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Die Erfindung betrifft eine modular erweiterbare (kaskadierbare) Ladevorrichtung zum Wiederaufladen von in Form von Akkupacks, Batterien und dergleichen - im Folgenden zusammenfassend kurz als Akkupacks bezeichnet - zusammengeschalteten elektrischen Speicherzellen. Im Weiteren betrifft die Erfindung auch ein von einer solchen Ladevorrichtung umfasstes Ladegerät sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Ladegeräts.
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Tragbare batteriebetriebene Geräte haben sich in vielen Lebensbereichen als gängiger Standard durchgesetzt. Besonders für Geräte mit großer Leistungsaufnahme haben wiederaufladbare Akkupacks eine große Bedeutung. Dazu gehören Elektrowerkzeuge (Power Tools, Leuchten, Gebläse und dergleichen. Da die Nutzer in immer kürzerer Zeit wieder einsatzbereites Equipment benötigen, kommen bei den Ladegeräten vielfach Schnellladeverfahren zum Einsatz, welche es ermöglichen, im Bereich von 15 Minuten eine vollständige Ladung des oder der jeweiligen Akkupacks durchzuführen.
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Ladevorrichtungen zum Wiederaufladen zumindest eines Akkupacks sind an sich bekannt und werden üblicherweise - und so im Folgenden - als Ladegerät bezeichnet. Bekannte Ladegeräte gliedern sich technisch in zwei Teile, nämlich ein Netzteil und einen Laderegler. Das Netzteil fungiert als Schnittstelle zum speisenden Stromnetz und wandelt die Netzspannung meist in eine niedrige Gleichspannung (10-20 V) um. Der Laderegler erzeugt aus der vom Netzteil zur Verfügung gestellten Gleichspannung entsprechend einem jeweiligen Ladeverfahren eine Ladespannung und stellt einen Ladestrom ein. Darüber hinaus überwacht der Laderegler den Ladevorgang und während des Ladevorgangs den zumindest einen Akkupack.
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Während im privaten Bereich oft ein Ladegerät und potenziell mehrere Akkupacks für ein Gerät eingesetzt werden, werden im professionellen Umfeld akkubetriebene Geräte oft zentral durch einen Gerätewart gepflegt und gewartet. Dazu gehört auch das Aufladen der Akkupacks. Besonders wenn es sich um persönliche Schutzausrüstung oder Überwachungstechnik handelt, ist es essenziell, dass eine Instandsetzung der Geräte und damit auch ein Wiederaufladen der jeweiligen Akkupacks mit größter Sorgfalt erfolgt. Beim Einsatz vieler Einzelladegeräte kann es leicht zu unübersichtlichen Aufbauten kommen. Dann ist zum Beispiel nicht erkennbar, ob eventuell das Netzteil eines Ladegeräts korrekt an das speisende Stromnetz angeschlossen ist oder nicht. Ohne einen korrekten Anschluss des Netzteils erfolgt keine Aufladung des oder jedes mit diesem Ladegerät verbundenen Akkupacks. Zumindest ein Gerät ist dann unerwartet nicht einsatzbereit.
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Nutzer und Gerätewarte wünschen sich daher oft Ladegeräte, welche nicht nur einen Akkupack aufladen können, sondern gleich mehrere. Solche Mehrfachlader verfügen in einem Gehäuse über ein zentrales Netzteil sowie mehrere Schächte oder dergleichen zur Aufnahme jeweils eines Akkupacks. Daneben sind auch Mehrfachlader mit einem zentralen Netzteil bekannt, an die zur Aufnahme jeweils eines Akkupacks einzelne Ladeschalen modular anreihbar sind. Die Energieversorgung wird als vom Netzteil gelieferte Niederspannung durch die einzelnen Ladeschalen durchgeschleift und jede Ladeschale verfügt über einen eigenen Laderegler.
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Wenn hochenergetische Akkupacks in kurzer Zeit geladen werden sollen, stoßen bekannte Mehrfachlader an ihre Grenzen. Beispielsweise benötigt ein Akkupack mit 72 Wh ein Ladegerät mit einem Netzteil mit einer Leistung von ca. 60 W, wenn eine Ladezeit von ca. 3 Stunden erreicht werden soll. Wollte man fünf Ladeschalen an ein gemeinsames Netzteil anreihen, ist ein Netzteil mit einer Leistung von 300 W notwendig. Bei einer Gleichspannung von 15 V aus dem Netzteil muss die elektrisch leitende Verbindung zu und zwischen den Ladeschalen für einen Strom von 20 A ausgelegt sein (Stromtragfähigkeit). Dies erfordert neben Leitern, insbesondere Stromschienen, mit entsprechend dimensionierten Leiterquerschnitten auch entsprechend dimensionierte und damit großvolumige Steckverbinder zwischen den einzelnen anreihbaren Ladeschalen. Dies wiederum führt zu hohen Kosten und zu einer schlechten Integrierbarkeit.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hier und im Folgenden kurz als Mehrfachlader bezeichnete Vorrichtung sowie darin verwendbare modulare Ladegeräte zum Wiederaufladen von Akkupacks anzugeben, welche die vorstehend skizzierten Nachteile vermeiden oder zumindest deren Auswirkungen reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines Mehrfachladers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Ladegerät zum Aufladen eines Akkupacks Folgendes vorgesehen: Das Ladegerät weist ein eingangsseitiges Kontaktelement auf, welches entweder den Anschluss eines Netzkabels oder den Anschluss eines weiteren Ladegeräts ermöglicht. Das Ladegerät weist intern Leiter zur elektrisch leitenden Verbindung des eingangsseitigen Kontaktelements mit einem ausgangsseitigen Kontaktelement und zum Durchschleifen einer am eingangsseitigen Kontaktelement anliegenden Netzspannung UV auf. Eine Ladegeräteschaltung des Ladegeräts ist intern an die Netzspannung UV angeschlossen, wobei die Ladegeräteschaltung eingangsseitig einen Spannungswandler sowie zum Aufladen eines Akkupacks einen Laderegler umfasst. Mittels des Spannungswandlers des Ladegeräts ist ladegeräteintern die Netzspannung UV in eine Versorgungsspannung zur Speisung des Ladereglers umwandelbar und wird beim Betrieb des Ladegeräts in eine solche Versorgungsspannung umgewandelt.
