DE3321458C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schnelladegerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Schnelladegerät, bei dem in einer ersten Ladephase den Akkumulatoren ein hoher und in einer zweiten Ladephase ein mittlerer Ladestrom zugeführt wird, ist aus der Zeitschrift "Funkschau", 1979, Heft 14, Seiten 785-788, bekannt.

Elektrische Handgeräte mit aufladbarer Stromquelle, z. B. mit einer Nickel-Kadmium-Batterie oder einem ähnlichen Akkumulator, insbesondere elektrische Rasierapparate, elektrische Zahnbürsten, elektrische Haarschneider oder dgl., weisen den Vorteil auf, daß sie ohne Anschlußschnur verwendet werden können, minimale Größe und Gewicht aufweisen und daß der Akkumulator im Gegensatz zu Primärbatterien wiederholt benutzt werden kann. Die Verfügbarkeit eines solchen Handgerätes zum Gebrauch hängt davon ab, wie oft das Gerät nach einer vollständigen Aufladung seines Akkumulators benutzt wurde. Wenn nicht eine ausreichende Energiemenge im Akkumulator gespeichert ist, um wenigstens eine einmalige Anwendung des Handgerätes zu gewährleisten, ist das Gerät unbrauchbar. Wenn bereits vor der Beendigung einer Anwendung des Handgerätes die Batteriespannung seines Akkumulators absinkt, so daß ein weiterer Betrieb nicht möglich ist, ist eine relativ lange Ladezeit erforderlich, um die Batterie wieder ausreichend aufzuladen, damit die Anwendung des Gerätes zu Ende geführt werden kann, was besonders störend ist, wenn der Benutzer in Eile ist.

Es wurde z. B. ermittelt, daß bei einem elektrischen Rasierapparat die Betriebszeit für eine Anwendung, d. h. die erforderliche Zeit für eine vollständige Rasur, im Mittel etwa 3 Minuten beträgt, während die erforderliche Ladezeit für übliche Akkumulatoren, die in elektrische Rasierapparate eingebaut werden, wenigstens etwa 1 Stunde beträgt. Es ist zwar möglich, Ladegeräte mit kürzerer Ladezeit zu konstruieren, jedoch führt dies zu einer Zunahme der Größe sowohl des Stromwandlers als auch der Strombegrenzungsmittel, was wiederum nicht vereinbar ist mit der angestrebten Miniaturisierung von Handgeräten. Ferner ist es nachteilig, daß beim vollständigen Aufladen des Akkumulators im Schnelladebetrieb dessen Lebensdauer verkürzt wird und gleichzeitig eine unerwünschte Gasentwicklung bei der Zunahme des Druckes in der Batterie auftritt. Bei derzeit verfügbaren Geräten beträgt daher die erforderliche Ladezeit für eine Anwendung, die etwa 3 Minuten dauert, ungefähr 5 Minuten, was länger ist als die Zeit für eine Anwendung des Gerätes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schnelladegerät für Akkumulatoren von Handgeräten zu schaffen, das einerseits stets eine kurzfristige Verfügbarkeit eines Handgerätes der in Rede stehenden Art gewährleistet, andererseits aber die Lebensdauer der Akkumulatoren nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Schnelladegerät durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Schnelladegerät wird der Akkumulator eines Handgerätes innerhalb einer kurzen Zeitspanne von nur etwa 1 Minute ausreichend geladen, um mindestens einen einmaligen Kurzzeitbetrieb des Handgerätes durchführen zu können. Da diese erste Ladephase nur etwa 1 Minute dauert, steht das Handgerät jeweils kurzfristig für eine einmalige Kurzzeitanwendung zur Verfügung. Es wurde gefunden, daß wegen der kurzen Dauer dieser ersten Ladephase trotz eines ungewöhnlich hohen Ladestromes keine Schädigung des Akkumulators auftritt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Schnelladegerätes;

Fig. 2 ein Signaldiagramm, das die zeitlichen Veränderungen des Ladestroms bei der in Fig. 1 gezeigten Ladeschaltung darstellt;

Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Schnelladegerätes; und

Fig. 4 ein Schaltbild einer Anzeigeeinrichtung für die Ausführungsform nach Fig. 3.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des Schnelladegerätes zum Aufladen eines Akkumulators SB enthält einen Stromwandler mit einem Schaltungsteil, der unter Anwendung von Transistoren nach dem Ein/Aus-Prinzip arbeitet. Wechselstrom aus einer Netzquelle E wird durch eine Gleichrichterbrücke RFB gleichgerichtet und durch einen Glättungskondensator CS 1 geglättet, um eine Wicklung L 1 eines Transformators zu speisen, wodurch magnetische Energie in der Wicklung L 1 gespeichert und auf eine Wicklung L 2 übertragen wird, die magnetisch mit der Wicklung L 1 gekoppelt ist. Der in der Wicklung L 2 induzierte Strom wird durch eine Diode D 1 gleichgerichtet, und der so gleichgerichtete Strom wird der Sammelbatterie SB in einem elektrischen Gerät zugeführt, um den darin enthaltenen Motor M mit Strom zu versorgen.

