DE2440218C3 - Ladegerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ladegerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 17 77917 ist ein Ladegerät der beschriebenen Art bekannt. Bei dhsem Ladegerät wird der Ladestromkreis gleichzeitig mit dem Einschieben oder Einsetzen der zu ladenden Zellen zwischen zugehörige Federkontakte automatisch geschlossen, ohne daß dafür weitere Schaltmittel erforderlich sind. Das aus der genannten Druckschrift bekannte Ladegerät zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus, ist aber mit dem Nachteil behaftet, daß die geladenen Zellen am Ende des Ladevorgangs unter schiedlich hoch aufgeladen und möglicherweise überladen sein können. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die zu ladenden Zellen zum einen eine nicht bekannte und zum anderen jeweils eine unterschiedlich hohe Restladung haben können. Während eine Überladung der Zellen zu einer Leistungsminderung und vorzeitigen Zerstörung führt, kommt es auch bei der Verwendung von unterschiedlich hoch aufgeladenen Zellen zu schädlichen Wirkungen. Die ladbaren Zellen werden nämlich in zahlreichen Fällen während ihres Gebrauchs als Energiequelle, beispielsweise zum Antrieb eines Modellflugzeugs, in Reihe geschaltet. Wenn die in Reihe ■> geschalteten Zellen unterschiedlich hoch aufgeladen sind, wird die eine oder andere der Zellen vor den übrigen entladen sein. An diesen vorzeitig entladenun Zellen kommt es dann zu einer Polaritätsumkehr und zu einer äußerst schädlichen Rückwärlsladung der Zelle, ι« die zu einer Herabsetzung der Lebensdauer der Zelle führt

Aus der US-PS 36 81 673 ist bereits ein netzgespeistes Ladegerät für eine einzige Zelle bekannt, bei dem die aufzuladende Zelle anfangs nach Niederdrücken einer !"> Taste in einen Entladestromkreis eingeschaltet wird und anschließend automatisch für eine etwa konstante Zeit geladen wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die zuvor vollkommen entladene Zelle am Ende der Ladezeit eine Ladungsmenge enthält, die näherungsweise ihrer maximalen Ladekapazitat entspricht, ohne daß eine Überladung auftritt Dieses bekannte Ladegerät weist aber aufwendige und energieverbrauchende Steuer- und Zeitgeberschaltungen mit einem Bimetallrelais und einem Tastenschalter mit wenigstens einem -^)r> Arbeitskontakt auf. Dieses bekannte Gerät ist daher zum einen teuer und zum anderen als tragbares Ladegerät ohne Netzanschluß nicht geeignet

Ein Ladegerät das .als Stromquelle ebenfalls Versorgungszellen aufweist und das gleichfalls einen Parallel- -"-· Entladestromkreis enthält, ist mit dem älteren Patent 24 17 718 bereits vorgeschlagen worden. Dieses Ladegerät enthält einen von einem Motor angetriebenen Zeitgeber und eine Einstellnockenscheibe; es ist somit aufwendig.

*> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes tragbares Ladegerät zu schaffen, mit dem eine ungleichmäßige Aufladung oder Überladung der Zellen vermieden wird und das trotzdem keine aufwendigen Steuer- und Zeitgeberschaltungen enthalt Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspi uchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Ladegerät ist somit ein derart ausgebildeter Entladestromkreis vorgesehen, daß die eingesetzten zu ladenden Zellen vor der Aufladung ⁴'j zunächst zwangsläufig und parallel zueinander entladen werden. Dadurch wird sichergestellt, daß alle eingesetzten, zu ladenden Zellen vor Beginn der Aufladung denselben definierten Ladezustand haben, nämlich vollkommen oder nahezu vollkommen entladen sind, so V) daß dann eine gleich bohe Aufladung erzielt wird.

Bei den ladbaren Zellen handelt es sich vorzugsweise um Nickel-Cadmium-Zellen. die zweckmäßigerweise mit einem Entlüftungsventil ausgerüstet sind, um im Falte eines Überladens innere Gase freizugeben. Da der « Innenwiderstand solcher Zellen äußerst gering ist. haben diese Zellen trot/ verhältnismäßig kleiner Kapazität große Beachtung gefunden. Die Zellen können bei ihrem Gebrauch mit sehr hohen Strömen von einigen Ampere entlad2n und bei ihrer Erschöpfung - «> sehr schnell wieder aufgeladen werden, und /war in einigen wenigen Minuten, beispielsweise 10 Minuten.