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Indem das eingangsseitige Kontaktelement zum Anschluss eines Netzkabels oder eines weiteren Ladegeräts bestimmt ist, ist an ein Ladegerät zumindest ein weiteres Ladegerät anschließbar, so dass sich ein Verbund von Ladegeräten (Ladegeräteverbund) ergibt. Eine mittels des Netzkabels an ein Ladegerät herangeführte Netzspannung UV ist an ein mit dem Ladegerät verbundenes weiteres Ladegerät und jedes weitere Ladegerät durchleitbar und wird beim Betrieb des Ladegeräts bzw. der Ladegeräte durchgeleitet. Jedes Ladegerät umfasst zu diesem Zweck Kontaktelemente und intern Leiter zwischen den Kontaktelementen, mittels derer diese Durchleitung („Durchschleifen“) bewirkbar ist und im Betrieb bewirkt wird. Weil bei der hier vorgeschlagenen Neuerung keine durch ein zentrales Netzteil erzeugte Niederspannung, sondern die Netzspannung UV durchgeschleift wird, ist der notwendige Strom geringer. Damit ergeben sich für die ladegeräteinterne Verbindung des eingangsseitigen Kontaktelements mit dem ausgangsseitigen Kontaktelement entsprechend geringere notwendige Leiterquerschnitte. Dies erlaubt zum Beispiel auch die Verwendung herkömmlicher Kaltgerätestecker- und buchsen als ein- und ausgangsseitige Kontaktelemente. Insgesamt ergibt sich damit ein erheblich vereinfachter Aufbau.
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Ein weiterer Vorteil der hier vorgeschlagenen Neuerung besteht darin, dass das Ladegerät - und bei einer Mehrzahl von modular miteinander kombinierten Ladegeräten jedes einzelne Ladegerät - einen eigenen Spannungswandler aufweist, welcher aus der Netzspannung UV eine Versorgungsspannung zur Speisung des Ladereglers des Ladegeräts erzeugt. Ein Ladegerät ist damit einzeln zum Laden genau eines Akkupacks, aber auch im Verbund mit weiteren Ladegeräten zum gleichzeitigen Laden mehrerer Akkupacks betreibbar. Eine Anpassung an eine jeweilige Betriebssituation (einzelnes Ladegerät oder Ladegeräteverbund) ist nicht notwendig. Zudem wird kein separates Netzteil benötigt, weil der Spannungswandler der Ladegeräteschaltung als lokales Netzteil eines jeden Ladegeräts fungiert.
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Bei einer Ausführungsform eines solchen Ladegeräts ist das ausgangsseitige Kontaktelement des Ladegeräts elektrisch leitend mit dem eingangsseitigen Kontaktelement eines weiteren Ladegeräts verbindbar. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein Ladegerät (jedes Ladegerät) unmittelbar mit einem weiteren Ladegerät verbindbar ist, indem dessen ausgangsseitiges Kontaktelement das eingangsseitige Kontaktelement eines jeweiligen weiteren Ladegeräts kontaktiert. Damit ergibt sich ein modular anreihfähiger Ladegeräteverbund. Genau ein Ladegerät des Verbunds ist an das speisende Netz anschließbar und wird beim Betrieb an das speisende Netz angeschlossen. Dieses Ladegerät ist das erste Ladegerät des Verbunds. An dieses schließen sich sukzessive eventuelle weitere Ladegeräte an, indem an dieses ein weiteres Ladegerät (zweites Ladegerät) angeschlossen ist, an welches gegebenenfalls ein nochmals weiteres Ladegerät (drittes Ladegerät) angeschlossen ist, usw. Dann ergibt sich ein zumindest zwei Ladegeräte umfassender Ladegerätestrang.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin und sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche sowie der Beschreibung bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen sowie einer allgemeineren Ausführungsform des gegenständlichen Mehrfachladers nicht vorhanden ist. Jede Bezugnahme in der Beschreibung auf Aspekte nachgeordneter Ansprüche ist demnach auch ohne speziellen Hinweis ausdrücklich als Beschreibung optionaler Merkmale zu lesen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des Ladegeräts ist ergänzend Folgendes vorgesehen: Jedes Ladegerät weist Mittel zur Übermittlung und Auswertung eines Signals auf, welches eine Information zur Position des Ladegeräts in dem Ladegerätestrang kodiert (Positionsinformation). Insofern weist jedes Ladegerät Mittel zur Übermittlung eines Signals auf, welches als Positionsinformation zum Beispiel die Anzahl der dem Ladegerät in einem Ladegerätestrang eingangsseitig vorangehenden, vorgeschalteten Ladegeräte kodiert. Des Weiteren weist jedes Ladegerät Mittel zum Vergleich der durch das Signal kodierten Position bzw. Anzahl mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert und zur automatischen Deaktivierung der Ladeschale bei Erreichen des Grenzwerts auf.
