DE3100503A1 - Anordnung zur kontrolle des ladezustands einer batterie - Google Patents

Description

• Anordnung zur kontrolle des Ladezustands einer Batterie.
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Batterie-La4ekontrolle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein derartiges Kontrollsystem wird in der DE-AS 24 21 324 beschrieben.
• Seit Jahren arbeitet die Fachwelt daran, ein auverlässiges Verfahren für den Lade-zustand leistungsschwacher Batterien zu realisieren. Dementsprechend groß ist die Zahl der bisher entwickelten Lösungskonzepte, die sich vor allem in der Art der Darstellung unterscheiden. Die ältesten Ladekontrollen waren elektromechanischer Art. Sie hatten eine Zeigeranzeige, waren dementsprechend kompliziert und erschütterungsempfindlich und wurden deshalb weitgehend von rein elektronischen Ausführungen mit einer aktiven elektrooptischen Anzeige, etwa einer lichtemittierenden Diode, abgelöst. Kontrollsysteme dieser neuen Generation sind zweifellos mechanisch einfach aufgebaut und robust und lassen sich wegen ihres geringen Platzbedarfes auch in kleinsten Geräten ohne weiteres unterbringen; sie verlangen Jedoch, wie beispielsweise aus "Practical Wireless", März 1978, S. 849 und 856 hervorgeht, einen gewissen Schaltungsaufwand und haben einen nicht unerheblichen Leistungsbedarf, mithin einen Nachteil, der gerade bei netzunabhängigen Geräten besonders ins Gewicht fällt.
• Es lag deshalb nahe, die Leuchtdiode durch ein passives elektrooptisches Display, das bekanntlich nur das Bild der Umgebung moduliert und deshalb extrem wenig Leistung verbraucht, zu ersetzen (vergl. hierzu neben der eingangs zitierten Auslegeschrift auch dieDE-OS 29 51 760). Die in dieser Richtung bisher unternommenen Versuche sind allerdings noch nicht überzeugend, und zwar vor allem deshalb, weil es noch nicht gelungen ist, die Schaltung nennenswert zu vereinfachen. Hinzulcormnt, daß die Anzeige zu spät anspricht, d.h., der Benutzer wird erst dann über den kritischen Batteriezustand informiert, wenn die Batterie schon nahezu erschöpft ist und der Ausfall des Geräts unmittelbar bevorsteht. Die dann noch verbleibende.Zeit reicht häufig nicht mehr aus, Ersatzbatterien zu beschaffen oder die Batterie zu Zeiten, in denen das Gerät normalerweise nicht benutzt wird, wieder aufzuladen. Dieser gravierende Mangel ist in Grunde bei allen bisher diskutierten Ldsungsansätzen zu beObachten. So kommt ein in wFoto-Magazin 1 (~1979) 70 erschienener Artikel zu dem Ergebnis, daß die Batterieladekontrollen der handelsübliöhen Kameras nicht verlässlich sind und man daher sicherheitshalber ständig Ersatzbatterien mitführen sollte.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so abzuwandeln, daß sie rechtzeitig den drohenden Batterieleistungsabfall ankündigt und dabei ohne komplizierte Schaltmittel auskommt. Diese'Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Die vorgeschlagene Ladekontrolle geht von der Beobachtung aus, daß die zum Stand der Technik gehörenden Kontrolltechniken ausnahmslps die Batterieladespannung messen und darstellen. Diese Spannung sinkt während der Leistungsentnahme zunächst nur minimal und fällt dann, wenn die Batterie praktisch keine Leistungsreserven mehr hat, rasch ab. Sie ist also als Meßgröße für einen Kontrollkreis denkbar ungeeignet.
