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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konstantstrom-Batterieladesystem
für tragbare Vorrichtungen, insbesondere für zellulare Telefone, welches
eine normale Bentzung der Vorrichtung auch während des
Wiederaufladens ihrer internen Batterie ermöglicht, welches einen einfachen Aufbau
aufweist ohne Hilfsspannungsversorgungsschaltungen zum Versorgen der
funktionellen Schaltungen der Vorrichtung während des
Aufladevorgangs.
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Zahlreiche tragbare Geräte und insbesondere zellulare Telefone
verwenden aufladbare Batterien, beispielsweise NiCd-,
Al/NiCd- oder Al/NiMH-Batterien. Diese internen Batterien machen eine häufige
Neuaufladung erforderlich, da eine vollständig geladene Batterie
normalerweise innerhalb etwa einer Stunde andauernder Benutzung des
Geräts entladen ist.
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Üblicherweise haben Batterieladesysteme, die nicht die Möglichkeit der
Benutzung des tragbaren Geräts während des Aufladens seiner internen
Batterie bieten, einen Aufbau, wie er in Figur 1 dargestellt ist.
Typischerweise wird die interne Batterie des Geräts mit einem konstanten
Strom (ILade) aufgeladen, der von einer geeigneten Spannungsversorgung
geliefert wird. Während des Aufladevorgangs werden kontinuierlich zwei
Parameter überwacht, nämlich: die Batteriespannung und -Temperatur.
Die Temperatur wird üblicherweise mit Hilfe eines einen negativen
Temperaturkoeffizienten aufweisenden Widerstands (NTC) überwacht,
der zu diesem Zweck gezielt in den Batteriesatz eingebaut wird. Durch
Messen dieser beiden Parameter ist es möglich, festzustellen, wann die
Batterie den vollen Ladezustand erreicht hat, um den Ladevorgang
automatisch anzuhalten und so eine Beschädigung der Batterie zu
unterbinden, die möglicherweise aus einer zu starken Überladung entsteht.
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Im Überladungszustand hat die Batteriespannung die Neigung, von
einem während der Aufladung erreichten Maximalwert abzufallen
(-ΔV), und die Temperatur der Batterie neigt zu einem raschen Anstieg
mit einem gewissen Gradienten (ΔT/Δt). Spannung und Temperatur
werden mit Hilfe von Analog-Digital-Wandlern gemessen, und die
digitale Information wird von einem Überwachungs-Mikroprozessor
verarbeitet. Wenn die Werte von -ΔV und von ΔT/Δt einen vorbestimmten
Pegel erreichen, wirkt der Mikroprozessor auf die Konstantstrom-
Versorgungsschaltung der Ladeeinrichtung ein, um den Ausgangsstrom
zu verringern oder ihn vollständig abzuschalten.
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Die Verfügbarkeit eines Mikroprozessors mach es durch Verwendung
eines internen Zeitsteuergiieds möglich, den Ladevorgang nach einer
eingestellten Zeitspanne anzuhalten, um Risiken für die Batterie im Fall
von Fehlfunktionen auszuschalten.
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Das oben beschriebene Aufladesystem ist dann zufriedenstellend, wenn
die interne Batterie während des Aufladevorgangs vorsorglich von ihrer
Lastschaltung abgetrennt wird (zum Beispiel von den funktionellen
Schaltungen des tragbaren Telefons, das von der Batterie gespeist wird).
Dies bedingt, daß während der Aufladezeit das Gerät nicht benutzbar ist.
In Anbetracht des Umstands, daß die Aufladezeit in der Größenordnung
von zwei Stunden liegen kann (abhängig von der Kapazität der internen
Batterie und der Stärke des Ladestroms), stellt die Unmöglichkeit des
Gebrauchs des Telefons oder der tragbaren Vorrichtung während einer
derart langen Zeitspanne einen Nachteil dar. Die Verfügbarkeit eines
zweiten (Reserve-)Batteriesatzes ist eine kostspielige und/oder
unpraktische Lösung.
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Wenn andererseits das Telefon oder eine andere tragbare Vorrichtung
während des Aufladevorgangs in Betrieb genommen wird, verringert der
von den fuktionellen Schaltungen aufgenommene Strom den Ladestrom
der Batterie, der von dem Konstantstrom-Batterieladegerät bereitgestellt
wird. Deshalb bleibt nur ein Bruchteil eines deutlich geringeren Werts
verfügbar für die Fortsetzung des Ladevorgangs der Batterie. Damit ist
möglicherweise die maximale Batterieaufladezeitspanne, die durch das
interne Zeitsteuerglied des Ladesystems eingestellt wird, möglicherweise
vorbei, bevor die Batterie vollständig aufgeladen ist. Wenn der von der
Vorrichtung aufgenommene Strom größer ist als der von dem
Konstantstrom-Batterieaufladesystem
gelieferte Strom, muß die gerade im
Aufladezustand befindliche Batterie die Stromdifferenz bereitstellen, so daß
sie sich also auch während der Zeit der Wiederaufladung entlädt.