Bevorzugte Weiterbildungen des Ladegeräts sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. I eine perspektivische Ansicht eines Ladegeräts,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild für dieses Ladegerät,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht des Ladegeräts bei voneinander getrennten Gehäuseleilen,

Fig.4 einen Querschnitt durch das in der Fig. I dargestellte Ladegerät,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht eines Ladegeräts ο mit einer Anzeigeeinrichtung,

F i g. 6 ein Schaltbild für das in der F i g. 5 dargestellte Ladegerät,

F i g. 7 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Druckknopf-Umschalters für ein Ladegerät und

F i g. 8 einen Querschnitt durch den in der F i g. 7 dargestellten Umschalter bei einer Drehung der Schnittebene um 90°.

Ein in den Fig. 1 bis 4 dargestelltes Ladegerät weist i"> ein Gehäuse mit einem abnehmbaren Gehäuseoberteil 1 und einem Gehäuseunterteil 2 auf. Das Gehäuseoberteil 1 weist auf seiner Oberseite Räume 4 zum Einsetzen der aufzuladenden Zellen 3 und einen manuell betätigbaren Druckknopf-Tast-Umschalter 5 auf. Die Räume 4. in die ·>» die aufzuladenden Zellen 3 einsetzbar sind, weisen Anschlußkontakte 6 und 16 für die positiven bzw. negativen Elektroden der aufzuladenden Zellen 3 auf. Ip der F i g. 1 sind lediglich zwei der Anschlußkontakte 6 zu sehen. Zu beiden Seiten der die Zellen 3 aufnehmenden -'■ Räume 4 sind Ausnehmungen 7 ausgebildet, die das Einsetzen und Herausnehmen der aufzuladenden Zellen

3 in das Ladegerät mit Hilfe der Finger erleichtern. Das Gehäuseunterteil 2 enthält als Speisespannungsquellen dienende Versorgungs-Zellen 8. Die beiden Gehäusetei- w Ie sind durch geeignete Befestigungsmittel 2— 1 lösbar miteinander verbunden.

Der Zusammenhang zwischen dem Gehäuseoberteil 1 und dem Gehäuseunterteil 2 geht aus der F i g. 3 hervor. Wie man sieht, können in das Gehäuseunterteil 2 i'< beispielsweise vier als Spannungsquelle dienende Zellen 8 eingesetzt sein, bei denen es sich um Trockenzellen handeln kann.

Wenn das Gehäuseoberteil 1 und das Gehäuseunterteil 2 durch die Befestigungsmittel 2—1 miteinander -to verbunden sind, stehen Anschlüsse 9 mit den positiven Elektroden der Zellen 8 und Anschlüsse 10 mit den negativen Elektroden der Zellen 8 in elektrischem Kontakt. Wenn die zu ladenden Zellen 3 in den Räumen

4 angeordnet sind, liegen sie in einem Entladestrom- -r» kreis, der durch den Ruhekontakt 11 des Umschalters 5 und Widerstände 13 vervollständigt wird. Wenn man die Zellen 3 für eine gewisse Zeit in dieser Lage läßt, wird die in den Zellen 3 noch vorhandene Restladung nahezu vollkommen abgeführt. Danach kann man durch % Niederdrücken des Druckknopfes des Umschalters 5 mit dem Finger die entladenen Zellen 3 über den Arbeitskontakt 12 des Umschalters 5 mit den als Spannungsquelle dienenden Zellen 8 verbinden und auf diese Weise aufladen. Die Ladezeit wird von dem κ Benutzer bestimmt. Entsprechend lange bleibt der Druckknopf des Umschalters 5 manuell niedergedrückt. Zum Bestimmen der Ladezeit kann man eine Uhr beobachten. Ein zu langes Aufladen der Zellen 3 sollte angesichts einer schädlichen Oberladung vermieden «> werden.

