DE2902894A1

DE2902894A1 - Akkumulatorladegeraet

Info

Publication number: DE2902894A1
Application number: DE19792902894
Authority: DE
Inventors: Helmut A Dipl Phys Heine; Otto-H Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Heine Optotechnik KG
Current assignee: Heine Optotechnik KG
Priority date: 1979-01-25
Filing date: 1979-01-25
Publication date: 1980-07-31
Also published as: GB2047025A; GB2047025B; US4327317A; CA1144985A; DE2902894C2; CH650620A5; FR2447630A1; FR2447630B1

Description

Akkumulatorladegerät

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Akkumulatorladegerät, bei dem eine Bezugsspannung und die Akkumulatorspannung auf ein Vergleichsglied geführt sind, mit einer dem Akkumulator vorgeschalteten Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Halbleiterschalter, dessen Steueranschluß an den Ausgang des Vergleichsgliedes angeschlossen ist.

Für den medizinischen Bedarf gibt es eine Vielzahl von diagnostischen Handinstrumenten, die zur Ausleuchtung von Körperhöhlen mit Kleinstglühlampen bestückt sind. Als Energiequelle für den Betrieb dieser Lampen haben sich in den letzten Jahren Nickel-Cadmium-Akkumulatoren immer mehr gegenüber Primärbatterien durchgesetzt. Grund hierfür ist, daß sie, bezogen auf ihr Volumen, eine verhältnismäßig hohe Kapazität und, wenn sie ständig auf ihre Nennkapazität geladen sind, eine verhältnismäßig hohe Lebensdauer haben.

Nun sind die Anforderungen an die Ausleuchtung des Untersuchung sfeldes in jüngster Zeit gestiegen, was den Einsatz von Lampen mit relativ hoher Stromaufnahme bedingt. Durch die große Patientenzahl vieler Arztpraxen und Kliniken ergibt sich häufig eine recht hohe Benutzungsfrequenz für ein- und dasselbe Instrument bzw. für einen Akkumulator. Daraus folgt, daß die während einer Untersuchung aus einem Akkumulator entnommene Energie anschließend in möglichst kurzer Zeit, vorzugsweise bis zur nächstfolgenden Untersuchung, wieder nachgeladen werden sollte.

Nickel-Cadmium-Akkumulatoren werden im allgemeinen mit einem Strom geladen, der einem Zehntel ihrer Kapazität in mAh entspricht, also beispielsweise mit 100 mA bei einem Akkumulator mit 1 Ah. Mit diesem Nennladestrom erreicht ein Akkumulator im allgemeinen nach 14 Stunden seine Nennkapazität. Häufig wird auch eine sogenannte beschleunigte Ladung angewendet, wobei über entsprechend verkürzte Zeit mit dem zwei-

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bis vierfachen Nennladestrom geladen wird. Bei besonders geeigneten Akkumulatoren läßt sich auch die sogenannte Schnellladung anwenden, bei der der Ladestrom das Zehnfache des Nennladestroms oder mehr betragen kann.

Nachteilig bei all diesen Ladeverfahren, besonders bei der beschleunigten Ladung und natürlich der Schnelladung, ist die Notwendigkeit der zeitlichen Begrenzung der Ladedauer, da die Akkumulatoren stärkere Überladung nicht vertragen. Stand der Technik für die Begrenzung der Ladedauer ist auch heute noch die Schaltuhr; darüberhinaus gibt es Vorschläge und ausgeführte Geräte, bei denen die Ladedauer mit dem Erreichen bestimmter Werte der vom Ladungszustand abhängigen und meßtechnisch erfaßbaren Akkumulatorkenngrößen, vorzugsweise der Akkumulatorspannung, unterbrochen wird. Diese Geräte arbeiten insoweit grundsätzlich automatisch, als sie die Ladung selbsttätig beenden und gegebenenfalls auf die sogenannte Erhaltungsladung umschalten, die zur Vermeidung der Selbstentladung notwendig ist. Als Steuereinrichtung dient ein Vergleichsglied, dem die Bezugsspannung und die Akkumulatorspannung zugeführt werden, und dessen Ausgang ein Relais oder einen Halbleiterschalter steuert.