Selbstverständlich kann man einen solchen Nachteile dadurch überwinden, daß
man ein gezielt modifiziertes bekanntes Batterieaufladesystem verwendet,
wie es schematisch in Figur 2 gezeigt ist.
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Um bei diesem Typ von Batterieladegerät die Benutzung der tragbaren
Vorrichtung (zum Beispiel eines zellularen Telefons) während einer
Aufladung von deren interner Batterie zu ermöglichen, ohne mit den
oben angegebenen Problemen konfrontiert zu sein, kann das
Batterieaufladesystem mit einer speziellen Hilfsstromversorgungsschaltung
ausgestattet sein, die in der Lage ist, der Vorrichtung in geeigneter Weise
Leistung bei einer Spannung zuzuführen, die geringfügig höher ist als
die Batteriespannung, und zwar auch während einer Aufladephase der
internen Batterie, ohne dabei den Aufladevorgang zu gefährden. eine
vierte Verbindungsleitung der tragbaren Vorrichtung zu dem
Batterielader ermöglicht es, an den Versorgungsknoten A der funktionellen
Schaltungen der tragbaren Vorrichtung eine Hilfsstromversorgung anzu
schließen, deren Ausgangsspannung (VVorsorgung) einen solchen Wert
aufweisen kann, daß sie stets höher ist als die Batteriespannung VB.
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Ein Entkopplungselement (beispielsweise eine Diode D) zwischen der
Batterieleitung VB und dem Versorgungsknoten A gewährleistet, daß der
von der Vorrichtung (dem Telefon) während eines Ladevorgangs von
deren internen Batterie aufgenommene Strom ausschließlich von der
dazu vorgesehenen Leitung VVorsorgung stammt, weil die Diode D in
Sperrrichtung vorgespannt ist.
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Wenn die Vorrichtung ausgeschaltet ist, verhindert die Diode D, daß die
Batterie aufgeladen wird, indem Strom von der Hilfsversorgungsleitung
VVorsorgung entnommen wird, so daß in jedem Zustand der Vorrichtung (ein
oder aus) der Ladestrom der Batterie immer und nur der konstante
Strom ILade ist. Selbstverständlich kann das beispielsweise als Diode D
dargestellte Entkopplungselement auch ein Element eines anderen Typs
sein. Beispielsweise läßt sich die Entkopplung mit Hilfe mechanischer
Mittel realisieren (zum Beispiel mit Hilfe eines Mikroschalters oder
eines Klinkensteckers), die automatisch dann betätigt werden, wenn die
tragbare Vorrichtung an das Batterieladegerät angeschlossen wird.
Deshalb läßt sich das Telefon oder die Vorrichtung sicher auch während der
Aufladung seiner bzw. ihrer inneren Batterie benutzen.
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Andererseits ist ersichtlich, daß die Hinzufügung einer speziellen
Hufsstromversorgungsschaltung in einem Konstantstrom-Batterieladesystem
eine Vergrößerung des Elektronikteils des Systems darstellt, das
normalerweise in integrierter Form ausgebildet ist, womit eine
Kostenzunahme einhergeht.
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Es wurde nun als Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein enorm
wirtschaftlicher Weg zur Bereitstellung eines Hilfsspannungsversorgungs
ausgangs mit einer angemessenen Spannung für die Funktionsschaltungen
der tragbaren Vorrichtung während eines Aufladevorgangs für deren
interne Batterie gefunden.
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Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße System in der Lage, eine
Ausgangsleitung mit einer Spannung abzuleiten, die wesentlich höher ist als
die Spannung an den Anschlüssen der aufgeladenen Batterie, indem eine
solche Hilfsversorgungsleitung vor einem Fühlwiderstand abgeleitet
wird, welcher funktionell in Reihe zu dem Pfad des Ladestroms der
Batterie geschaltet ist, das heißt zwischen eine Spule und den
Ausgangsknoten einer Umformerschaltung des Batterieladegeräts. Andererseits
bildet der Fühlwiderstand das Element, welches Information über die
Stromabgabe durch das Batterieladegerät an eine Rückkopplungsschleife
liefert, welche den zu der Batterie fließenden Ladestrom stabilisiert.
