DE3630421C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Batterie-Ladegerät
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 30 41 202 A1).
Die Verwendung von tragbaren Geräten, die mit einer
eingebauten, wiederaufladbaren Batterie betrieben werden,
nimmt zu. Dies bedeutet zugleich eine Zunahme des
Bedarfs an Batterie-Ladegeräten, die von einer Gleichspannungsquelle,
etwa einer Autobatterie oder dgl.,
also netzunabhängig, aufgeladen werden können. In den letzten
Jahren werden zunehmend Batterien verwendet, deren
Ladespannung der Klemmenspannung einer Autobatterie
entspricht oder größer als diese ist. Um ein Aufladen
von Batterien unter Verwendung solcher Spannungsquellen
zur verwenden, wurden bereits Batterie-Ladegeräte mit
einem Aufwärts-Transformator vorgeschlagen, beispielsweise
ist ein solches Batterie-Ladegerät in der US-PS
35 94 627 gezeigt. Der Aufwärtstransformator, wie er bei
dem Stand der Technik verwendet wird, hat eine Primärwicklung,
die mit der Gleichspannungsquelle über einen
Schalttransistor gekoppelt ist, eine Sekundärwicklung,
die mit der zu ladenden Batterie gekoppelt ist und eine
Rückkopplungswicklung, die mit dem Schalttransistor
einen Schaltkreis bildet. Der Schalttransistor wird
durch einen geeigneten Schwingkreis so gesteuert, daß er
alternierend ein- und ausschaltet und so eine induzierte
Spannung über der Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators
aufbaut.
Eine typische Anordnung des vorbekannten Batterie-
Ladegeräts ist beispielhaft in Fig. 3 der Zeichnungen
erläutert. Dabei wird eine Gleichspannungsquelle S mit
der zu ladenden Batterie über einen Aufwärtstransformator
T verbunden, der eine Primärwicklung L1, eine Sekundärwicklung
L2 und eine Rückkopplungswicklung L3 aufweist.
Die Primärwicklung L1 nimmt den Strom von der
Gleichspannungsquelle S während des Betriebs des
Schalttransistors Q auf. Der Schalttransistor Q bildet
mit einem Startwiderstand R1, einem Widerstand R2, einem
Kondensator C und der Rückkopplungswicklung L3 einen
Sperrschwinger, der den Transistor Q mit einer geeigneten
Frequenz alternierend ein- und ausschaltet. Der
Sperrschwinger liefert einen unterbrochenen Strom an
die Primärwicklung L1 des Aufwärtstransformators T,
welcher mit der Induzierung einer erhöhten Spannung
über der Sekundärwicklung L2 antwortet. Die sich ergebende
Wechselspannung wird sodann von einer Halbwellengleichrichterdiode
D gleichgerichtet, um über die Batterie B
zur Einspeisung eines Ladestroms in diese gelegt
zu werden. Diese vorbekannte Schaltungsanordnung
hat jedoch den Nachteil, daß der Energieverlust mit dem
Anstieg der zum Laden erforderlichen induzierten Spannung
ansteigt. Dies ergibt sich unmittelbar aus der
folgenden Gleichung, die den Energieverlust Ws in dem
Aufwärtstransformator angibt:
Ws = (1-η)E0I0 = (1-η)E1I1/η,
wobei E0 die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle
S, I0 einen in die Primärwicklung L1 fließenden Strom, E1
die über die Sekundärwicklung L2 induzierte Spannung,
I1 den Ladestrom zu der Batterie B und η den Wirkungsgrad
des Transformators angibt. Es ergibt sich aus
dieser Gleichung, daß der Energieverlust Ws mit der
erforderlichen induzierten Spannung E1 direkt proportional
ist. Der Anstieg der induzierten Spannung erfordert
weiter, daß der Transformator eine große Leistungsfähigkeit
hat und daher groß und in der Herstellung
teuer ist.
In der DE 30 41 202 A1 wird eine modifizierte Sperrwandlerschaltung
vorgeschlagen, bei der von der Sekundärwicklung
des Wandlers eine gegebenenfalls unter Steuereinfluß stehende
Verbindungsleitung zum Eingangspotential zurückgeführt
ist. Im Aufwärtsregelbereich bei relativ zur Ausgangsspannung
kleinerer Eingangsspannung gelangt so ein Teil der zu
übertragenden Energie über diese Verbindungsleitung auf die
Sekundärseite, während im Abwärtsregelbereich bei mit Bezug
auf die Ausgangsspannung größerer Eingangsspannung der
Sperrwandlerbereich, also der Energiefluß von der Primärwicklung
zur Sekundärwicklung auch völlig unterbrochen sein
kann.