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Bei einem Verfahren zum Betrieb eines solchen Ladegeräts übermittelt jedes Ladegerät an ein an dessen Ausgangsseite angeschlossenes Ladegerät ein Signal, welches eine Positionsinformation, also zum Beispiel eine Anzahl der dem Ladegerät in dem Ladegerätestrang eingangsseitig vorangehenden Ladegeräte, kodiert, und jedes Ladegerät vergleicht die durch das Signal kodierte Position bzw. Anzahl mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert und deaktiviert sich bei Erreichen des Grenzwerts.
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Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform des Ladegeräts sowie des Verfahrens zum Betrieb eines solchen Ladegeräts besteht darin, dass jedes Ladegerät selbsttätig seine Position in dem jeweiligen Ladegerätestrang feststellt und damit feststellt, wie viele eingangsseitig vorangehende Ladegeräte (Vorgänger) der Ladegerätestrang bereits umfasst. Damit kann die Anzahl der Ladegeräte einfach und sicher begrenzt werden.
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Der Betrieb des Mehrfachladers und jedes Ladegeräts erfolgt automatisch, also ohne einen besonderen Eingriff des Benutzers, unter Kontrolle jeweils eines Mikrocontrollers oder einer vergleichbaren Verarbeitungseinheit jedes Ladegeräts. Jeder Mikrocontroller führt im Betrieb ein Steuerungsprogramm aus, welches die Funktion des Ladegeräts bestimmt. Die Erfindung ist insoweit in Software oder in Firmware implementiert. Ein spezieller Aspekt der hier vorgeschlagenen Neuerung ist damit einerseits auch ein Steuerungsprogramm mit durch den Mikrocontroller ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Steuerungsprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, sowie schließlich auch eine Ladeschale mit einem Mikrocontroller und einem in einen Speicher des Mikrocontrollers geladenen Steuerungsprogramm.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Ladegeräts umfasst dieses einerseits einen Signalsender zur leitungslosen Übermittlung des eine Positionsinformation, insbesondere die Anzahl der Vorgänger in dem Ladegerätestrang, kodierenden Signals an ein ausgangsseitig angeschlossenes Ladegerät (Nachfolger) und andererseits einen Signalempfänger zum leitungslosen Empfang eines von einem eingangsseitig angeschlossen Ladegerät übermittelten Signals. Die leitungslose Übermittlung des Signals ist besonders unkompliziert, weil keine zusätzlichen mechanischen Kontaktelemente benötigt werden. Bevorzugt erfolgt die leitungslose Übermittlung des Signals mittels jeweils paarig zusammenwirkender Infrarotsender und Infrarotempfänger benachbarter (Vorgänger und Nachfolger) Ladegeräte. Die leitungslose Übermittlung des Signals als Infrarotsignal mittels Infrarotsender und Infrarotempfänger ist unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen oder dergleichen, die sich zum Beispiel im Zusammenhang mit dem Laden einer Mehrzahl von Akkupacks ergeben können.
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Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform des Ladegeräts ist zu dessen Deaktivierung ein von dem Ladegerät umfasster Laderegler automatisch deaktivierbar und wird beim Betrieb zur Deaktivierung des Ladegeräts automatisch deaktiviert. Dann ist sichergestellt, dass ein an das Ladegerät angeschlossener Akkupack nicht geladen wird und die bis zum jeweiligen Ladegerät durchgeschleifte Netzspannung UV nicht durch das Laden des Akkupacks belastet wird. Die Leistungsaufnahme eines Mehrfachladers in Form einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Ladegeräten ist damit wirksam auf eine durch den jeweiligen Grenzwert bestimmte Obergrenze beschränkt.
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Bei einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform des Ladegeräts ist zu dessen Deaktivierung eine von dem Ladegerät umfasste Ladereglerstatusanzeige zur Signalisierung einer Fehlersituation aktivierbar und wird beim Betrieb zur Deaktivierung des Ladegeräts automatisch aktiviert. Mittels der zur Signalisierung einer Fehlersituation aktivierten und dafür zum Beispiel blinkenden Ladereglerstatusanzeige wird dem Benutzer des Ladegeräts auf einfache und unmittelbar verständliche Art und Weise die Überschreitung der Anzahl zulässiger Ladgeräte signalisiert. Der Benutzer kann dann das jeweilige Ladegerät vom Ladegerätestrang entfernen und so die Anzahl der Ladegeräte auf ein zulässiges Maß begrenzen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Ladegeräts sind zu dessen Deaktivierung der vom Ladegerät umfasste Laderegler automatisch deaktivierbar und parallel dessen Ladereglerstatusanzeige zur Signalisierung einer Fehlersituation automatisch aktivierbar und werden beim Betrieb automatisch und parallel deaktiviert bzw. aktiviert. Dann ist ein Eingriff des Benutzers in Form eines Entfernens eines Ladegeräts nicht notwendig und der Benutzer wird dennoch über die Überschreitung der Anzahl zulässiger Ladegeräte informiert.