Die Wicklung L 1 ist mit einem Transistor TR 1 verbunden, dessen Strom durch das Ausgangssignal einer Ladesteuerschaltung CC gesteuert wird. Wenn der Transistor TR 1 leitend gesteuert ist, kann magnetische Energie in der Wicklung L 1 aufgebaut und auf die Wicklung L 2 übertragen werden. Die Ladesteuerschaltung CC enthält eine Frequenzgeberschaltung FFI und eine Pulsdauermodulatorschaltung PWM; sie wird aus der Stromquelle E mit Strom versorgt über einen Transformator PT, eine Gleichrichterdiode D 2, die an die Sekundärwicklung des Transformators PT angeschlossen ist, und einen Glättungskondensator CS 2. Die Frequenzgeberschaltung FFI enthält einen Komparator COM 1, Transistoren TR 2 und TR 3, Widerstände R 1 bis R 8 und eine Zenerdiode ZD 1. Die Ladespannung eines Kondensators C 1, der über den Widerstand R 1 aufgeladen wird, und eine Bezugsspannung, die an dem aus den Widerständen R 2 und R 3 gebildeten Spannungsteiler abfällt, sind an den Komparator COM 1 angelegt. Die in dem Kondensator C 1 gespeicherte Energie kann über den Widerstand R 4 in den Transistor TR 2 entladen werden, wobei die Entladezeit des Kondensators C 1 konstant gemacht werden kann, indem die Entladecharakteristik des Kondensators C 1 in bezug auf eine Referenzspannung konstant gemacht wird, die durch Spannungsteilung mittels des Widerstands R 2 und des zu­ sammengesetzten Widerstands aus den Widerständen R 3 und R 5 sowie Transistor TR 3 erhalten wird. Durch diese Ausbildung wird ein Impuls mit einem festen Zyklus am Ausgangs­ anschluß des Komparators COM 1 abgegeben und nach Stabilisierung durch die Zenerdiode ZD 1 an die Pulsdauer­ modulatorschaltung PWM abgegeben.

Die Pulsdauermodulatorschaltung PWM umfaßt einen Komparator COM 2 und Widerstände R 9 bis R 12. Der Komparator COM 2 empfängt an einem Eingang eine Referenzspannung, die aus dem durch die Zenerdiode ZD 1 stabilisierten und durch Widerstände R 9 und R 10 heruntergeteilten Ausgangssignal gewonnen wird, und an seinem anderen Eingang eine Spannung, die durch den Stromfluß durch die Wicklung L 1 erhalten und durch den Widerstand R 11 erfaßt wird, um auf diese Weise die Pulsdauer des Ausgangsstromes zu steuern, der über den Widerstand R 12 zur Basis des Transistors TR 1 fließt. Auf diese Weise wird der Ansteuerstrom des Transistors TR 1 so gesteuert, daß der in der Wicklung L 1 fließende Strom gesteuert wird.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform enthält das Gerät einen Fühler SEN 1 zur Feststellung eines Ladezustandes, der einer relativ geringen gespeicherten Energiemenge entspricht, die für einen Betrieb benötigt wird, und einen Fühler SEN 2 zur Feststellung des Ladezustandes, der einer gespeicherten Energie von wenigstens 80% der Gesamtkapazität des Akkumulators entspricht.

Der Fühler SEN 1 enthält einen als integrierte Schaltung ausgebildeten Zeitgeber TIM, Widerstände R 21 bis R 23, einen Kondensator C 21 und einen Transistor TR 21. Der Zeit­ geber TIM kann ein gebräuchlicher Typ sein und weist einen Stromversorgungsanschluß V _CC auf, der mit der Anode der Diode D 2 verbunden ist. Ferner weist der Zeitgeber TIM einen Bezugsspannungseingang V _REF zum Stabilisieren der Bezugsoszillatorschwingung des Zeitgebers, einen Anschluß T _CR , mit dem der Kondensator C 21 und der Widerstand R 21 verbunden sind, um den Schwingungszustand herzustellen, und einen Ausgangsanschluß OUT auf.