Diese Schaltungsanordnung ist jedoch zum einen noch verbeserungsfähig,
zum anderen ist sie schaltungstechnisch recht
aufwendig.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein
Batterie-Ladegerät der eingangs genannten Art zu schaffen,
das bei einfacherem Aufbau eine Beschädigung der Batterie
beim Laden durch Überlastung und/oder Überladung verhindert.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einem Batterie-
Ladegerät nach Anspruch 1 gelöst.
Dabei ist ein
Gatter so angeordnet,
daß es den Betrieb des Gleichspannungs-Wandlers
solange unterbricht, wie die Klemmenspannung der
Gleichspannungsquelle die jeweilige Spannung über der
zu ladenden Batterie übersteigt, oder aber wenn die
Batterie über das vorgegebene Maß hinaus überladen ist.
Aufgrund der Verwendung des Gatters
bleibt die Batterie frei von der Aufnahme eines unerwünschten
Überstroms und wird weiter vor einer Überladung
geschützt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert
wird. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild eines Batterie-Ladegerätes
nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein Wellenformbild, das die Betriebsweise
des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
verdeutlicht; und
Fig. 3 ein Schaltbild eines vorbekannten Batterie-
Ladegerätes.
Fig. 1 zeigt ein Batterie-Ladegerät nach einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, für das eine Auto-
Batterie oder eine Notstrom-Batterie als Gleichspannungsquelle
zum Aufladen einer wiederaufladbaren Batterie,
wie sie bei einer Vielzahl von tragbaren Geräten
verwendet werden, eingesetzt werden kann. Das Batterie-
Ladegerät weist einen Gleichspannungs-Wandler 40 auf,
der zwischen einer Gleichspannungsquelle S2 und einer
aufzuladenden, wiederaufladbaren Batterie B2 angeordnet
ist. Der Gleichspannungs-Wandler 40 weist einen Transformator
50 auf, der eine mit der Gleichspannungsquelle
S2 verbundene Primärwicklung 51, eine mit der
Batterie B2 verbundene Sekundärwicklung 52 und eine
Rückkopplungswicklung 53 aufweist. Der Gleichspannungs-
Wandler 40 weist weiter einen in Serie mit der Primärwicklung
51 des Transformators 50 in Serie liegenden
Schalttransistor 61 und eine zwischen der positiven
Seite der Batterie B2 und dem einen Ende der Sekundärwicklung
52 des Transformators 50 geschaltete gleichgerichtete
Diode 41 auf. Der Schalttransistor 61 arbeitet
mit der Primärwicklung 51, der Rückkopplungswicklung
53, einem RC-Netzwerk eines Startwiderstandes 65,
eines Widerstandes 66 und eines Kondensators 67 unter
Bildung eines Sperrschwingers 60 (der an sich bekannt
ist) zusammen, so daß der Schalttransistor 61 alternierend
ein- und ausgeschaltet wird mit einer Frequenz,
die durch die RC-Konstante des Schaltkreises bestimmt
ist.
Die Sekundärwicklung 52 ist elektrisch in Serie mit der
Gleichspannungsquelle S2 über eine Leitung A2 geschaltet,
so daß die Batterie B2 den Ladestrom von der
addierten Spannung aus der induzierten Spannung und der
Spannung der Gleichspannungsquelle S2 erhält. Der verwendete
Transformator 50 ist ein Abwärtstransformator,
dessen Ausgang der Gleichspannungsquelle S2 aufaddiert
wird, so daß eine Gesamtspannung erzeugt wird, die
größer ist als die Spannung der Gleichspannungsquelle
S2. Eine Serienkombination einer Leuchtdiode 42 und
eines Widerstands 43 liegt über der Sekundärwicklung
52, wobei die Kathode der Diode 42 mit der Anode der
Gleichrichterdiode 41 verbunden ist, so daß die Leuchtdiode
42 in jedem Halbzyklus der über der Sekundärwicklung
52 liegenden induzierten Gleichspannung oder dann,
wenn die induzierte Spannung der Spannung der Gleichspannungsquelle
S2 entgegengerichtet ist, leuchtet. Auf
diese Weise kann jeder Halbzyklus, in dem die induzierte
Spannung nicht auf die Spannung der Gleichspannungsquelle
S2 aufaddiert wird, gut für die Anzeige des
Ladebetriebes verwendet werden.
