantstromquellen 21 und 22 sind mit ihren Eingängen parallel zueinander an einen Anschluß 23 für die zum Laden der Akkumulatoren zu benutzende Versorgungs­ spannung gelegt, während die Ausgänge der Konstantstrom­ quellen 21 und 22 an einen Umschalter 24, vorzugsweise elektronischer Art, gelegt sind, mit dem wahlweise ent­ weder die Konstantstromquelle 21 oder die Konstantstrom­ quelle 22 an einen Anschluß 25 für die als Pufferstrom­ quelle benutzte Akkumulatorenbatterie 26 gelegt wird. Der Umschalter 24 wird betätigt durch einen sich selbsttätig zurücksetzenden Zeitgeber 27, der in Art einer integrierten elektronischen Schaltung ausgebildet ist und an die Anschlußklemme 28 für die Betriebsspannung gelegt ist. Der elektronische Zeitgeber 27 ist so ausgebildet, daß er in seinem ersten Betriebszustand den Umschalter 24 in die eine und in seinem zweiten Betriebszustand die zweite Schaltstellung legt. Ferner ist der elektronische Zeitgeber 27 dazu ausgebildet, bei Einschalten der Betriebsspannung seinen ersten Betriebszustand einzunehmen und nach Ablauf einer durch die Schaltungsdimensionierung festgelegten und bzw. oder von außen elektrisch beeinflußbaren Zeit in den zweiten Betriebszustand überzugehen. Bei jedem erneuten Einschalten der Betriebsspannung geht der elektronische Zeitgeber 27 selbsttätig in seinen ersten Betriebszustand zurück. Die Konstantstromquellen 21 und 22 sind derart mit dem Umschalter 24 verbunden, daß im ersten Betriebszustand des elektronischen Zeitgebers 27 die Konstantstromquelle 21 für Kurzladestrom bzw. Grundladestrom an die Anschlußklemme 25 für die Akkumulatorbatterie 26 gelegt ist, während bei Übergang des elektronischen Zeitgebers 27 in seinen zweiten Betriebszustand der Umschalter 24 so umgelegt wird, daß dann die Konstantstromquelle 22 an die Anschlußklemme 25 gelegt wird. Das Ladenetzwerk 10 enthält ferner einen selbst­ tätigen Umschalter 29, der mit seinem einen Kontakt an die Anschlußklemme 28 für die Betriebsspannung, seinem zweiten Kontakt an die Anschlußklemme 25 für die Akkumulatoren­ batterie 26 und mit seinem zwischen diesen beiden Kontakten umlegbaren Mittelkontakt an die Anschlußklemme 30 für die zu betreibende Schaltungsanordnung oder Schaltungsteile, beispielsweise Speicherbausteine, gelegt ist. Der selbst­ tätige Umschalter 29 stellt bei Vorhandensein der Betriebs­ spannung selbsttätig die Verbindung zwischen den Anschluß­ klemmen 28 und 30 her, während die Verbindung zwischen den Anschlußklemmen 25 und 30 unterbrochen ist. Bei Wegfall der Betriebsspannung bzw. Absinken der Betriebsspannung unter einen vorher festgelegten Wert geht der Umschalter 29 in die andere Schaltstellung über, in welcher die Anschluß­ klemmen 25 und 30 miteinander verbunden sind, so daß die batteriegepufferte Schaltungsanordnung bzw. Schaltungsteile wie Speicherbausteine an die Pufferstromquelle d. h. die Akkumulatorenbatterie 26 gelegt ist.

