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Die Erfindung betrifft ein Batterieladegerät, und insbe-
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sondere ein Batterieladegerät, das zum Aufladen von aufladbaren Batterien
von anschlußlosen elektrischen Werkzeugen geeignet ist.
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Anschlußlose elektrische Werkzeuge werden umfassend in einem weiten
Bereich von Anwendungen wegen ihrer Nützlichkeit verwendet. Diese anschlußlosen
elektrischen Werkzeuge benutzen wiederaufladbare Batterien und dazu werden Batterieladegeräte
verlangt, um die Batterien wieder aufladen zu können, so oft es nötig ist. Da die
wiederaufladbare Batterie sich schnell erwärmt wenn sie vollständig geladen ist,
benutzen herkömmliche Batterieladegeräte diese Temperaturcharakteristik als Indikator
für die Beendigung des Ladevorgangs. Zu diesem Zweck ist ein Temperaturfühler in
Batterieladegeräten enthalten, um die Temperatur der Batterie festzustellen und
somit den Ladevorgang zu beenden, wenn diese Temperatur einen vorgegebenen Wert
übersteigt.
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In gewöhnlichen Batterieladegeräten ist der Temperatur fühler in eine
Schaltung geschaltet, durch die der Ladestrom der Batterie zugeführt ist. Wegen
dieser Reihenschaltung neigt der Temperaturfühler dazu, sich durch die hindurchtretenden
großen Ströme aufzuheizen, insbesondere wenn die Quellenspannung und/oder Umgebungstemperatur
relativ hoch sind, und-als Folge davon arbeitet der Sensor in Abhängigkeit von seiner
eigenen Wärme, wodurch er den Ladestrom begrenzt bevor die Batterie vollständig
geladen ist. In verschiedenen Arten von konventionellen Batterieladegeräten umfaßt
der Temperatur fühler ein Paar von temperaturabhängigen Kontakten, die vom Kontakt
miteinander befreit werden, wenn die Umgebung eine vorgegebene Temperatur erreicht.
Diese Art von Fühler hat den Nachteil, daß der Schaltvorgang der Kontakte wegen
des Lichtbogens ihre Lebensdauer verkürzt, der dazu neigt, im Falle eines Batteriefehlers
die Kontakte miteinander zu verschmelzen. Weiter neigt das herkömmliche
Batterieladegerät
dazu, den Ladevorgang wegen einer Schwankung der Eingangsspannung wieder aufzunehmen,
was ein Uberladen bewirkt, wenn das Ladegerät mit der Wechselstromenergiequelle
verbunden bleibt, nachdem sie vollständig geladen wurde; es setzt den Ladevorgang
nicht in Gang, wenn die Quellenspannung und/oder die Umgebungstemperatur zu niedrig
ist und ist nicht in der Lage, eine konstante Ladeenergiemenge sicherzustellen,
da der Ladevorgang nicht nach einem präzisen Zeitablauf beendet werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beseitigt die Probleme, die mit bekannten
Batterieladegeräten verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße Batterieladegerät umfaßt einen Gleichrichter,
der im Gebrauch mit einer Wechselspannungsquelle verbunden werden kann, um eine
gleichgerichtete, sinusförmige Halbwellenspannung zu erzeugen. Ein erstes gategetriggertes
Schaltmittel ist in einer ersten Schaltung zwischen dem Gleichrichter und einer
wiederaufladbaren Batterie geschaltet, um die sinusförmige Halbwellenspannung an
die Batterie anzulegen. Ein Triggermittel ist in einer zweiten Schaltung zwischen
der Batterie und dem Gate des ersten Schaltmittels geschaltet, um dieses in leitendem
Zustand zu triggern und somit die sinusförmige Spannung an die Batterie anzulegen,
wenn der augenblickliche Wert der Spannung größer ist als die Spannung der Batterie.
Ein temperaturabhängiges Schaltmittel ist vorgesehen, um die zweite Schaltung abzutrennen,
wenn die Batterie auf eine Temperatur höher als ein vorgegebener Wert aufgeheizt
ist.
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Weiter ist ein zweites gategetriggertes Schaltmittel vorgesehen, das
auf das temperaturabhängige Schaltmittel anspricht, um eine Kurzschlußstrecke zu
dem Gate des ersten Schaltmittels aufzubauen.
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Da das temperatur abhängige Schaltmittel in einer Schaltung vorgesehen
ist, in der nur der Gatestrom fließen kann, gibt es keine Selbsterwärmung des temperaturabhängigen
Schaltmittels.
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Wegen der Bereitstellung der zweiten Schaltung ist verhindert, daß
das erste gategetriggerte Schaltmittel in leitenden.