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Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform des Ladegeräts umfasst dieses einen Mikrocontroller sowie einen Signalsender und einen Signalempfänger als Mittel zur Ausführung des oben skizzierten und im Folgenden mit weiteren Einzelheiten beschriebenen Verfahrens, wobei mittels des Mikrocontrollers ein mittels des Signalsenders aussendbares Signal generierbar ist, welches die Position des Ladegeräts in dem Ladegerätestrang kodiert, wobei mittels des Mikrocontrollers ein mittels des Signalempfängers von einem vorangehenden Ladegerät empfangenes Signal zum Erhalt der kodierten Position und zum Vergleich mit dem Grenzwert auswertbar ist und im Betrieb entsprechend ausgewertet wird. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Auswertung erfolgt ggf. durch den Mikrocontroller die automatische Deaktivierung des Ladegeräts, insbesondere in Form der oben beschriebenen Deaktivierung des Ladereglers und/oder der Aktivierung der Ladereglerstatusanzeige.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand führen.
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Es zeigen
- 1 ein Blockschaltbild eines Mehrfachladers mit mehreren einzelnen Ladegeräten (Ladenschalen) zum Laden jeweils eines Akkupacks,
- 2 ein einzelnes Ladegerät in einer Draufsicht,
- 3 das Ladegerät gemäß 2 in einer Seitenansicht,
- 4 ein Blockschaltbild einer Ladegeräteschaltung eines Ladegeräts und
- 5 einen Strang mehrerer zusammengeschalteter Ladegeräte (Ladegerätestrang) sowie zwischen den Ladegeräten übermittelte Signale.
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Die Darstellung in 1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds schematisch vereinfacht eine Ausführungsform einer hier und im Folgenden als Mehrfachlader 10 bezeichneten modularen Vorrichtung zum Laden zumindest eines Akkupacks 12 oder zum gleichzeitigen Laden mehrerer Akkupacks 12. Diese ist mittels eines Netzkabels 14 an ein speisendes Netz 16 angeschlossen.
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In einer Konfiguration zum gleichzeitigen Laden mehrerer Akkupacks 12 umfasst der Mehrfachlader 10 mehrere anreihbare, gleichartige und jeweils als Ladegerät 20 fungierende Module, die im Folgenden als Ladeschale 20 bezeichnet werden. Mittels jedes Ladegeräts 20 bzw. jeder Ladeschale 20 kann im Betrieb jeweils ein Akkupack 12 geladen werden. Die Minimalkonfiguration ist eine Ladeschale 20. Ein Mehrfachlader 10 entsteht, indem zumindest zwei Ladeschalen 20 durch Anreihen kombiniert werden.
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Eine im weitesten Sinne schalenförmige Ausgestaltung der Ladeschale 20 zur Aufnahme eines Akkupacks 12 stellt nur eine optionale Ausführungsform dar. Dennoch wird die Bezeichnung der modular aneinander anreihbaren Vorrichtungen zum Laden jeweils eines Akkupacks 12 (Ladegerät) als Ladeschalen 20 und einzeln als Ladeschale 20 beibehalten, allerdings ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit. Entsprechend ist bei jeder Verwendung der Bezeichnung Ladeschale 20 die allgemeinere Formulierung Vorrichtung zum Laden eines Akkupacks 12 oder Ladegerät 20 stets mitzulesen.
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Die Darstellung in 1 zeigt einen zwei Ladeschalen 20 umfassenden Mehrfachlader 10. Eine erste Ladeschale 20 ist an das speisende Netz 16 und dessen Netzspannung UV angeschlossen. An diese erste Ladeschale 20 ist eine zweite Ladeschale 20 angeschlossen.
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Zu diesem Zweck weist jede Ladeschale 20 grundsätzlich an sich bekannte elektrische Kontaktelemente 22, 24 auf. Als Kontaktelemente 22, 24 kommen zum Beispiel ein sogenannter Kaltgerätestecker 22 und eine passende Kaltgerätebuchse 24 in Betracht. Jede Ladeschale 20 weist zum Beispiel auf einer Eingangsseite einen Kaltgerätestecker 22 und auf einer Ausgangsseite eine Kaltgerätebuchse 24 auf. An das eingangsseitige Kontaktelement 22, insbesondere den Kaltgerätestecker 22, ist ein passendes Kontaktelement des Netzkabels 14 anschließbar. Durch ein solches Anschließen eines an das Netz 16 angeschlossenen Netzkabels 14 ist die erste Ladeschale 20 an das Netz 16 anschließbar oder wird an das Netz 16 angeschlossen. An das ausgangsseitige Kontaktelement 24, insbesondere die Kaltgerätebuchse 24, ist eine weitere Ladeschale 20 anschließbar. Dafür wird an das ausgangsseitige Kontaktelement 24 das eingangsseitige Kontaktelement 22, also zum Beispiel ein Kaltgerätestecker 22, der weiteren Ladeschale 20 angeschlossen. Auf diese Weise ist an eine Ladeschale 20 eine weitere Ladeschale 20 anschließbar (anreihbar, kaskadierbar) und an diese eine nochmals weitere Ladeschale 20 und so weiter. Damit ergibt sich ein anreihfähiges System.
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Bei mehreren miteinander verbundenen Ladeschalen 20 ergibt sich ein Strang von Ladeschalen 20 (Ladeschalenstrang; Ladegerätestrang). Die Netzspannung UV wird dabei durch die einzelnen Ladeschalen 20 durchgeschleift. Dies ist in der Darstellung in 1 schematisch vereinfacht in Form vertikaler und mit UV bezeichneter Blockpfeile gezeigt. Zum Durchschleifen der Netzspannung UV umfasst jede Ladeschale 20 entsprechende Leiter. Weil bei der hier vorgeschlagenen Neuerung keine Niederspannung, sondern die Netzspannung UV durchgeschleift wird, ist der über die ladegeräteinternen Leiter zu übertragende notwendige Strom geringer, so dass sich entsprechend geringere notwendige Leiterquerschnitte ergeben.