Da die Akkumulatorspannung je nach Alter und Qualität des Akkumulators nach dem Abschalten des hohen Ladestroms mehr oder weniger schnell etwas absinkt, würde diese Schaltung ohne weitere Maßnahmen wie ein astabiler Multivibrator funktionieren. Die bekannten Akkumulatorladegeräte sind daher so ausgebildet, daß nach dem selbsttätigen Umschalten auf Erhaltungsladung der Ladevorgang erneut manuell gestartet werden muß, wenn aus dem geladenen Akkumulator soviel Energie entnommen wurde, daß sie durch die Erhaltungsladung nicht mehr rechtzeitig ersetzt werden kann. Dieses Einschal-· ten des Geräts nach Einlegen eines Akkumulators oder eines mit diesem versehenen Handgriffs wird gerade in Arztpraxen und Kliniken häufig vergessen, bis sich die mangelnde Ladung des Akkumulators durch Ausfall des Geräts bemerkbar macht. Dann ist aber eine sehr lange Zeit notwendig, um den

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Akkumulator wieder vollständig aufzuladen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Akkumulatorladegerät anzugeben, das vollständig automatisch arbeitet, so daß der Akkumulator bzw. der mit diesem versehene Gerätehandgriff nach einer Benutzung lediglich in das Ladegerät eingelegt zu werden braucht und ohne weitere Bedienungsmaßnahmen je nach dem Ladezustand des Akkumulators beschleunigt oder langsam geladen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Vergleichsglied ein Hystereseverhalten aufgeprägt ist, so daß dieses nach dem Zurückschalten auf Erhaltungsladung erst dann wieder auf beschleunigte Ladung umschaltet, wenn nach einer Entladung die Akkumulatorspannung ausreichend weit abgesunken ist. Hierdurch i^ird ein Hin- und Herschalten nach Art eines astabilen Multivibrators verhindert, so daß sich die bei bekannten Geräten gegebene Notwendigkeit erübrigt, das Ladegerät nach dem Einlegen eines entladenen Akkumulators bei entsprechend verminderter Kapazität auf schnelle oder beschleunigte Ladung zu schalten.

Um das Vergleichsglied zusammen mit der übrigen Schaltung des Ladegeräts möglichst einfach als integrierte Schaltung ausführen zu können, ist es vorzugsweise als positiv rückgekoppelter Operationsverstärker ausgeführt.

In einer praktischen Ausführungsform des Akkumulatorladegeräts ist dieses mit einem oder mehreren Köchern versehen, in die die Akkumulatorhandgriffe eingelegt werden. Zweckentsprechend angeordnete Kontakte in den Köchern und an den Gerätehandgriffen sorgen dafür, daß der Akkumulator ohne weiteres Zutun an die Ausgangsspannung des Ladegeräts angeschlossen wird.

Je höher jedoch der Ladestrom gewählt wird, desto größer werden die Schwierigkeiten, störende Übergangswiderstände zwischen den Akkumulatorpolen und den Anschlußkontakten des Ladegeräts zu vermeiden. Der Ladestrom erzeugt an allen Übergangswiderständen Spannungsabfälle, die sich zur

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Akkumulatorspannung addieren und zu einer scheinbar erhöhten Akkumulatorspannung führen. Dadurch kann es vorkommen, daß ein Akkumulator fälschlicherweise als geladen erkannt und die beschleunigte Ladung abgeschaltet wird. Um diese Unvollkommenheit zu vermeiden, ist vorzugsweise in die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers die Basis-Emitter-Strecke eines mit seinem Kollektor an die Ladespannung angeschlossenen Transistors geschaltet.

Bei dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ladegeräts wird, da die Ladespannung wie üblich als pulsierende Gleichspannung bereitgestellt wird, der Vergleich zwischen Akkumulator- und Bezugsspannung immer dann ausgeführt, wenn die Ladesparaxmg gleich oder annähernd gleich Null ist, d.h., wenn sich die durch den Ladestrom bedingten Übergangswiderstände nicht bemerkbar machen.

Um eins Kontrolle zu ermöglichen, ob das Gerät überhaupt arbeitet oder in welchem Ladezustand es sich befindet, ist vorzugsweise mit dem Halbleiterschalter und/oder dem zu diesem parallel liegenden Widerstand je eine Leuchtdiode in Reihe geschaltet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer ersten, und Fig. 2 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Akkumulatorladegeräts.

Gemäß Fig. 1 ist an einen Transformator T ein Vierweggleichrichter Gl angeschlossen, an dessen Gleichspannungsseite eine zwischen Null und einem Maximalwert pulsierende Spannung abgegriffen wird. An die Gleichspannungsseite des Gleichrichters Gl ist die Reihenschaltung aus einer Entkopplungsdiode D und einem Kondensator C angeschlossen. An dem Verbindungspunkt zv/ischen der Entkopplungsdiode D und dem Kondensator C wird eine geglättete Versorgungs-Gleichspannung U+ abgegriffen, an die ein Widerstand R1 in Reihe mit einer Pa-

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rallelschaltung aus einer Zenerdiode Z1 und einem Potentiometer P angeschlossen ist. Die Versorgungsspannung U+ dient weiter zur Speisung zweier Operationsverstärker V1 und V2. Der direkte oder nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers V1 ist an den Schleifer des Potentiometers P angeschlossen; seine Ausgangsspannung Ur ist auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt.