In der Praxis wird als Stromquelle häufig eine Gruppe von schnell ladbaren Nickel-Cadmium-Zellen verwendet, die in Reihe geschaltet sind. Wenn in einer derartigen Reihenschaltung bezüglich der Ladungsmen- ^h~> ge der einzelnen Zellen eine Unausgewogenheit auftritt, die bewirkt, daß eilige Zellen früher vollständig entladen sind als andere, kann es zu einer Rückwärts- dung kommen. An einer Zelle, die früher als die anderen entladen ist, fällt somit infolge des Zelleninnenwidersiands an dieser Zelle eine Spannung ab, die derart gepolt ist, da3 sie an der negativen Elektrode der Zelle positiv und an der positiven Elektrode der Zelle negativ ist. Infolgedessen tritt an dieser Zelle eine Rückwärtsladung auf, die zu einer sehr schnellen Zerstörung der Zelle führt

Bei dem erfindungsgemäßen Ladegerät wird jeweils eine zu ladende Zelle 3 über den normalerweise geschlossenen Ruhekontakt 11 zunächst entladen (bei mehreren Zellen erfolgt das Entladen in Parallelschaltung). Mit der Ladung wird erst begonnen, nachdem die in das Ladegerät eingesetzte Zelle 3 entladen ist. Auf diese Weise werden in den zu ladenden Zellen 3 möglicherweise noch vorkommende Restladungen beseitigt. Danach wird die vollkommen entladene Zelle mit einer gewünschten Ladungsmenge geladen, die von der gewählten Ladezeit abhängt. Eine solche Vorgehensweise verhindert das Auftreten von Rückwärtsladungen beim anschließenden Betrieb der geladenen Zellen.

Die F ι g. 4 zeigt einen Querschnitt des beschriebenen Ladegeräts. Wie man sieht, enthält der Umschalter 5 einen Druckknopf 14 und eine Sperrscheibe 18. Der Anschlußkontakt 6 für die positive Elektrode der Zelle 3 ist einstückig mit dem Kontaktstück 15 ausgebildet, das ein U-förmiges Ende aufweist, das bei niedergedrück tem Druckknopf 14 nach unten gedrückt ist und in dieser niedergedrückten Stellung in elektrischem Kontakt mit dem normalerweise geöffneten Arbeits kontakt 12 des Umschaltt-s 5 steht. Auf diese Weise wird ein Stromkreis gebildt«, der bei der positiven Elektrode einer Versorgungs-i'elle 8 beginnt und über den normalerweise mit dem Arbeitskontakt 12 einstükkig ausgebildeten Anschluß 9 sowie den Arbeitskontakt 12, das U-förmige Ende des Kontaktstücks 15, den positiven Anschlußkontakt 6 des die zu ladende Zelle 3 aufnehmenden Raums, die zu ladende Zelle 3. den negativen Anschlußkontakt 16 des die zu ladende LeIIe aufnehmenden Raums, den Widerstand 13. den Anschluß 10, die negative Elektrode von einer weiteren der Versorgungs-Zellen 8, die positive Elektrode dieser weiteren Zelle 8. und einen Verbindungsanschluß 17 zurück zu der zuerst genannten Versurgungs-Zelle 8 führt. Über diesen Stromkreis wird die zu ladende Zelle 3 geladen.

Beim Niederdrücken des Druckknopfes 14 wird der Kontakt des U-förmigen Endes des Kontaktstücks 15 mit dem in der Fig. 2 dargestellten Ruhekontakt 11 unterbrochen.

Da zum Betrieb des beschriebenen Ladegeräts lediglich ein manuell betätigbarer Umschalter 5 erforderlich ist, erhält nan ein preisgünstiges und nahezi "e^ilerfrei arbeitendes Gerät. Vor dem Ladevorgang wird die zu ladende Zelle 3 von jeglicher Restladung über citn Entladestromkreis tr it dem normalerweise geschlossenen Ruhekontakt 11 des Umschalters 5 befreit. Da eine Ladung nur stattfindet, solange der Druckknopf des Umschalters 5 von Hand niedergedrückt ist. besteht keine Gefahr, daß das Öffnen des Ladestromkreises nach Beendigung des Ladens in Vergessenheit gerät.

Bei dem beschriebenen Ladegerät ist somit die gesamte Anordnung derart getroffen, daß beim Einsetzen der zu ladenden Zellen in das Ladegerät zunächst eine Entladung über den Ruhekontakt ausgeführt wird, um vor der Ladung die zu ladenden

Zellen von jeglichen Restladungen zu befreien, also auf Null zu entladen. Vorzugsweise ist es allerdings erwünscht, den Entladevorgang und bzw. oder den Ladevorgang visuell zu überwachen. Ein Ausführungsbeispiel, das solchen Anforderungen genügt, wird im Folgenden beschrieben.