Sobald im Betrieb die Stromquelle mit dem Gerät verbunden wird, wird eine Frequenzteilerschaltung im Inneren des Zeitgebers TIM gelöscht. Die durch den Kondensator C 21 und den Widerstand R 21 festgelegte Schwingungsfre­ quenz wird einer Frequenzteilung unterzogen, um eine vorbestimmte Herunterzählung durchzuführen, an deren Ende das Ausgangsmaterial am Ausgangsanschluß OUT vom Pegel H auf den Pegel L übergeht. Wenn das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß OUT auf den Pegel L geht, wird der Transistor TR 21 über den Widerstand R 22 durchgeschaltet, so daß der mit dem Kollektor des Transistors TR 21 verbundene Widerstand R 23 parallel zu dem einen Spannungsteiler­ widerstand R 10 der Frequenzgeberschaltung FFI gelegt wird, um die Referenzspannung abzusenken, die an den positiven Eingang des Komparators COM 2 der Pulsdauer­ modulatorschaltung PWM angelegt ist, also an demjenigen Eingang, an den das stabilisierte Ausgangssignal der Frequenzgeberschaltung FFI nach Spannungsteilung angelegt wird. Infolgedessen wird der Detektionsschwellwert des Komparators COM 2 abgesenkt, und der Transistor TR 1 wird derart angesteuert, daß er den Strom in der Wicklung L 1 und folglich den Ladestrom für den Akkumulator SB aus der Wicklung L 2 verändert. Es ist ersichtlich, daß die eingangs angegebene Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß die Einstellzeit des Zeitgebers TIM optimal auf etwa 1 Minute eingestellt wird, während der Ladestrom so eingestellt wird, daß in dem Akkumulator SB innerhalb etwa 1 Minute eine ausreichende Energiemenge gespeichert wird, um z. B. eine einzige Anwendung des elektrischen Gerätes durchführen zu können.

Der Fühler SEN 2 zur Feststellung des zweiten Ladezustandes umfaßt eine Zenerdiode ZD 31, Widerstände R 31 bis R 35 und Transistoren TR 31 und TR 32. In diesem Fühler SEN 2 wird eine über den Widerstand R 31 angelegte Spannung mittels der Zenerdiode ZD 31 stabilisiert, durch die Widerstände R 32 und R 33 heruntergeteilt und an die Basis des Transistors TR 31 angelegt. Wenn die Spannung des Akkumulators SB einen Pegel erreicht hat, der höher ist als derjenige, der über die Basis und den Emitter des Transistors TR 31 sowie den Widerstand R 33 an den Akkumulator SB angelegt wird, so fließt zur Basis des Transistors TR 31 kein Strom mehr, und dieser Transistor TR 31 wird gesperrt. Daraufhin beginnt ein Stromfluß über die Basis des Transistors TR 32, so daß dieser durchgeschaltet wird, wodurch die Basis des Transistors TR 1 auf ein solches Potential gelegt wird, daß der Batterieladestrom auf Null zurückgeht; hierauf ansprechend sinkt die Batteriespannung, und der Transistor TR 31 wird durchgeschaltet, während der Transistor TR 32 gesperrt gehalten wird, damit der Transistor TR 1 durchgeschaltet wird und erneut Ladestrom fließen kann. Dieser Vorgang wird intermittierend wiederholt während einer Periode, die durch die Zeitkonstante des Akkumulators bestimmt wird, so daß der Ladestrom nach und nach abnimmt und die Energiesammlung in dem Akkumulator an den Zusatnd der vollständigen Ladung angenähert wird.

Der Ladevorgang wird nun weiter im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert, welche die zeitabhängige Veränderung des Ladestroms zeigt. Die Zeit T ist auf der Abszisse und der Ladestrom A auf der Ordinate aufgetragen. Eine Zeitspanne T 1 entspricht im wesentlichen der Dauer, während welcher ein Ladestrom fließt, der wesentlich höher ist als der normale Ladestrom, wobei während dieser Dauer durch das Ausgangssignal des ersten Fühlers SEN 1 die Detektorschwelle in der Pulsdauermodulatorschaltung PWM abgesenkt ist, um den Transistor TR 1 entsprechend anzusteuern. Während der Zeitspanne T 1 wird eine relativ geringe Energiemenge in die Sammlerbatterie SB geladen, die vorzugsweise etwa für eine einmalige Anwendung des elektrischen Gerätes ausreicht. Vorzugsweise wird diese Ladezeit auf etwa 1 Minute eingestellt.