Bei einer Schaltungsanordnung, bei der die Spannung der
Spannungsquelle S2 auf die induzierte Spannung zum
Laden der Batterie B2 aufaddiert wird, kann der Energieverlust
verglichen mit den vorbekannten Batterie-
Ladegeräten, bei denen lediglich die induzierte Spannung
des Abwärtstransformators zum Laden der Batterie
verwendet wird (siehe dazu Fig. 3), weitgehend reduziert
werden. Der Energieverlust Ws′ bei dem Laden der Batterie
B2 unter Verwendung des der Erfindung zugrundeliegenden
Gedankens kann durch folgende Gleichung dargestellt
werden:
Ws′ = E0I0 - (E1-E0)I0 = (1-η′)E0I0
= (1-η′) (E1-E0)I1/η′,
= (1-η′) (E1-E0)I1/η′,
wobei E0 die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle
S2, I0 den in die Primärwicklung 51 fließenden Strom, E1
die Klemmenspannung der zu ladenden Batterie B2 und
daher E1-E0 die über die Sekundärwicklung 52 sich entwickelnde
notwendige Spannung, I1 den Ladestrom der
Batterie und η′ den Wirkungsgrad des Transformators
angeben. Unter der Annahme, daß kein wesentlicher Unterschied
zwischen den Werten von η′ des Transformators
50 und η des bisher verwendeten Transformators besteht,
wird der Energieverlust Ws′ (E1-E0)/E1 mal geringer
sein als der Energieverlust Ws des vorbekannten Ladegerätes,
da E0 ≠ 0 ist. Auf diese Weise ermöglicht das
Batterie-Ladegerät nach der Erfindung ein Laden einer
Batterie unter Verwendung eines kleineren und leichteren
Transformators, was es ermöglicht, daß Batterie-
Ladegerät kompakter und kostengünstiger herzustellen.
Eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels kann vorsehen, daß
eine Überladungs-Anzeige vorgesehen ist, die vor
einer Überladung der Batterie B2 warnt.
Die
Überladungs-Anzeige ist eine Leuchtdiode, deren
Anode über einen Widerstand mit der positiven Seite
der Batterie B2 und deren Kathode mit dem Abschnitt der
Sekundärwicklung 52 verbunden ist, die dem mit der
Anode der Gleichrichterdiode 41 verbundenen Ende gegenüber
liegt. Wenn die Batterie B2 über ein durch den
Widerstand bestimmtes Maß überladen ist, wird der
Strom zu der Gleichspannungsquelle S2 von der Batterie
B2 über die Leitung A2, die die Sekundärwicklung 52 in
Serie mit der Gleichspannungsquelle S2 verbindet, zurückfließen,
was ein Aufleuchten der Anzeige-Diode
verursacht und so die unerwünschte Überladung anzeigt.
Dies ermöglicht es, den Überladungs-Zustand der zu
ladenden Batterie B2 zu erkennen, wobei dies einfach
durch die Verwendung einer Serienschaltung der Leuchtdiode
und des Widerstands, also durch kostengünstige
Elemente, ermöglicht wird, ohne daß zusätzliche,
teure Komponenten wie Transistoren oder Zenerdioden,
wie sie ansonsten für diesen Zweck verwendet werden, erforderlich
sind.
Es ist ein ODER-Gatter 81
vorgesehen, das den Gleichspannungs-Wandler 40
hemmt, wenn entweder die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle
S2 höher ist als die jeweilige Spannung
der Batterie B2 oder aber wenn diese Spannung eine
vorgegebene Vergleichsspannung übersteigt.
Dazu ist ein
Komparator 70 für den Vergleich zwischen der Klemmenspannung
der Gleichspannungsquelle S2 und der jeweiligen
Spannung der zu ladenden Batterie B2 vorgesehen.