In der Fig.5 ist ein Ladegerät dargestellt, dessen Aufbau grundsätzlich mit dem Aufbau des in der F i g. I dargestellten Ladegeräts übereinstimmt. Die übereinstimmenden Teile sind daher mit denselben Bezugszahlen versehen. In der F i g. 6 ist ein elektrisches Schaltbild für das in der F i g. 5 gezeigte Ladegerät dargestellt. Der Unterschied gegenüber dem in der Fig. I dargestellten Ladegerät besteht darin, daß bei dem Ladegerät nach der F i g. 5 die Widerstände 13 durch Lampen 13' ersetzt sind. Mit dem Einsetzen der zu ladenden Zellen 3 in das Ladegerät wird somit ein Entladestromkreis geschlossen, der über den Ruhekontakt 11 des Umschalters 5 zu

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UCM !-.aiMfCII IJi IUIlI t. LSIl» !Tlt»llgl. ULI IVt.dllUUUllg in ukli zu ladenden Zellen 3 wird durch die Helligkeit der Lampen 13' angezeigt.

Sobald die Restladung in einer zu ladenden Zelle 3 auf Null abgefallen ist, geht die zugehörige Lampe 13' aus. Wenn alle Lampen 13' erloschen sind, kann man mit einem Finger den Druckknopf des Umschalters 5 niederdrücken, so daß jetzt dir Zellen 3 über den Arbeitskontakt 12 des Umschalters 5 von den Spannungsquellenzellen 8 geladen werden Während die Lampen 13' zu Beginn des Ladens verhältnismäßig hell aufleuchten, nimmt ihre Helligkeit bei zunehmender Ladung allmählich ab, und sie gehen nahezu aus, wenn die Ladung beendet ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es somit möglich, sehr leicht den ungeladenen und bzw. oder geladenen Zustand einer Zelle 3 mit Hilfe einer Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einer Lampe, festzustellen, die auf den Entladestrom bzw. Ladestrom anspricht. Durch Beobachten der Anzeigeeinrichtung ist es möglich, das Ende der Entladung einer zu ladenden Zelle zu erkennen und auf diese Weise sicherzustellen, daß bei der nachfolgenden Ladung die zugeführte Ladungsmenge gleichbleibend ist. Auf diese Weise kann man selbst mehrere Zellen gleichmäßig aufladen, ohne daß eine Überladung auftritt. Anstelle der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit der zu ladenden Zelle in Reihe geschalteten Anzeigeeinrichtung kann man zum Anzeigen des Endlade- bzw. Ladezustands der Zelle auch eine Anzeigeeinrichtung verwenden, die der Zelle parallelgeschaltet ist und die somit beim Entladen oder beim Laden auf die an der Zelle anliegende Spannung anspricht.

Anhand der Fig. 7 und 8 wird die Arbeitsweise des Druckknopf-Umschalters 5 im einzelnen erläutert. Die F i g. 7 zeigt einen Querschnitt durch den Umschalter. In der F i g. 8 ist ebenfalls ein Querschnitt durch den Umschalter gezeigt, jedoch in einer um 90° verdrehten Richtung.

Der Druckknopf 14 ist auf der Oberseile des Gehäuseoberteils 1 vorgesehen und ist mit Hilfe einer Schraube 46 und einer Unterlegscheibe 45 (entspricht der Sperrscheibe 18 in Fig.4) verschiebbar in das Gehäuseoberteil 1 eingepaßt. Unter der Schraube 46 des Druckknopfes 14 ist ein bewegbares biegsames Kontaktstück 15 vorgesehen, das aus einem U-förmig gebogenen elastischen Band besteh», dessen unteres

in Ende fest eingespannt ist. In dem Raum zwischen dem U-förmigen bewegbaren Kontaktstück 15 befindet sich der feste Arbeits-Kontakt 12, der federnd von einem Kontaktelcmcnt 47 getragen wird, das mit einer Schraube 48 am Gehäuseoberteil 1 befestipf ist Ein fester Kontakt 50, der dem Ruhe-Kontakt 11 entspricht, ist mit Hilfe einer Schraube 49 am Gehäuseoberteil 1 befestigt, wie es in der F-' i g. 7 dargestellt ist. Solange der Druckknopf 14 nicht nach unten gedrückt wird, is'

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m des bewegbaren Kontaktstücks 15 der feste Kontakt 50 geschlossen und bildet daher den Ruhekontakt 11.