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In einem Konstantstrom-Batterieaufladesystem des betrachteten Typs ist
die Schleife, die die Ausgangsspannung des Batterieladers regelt,
normalerweise inaktiv aufgrund des Umstands, daß die Last eine Batterie ist,
die Last-Batterie selbst die Spannung fixiert und praktisch verhindert,
daß die Ausgangsspannung des Batterieladers auf einen Pegel ansteigt,
um die Spannungsregelschleife zu aktivieren. In der Praxis würde die
Spannungsregelschleife nur dann aktiviert, wenn die Batterie von den
Batterieladegerätanschlüssen abgetrennt würde, jedoch ist dies natürlich
eine nicht signifikante Bedingung in dem speziellen Kontext.
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Die verschiedenen Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich
deutlicher durch die nachfolgende Beschreibung mehrerer wichtiger
Ausführungsbeispiele und durch Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen. Es zeigen:
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Figur 1 ein grundlegendes Diagramm eines Konstantstrom-Batterie
laders gemäß dem Stand der Technik, wie er bereits oben beschrieben
wurde;
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Figur 2 ein Diagramm eines Konstantstrom-Batterieladers mit
einem Hilfsversorgungsausgang für die funktionellen Schaltungen der
tragbaren Vorrichtung während des Aufladens der internen Batterie
gemäß dem Stand der Technik;
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Figur 3 ein grundlegendes Diagramm eines
Konstantstrom-Batterieladers und einer Hilfsstromversorgung für eine tragbare Vorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Bezugnehmend auf das Diagramm nach Figur 3 kann das
erfindungsgemäße Konstantstrom-Batterieladesystem, welches gleichzeitig eine
tragbare Vorrichtung zu speisen vermag, eine übliche, im Schaltbetrieb
arbeitende Spannungsregelschaltung enthalten, die mit mindestens einem
ersten, Spannungsregeleingang und einem zweiten, Stromregeleingang
ausgestattet ist. Die Umformerschaltung, die vom Untersetzungstyp ist,
kann eine Induktivität L, einen Ausgangskondensator C und eine Diode
D1 zum Zurückführen des Entladestroms der Induktivität L aufweisen,
entsprechend dem üblichen Aufbau einer solchen Schaltung. Es kann
eine Ausgangsdiode D2 vorhanden sein, um das Entladen der Batterie
durch die Ladeschaltung im Fall eines Abschaltens des Systems zu
vermeiden.
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Die Spannungsregelung kann unter Verwendung eines
Ausgangsspannungsteilers R4-R5 implementiert werden, der in der Lage ist, gemäß
üblicher Praxis eine Information über die Ausgangsspannung an die im
Schaltbetrieb arbeitende Regeischaltung zu liefern.
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Die Stabilisierung des an die Batterie gelieferten Ladestroms wird unter
Verwendung einer Stromregeischleife implementiert, die mindestens
einen Fühiwiderstand R1, der funktionell in Serie mit der Induktivität L
geschaltet ist, aufweist. Das Signal an dem Fühiwiderstand R1 wird von
einem Verstärker A1 verstärkt, um geeignet zu sein, über eine durch
den Transistor T1 gebildete Verstärkungsstufe einen Strom durch den
Widerstand R3 zu treiben. Deshalb ist die sich an dem Widerstand R3
entwickelnde Spannung V proportional zu dem Ladestrom gemäß
folgender Gleichung:
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Die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung V und einem
Referenzwert VREF wird von dem Vergleicher A2 verstärkt, dessen Ausgang eine
im Schaltbetrieb arbeitende Regelschaltung treibt, so daß folgende
Bedingung verifiziert wird:
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V = VREF,
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das heißt:
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Die Regeischleife des Systems dient zum Aufrechterhalten von V=VREF,
das heißt zum Halten eines vorbestimmten konstanten Ladestroms
(ILade=konstant).
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Bei einem solchen Konstantstrom-Batterieladesystem hängt die Spannung
zwischen den Anschlüssen 1 und 3 ab von der Impedanz der Last, die
an diese Anschlüsse angeschlossen ist. Wenn die Impedanz extrem klein
ist (im Grenzfall ein Kurzschluß vorliegt), ändert sich die Spannung nur
wenig (im Grenzfall überhaupt nicht), jedoch bleibt der Strom konstant.