• Einen sehr viel günstigeren Verlauf hat dagegen die sog. ~Einschalt-Zeit", also dieJenige Zeit, die nach dem Einschlden der Batterie vergeht, bis die Spannung oder der Srom eines im Batteriekreis befindlichen kapazitive bzw. induktiven Widerstands einen vorgegebenen Grenz wert erreicht. Denn diese Variable hängt stark von der Höhe der Batteriespannung ab und reagiert somit auch schon auf kleinste Spannung schwankungen mit deutlichen Änderungen. Mißt man, wie erfindungsgemäß vorgesehen, die Einschaltzeit, so kann die Kontrolle früh2eitig warnen und zudem auch dann Auskunft über die vorhanden Reserven geben, wenn die Batterie erst teilweise entladen ist. Diese Zusatzinformation wird im vorliegenden Fall mittels einer gestaffelten Darstellung gegeben, die nach verschiedenen Entladungsgraden differenziert und einen raschen Ubertblick über den Batteriezustand verschafft.
• Die vorgeschlagene Batterie-Ladekontrolle findet vor allem bei Geräten Anwendung, die schon über ein RC-Glied verfügen (Beispiel: Elektronenblitzgerät mit Ladekondensator). In diesen Fällen ist die Anzeige normalerweise fest eingebaut. Besonders günstig gestalten sich dabei die Verhältnisse, wenn das Gerät auch schon mit einem passiven elektrooptischen Display ausgerüstet ist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Lö sungsvorschlags sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.
• Die Erfindung soll nun anhand eines bevorzugten Ausftihrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden.
• Es zeigen: Fig. 1 von dem Ausführungsbeispiel ein teilweise schematisch gehaltenes Schaltbild, Fig. 2a) bis 2d) einige Cestaltungsmöglichkeiten für das Anzeigeufeld des Displays und Fig. 3 von einem vermessenen Elektronenblitzgerät die Batterieladespannung U, die Einschaltzeit st des Ladekondensators und die Blitzbereitschaft B (B = # #/ #) in Abhängigkeit von der Anzahl der Kondensatorentladungen N.
• Die Schaltung der Fig. 1 ist folgendermaßen aufgebaut. Im Stromkreis einer Batterie, der durch einen Schalter 1 unterbrochen werden kann, liegen ein Kondensator 2 sowie ein ohmscher Widerstand 3 hintereinander. Der Kondensator ist dabei mit dem Pluspol der Batterie verbunden, während der ohmsche Widerstand den Minuspol der Batterie kontaktiert.
• Parallel zu diesem RC-Glied sind - ebenfalls zueinander in Reihe - ein weiterer ohmscher Widerstand ("Vorwiderstand") 4 und die Kollektor- Emitter-Strecke eines Transistors 6 geschaltet, und zwar so, daß der Vorwiderstand mit der positiven Batterieklemme und der Emitter des Transistors 6 mit der negativen Batterieklemme in Kontakt stehen.
• Die Basis des Transistors 6 ist über' eine Ze-nerdiode 7 zwischen den Kondensator 2 und den Widerstand 3 geführt (Abgriff 5). Die Zenerdiode ist so geschaltet, daß die Transistor-Bass gegenüber dem Punkt 5 positiv vorgespanht wird. An beiden Enden des Vorwiderstandes 4 wird fleweils die Spannung abgenommen und über eine Leitung 8 bzw. 9 auf einen Signalverarbeitungskreis ("Timer") gegeben. Diese Einheit, die in der Figur lediglich durch einen Block 11 angedeutet ist, enthält einen Impulsgeber sowie einen Impulszähler und erzeugt ein Ausgangs signal, das eine Flüssigkristallan zeige aktiviert. Dieses Display - es ist in der Figur durch einen Block 12 symbolisiert - enthält im vorliegenden Fall 4 Anzeigeelemente 13. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß dann, wenn die Batterie voll ist, alle vier Anzeigeelemente eingeschaltet werden und daß bei leerer Batterie keines der Anzeigeelemente aktiviert wird. Die Zwischenzustände sind folgendermaßen gestaffelt: Drei eingeschaltete Anzeigeelemente repräsentieren den Lade-zustand gleicht entladen", zwei eingeschaltete Anzeigeelemente "etwa zur Hälfte entladen" und ein eingeschaltetes Anzeigeelement bedeutet "stark entladen/Batterie austauschen bzw. aufladen".