Der Ausgang des Operationsverstärkers V1 ist weiter über einen Widerstand R2 an den direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 angeschlossen. Sein Ausgang ist über einen Widerstand R3 auf den direkten Eingang rückgekoppelt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist an den positiven Pol des zu ladenden Akkumulators B angeschlossen, dessen negativer Pol an der negativen Seite des Vierweggleichrichters Gl liegt. Der positive Pol des Vierweggleichrichters Gl ist über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R5 und einer Leuchtdiode L1 und einem hiermit in Reihe geschalteten Thyristor Th an den positiven Pol des zu ladenden Akkumulators B angeschlossen. Hierzu parallel liegt die Reihenschaltung aus einer Leuchtdiode L2 und einem Widerstand R6. Der Ausgang des Operationsverstärkers V2 ist über einen Widerstand R4 an den Steueranschluß des Thyristors Th gelegt.

Die Zenerdiode Z1 stellt eine stabilisierte Gleichspannung bereit, die mit Hilfe des Potentiometers P innerhalb gewisser Grenzen einstellbar ist. Der Operationsverstärker V1 arbeitet als Spannungsfolger mit niedriger Ausgangsimpedanz. An seinem Ausgang kann die mit dem Potentiometer P eingestellte Gleichspannung rückwirkungsfrei abgenommen werden. Dem Operationsverstärker V2 wird an seinem direkten Eingang die Bezugsspannung Ue zugeführt, während die Akkumulatorspannung Ub am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers V2 anliegt. Solange die Akkumulatorspannung Ub kleiner als die Bezugsspannung Ue ist, ist die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 ungefähr gleich U+. Dann erhält der Steueranschluß des Thyristors Th ein so hohes Potential, daß der Thyristor Th durchschalten und mit jeder Sinushalbwelle über die Parallelschaltung aus der Leuchtdiode L1 und dem Widerstand R5 sowie dem Thyristor Th der Ladestrom in den Akkumulator

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fließen kann.

Der Widerstand R5 ist zur Begrenzung des Stromes durch die Leuchtdiode L1 erforderlich.

Während der beschleunigten Ladung ist die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 stets größer als Ur, so daß ein Strom durch die Widerstände R3 und R2 zum Ausgang des Operationsverstärkers V1 fließen kann. Dadurch ist die Spannung Ue am direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 höher als die Ausgangsspannung Ur des Operationsverstärkers V1. Sobald die Akkumulatorspannung Ub ebenfalls diese Spannung erreicht, ändert der Operationsverstärker V2 schlagartig seine Ausgangsspannung auf 0 Volt, so daß der Thyristor Th sperrt und die beschleunigte Ladung beendet wird. Über, die Leuchtdiode L2 und den Widerstand R2 fließt nun ein niedriger Ladestrom in den Akkumulator B, der zur Ladungserhaltung dient. In diesem Zustand der Schaltung ist die Ausgangsspannung Ur des Operationsverstärkers V1 größer als die AusgangsSpannung Ua des Operationsverstärkers V2, so daß jetzt ein Strom in umgekehrter Richtung durch die Widerstände R2 und R3 fließt. Die Eingangsspannung Ue am direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 ist dadurch niedriger als die Ausgangsspannung Ur des Operationsverstärkers V1. Die Differenz der verschiedenen Spannungen Ue bei beschleunigter und bei Dauerladung ist die Hysteresespannung. Ihr absoluter Wert läßt sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Widerstände R2 und R3 festlegen.

Wenn der Akkumulator aus der Schaltung entfernt wird, bleibt die Schaltung im gleichen Zustand wie bei der Erhaltungsladung, d.h., die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers V2 ist gleich Null und der Thyristor somit gesperrt. Beim Wiedereinsetzen des Akkumulators prüft die Schaltung dann, ob der Akkumulator B ladungsbedürftig ist.

Die Höhe des Ladestroms für beschleunigte Ladung und bei Erhaltungsladung, die im wesentlichen durch den Innenwiderstand des Transformators T bestimmbar ist, wird vor-

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zugsweise so gewählt, daß bei einem Verhältnis von Entladedauer zu Ladedauer von etwa 1:5 der Akkumulator B beliebig oft ohne Erschöpfung seiner Kapazität betrieben werden kann, wobei die Entladung jeweils nur einige Minuten dauert. Der Betriebszustand des Ladegeräts und damit der Ladezustand des Akkumulators läßt sich an den Leuchtdioden L1 und L2 ablesen.