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Die durchgeschleifte Netzspannung UV liegt zum Beispiel im Bereich von 90 VAC bis 265 VAC. An die durchgeschleifte Netzspannung UV ist in jeder Ladeschale 20 jeweils eine Ladeschalenschaltung (Ladegeräteschaltung) 26 angeschlossen. Dies ist in der Darstellung in 1 schematisch vereinfacht in Form der von den vertikalen Blockpfeilen ausgehenden und auf jeweils eine Ladeschalenschaltung 26 weisenden und ebenfalls mit UV bezeichneten horizontalen Blockpfeile gezeigt.
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Die Ladeschalenschaltung 26 jeder Ladeschale 20 umfasst eingangsseitig (zur durchgeschleiften Netzspannung UV ) einen Spannungswandler 30 und dem Spannungswandler 30 elektrisch nachgeschaltet einen Laderegler 32.
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Mit jeder Ladeschale 20 ist zum Aufladen zumindest ein Akkupack 12 zumindest elektrisch leitend verbindbar. Bevorzugt weist die Ladeschale 20 einen Aufnahmeschacht oder dergleichen zum zumindest abschnittsweise formschlüssigen Aufnehmen jeweils eines Akkupacks 12 auf. Ein solcher Aufnahmeschacht oder dergleichen gewährleistet eine mechanisch sichere Halterung des jeweiligen Akkupacks 12 relativ zu der Ladeschale 20 und bewirkt in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise eine Führung und Justierung von Kontaktelementen zur elektrisch leitenden Kontaktierung des Akkupacks 12. Dies ist in der Darstellung in 1 schematisch vereinfacht in Form des von der Ladeschale 20 zu jeweils einem Akkupack 12 weisenden horizontalen Blockpfeils gezeigt. Das Laden eines Akkupacks 12 mittels des Ladereglers 32 der jeweiligen Ladeschale 20 erfolgt in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise und steht hier nicht im Vordergrund. Die elektrisch leitende Kontaktierung des Akkupacks 12 erfolgt ebenfalls in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise.
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Die Darstellung in 2 zeigt eine Ausführungsform einer Ladeschale 20 in einer Draufsicht mit einem zum Aufladen in der Ladeschale 20 platzierten Akkupack 12. Die Darstellung in 3 zeigt die Ladeschale 20 gemäß 2 in einer Seitenansicht und - mit strichpunktierten Linien - rechts und links neben der Ladeschale 20 jeweils eine an diese angeschlossene (angereihte) weitere Ladeschale 20. In der Darstellung in der Draufsicht (2) ist als eingangsseitiges Kontaktelement 22 ein Kaltgerätestecker 22 gezeigt. Eine als ausgangsseitiges Kontaktelement 24 fungierende Kaltgerätebuchse 24 ist durch das Gehäuse der Ladeschale 20 verdeckt und entsprechend mit gestrichelten Linien gezeigt. In der Darstellung in der Seitenansicht (3) ist erkennbar, dass das Gehäuse der Ladeschale 20 ein Treppenprofil aufweist. Zur elektrisch leitenden Verbindung eine Ladeschale 20 mit einer weiteren Ladeschale 20 wird das ausgangsseitige Kontaktelement 24 der Ladeschale 20 mit dem eingangsseitigen Kontaktelement 22 der weiteren Ladeschale 20 verbunden. Dies gewährleistet eine elektrisch leitende Verbindung. Je nach Ausführungsform der Kontaktelemente 22, 24 gewährleistet diese Verbindung auch eine mechanische Verbindung der Ladeschalen 20.
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Anstelle eines Kaltgerätesteckers 22 auf der Eingangsseite jeder Ladeschale 20 kommt dort genauso eine Kaltgerätebuchse 24 und entsprechend ein Kaltgerätestecker 22 auf der Ausgangsseite in Betracht. Anstelle von Kaltgerätesteckern 22 und Kaltgerätebuchsen 24 kommen auch andere paarig zusammenpassende Kontaktelemente 22, 24 in Betracht.
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Die Darstellung in 4 zeigt die Ladeschalenschaltung 26 einer Ladeschale 20 mit weiteren Einzelheiten. Der Spannungswandler 30 umfasst optional zum Schutz eine sogenannte Vorladeschaltung (Inrush current limiter) 34 oder dem Spannungswandler 30 ist eine solche Vorladeschaltung 34 vorgeschaltet. Als Spannungswandler 30 fungiert bevorzugt ein grundsätzlich an sich bekanntes Schaltnetzteil (Switched-mode power supply). Zum Erhalt geringer Abstrahlwerte bei der Emission von elektromagnetischen Störungen ist optional vorgesehen, den zumindest dann parallel zu den Leitern zum Durchschleifen der Netzspannung UV ebenfalls durchgeschleiften Schutzleiter (PE) als Funktionserdung zu nutzen. Dann werden Störströme über den Schutzleiter gegen Erde abgeleitet. Der Spannungswandler 30 erzeugt aus der Netzspannung UV eine Niederspannung als Versorgungsspannung zur Speisung des Ladereglers 32, zum Beispiel eine Gleichspannung UDC in Höhe von 16 V.
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Die Gleichspannung UDC wird über eine optionale Explosionsschutzschaltung (Ex-Schaltung) 36 dem Laderegler 32 zugeführt. Dieser erzeugt eine Ladespannung UL und einen Ladestrom IL . Die Ladespannung UL und der Ladestrom IL werden an einen an die Ladeschale 20 angeschlossenen Akkupack 12 abgegeben. Zur Anzeige eines Status des Ladereglers 32 ist eine Ladereglerstatusanzeige 38 vorgesehen.