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Zustand getriggert werden kann, sogar wenn während der Nichtladeperioden
Quellenspannung auf ein höheres Niveau ansteigt.
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Der Kurzschluß der Gateschaltung des ersten gategetriggerten Schaltmittel
gestattet es, die Schaltungsparameter der Triggermittel geeignet festzulegen, sowie
einen genügend hohen Triggerstrom für das erste gategetriggerte Schaltmittel zu
erzeugen und daher der Ladeschaltung zu gestatten, erfolgreich zu arbeiten, sogar
wenn die Quellenspannung relativ niedrig ist oder wenn die Umgebungstemperatur auf
ein Niveau absinkt, wo die Temperatur unter ein Niveau geht, bei dem das erste gategetriggerte
Schaltmittel in anderer Weise weniger triggerbar wäre. Ein weiterer Vorteil der
Erfindung liegt darin, daß die temperaturabhängige Triggerempfindlichkeit des ersten
gategetriggerten Schaltmittel keinen ungünstigen Einfluß auf die Beendigung des
Ladevorgangs hat, da der Ladevorgang ausschließlich in Abhangigkeit von dem Ausschalten
des temperaturabhängigen Schaltmittels beendet wird. Dies stellt sicher, daß die
Batterie jederzeit mit einer konstanten Energiemenge geladen wird.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher beschrieben; in dieser zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild eines
Batterieladegeräts und Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm zur Beschreibung der Betriebsweise
dieses Batterieladegeräts.
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Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines verbesserten
Batterieladegeräts. Die Batterieladeschaltung 14 umfaßt einen Abspanntransfor-mator
2, dessen Primärwicklung über eine temperaturabhängige Sicherung 3 an eine Wechselspannungsquelle
1 angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung über eine Stromsicherung 5 an einen
Vollweggleichrichter 4 angeschlossen ist. Für praktische Anwendungen ist der Gleichrichter
4 parallel zu einem Stabilisator geschaltet, der eine Parallelkombination eines
Glättungskondensators 8 und eines Entladekondensators 9 umfaßt. Die temperaturabhängige
Sicherung ist an den Transformator angeschlossen, um den Eingangskreis zu unterbrechen,
wenn der Transformator unnormal aufgeheizt ist, und die Stromsicherung soll einen
überstrom verhindern, der auftreten kann, wenn die Ladeschaltung überlastet ist.
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Ein Batteriegehäuse 13 ist als strichpunktiertes Rechteck dargestellt,
indem eine aufladbar Batterie, die aufgeladen werden soll, angeordnet werden kann.
Das Batteriegehäuse 13 bildet einen Teil der Ladeschaltung und schließt Verbindungsanschlüsse
a, b und c ein,'die angeordnet sind, um mit dazu passenden Aufnahmeanschlüssen A,
B bzw. C der Ladeschaltung 14 verbunden zu werden. Die aufladbare Batterie 6 ist
zwischen den Anschlüssen a und c angeschlossen. Das Gehäuse 13 umfaßt weiter einen
Temperaturschalter 10, eine Diode 11 und eine temperaturabhängie Sicherung 12, die
alle in Reihe zwischen den Anschlüssen b und c angeschlossen sind. Der Temperaturschalter
10 ist normalerweise geöffnet und ist angeordnet, um an einer Seitenwand der Batterie
6 befestigt zu werden und somit die normalerweise geschlossenen Kontakte
zu
öffnen, wenn die Batterie 6 auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt ist. Zweck
der Diode 11 ist, zu verhindern, daß die Batterie 6 kurzgeschlossen wird, wenn die
Anschlüsse a und b versehentlich miteinander verbunden werden. Die temperaturabhängie
Sicherung 12 unterbricht die Ladeschaltung, wenn der Ladestrom versagt und die Batterietemperatur
auf ein unnormal hohes Niveau angestiegen ist. Der Vollweggleichrichter 4 liefert
einen Lade strom, der durch eine mit dem Anschluß A gekoppelte positive Energieleitung
40 und eine mit dem Anschluß C gekoppelte negative Energieleitung 50 zugeführt ist.
In der negativen Energieleitung ist ein erstes Schaltelement oder Thyristor 7 vorgesehen,
dessen Anode mit dem Anschluß c und dessen Kathode mit dem Gleichrichter 4 gekoppelt
ist.