Je höher der Ladestrom gewählt wird, desto größer werden die Übergangswiderstände zwischen den Akkumulatorpolen und den Anschlußkontakten des Akkumulatorladegeräts. Da bei einer bevorzugten Ausführung die Nickel-Cadmium-Akkumulatoren in Handgriffen mit nach außen geführten Kontakten untergebracht sind und diese Handgriffe aus Gründen der einfachen Handhabung zum Aufladen in dafür vorgesehene Ladeköcher mit entsprechenden Verbindungen zur eigentlichen Ladeschaltung eingesetzt werden, ergibt sich eine Vielzahl von Übergangskontakten, die sämtlich mit Übergangswiderständen behaftet sind. Der Ladestrom erzeugt nun an allen Übergangswiderständen Spannungsabfälle, die sich zur Akkumulatorspannung addieren und zu einer scheinbar erhöhten Akkumulatorspannung Ub führen. Dadurch kann es bei der Schaltung der Fig. 1 vorkommen, daß ein Akkumulator fälschlicherweise als geladen erkannt und die beschleunigte Ladung abgeschaltet wird.

Diesem Mangel wird bei der Schaltung der Fig. 2 dadurch abgeholfen, daß in die Rückkopplungsschleife vom Ausgang des Operationsverstärkers V2 und dessen direktem Eingang die Basis-Emitter-Strecke eines mit seinem Kollektor an den positiven Pol des Vierwegegleichrichters Gl angeschlossenen Transistors Tr geschaltet ist. (Diese Schaltung gilt bei dem gezeigten Aufbau für einen npn-Transistor; bei entsprechend geändertem Schaltungsaufbau müßte ein pnp-Transistor analog eingesetzt werden.)

Bei der Schaltung der Fig. 2 ist im Zustand der beschleunigten Ladung die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers

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V2 wiederum ungefähr gleich U+, so daß der Transistor Tr. durchgeschaltet ist. Dem direkten Eingang des Operationsverstärkers V2 wird damit eine Spannung aufgeprägt, die ebenso wie die Ladegleichspannung pulsiert. Nur wenn die Ladespannung gleich oder annähernd gleich Null ist (dies ist bei einer Netzfrequenz von 50 Hz 100 mal pro Sekunde der Fall), hat die Spannung Ue den durch due Spannung Ur und die Rückkopplung über den Widerstand R3 und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tr festgelegten Bezugswert, mit dem die Akkumulatorspannung verglichen werden soll. Da aber gerade in diesem Augenblick der Ladestrom gleich Null ist, liegt am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers V2 die wahre Akkumulatorspannung zum Vergleich an. Durch diese Schaltungsweise wird also erreicht, daß der Akkumulator B unabhängig von Kontakt- und Innenwiderständen beschleunigt auf seine Sollspannung aufgeladen •werden kann.

Im übrigen enthält die Schaltung der Fig» 2 zur Erhöhung der Stabilität der Eezugsspannung eine weitere Zenerdiode Z2 zur Vorstabilisierung, der noch ein Widerstand R7 vorgeschaltet ist.

Die beiden Operationsverstärker V1 und V2 können in einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung in einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis zusammengefaßt werden. Bei einer besonderen Ausführungsform des Akkumulatorladegeräts sind zwei Ladeschaltungen für zwei verschiedene Akkumulatorhandgriffe unabhängig voneinander in einem Gehäuse untergebracht. Die Bezugsspannung wird dabei für beide Ladeschaltungen nur einmal erzeugt, so daß insgesamt drei Operationsverstärker benötigt werden, die wiederum in einem einzigen integrierten Schaltkreis zusammengefaßt sind. Versorgt werden die Schaltungen von einem Transformator, der zwei getrennte Sekundärwicklungen hat.

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Claims

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SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARlAHILFPi_ATZ 2 & 3, MÖNCHEN SO POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 ΘΟ, 0-8000 MÜNCHEN S5

PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFPICE

• KARL LUDWIG SCHIFF

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER

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TELEFON (Ο39) 48 2O 64

TELEX S-23e6S AURO D

TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

HEINE OPTOTECHNIK GMDH & CO. KG DEä-14374 25- Januar 1979

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/ 1. jAkkumulatorladegerät, bei dem eine Bezugsspannung und die V—/Akkumulatorspannung auf ein Vergleichsglied geführt sind, mit einer dem Akkumulator vorgeschalteten Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Halbleiterschalter, dessen Steueranschluß an den Ausgang des Vergleichsgliedes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergleichsglied ein Hystereseverhalten aufgeprägt ist.
2. Akkumulatorladegerät nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß das Vergleichsglied aus einem positiv rückgekoppelten Operationsverstärker (V2) besteht.
3. Akkumulatorladegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g ekennzeichnet, daß in die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers (V2) die Basis-Emitter-Strecke eines mit seinem Kollektor an die Ladespannung angeschlossenen Transistors (Tr) geschaltet ist.

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4. Akkumulator ladegerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennze i chnet, daß mit dem Halbleiterschalter (Th) und/oder dem Widerstand (R6) je eine Leuchtdiode (L1 bzw. L2) in Reihe geschaltet ist.

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