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Wenn die Impedanz der Last hoch ist (im Grenzfall Leerlauf) ist die
Spannung hoch. Wenn die Ausgangsspannung höher als ein Wert wird,
der durch den Widerstands-Teiler R4-R5 fixiert wird, wird eine Span
nungsregelschleife innerhalb der im Schaltbetrieb arbeitenden
Spannungsregeischaltung aktiviert und begrenzt automatisch die Ausgangsspannung
auf einen vorab eingestellten Maximalwert. Selbstverständlich wird im
Fall des offenen Stromkreises kein Strom geliefert.
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Wie oben ausgeführt, erfolgt in einem Batterieladegerät für eine tragbare
Vorrichtung wie zum Beispiel ein zellulares Telefon die Verwendung des
Batterieladegeräts derart, daß in der Praxis die Möglichkeit
ausgeschlossen ist, daß die Spannungsregelschleife aktiviert wird. Tatsächlich soll
die Ausgangsspannungsregelschleife nur dann eingreifen, wenn die
tragbare Vorrichtung von dem Batterieladegerät abgetrennt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Funktion der Versorgung der funktionellen
Schaltung der tragbaren Vorrichtung getrennt von der gerade
aufgeladenen Batterie, was die Benutzung der Vorrichtung auch während des
Ladens von deren interner Batterie ermöglicht, in einer extrem einfachen
und wirtschaftlichen Weise mit Hilfe einer
Hilfsspannungsversorgungsleitung (VVorsorgung) für die funktionellen Schaltungen der tragbaren
Vorrichtung (Knoten A in Figur 2) realisiert, während sichergestellt wird,
daß eine solche Hilfsversorgungsspannung (VVorsorgung) immer und unter
jeder Bedingung größer ist als der Konstantstrom-Batterieauflader. Diese
Hilfs-Spannungsversorgungsleitung wird von einem Knoten
"stromaufwärts"/"stromabwärts" bezüglich des Fühlwiderstands R1 der
Batterieladeschaltung gemäß Figur 3 angeschlossen oder abgeleitet.
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Eine Diode D3 kann in die Hilfs-Spannungsversorgungsleitung
eingeschaltet sein, um ein Entladen der Batterie der tragbaren Vorrichtung
über die Batterieaufladeschaltung dann zu unterbinden, wenn letztere
ausgeschaltet wird. Wenn die tragbare Vorrichtung mit einem
mechanischen Entkopplungselement (Schalter) zwischen der Batterie und dem
Speiseknoten der funktionellen Schaltungen der Vorrichtung während des
Ladevorgangs ausgestattet ist, ist die Diode D3 selbstverständlich nicht
mehr notwendig.
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Wie man sehen kann, wird der Strom, der schließlich von den
funktionellen Schaltungen der tragbaren Vorrichtung aufgenommen wird, wenn
diese während einer Ladephase ihrer internen Batterie eingeschaltet
wird, von der im Schaltbetrieb arbeitenden
Spannungsversorgungsschaltung geliefert, und dieser Strom fließt nicht durch den Fühiwiderstand
R1. Daher beeinflußt dieser Vorgang in keiner Weise die
Stromregelschleife für den Konstantstrom, der von dem Ladegerät an die Batterie
geliefert wird, wobei der Strom weiterhin auf einen Wert gemäß
folgender Beziehung stabilisiert wird:
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Wenn andererseits VB die Batteriespannung ist, die an den Anschlüssen 1
und 3 des Batterieladegeräts liegt, ist die Spannung zwischen den
Anschlüssen 2 und 3 gegeben durch:
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VVorsorgung = VB + VD2 + ILade x R&sub1; - VD3 (4)
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wobei VD2 und VD3 die Spannungsab{alle an den Dioden D2 bzw. D3
sind. Wegen VD1 = VD3 zeigt in der Praxis die Gleichung (4), daß die
Spannung VVorsorgung stets höher ist als die Batteriespannung VB und
deshalb gemäß dem Diagramm nach Figur 2 kein Strom von der Batterie
abgenommen werden kann, die über die Hilfsleitung VVorsorgung aufgeladen
wird.
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Die so, wahlweise über die Diode D3 abgeleitete
Hilfs-Versorgungsspannung VVorsorgung ist nicht eine konstante Spannung, sondern eine
Spannung, die proportional und stets höher ist zu der beziehungsweise als die
Batteriespannung VD, die an den Anschlüssen 1 und 3 des Batterielade
geräts ansteht Nur wenn die Batterie von dem Batterieladegerät
abgetrennt wird, wird die Spannung VVorsorgung eine konstante Spannung, deren
Wert durch die Spannungsregelschleife des Batterieladers eingestellt
wird, abzüglich des Spannungsabfalis an der Diode D3.