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Eine Torschaltung 60 ist von der Gateelektrode des Thyristors 7 zu
den Anschlüssen B, b und über die Bauteile 12, 11 und 10 mit der negativen Elektrode
der Batterie 6 verbunden. Die Torschaltung 60 umfaßt einen strombegrenzenden Widerstand
15, ein gatepulsformendes RC-Glied, das einen Kondensator 16 und einen Widerstand
aufweist, und eine strombegrenzende Diode 27. Zwischen dem Gate des Thyristors 7
und der negativen Leitung 50 ist eine Rauschunterdrückungsschaltung geschaltet,
die durch eine Parallelschaltung eines Widerstandes 18 und eines Kondensators 19
gebildet ist, um das Gaterauschen zu absorbieren, das auftritt, wenn der Thyristor
7 an-und ausgeschaltet wird.
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Eine Gatesperrschaltung 70 ist gebildet aus einem zweiten Schaltelement
oder Transistor.24, dessen Kollektor an das Gate des Thyristors 7 über die Diode
27 und dessen Emitter an die Thyristorkathode angekoppeLt ist. Die Basis des Transistors
24 ist durch eine Integratorschaltung vorgespannt, die durch eine Reihenkombination
eines Widerstandes
20 und eines Kondensators 21 gebildet ist,
die zwischen den Anschluß C und die Kathode des Thyristors 7 geschaltet sind und
entsprechend parallel den umgekehrt vorgespannten Dioden 22, 23 liegen. Die Integratorschaltung
ist durch eine Zenerdiode 25 mit der Basis des Transitors verbunden. Ein Widerstand
26 ist über die Basis und den Emitter des Transistors 24 geschaltet, um ein Vorspannpotential
zu entwickeln, wenn die gespeicherte Ladung in dem Integrationskondensator 21 die
Durchbruchspannung der Zenerdiode 25 übersteigt.
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Wie im folgenden beschrieben wird, liefert der Vollweggleichrichter
24 vollweg gleichgerichtete, nicht gefilterte sinusförmige Halbwellenimpulse auf
die Energieleitungen 40 und 50 zu der Batterie 6 und der Thyristor 7 wird angeschaltet
in Abhängigkeit von einem Strom, der in der Sperrschaltung 60 erzeugt wird, wenn
der Halbwellenimpuls die Gleichstromspannung der Batterie übersteigt.
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Eine Licht emittierende Diode 28 ist vorgesehen, deren Anode über
einen strombegrenzenden Widerstand 30 an die positive Leitung 40 gekoppelt ist und
deren Kathode über die Kollektoremitterstrecke eines Schalttransistors 29 an die
negative Leitung 50 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors ist über einen
Widerstand 31 an das Gate des Thyristors 7 geschaltet. Wenn der Thyristor 7 angeschaltet
ist, ist der Transistor 29 vorgespannt, um die LED 28 zu aktivieren und somit anzuzeigen,
daß die Schaltung die Batterie 6 lädt.
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Die Funktionsweise der Ladeschaltung soll nun anhand des Zeitablaufdiagramms
nach Fig. 2 veranschaulicht werden.
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Wenn das Batteriegehäuse 13 in Kontakt mit der Ladeschaltung 14 gebracht
ist, um die Verbindung zwischen den passenden Anschlüssen A, a, B, b und C, c aufzubauen,
ist ein Schaltkreis eingerichtet vom Gleichrichter 4 über die positive Energieleitung
40, die Batterie 6, die Torschaltung 60 und über die Gatekathodestrecke des Thyristors
7 und die negative Energieleitung 50. Wenn der augenblickliche Wert der sinusförmigen
vom Gleichrichter 4 entwickelten Ladespannung 100, über die Batteriespannung 101
während jeder Halbperiode der Wechselspannung ansteigt, fließt ein Strom über die
Torschaltung 60, um den Kondensator 16 zu laden. Als Ergebnis fließt ein Gatestrom
102 über die Gatekathodenstrecke des Thyristors 7. Eine Ladung 103 wird in dem Kondensator
16 aufgebaut in Abhängigkeit von dem Gatestrom 102. Wenn die gespeicherte Energie
im Kondensator 16 die Schwelle des Thyristors 7 erreicht, ist der letztere angeschaltet
zur Zeit tot um einen Weg für den Ladestrom zur Batterie 6 aufzubauen, und der Kondensator
16 wird über den Widerstand 17 entladen, bis die Ladespannung 100 wieder über die
Batteriespannung 101 ansteigt. Wenn die Halbwellenspannung 100 unter die Batteriespannung
101 fällt, wird die Anode des Thyristors 7 auf ein Potential gebracht, das ungenügend
ist, um den leitenden Zustand zu halten, und der Thyristor ist zur Zeit tl abgeschaltet.