Wenn die Stromquelle nach Ablauf der Zeitspanne T 1 eingeschaltet bleibt, fließt der Ladestrom während einer an die Zeitspanne T 1 anschließenden Gesamtdauer T 2 mit einer zweiten Ladestromstärke, die von dem Ausgang der Pulsdauermodulatorschaltung PWM abhängt, der an die Basis des Transistors TR 1 angelegt ist, der ferner durch das Ausgangssignal des zweiten Fühlers SEN 2 so gesteuert wird, daß mindestens 80% der Gesamtladungsenergie in den Akkumulator SB geladen werden können. Die Zeitspanne T 2 wird optimal auf etwa 40 Minuten eingestellt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß an die Zeitspanne T 2 eine dritte Ladeperiode anschließt, während welcher der Ladestrom nach und nach abgesenkt wird, während die Annäherung an den vollständigen Ladungszustand stattfindet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind zwei Anzeigeeinrichtungen vorgesehen, welche die Betriebszustände der beiden Fühler SEN 1 und SEN 2 anzeigen. Die erste Anzeigeeinrichtung enthält eine Leuchtdiode DL 1, die zwischen den Referenzspannungsanschluß V _REF und den Ausgangsanschluß OUT des Zeitgebers TIM über einen Widerstand R 41 geschaltet ist, wobei diese Leuchtdiode vorzugsweise grünes Licht aussendet. Die zweite Anzeigeeinrichtung enthält eine Leuchtdiode DL 2, die über einen Widerstand R 51 parallel zu dem Widerstand R 11 geschaltet ist und vorzugsweise rotes Licht aussendet. Die Dioden DL 1 und DL 2 arbeiten im Verlauf des Ladevorganges folgendermaßen:

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Stromzufuhr für die Ladesteuerschaltung verändert ist, während die übrigen Komponenten gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 unverändert sind, so daß sie mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird der Versorgungsstrom der Ladesteuerschaltung über eine Wicklung L 3 zugeführt, die auf demselben Kern angeordnet ist wie die Wicklungen L 1 und L 2 (wenngleich diese Wicklung von den Wicklungen L 1 und L 2 getrennt dargestellt ist, damit die Übereinstimmungen mit den anderen Ausführungsformen leichter erkennbar sind). Diese Ausführungsform hat den Vorzug, daß ein relativ großes Bauteil entfallen kann, das zum Heruntertransformieren der Netzspannung dient, so daß die Miniaturisierung des Gerätes weiter vorangetrieben werden kann. Da ferner die Stromzufuhrschaltung verändert ist, arbeiten die Leuchtdioden DL 1 und DL 2 im Verlauf der Veränderung des Ladestromes wie folgt:

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anschlußstelle der zweiten Anzeigeeinrichtung gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3 verändert ist. Die übrigen Komponenten sind dieselben wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3, so daß nur die beiden Anzeige­ einrichtungen und die zugehörigen Schaltungselemente gezeigt sind. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Leuchtdiode DL 2 der zweiten Anzeigeeinrichtung über den Widerstand R 51 mit dem Ausgangsanschluß OUT des Zeitgebers TIM verbunden. Wegen der Abwandlung der Stromzufuhrschaltung für die Ladesteuerschaltung arbeiten die Dioden DL 1 und DL 2 im Verlauf der zeitlichen Veränderung des Ladestromes folgendermaßen:

Wenngleich die Ein- und Ausschaltzustände der beiden Leuchtdioden in den beiden Anzeigeeinrichtungen bei den verschiedenen Ausführungsformen nach den Fig. 1, 3 und 4 unterschiedlich sind, ist leicht ersichtlich, daß beabsichtigt ist, den Benutzer unmittelbar über den sich verändernden Ladezustand des Akkumulators SB zu informieren, und zwar anhand der drei Zustände der Dioden DL 1 und DL 2: EIN, AUS und blinkend.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Fühler bei den verschiedenen Ausführungsformen durch einen als integrierte Schaltung ausgebildeten Zeitgeber ersetzt.

Claims (4)

1. Schnelladegerät für Akkumulatoren von Handgeräten, mit einer Ladesteuerung, die in einer ersten Ladephase einem Akkumulator einen hohen und in einer zweiten Ladephase einen mittleren Ladestrom zuführt und die zweite Ladephase beendet, sobald eine bestimmte Ladespannung erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator des jeweils nur kurzzeitig betriebenen Handgerätes in der ersten Ladephase, die etwa 1 Minute dauert, eine Energiemenge zugeführt erhält, die für mindestens einen einmaligen Kurzzeitbetrieb des Handgerätes ausreicht.

2. Schnelladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladesteuerung (Fig. 1) einen Zeitgeber (TIM) enthält, der die Dauer der ersten Ladephase bestimmt.

3. Schnelladegerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine erste Anzeigeeinrichtung (DL 1), die über den Abschluß der ersten Ladephase informiert, und eine zweite Anzeigeeinrichtung (DL 2), die über den Ladezustand in der zweiten Ladephase informiert.

4. Schnelladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Anzeigeeinrichtungen (DL 1, DL 2) jeweils eine Leuchtdiode enthalten und daß die Leuchtdiode der ersten Anzeigeeinrichtung (DL 1) grünes Licht und die der zweiten Anzeigeeinrichtung (DL 2) rotes Licht aussendet.