• Beispielefür eine übersichtliche, einprägsame Formgebung der Anzeigeelemente werden in den Figuren 2a) bis 2d) gegeben. Die Figuren zeigen die Varianten ~Quadrat aus vier Eckpunkten" (Fig. 2a)), "Kreuz aus vier Balkens (Fig. 2b)), "Ring aus vier Abschnitten (Fig. 2c)) und u Gefäß mit drei Flüssigkeitspegeln" (Fig. 2d)).
• Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Schließt man den Schalter 1, so liegt zunächst die gesamte Spannung am Widerstand 3. Dadurch wird der Timer über die Leitung 8 eingeschaltet. Mit der Zeit lädt sich der Kondensator 2 auf, mit der Folge, daß am Abgriff 5 und damit auch an der Transistor-Basis das Spannungsniveau ständig sinkt. Hat die Spannung über demEondensator einen bestimmten Wert erreicht, der durch Wahl des Transistors und der Zenerdiode festgelegt ist, so wird die Kollektor-Emitter-Strecke leitend. In diesem-Fall fällt über den Widerstand 4 Spannung ab und der Timer wird über die Leitung ~9 abgeschaltet. Die aus der Widerstand 4, dem Transistor 6 und der Zenerdiode 7 gebildete Gruppe fungiert also als Schvellwertschalter, der den Timer während der Dauer der "Einschaltzeitt für den Kondensator 2 aktiviert. Dient dabei der Kondensator zugleich awoh als Ladekondensator für ein Elektronenblitzgerät, so empfiehlt es sich, als Schwellwert die Zündspannung für die Blitzröhre zu nehmen.
• Solange der Timer eingeschaltet ist, zählt er die mit einer konstanten Folgefrequenz erzeugten Impulse.
• Die so ermittelte Impulszahl wird anschließend in ein Spannungsaignal umgesetzt, das eine vom Zahlenwert abhängig. Anzahl von Anzeigeelementen einschaltet.
• Um zu veranschaulichen, wie unterschiedlich die Batteriespannung und die Einschaltzeit vom Batterie- ladezustand abhängen, wurden.an einem gängigen Blitzgerät die entsprechenden Kennlinien ermittelt und in Fig. 3 einander gegenübergestellt. Dort sind in Abhängigkeit von der Zahl Z der gezundeten Blitze - die Meßreihe wurde bei einer Blitzzahl von 310 abgebrochen - die Batteriespannung in V (Kurve 14), die der Einschaltzeit entsprechende Blitzfolgezeit in Sekunden (Kurve 16) und die "Blitzbereitschaft" B in Prozent (Kurve 17) eingetragen. Die Blitzbereitschaft ist der Kehrwert der Blitzfolgezeit, normiert auf den Anfangswert dgr Kurve 17. Diese abgeleitete Hilfsgröße macht den Unterschied in der Steigung der beiden Kurven 14 und 16 besonders augeX£ä)ilig.
• Daß die Blitzfolgezeit so rasch mit der Blitzzahl zunimmt, ist darauf zurUckzuf~hren, daß die Spannung im Kondensator eines RC-Gliedes beim Einschalten einer Spannungsquelle nach der bekannten Funktionen Spannungsquelle Funktionen UC = UB (1-e - ##) (UC = Kondensatorspannung, UB = Spannung der Spannungsquelle, R I Impedanz des ohmschen Widerstandes und C s Kapazität des Kondensators) ansteigt.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das ausführlich geschilderte Ausführungsbeispiel. So ist zu erwarten, daß man zu ähnlich guten Ergebnissen kommt, wenn man den kapazitiven durch einen induktiven Widerstand ersetzt und das Zeitsignal aus dem Stromanstieg in der Induktivität nach Einschalten der Batterie herleitet. Davon abgesehen ist es mitunter sinnvoller, anstelle einer Flüssigkristallanzeige ein anderes passives elektrooptisches Display, etwa eine elektrochrome Anzeige, zu verwenden Im übrigen bleibt es dem Fachmann überlassen, in welcher Art er die Ladekontrolle in das Gerät einbezieht.