Wenn dei Druckknopf 14 gegen die Federkraft des Kontaktstücks 15 nach unten gedrückt wird, wie es in der Fig. 7 durch den Pfeil angedeutet ist. wird der den

r< Ruhekontakt 11 darstellende, normalerweise geschlossene, feste Kontakt 50 geöffnet. Beim Erreichen der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Stellung 15—1 berührt das Kontaktstück 15 den festen Kontakt 12. Das Kontaktstück 15 gelangt dann in die Stellungen 15 — 2

si) und 15—3, wobei der feste Kontakt 12 gegen die elastische Federkraft des Kontaktelements 47 in die Stellungen 12—2 und 12—3 gebracht wird. Beim Niederdrücken des Kontaktstücks 15 wandert der Kontaktpunkt zwischen dem Kontaktstück 15 und dem

r> festen Kontakt 12 um eine Strecke I über die Breitenrichtung des Kontaktstücks 15, wie es in der Fig.8 gezeigt ist. Während des Niederdrückens des Druckknopfes 14 findet somit eine Gleitbewegung des Kontaktpunktes zwischen dem bewegbaren Kontaktstück 15 und dem festen Kontakt 12 statt. Auf der Oberfläche des Kontaktslücks 15 wird daher die Kontaktfläche poliert. Dadurch werden auf dieser Oberfläche möglicherweise vorhandene Oxidschichten entfernt, die den Kontaktwiderstand unnötigerweise

J5 erhöhen würden. Der Winkel des Kontaktelements 47 gegenüber der Horizontalen beträgt vorzugsweise 45° bis 50°, wobei die Elastizitätsgrenze berücksichtigt wurde. Bei einem größeren Winkel, bis zu 90°, wäre die Gleitbewegung größer. Obwohl der beschriebene

>o Druckknopf-Umschalter klein und einfach aufgebaut ist kann er infolge seiner besonderen Konstruktion c\ne Verwendung eines besonderen Kontaktwerkstoffes bei sehr niedrigen Widerstandsverlusten verhältnismäßig große Ströme führen. Darüber hinaus kann dei beschriebene Schalter preiswert hergestellt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnuneen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ladegerät für Kleinakkumulator-Zellen mit einem ersten Gehäuseteil zur Aufnahme und Halterung einer oder mehrerer zu ladender Zellen, mit einem zweiten Gehäuseteil, das Versorgungs-Zellen, die als Energiequelle für die zu ladenden Zellen dienen, enthält und mit einem manuell betätigbaren Schalter mit einem Arbeitskontakt, der einen Ladestromkreis für eine oder mehrere der in den Aufnahme- und Halterungsraum eingesetzten, zu ladenden Zellen vervollständigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter als ein im ersten Gehäuseteil (1) untergebrachter Tast-Umschalter (5) ausgebildet ist, der außer dem im Ladestromkreis liegenden Arbeits-Kontakt (12) einen Ruhe-Kontakt (11) aufweist, welcher Ruhe-Kontakt einen Parallel-Entladestromkreis für die in den Aufnahme- und Halterungsraum (4) eingesetzten), zu ladenden) Zelle(n) (3) schließt

2. Ladeger?.» nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (S) ein Druckknopf-Umschalter ist, der einen Druckknopf (14), ein bewegbares Kontaktstück (IS) mit einem elastischen, durch das Niederdrücken des Druckknopfes bewegbaren Kontakt und zwei elastisch unterstützte feste Kontakte (Ruhe-Kontakt 11, Arbeits-Kontakt 12) aufweist, die in dem Bewegungsraum des bewegbaren Kontaktstücks angeordnet und, derart, daß das bewegbare Kontaktstück bei nicht betätigtem Druckknopf an dem festen Ruhe-Kontakt (11), bei betätigtem Druckknopf an dem festen Arbeits-Kontakt (12) aniiegL

3. Ladegerät nach Ahspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung (Lampe 13') vorgesehen ist, die auf die Spannung an der zu ladenden Zelle (3) oder auf den durch die zu ladende Zelle fließenden Strom anspricht, um entweder das Ausmaß des Ladezustandes oder des Entladezustands der zu ladenden Zelle oder beide Zustände anzuzeigen.

4. Ladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (Lampe 13') mit der zu ladenden Zelle (3) in Reihe geschaltet ist