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Ein von der Ladeschalenschaltung 26 umfasster Mikrocontroller 40 steuert und/oder überwacht den Laderegler 32 und bestimmt die Ladespannung UL und den Ladestrom IL in Abhängigkeit von einer Überwachung des an die Ladeschale 20 angeschlossenen Akkupacks 12. Zur Überwachung des Akkupacks 12 findet in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise ein Datenaustausch zwischen dem Mikrocontroller 40 und dem jeweiligen Akkupack 12 statt. In der Darstellung in 4 ist dies durch den horizontalen, vom Mikrocontroller 40 auf den Akkupack 12 weisenden Doppelpfeil veranschaulicht.
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Der Mikrocontroller 40 steuert und überwacht des Weiteren einen bei der hier gezeigten Ausführungsform von der Ladeschalenschaltung 26 umfassten Signalsender 42 sowie einen ebenfalls von der Ladeschalenschaltung 26 umfassten Signalempfänger 44. Der Signalsender 42 ist dafür bestimmt und eingerichtet, auf leitungslosem Wege Signale 46 zu senden. Bei dem Signalsender 42 handelt es sich zum Beispiel um einen Infrarotsignale 46 ausstrahlenden IR-Sender 42. Der Signalempfänger 44 ist dafür bestimmt und eingerichtet, auf leitungslosem Wege Signale 48 zu empfangen. Bei dem Signalempfänger 44 handelt es sich zum Beispiel um einen Infrarotsignale 48 empfangenden IR-Empfänger 44.
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Der Signalsender 42 und der Signalempfänger 44 sowie der beide steuernde und überwachende Mikrocontroller 40 fungieren als Mittel zur Erkennung der Anzahl der von dem Ladegerätestrang umfassten Ladeschalen 20. Durch die Überwachung der Anzahl der Ladeschalen 20 lässt sich sicherstellen, dass ein aufgrund der Anzahl der Ladeschalen 20 resultierender elektrischer Widerstand einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert nicht überschreitet. Zum Beispiel darf bei einer durchgeschleiften Netzspannung UV sowie einem durchgeleiteten Schutzleiter die Summe der Übergangswiderstände über die Kette der Ladeschalen 20 einen Grenzwert von 200 mΩ nicht überschreiten. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass die Anzahl der Ladenschalen 20 begrenzt wird. Ein Hinweis zur korrekten Verwendung des Mehrfachladers 10 und der Ladeschalen 20, zum Beispiel in Form eines textuellen Hinweises an jeder Ladeschale 20, ist nicht ausreichend, um den Anforderungen an die elektrische Sicherheit zu genügen.
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Mittels der Signalsender 42 und der Signalempfänger 44 kann jede Ladeschale 20 mit einem eventuellen Vorgänger oder Nachfolger entlang des Ladeschalenstrangs kommunizieren. Jede Ladeschale 20 teilt einem Nachfolger entlang eines solchen Strangs ihre Position in dem Strang mit, zum Beispiel indem sie dem Nachfolger mitteilt, wie viele Vorgänger der Strang umfasst.
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In der Darstellung in 5 ist - schematisch stark vereinfach - ein mehrere Ladenschalen 20 umfassender Ladeschalenstrang gezeigt. Die Darstellung der einzelnen Ladeschalen 20 ist auf die Darstellung der Ladeschalenschaltung 26, der davon umfassten Sender 42 und Empfänger 44 sowie des Mikrocontrollers 40 beschränkt. Rechts neben jeder Ladeschale 20 des Ladeschalenstrangs ist (in römischen Ziffern) deren vom speisenden Netz 16 aus gesehene Position im Ladeschalenstrang angegeben. Zur Bezeichnung genau einer bestimmten Ladeschale 20 im Ladeschalenstrang wird diese entsprechend ihrer jeweiligen Position im Folgenden entsprechend als „erste Ladeschale“, „zweite Ladeschale“ usw. bezeichnet.
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Jede Ladeschale 20 ist mittels ihres Signalempfängers 44 in der Lage, Signale 48 von einem eventuellen Vorgänger entlang eines Ladeschalenstrangs zu empfangen. Die unmittelbar an das speisende Netz 16 angeschlossene Ladeschale 20 empfängt über ihren Signalempfänger 44 keine Signale 48. Durch Auswertung des Zustands des Signalempfängers 44 mittels des Mikrocontrollers 40 erkennt diese Ladeschale 20 demnach automatisch, dass sie unmittelbar an das Netz 16 angeschlossen ist, dass es folglich keine vorangehende Ladeschale 20 (Vorgänger) gibt und dass sie demnach die erste Ladeschale 20 im Ladeschalenstrang ist. Der Mikrocontroller 40 dieser Ladeschale 20 steuert daraufhin den Signalsender 42 dieser Ladeschale 20 zum Aussenden eines diese Position dieser Ladeschale 20 kodierenden Signals 46 an. Dies ist in der Darstellung in 5 mittels einer Sprechblase und dem Text „0“ gezeigt. Dies stellt graphisch dar, dass das von der Ladeschale 20, genauer dem Signalsender 42 der Ladeschalenschaltung 26, ausgesandte Signal 46 in kodierter Form die Information umfasst, dass der das Signal 46 aussendenden Ladeschale 20 keine weitere Ladeschale 20 im Ladeschalenstrang vorangeht („0“ bezeichnet die Anzahl von Vorgängern der Ladeschale 20 in Richtung auf das speisende Netz 16) und dass diese folglich die erste Ladeschale 20 im Ladeschalenstrang ist.