• Je nach den Gegebenheiten des Einzelfalles wird er yon bereits vorhandenen Bauelementen wie RC-Gliedern, Displays oder Schaltern Gebrauch machen und beispielsweise bei Geräten mit Hauptschaltern diesen Schalter auch zum Einschalten des Kontrollsystems heranziehen und das System selbstabschaltend ausbilden. Schließlich besteht noch ein gewisser Spielraum bei der Wahlder Schaltungstechnologie. Die Schaltung sollte soweit wie möglich integriert werden; die Voraussetzungen hierfür sind günstig, wie aus "bauteile report" 16 (1978) 91 hervorgeht.
• 3 Figuren 5 Patentansprüche * Auch die Ansteuerung'aktiver elektrooptischer Elemente ist grundsätzlich möglich.

Claims (5)

1. Patentansprüche 1. Anordnung zur Kontrolle des Ladezustands einer Batterie, mit einer passiven elektrooptischen Anzeigevorrichtung, insb. einer Flüssi#kristallanzeige, die mindestens ein elektrisch schaltbares Anzeigeelement hat, und einer Schaltung, die ein von der Batteriespannung abhängiges elekttisehes Signal erzeugt und damit das Anzeigeelement der Anzeigevorrichtung schaltet, d a d u r c h g e k e n n Z e i c h n et , daß A) die Schaltungsanordnung 1) einen kapazitiven oder induktiven Widerstand (2) und 2) einen Schaltkreis enthält, #er die von der Batteriespannung abhängige Zeit ("Einschaltzeit") erfaßt, die nach Einschalten des Stromkreises der Batterie vergeht, bis die Spannung über dem kapazitiven Widerstand (2) bzw. der Strom im induktiven Widerstand einen bestimmten Schwellwert erreicht hat, und die Einschaltzeit in ein elektrisches Signal ("Zeitsignal") umsetzt, B) die Flüssigkristallanzeige (12) 1) n durch das Zeitsignal schaltbare Anzeigeelemente (13) hat (n s eine natUrliche ganze Zahl), von denen 2) im Betrieb der Anordnung die ersten m Anzeigeelemente (m I eine natürliche ganze Zahl, m#n) eingeschaltet werden,. wobei m mit zunehmender Einschaltzeit wächst.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, d adu r c h g e k e n n z e i c h n et , daß der Schaltkreis einen Schwellwertschalter und eine Zeitverarbeitungseinheit (11) enthält, wobei der Schwellwertschalter die Zeitverarbeitungseinheit beim Einschalten des Batteriestromkreises einschaltet und beim Erreichen des Schwellwertes wieder ausschaltet und die Zeitverarbeitungseinheit (11) Impulse mit einer konstanten Folgefrequenz erzeugt, die während der Einschaltzeit erzeugten Impulse zählt und die gezhhlten Impulse in ein Zeitsignal umsetzt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h ge k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltung einen mit dem ohmschen Widerstand (3) in Reihe liegenden kapazitiven Widerstand (2) enthält, daß der Schwellwertschalter im Stromkreis der Batterie zu dieser Widerstandskette parallel liegt und aus einem ohmschen Widerstand (Vorwiderstand 4) sowie einem Transistor (6) besteht, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe zu dem Vorwiderstand (4) geschaltet ist und dessen Basis über eine Zenerdiode (7) zwischen die beiden Widerstände (2,3) der Widerstandskette geführt ist, und daß die vor und hinter dem Vorwiderstand (4) herrschenden Spannungen abgegriffen werden und Jeweils eine Eingangsspannung ftlr die Zeitverarbeitungseinheit (11) bilden.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , daß der kapazitive Widerstand (2) eine Kapazitätsdiode ist.
5. 5. Anordnung nach einem der AnsprUche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie in einem batteriebetriebenen Gerät, insb. in einem Slektronenblitzgerät, eingebaut ist.