Im dargestellten Beispiel enthält die als Pufferstrom­ quelle vorgesehene Akkumulatorenbatterie 26 drei Nickel- Cadmium-Akkumulatoren, die in Reihe hintereinander ge­ schaltet sind, während die Betriebsspannung für die batterie­ gepufferte Schaltungsanordnung beispielsweise 5 V beträgt. Die Betriebsspannung von 5 V würde jedoch nicht zum Laden der drei hintereinandergeschalteten Nickel-Cadmium-Akku­ mulatoren ausreichen. Man wird daher in solchem Fall die Betriebsspannung von 5 V an die Anschlußklemme 28 und eine höhere Versorgungsspannung, beispielsweise von 15 V an die Anschlußklemme 23 legen. Selbst wenn die angelegte Ver­ sorgungsspannung mit 15 V für das Laden von drei hintereinander­ geschalteten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren zu hoch wäre, gewährleisten die beiden Konstantstromquellen 21 und 22, daß nicht mehr als der vorgesehene Kurzladestrom bzw. der vorgesehene Dauerladestrom auf die Akkumulatorbatterie 26 gegeben wird. Sofern die Akkumulatorenbatterie 26 in vollständig geladenem Zustand eine höhere Spannung als die vorgesehene Betriebsspannung von 5 V auf die Anschlußklemme 30 und von dort auf die batteriegepufferte Schaltungsan­ ordnung geben könnte oder bei Absinken der Betriebsspannung unterhalb einen vorher festgelegten Wert, noch eine höhere Versorgungsspannung über die eine oder andere Konstantstrom­ quelle 21 bzw. 22 auf der Anschlußklemme 25 liegen könnte, ist zur Sicherung der batteriegepufferten Schaltungsan­ ordnung eine Zehnerdiode 31 in Parallelschaltung zum An­ schluß 25 der Akkumulatorbatterie 26 vorgesehen. Diese Zehnerdiode gewährleistet, daß bei Umlegen des automati­ schen Umschalters 29 zum Verbinden der Anschlußklemme 25 mit der Anschlußklemme 30 nicht eine für die an die Klemme 30 angeschlossene Schaltungsanordnung gefährliche, hohe elektrische Spannung angelegt werden kann. Dies hat auch Bedeutung, wenn die als Pufferstromquelle benutzte Akku­ mulatorbatterie 26 fehlerhaft angeschlossen wird oder eine Akkumulatorbatterie mit zu großer Klemmenspannung be­ nutzt wird.

Wenn eine Akkumulatorbatterie 26 mit solcher Klemmenspannung bzw. solcher Anzahl von Akkumulatoren benutzt wird, daß die Betriebsspannung von beispielsweise 5 V zum Laden der Akkumulatorbatterie 26 ausreicht, dann kann durch Ein­ setzen einer elektrischen Leiterbrücke 32 eine Parallel­ schaltung an den Anschlußklemmen 23 und 28 vorgenommen werden.

Gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel können jegliche für den gegebenen Anwendungsfall geeigneten Ab­ wandlungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann im Unter­ schied zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform das Ladenetzwerk auch als Einheit in Art einer Dickschicht- Schaltung ausgeführt werden, die an ihrer Unterseite mit Lötanschlüssen versehen ist.

An Stellen der aufrecht stehenden Anbringungsweise kann die Ladenetzwerk-Einheit 10 auch für liegende Anordnung ausgebildet sein, wobei die Lötanschlüsse bzw. die Steck­ kontakte 13 entlang mehrerer Kanten angeordnet sein können.

Das Ladenetzwerk kann auch so eingerichtet sein, daß an die Umschalteinrichtung d. h. die integrierte Zeitgeberschaltung 27 und dem Umschalter 24 Einrichtungen zu Anzeigen des jeweils herrschenden Schaltzustandes angeschlossen werden können. Hierzu kommt eine LED oder ein Anzeigeinstrument oder auch eine externe Alarmeinrichtung in Betracht.

Ferner kann der selbsttätig zurücksetzende Zeitgeber 27 mit Anschlüssen an der Ladenetzwerk-Einheit verbunden sein, um die Schaltzeit des Zeitgebers von außen elektrisch be­ einflussen zu können.

Auch der Umschalter 24 kann mit zusätzlichen Anschlüssen an der Ladenetzwerk-Einheit verbunden sein, die es ermög­ lichen, den im Ladenetzwerk erzeugten Umschaltvorgang und Rücksetzvorgang zur Steuerung eines oder mehrerer Paare von externen Konstantstromquellen zu benutzen. Dies ist von Bedeutung, wenn größere Akkumulatoren zu laden sind, die Konstantstromquellen benötigen, welche sich nicht in der Ladenetzwerk-Einheit unterbringen lassen.