Ein erstes Spannungsteiler-Netzwerk bestehend aus einem
Paar von über der Batterie B2 verschalteten Widerständen
71 und 72 liefert ein erstes Ausgangssignal, das
die jeweilige Batteriespannung angibt, und dem invertierenden
Eingang des Komparators 70 zugeführt wird,
während ein zweites Spannungsteiler-Netzwerk bestehend
aus einem Paar über der Gleichspannungsquelle S2 liegenden
Widerständen 73 und 74 ein zweites Ausgangssignal
liefert, das die Spannung der Spannungsquelle angibt
und an dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators
70 angelegt wird. Wenn die Klemmenspannung der
Gleichspannungsquelle S2 höher ist als die jeweilige
Spannung der Batterie B2, liefert der Komparator 70 über das ODER-Gatter 81 ein
hohes Ausgangssignal an die Basis eines Überbrückungstransistors
68, der zwischen dem Basis- und dem Emitter-Anschluß des
Schalttransistors 61 liegt, wobei ein hohes Signal den
Überbrückungstransistor 68 durchschaltet, wodurch der
Schalttransistor 61 gesperrt wird, was den Betrieb des
Gleichspannungs-Wandlers 40 durch Abbrechen der Schwingung
des Sperrschwingers 60 unterbricht. Wenn dies
auftritt, entwickelt der Transformator 50 keine induzierte
Spannung, so daß nur der Ladestrom aufgrund der
Spannungsdifferenz zwischen der höheren Gleichspannungsquelle
S2 und der Batterie B2 in die Batterie B2
fließt zur weiteren Ladung, bis die Spannung der Batterie
B2 den Spannungswert der Gleichspannungsquelle S2
erreicht. Wenn die Batterie B2 auf eine Spannung aufgeladen
ist, die der Spannung der Gleichspannungsquelle
S2 entspricht, addiert der Gleichspannungs-Wandler 40
die induzierte Spannung des Transformators 50 auf die
Gleichspannungsquelle S2 zum Liefern der Batterie B2
zuzuführenden Ladestroms.
Dies wird in den Wellenformbild von Fig. 2 verdeutlicht,
in dem der Ladestrom Ic zunächst aufgrund der
Spannungsdifferenz zwischen der Gleichspannungsquelle
S2 und der Batterie B2 graduell auf null abnimmt, wenn
die Batterie B2 bis auf den Spannungswert der Gleichspannungsquelle
S2 ansteigt (Zustand I). Der Ladestrom Ic steigt
dann plötzlich auf seinen maximalen Wert an bei Starten
des Gleichspannungs-Wandlers 40 und fällt graduell ab,
wenn die Batterie B2 weiter geladen wird auf einen
höheren Wert als den der Gleichspannungsquelle S2 (Zustand II).
Dieses Prinzip ermöglicht das direkte Laden
einer Batterie B2 durch eine Gleichspannungsquelle S2
ohne Verwendung des Gleichspannungs-Wandlers 40, wenn
eine ausreichende Differenz zwischen der Klemmenspannung
der Gleichspannungsquelle S2 und der jeweiligen
Spannung der Batterie B2 gegeben ist, wodurch die Batterie
B2 durch die Aufnahme eines übermäßigen Ladestroms
geschützt wird, der wahrscheinlich wäre, wenn
die induzierte Spannung bei Vorliegen einer solch
großen Spannungsdifferenz aufgegeben würde, was zu
einer Zerstörung oder jedenfalls zu einer Beschädigung
der Batterie B2 führen würde.
Ein Gleichspannungs-Netzwerk bestehend aus einer Zenerdiode
75 und einem Widerstand 76 liegt über der Gleichspannungsquelle
S2 unter Schaffung einer festen Vergleichsspannung,
die dem invertierenden Eingang eines
weiteren Komparators 80 zugeführt wird. An dem nicht-
invertierenden Eingang des weiteren Komparators 80
liegt die für die jeweilige Spannung der Batterie B2
repräsentative Spannung zwischen den Widerständen 71
und 72 des ersten Spannungsteiler-Netzwerks. Der weitere
Komparator 80 liefert so ein hohes Signal an den Eingang
des ODER-Gatters 81, wenn die Spannung der Batterie
B2 die feste Bezugsspannung, die durch die Zenerdiode
75 bestimmt wird, übersteigt. Dies gibt an, daß die Batterie
B2 überladen ist. Der andere Eingang des ODER-Gatters
81 ist mit dem Komparator 70 verbunden, der die Klemmenspannung
der Gleichspannungsquelle S2 mit der jeweiligen
Spannung der Batterie B2 vergleicht, wie dies
oben beschrieben worden ist, so daß das ODER-Gatter 81
ein hohes Signal an die Basis des Überbrückungstransistors
68 anlegt, wenn entweder die Batterie B2 in einem
Überladungszustand ist oder aber wenn die Gleichspannungsquelle
S2 eine Spannung hat, die höher ist als die
jeweilige Spannung der Batterie B2. In Antwort auf ein
solches hohes Signal bewirkt der Überbrückungstransistor
68
eine Unterbrechung des Betriebs
des Gleichspannungs-Wandlers 40, wodurch einerseits
vermieden wird, daß ein zu hoher Strom in die Batterie
B2 einfließt und zum anderen das Abgeben einer weiteren
Spannung oder eines weiteren Ladestroms auf die voll
geladene Batterie vermieden wird, wodurch eine sichere
Beendigung des Ladevorgangs sichergestellt wird. Auf
diese Weise kann die Batterie B2 davor geschützt werden,
einen zu hohen Ladestrom aufzunehmen oder aber
überladen zu werden, was beides die Batterie B2 beschädigen
könnte und daher auszuschließen ist.