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Die unmittelbar an die erste Ladeschale 20 angeschlossene Ladeschale 20, also die zweite Ladeschale 20 entlang des Ladeschalenstrangs, empfängt mittels ihres Signalempfängers 44 das von der ersten Ladeschale 20 ausgesandte Signal 46 als Eingangssignal 48. Anhand des empfangenen Signals 48 erkennt diese Ladeschale 20, dass sie entlang des Ladeschalenstrangs genau einen Vorgänger hat, nämlich die erste Ladeschale 20. Folglich erkennt diese Ladeschale 20 automatisch, dass sie entlang des Ladeschalenstrangs die zweite Ladeschale 20 ist. Entsprechend sendet die zweite Ladeschale 20 ein Signal 46 aus, welches diese Position und die Anzahl der Vorgänger kodiert (in der Darstellung in 5 mittels der Sprechblase mit dem Text „1“ gezeigt).
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Dieses Signal 46 empfängt die unmittelbar an die zweite Ladeschale 20 angeschlossene Ladeschale 20, also die dritte Ladeschale 20 entlang des Ladeschalenstrangs, mittels ihres Signalempfängers 44 als Eingangssignal 48. Anhand des empfangenen Signals 48 erkennt diese Ladeschale 20, dass sie entlang des Ladeschalenstrangs genau zwei Vorgänger hat, nämlich die erste Ladeschale 20 und die zweite Ladeschale 20. Folglich erkennt diese Ladeschale 20 automatisch, dass sie entlang des Ladeschalenstrangs die dritte Ladeschale 20 ist. Entsprechend sendet die dritte Ladeschale 20 ein Signal 46 aus, welches diese Position und die Anzahl der Vorgänger kodiert (in der Darstellung in 5 mittels der Sprechblase mit dem Text „2“ gezeigt).
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Für die weiteren Ladeschalen 20 im Ladeschalenstrang gilt der vorstehend beschriebene Empfang des von der jeweiligen unmittelbar vorangehenden Ladeschale 20 ausgesandten Signals 46, dessen Auswertung als empfangenes Signal 48 zur Ermittlung der eigenen Position im Ladeschalenstrang sowie die Generierung und Aussendung eines die eigene Position im Ladeschalenstrang kodierenden Signals 46 jeweils entsprechend.
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Der Mikrocontroller 40 jeder Ladeschale 20 überwacht die in Form des jeweiligen Eingangssignals 46 kodierte Anzahl der jeweiligen Vorgänger. Sobald ein vorgegebener oder vorgebbarer Grenzwert erreicht oder überschritten ist, deaktiviert der Mikrocontroller 40 zumindest den Laderegler 32 der jeweiligen Ladeschale 20 und/oder aktiviert die Ladereglerstatusanzeige 38 zur Signalisierung einer Fehlersituation. Wenn der Mikrocontroller 40 nur die Ladereglerstatusanzeige 38 aktiviert, bleibt es dem Benutzer überlassen, einen eventuell an die Ladeschale 20 angeschlossenen Akkupack 12 wieder zu entfernen oder die Ladeschale 20 vom Ladeschalenstrang zu trennen. Wenn der Mikrocontroller 40 nur den Laderegler 32 deaktiviert, bemerkt der Benutzer die nicht erfolgte Ladung möglicherweise erst, wenn der Akkupack 12 verwendet werden soll. Die bevorzugte Ausführungsform besteht daher darin, dass der Mikrocontroller 40 den Laderegler 32 der jeweiligen Ladeschale 20 deaktiviert und die Ladereglerstatusanzeige 38 zur Signalisierung einer Fehlersituation aktiviert. Alle möglichen vorgenannten Varianten werden im Interesse der Lesbarkeit der hier vorgelegten Beschreibung einzeln und zusammen kurz als Deaktivierung der Ladeschale 20 bezeichnet. In einer anderen Formulierung wird dies dahingehend ausgedrückt, dass sich die jeweilige Ladeschale 20, nämlich unter Kontrolle ihres Mikrocontrollers 40, automatisch und selbsttätig deaktiviert.
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Bei einem IR-Sender 42 und entsprechend einem IR-Empfänger 44 sind das zur leitungslosen Datenübertragung ausgesandte Signal 46 und das Eingangssignal 48 IR-Signale 46, 48. Andere Frequenzbereiche zur leitungslosen Datenübertragung von einer Ladeschale 20 zu einer unmittelbar benachbarten Ladeschale 20 sind ebenso denkbar und sollen mit diesem Hinweis als von der hier vorgelegten Beschreibung umfasst gelten.