• Bezugszeichenliste
  10 Ladenetzwerk
  11 Schaltungsplatte
  12 Bauelement
  13 Steckkontakte
  21 Konstantstromquelle
  22 Konstantstromquelle
  23 Anschluß
  24 Umschalter
  25 Anschluß
  26 Akkumulatorbatterie
  27 Zeitgeber
  28 Anschlußklemme
  29 Umschalter
  30 Anschlußklemme
  31 Zehnerdiode
  32 Leiterbrücke

Claims (9)

1.) Netzwerk zum Anlegen einer Akkumulatoren-Batterie, ins­ besondere einer Batterie von Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, bei Ausfall einer elektrischen Betriebsspannung als Pufferstromquelle an eine batteriegepufferte Schaltungs­ anordnung bzw. Schaltungsteile, wie Speicherbausteine von Mikrorechnersystemen, und zum Laden dieser Akku­ mulatoren während des Normalbetriebes aus der elek­ trischen Versorgungs-Spannungsquelle über der Kapazi­ tät der Akkumulatoren angepaßte, den Ladestrom be­ grenzende Schaltungsteile, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ladestrom begrenzenden Schaltungsteile zwei interne, d. h. in der Baugruppe befindliche, und bzw. oder zwei externe, d. h. von der Baugruppe aus gesteuerte, unterschiedliche Konstantstromquellen enthalten, von welchen die eine Konstantstromquelle (22) für die Abgabe eines auf die Kapazität der Akkumulatoren (26) abgestimmten Dauerladestromes und die zweite Konstant­ stromquelle (21) für die Abgabe eines gegenüber diesem Dauerladestrom wesentlich erhöhten Kurzladestromes aus­ gebildet sind, und daß eine zeitgesteuerte Umschaltein­ richtung (27, 24) für die beiden Konstantstromquellen (21, 22) im Ladestromkreis für den Akkumulator (26) bzw. die Akkumulatoren der Batterie angeordnet ist.

2.) Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitgesteuerte Umschalteinrichtung eine an die Ver­ sorgungsspannungsquelle gelegte elektronische, inte­ grierte Schaltung (27), die bei jedem erneuten Ein­ schalten der Versorgungsspannung in ihren Ausgangszu­ stand zurückgesetzt wird und in ihrer Schaltungsdimen­ sionierung auf eine vorher festgelegte Schaltzeit ein­ gestellt und bzw. oder von außen zur Einstellung einer Schaltzeit beeinflußbar ist, und einen von dieser integrierten Schaltung (27) betätigten Umschalter (24) enthält, der bei Ausgangszustand der integrierten Schaltung (27) die Konstantstromquelle (21) für Kurz­ ladestrom und bei Ablauf der festgelegten und bzw. oder von außen elektrisch beeinflußten Schaltzeit die Konstantstromquelle (22) für Dauerladestrom in den Ladestromkreis des Akkumulators bzw. der Akkumulatoren schaltet.

3.) Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquellen (21, 22 ) für wahlweisen Anschluß an verschiedene elektrische Versorgungsspannungen, beispielsweise 5 V und 15 V, ausgebildet sind.

4.) Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine auf die Betriebsspannung der batteriegepufferten Schaltungsanordnung abgestimmte Zehnerdiode (31) in Parallelschaltung zum Anschluß der Akkumulatorbatterie (26) vorgesehen ist.

5.) Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an die Umschalteinrichtung (integrierte Schaltung 27 und Umschalter 24) Einrichtungen zum signalisieren des Schaltzustandes nach außen, z. B. eine LED, ein Anzeigeinstrument oder eine externe Alarmein­ richtung, angeschlossen sind.

6.) Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ladenetzwerk in Form einer aufrecht stehend oder liegend anzuordnenden Dickschicht- Schaltungseinheit mit Lötanschlüssen entlang einer oder mehrerer Kanten ausgebildet ist.

7.) Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ladenetzwerk (10) in Form einer aufrecht stehend oder liegend anzuordnenden gedruckten Schaltungsplatte (11) mit an der Oberfläche oder an beiden Oberflächen montierten elektrischen Bauelementen (12) und Lötanschlüssen entlang einer oder mehrerer Kanten ausgebildet ist.

8.) Netzwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Steckkontakte (13) anstelle von Lötanschlüssen ent­ lang einer oder mehrerer Kanten der Netzwerkeinheit vorgesehen sind.

9.) Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ladenetzwerk-Einheit (10) durch Vergießen bzw. Umgießen mit elektrisch isolierendem Kunststoff zu einer handhabbaren, geschlossenen und elektrisch isolierten Einheit geformt ist.