Dieser Vorgang wird wiederholt, um den Ladebetrieb bis zur Zeit2 fortzusetzen, zu
der sich die Batterie bis zu einer vorbestimmten. Temperatur (typischerweise bei
450 C) erwärmt hat, aufgrund der Joule'schen Wärme, die durch den inneren Widerstand
erzeugt wird, und der Wärme, die bei der Reaktion von Gasen erzeugt wird, und der
Temperaturfühler 10 wird betrieben, um die Torschaltung 60 zu trennen. Der Thyristor
7 wird ausgeschaltet in Abhängigkeit von einer Erniedrigung der Ladespannuny 100
unter die Batteriespannung 101; daher wird der Ladebetrieb zur Zeit t3 beendet.
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Bei der Beendigung des Ladevorgangs beginnt der Integrationskondensator
21 eine Ladung 104 aufzubauen. Wenn die in dem Kondensator 21 gespeicherte Energie
die Durchbruchspannung der Zenerdiode 25 erreicht, ist der Schalttransistor 24 in
Leitung vorgespannt zur Zeit t4, um eine Kurzschlußstrecke über das Gate und die
Kathode des Thyristors 7 vorzusehen und somit den Thyristor am Reagieren auf einen
folgenden im Kondensator 16 entwickelten Anstieg 105 der Spannung zu hindern, nachdem
sich die Batterie 6 unter die kritische Temperatur abgekühlt hat, was durch den
Sensor 10 zur Zeit t5 nachgewiesen werden 5 kann. Wenn dies eintritt, bleibt der
Kondensator 16 vollständig geladen und der Widerstand 17 dient als Begrenzer des
zur Kurzschlußstrecke geleiteten Stroms. Die Diode 27 bildet eine zusätzliche Vorsichtsmaßnahme
gegen das Unerwünschte Zünden des Thyristors 7, durch die Entwicklung eines in Vorwärtsrichtung
vorgespannten Spannungsunterschieds, der ausreicht, um die Kollektorspannung des
Transistors 24 am Ansteigen über die Schwelle des Thyristors 7 zu hindern, wenn
der Transistor 24 gesättigt ist.
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Aufgrund der eben beschriebenen Schaltungskonfiguration, umgeht der
Ladestrom für die Batterie 6 den temperaturfühlenden Schalter 10, so daß keine Selbsterwärmung
der Kontakte des Schalters 10 auftritt, und daher das Verschmelzen derartiger Kontakte
vermieden wird, was andererseits zu einer tiberladung der Batterie 6 führen kann.
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Wegen der Bereitstellung der Gatesperrschaltung 70 wird verhindert,
daß der Thyristor 7 in leitenden Zustand getriggert wird, sogar dann, wenn während
einer Nichtladeperiode die Quellenspannung zu einem höheren Niveau anwächst, so
daß verhindert wird, daß die Batterie 6 überladen wird, wenn die Ladeoperation fortgeführt
wird.
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Weiterhin gestattet es das Batterieladegerät, die Spannung, die über
dem Gate und der Kathode des Thyristors 7 entwickelt ist, als Steuerungssignal für
die LED 28 zu benutzen. Dies dient zur Herabsetzung der Anzahl von Schaltungskomponenten,
die erforderlich sind für eine visuelle Anzeige des Betriebszustands.
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Das Kurzschließen der Gateschaltung des Thyristors 7 liefert den weiteren
Vorteil, daß die Schaltungsparameter für das den Impuls bildende RC-Glied geeignet
festgelegt werden können, sowie um einen genügenden Strom zum Triggern des Thyristors
7 zu erzeugen, um so der Ladeschaltung zu gestatten, erfolgreich betrieben zu werden,
sogar wenn die Quellenspannung relativ niedrig ist oder wenn die Umgebungstemperatur
unter das Niveau sinkt, wo der Thyristor 7 in anderer Weise weniger triggerbar werden
würde. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die temperaturabhängige
Triggerempfindlichkeit des Thyristors 7 keinen ungünstigen Einfluß auf die Beendigung
der Ladeooperation hat, weil die Ladeoperation ausschließlich in Abhängigkeit auf
das Ausschalten des Temperaturfühlers 10 beendet wird.
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Dies sorgt dafür, daß die Batterie zu jeder Zeit mit einer konstanten
Energiemenge geladen wird.
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Die Verbindung des temperaturfühlenden Schalters 10 mit der negativen
Elektrode der Batterie 6 gestattet eine Herabsetzung der Anzahl der Verbindungsanschlüsse
zwischen den Schaltungen 13 und 14, wodurch geringere Herstellungskosten und höhere
Betriebssicherheit erreicht wird.
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