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Bei einem IR-Signal
46,
48 wird das ausgesandte Signal
46 zum Beispiel auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert, zum Beispiel eine Trägerfrequenz von 38 kHz. Die Modulation erfolgt zum Beispiel als Amplitudenmodulation. Die erste (unmittelbar an das Netz
16 angeschlossene) Ladeschale
20 sendet zum Beispiel als Ausgangssignal
46 ein Signal mit einer Frequenz von 200 Hz (Sendefrequenz), das auf die jeweilige Trägerfrequenz aufmoduliert ist. Die Frequenz 200 Hz kodiert die Position der ersten Ladeschale
20 im Ladeschalenstrang. Entsprechend verwendet die zweite Ladeschale
20 eine unterschiedliche Frequenz, zum Beispiel eine Frequenz von 400 Hz. Die Frequenz 400 Hz kodiert die Position der zweiten Ladeschale
20 im Ladeschalenstrang. Für die dritte Ladeschale
20 und weitere Ladeschalen
20 gilt dies entsprechend, so dass diese zum Beispiel die Frequenzen 600 Hz, 800 Hz usw. verwenden. Die Frequenzen sind so gewählt, dass ein ausreichender Abstand für eine eindeutige Identifizierung der jeweils kodierten Position gegeben ist, wenn eine Ladeschale
20 ein von einer vorangehenden Ladeschale
20 ausgesandtes Signal
46 als Eingangssignal
48 auswertet. Bei der Auswertung wird optional eine gewisse Bandbreite um die einzelnen Sendefrequenzen berücksichtigt, wie dies in der nachfolgenden Tabelle für die oben exemplarisch genannten Frequenzen dargestellt ist (bei anderen Sendefrequenzen ergeben sich entsprechende andere Verhältnisse):
| Empfangene Frequenz | Anzahl der Vorgänger im Ladeschaltenstrang | Sendefrequenz | kodierte Position |
| 0 - 100 Hz | 0 | 200 Hz | „0“ |
| 100 - 300 Hz | 1 | 400 Hz | „1“ |
| 300 - 500 Hz | 2 | 600 Hz | „2“ |
| 500 - 700 Hz | 3 | 800 Hz | „3“ |
| 700 - 900 Hz | 4 | 1.000 Hz | „4“ |
| > 900 Hz | >= 5 | 1.000 Hz | „4“ |
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Die Tabelle geht davon aus, dass der oben erwähnte Grenzwert genau fünf Ladeschalen 20 im Ladeschalenstrang erlaubt. Je nach konkreter Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine eventuell an den Ladeschalenstrang angeschlossene sechste oder weitere Ladeschale 20 ein Signal 46 sendet, welches die jeweilige Position im Ladeschalenstrang oder - wie in der Tabelle angegeben - die letzte gemäß dem Grenzwert zugelassene Position kodiert. In beiden Fällen empfängt eine eventuell noch nachfolgende Ladeschale 20 ein Signal 48, welches zu einer Deaktivierung dieser Ladeschale 20 führt.
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Die positionsabhängige (Position im Ladeschalenstrang) Deaktivierung von eventuell zu viel angeschlossenen Ladeschalen 20 erlaubt das modulare Anreihen mehrerer Ladeschalen 20 an den Ladeschalenstrang so lange, bis eine durch den jeweiligen Grenzwert bestimmte Maximalanzahl von Ladeschalen 20 erreicht ist.
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Wenn diese Maximalanzahl überschritten ist, bleiben die Ladeschalen 20 innerhalb des Grenzwerts betriebsbereit und daran angeschlossene Akkupacks 12 werden weiterhin geladen. Eine Gesamtabschaltung des Mehrfachladers 10 findet also nicht statt. Die Betriebssicherheit des Mehrfachladers 10 wird durch das positionsabhängige Deaktivieren der oder jeder zu viel angeschlossenen Ladeschale 20 gewährleistet.
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Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben werden ein zum Beispiel als Ladeschale 20 ausgeführtes Ladegerät 20 zum Aufladen eines Akkupacks 12, welches mit anderen Ladegeräten 20 zu einem Mehrfachlader 10 kombinierbar ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Ladegeräts 20 und ein mit mehreren Ladegeräten 20 gebildeter Mehrfachlader 10. Das Ladegerät 20 weist ein eingangsseitiges Kontaktelement 22 zum Anschluss eines Netzkabels 14 oder eines weiteren Ladegeräts 20 sowie intern Leiter zur elektrisch leitenden Verbindung des eingangsseitigen Kontaktelements 22 mit einem ausgangsseitigen Kontaktelement 24 und zum Durchschleifen einer am eingangsseitigen Kontaktelement 22 anliegenden Netzspannung UV auf. Ladegeräteintern ist an die durchgeschleifte Netzspannung UV eine Ladegeräteschaltung 26 angeschlossen. Deren Anschluss an die Netzspannung UV erfolgt mittels eines eingangsseitigen Spannungswandlers 30. Dieser wandelt die Netzspannung UV in eine Versorgungsspannung zur Speisung eines Ladereglers 32 der Ladegeräteschaltung 26 um. Zur Begrenzung der Anzahl miteinander verbindbarer Ladegeräte 20 ist jedes Ladegerät 20 einerseits zur Übermittlung eines Signals 46, welches eine Position des Ladegeräts 20 in einem mehrere Ladegeräte 20 umfassenden Ladegerätestrang kodiert, und andererseits zum Vergleich der durch das Signal 46 kodierten Position mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert sowie zur Deaktivierung des Ladegeräts 20 bei Erreichen des Grenzwerts bestimmt und eingerichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Mehrfachlader
- 12
- Akkupack
- 14
- Netzkabel
- 16
- Netz
- 18
- (frei)
- 20
- Ladegerät, Ladeschale
- 22
- (eingangsseitiges) Kontaktelement
- 24
- (ausgangsseitiges) Kontaktelement
- 26
- Ladegeräteschaltung, Ladeschalenschaltung
- 28
- (frei)
- 30
- Spannungswandler
- 32
- Laderegler
- 34
- Vorladeschaltung
- 36
- Explosionsschutzschaltung
- 38
- Ladereglerstatusanzeige
- 40
- Mikrocontroller
- 42
- Signalsender; IR-Sender
- 44
- Signalempfänger; IR-Empfänger
- 46
- (ausgesandte) Signal; IR-Signal
- 48
- (empfangenes) Signal; IR-Signal