Claims (3)
1. Batterie-Ladegerät zum Laden einer Batterie (B2)
von einer Gleichspannungsquelle (S2),
mit einem zwischen die Gleichspannungsquelle (S2)
und die zu ladende Batterie (B1, B2, B3) geschalteten
Gleichspannungs-Wandler (40), wobei der
Gleichspannungs-Wandler (40)
- - einen Transformator (50), dessen Primärwicklung (51) mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist und dessen Sekundärwicklung (52) mit der Batterie (B2) verbunden ist,
- - einen in Reihe mit der Primärwicklung (51) des Transformators (50) liegenden Schalttransistor (61), der zur Entwicklung einer induzierten Wechselspannung über der Sekundärwicklung (52) alternierend ein- und ausgeschaltet wird und
- - ein die induzierte Wechselspannung gleichrichtendes Gleichrichtmittel (41) zur Lieferung eines Ladestromes an die Batterie (B2)
aufweist,
wobei Steuermittel (70, 80, 81) zum
Hemmen des Gleichspannungs-Wandlers (40) vorgesehen sind und
die Sekundärwicklung (52) in Reihe mit der Gleichspannungsquelle (S2)
derart geschaltet ist, daß die
induzierte Spannung des Transformators (50) sich auf
die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle (S2)
aufaddiert,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - ein Überbrückungstransistor (68) vorgesehen ist, der zwischen dem Basis- und dem Emitter-Anschluß des Schalttransistors (61) liegt,
- - ein erster Komparator (70) vorgesehen ist, der die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle (S2) mit der jeweiligen Spannung über der Batterie (B2) vergleicht zur Schaffung eines ersten Ausgangssignals, wenn die erstgenannte Spannung die letztgenannte Spannung übersteigt,
- - ein zweiter Komparator (80) vorgesehen ist, der die Klemmenspannung der Batterie (B2) mit einer vorgegebenen Vergleichsspannung vergleicht zur Schaffung eines zweiten Ausgangssignals, wenn die erstgenannte Spannung die letztgenannte Spannung übersteigt und
- - ein Gatter (81) vorgesehen ist, das mit dem ersten und zweiten Komparator (70, 80) verbunden ist zur Lieferung eines Steuersignals auf die Basis des Überbrückungstransistors (68) bei Vorliegen entweder des ersten oder des zweiten Ausgangssignals, wobei der Überbrückungstransistor (68) in Abhängigkeit von dem Steuersignal den Basis/Emitter-Weg des Schalttransistors (61) überbrückt und so die Schwingung des Gleichspannungs- Wandlers (40) hemmt.
2. Batterie-Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gleichrichtmittel (41)
eine Halbwellen-Gleichrichterdiode ist, deren Anode mit
dem einen Ende der Sekundärwicklung (52) des
Transformators (50) und deren Kathode mit der
positiven Seite der Batterie (B2) verbunden
ist, und weiter eine Überladungs-Anzeige, bestehend aus
einer Leuchtdiode, vorgesehen ist, deren Anode
über einen Widerstand mit der positiven Seite der
Batterie (B2) verbunden ist und deren Kathode
mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung (52)
des Transformators (50) derart verbunden ist,
daß ein optisches, einen von der zu ladenden Batterie
(B2) zu der Gleichspannungsquelle (S2)
fließenden Rückstrom anzeigendes Signal erzeugt wird,
wenn die Batterie (B2) auf einen Spannungswert
aufgeladen ist, der oberhalb eines Spannungswertes
liegt, der durch den in Reihe mit der Leuchtdiode
liegenden Widerstand bestimmt wird.
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