<Desc/Clms Page number 1>
Inrichting voor het toevoeren van energie. De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het toevoeren van energie van een gelijkstroom-laagspanningsbron aan een belasting, welke inrichting een energiereservoir bevat.
Voor draagbare elektronische toestellen die elektrische stroom gebruiken, zoals draagbare komputers, zogenoemde notebooks, mobilofonen en dergelijke, wordt de energie meestal geleverd door al of niet oplaadbare batterijen.
Dergelijke toestellen kunnen kortstondig veel energie nodig hebben. Het is uiteraard mogelijk de batterijen zo te dimensioneren dat ze deze energiepiek op het gewenste ogenblik rechtstreeks kunnen leveren of met andere woorden de batterijen te dimensioneren in funktie van de maximum te verwachten energieopname van het toestel. Dit heeft voor gevolg dat de batterij relatief groot en zwaar is, hetgeen zeer hinderlijk is voor voornoemde draagbare toestellen die bij voorkeur zo licht en klein mogelijk gemaakt worden.
Vandaar dat inrichtingen ontworpen werden die een energiereservoir bevatten waarin, gedurende de tijd dat het toestel geen of weinig energie verbruikt, energie kan opgeslagen worden. Op het ogenblik dat gedurende korte tijd een grote hoeveelheid energie vereist is, kan energie uit dit reservoir geput worden. De batterijen moeten dus niet meer in staat zijn deze energiepiek te leveren en kunnen dus minder zwaar gemaakt worden.
Een bekende inrichting van voornoemde soort maakt daarbij gebruik van een weerstand die tussen de energiebron en het energiereservoir geschakeld is. Deze inrichting werkt
<Desc/Clms Page number 2>
evenwel niet optimaal. Naarmate de spanning in het energiereservoir zieh opbouwt en dus dit reservoir geladen wordt, daalt de oplaadstroom exponentieel. Hoe dichter de uitgangsspanning van het reservoir de spanning bij het opladen benadert, hoe kleiner deze oplaadstroom, zodat het opladen van het reservoir relatief lang duurt. Enige kontrole van het oplaadproces is moeilijk. Bij het opstarten, wanneer er nog geen energie in het reservoir aanwezig is, kan een zeer grote stroom door de weerstand stromen. Deze stroom kan niet altijd worden geleverd.
De uitvinding heeft tot doel deze nadelen te verhelpen en een inrichting voor het toevoeren van energie te verschaffen die op een optimale manier toelaat kortstondig meer energie aan de belasting te leveren dan de energiebron maximaal kan leveren, zodat deze energiebron relatief klein kan gehouden worden.
Tot dit doel bevat de inrichting een bestuurbare stroombron die op het energiereservoir aangesloten is en een besturingseenheid die op deze stroombron en de uitgang van het energiereservoir aangesloten is om deze stroombron te besturen in funktie van de uitgangsspanning van het energiereservoir.
Door bestuurbare stroombron wordt hier bedoeld een element dat stroom genereert en dit onafhankelijk van de spanning die over het element staat.
Bij voorkeur is de stroombron een instelbare stroombron waarvan ten minste het tijdstip en de duur van stroomleveren en de grootte van de stroom instelbaar zijn door de besturingseenheid.
<Desc/Clms Page number 3>
In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat de besturingseenheid een komparator die de spanning aan de uitgang van het energiereservoir vergelijkt met een referentiespanning en wanneer beide spanningen gelijk zijn de stroombron uitschakelt of wanneer het verschil tussen deze spanningen een bepaalde waarde overschrijdt deze stroombron inschakelt.
In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat het energiereservoir ten minste een kondensator.
In de meeste gevallen bevat de inrichting een spanningsomvormer en is de stroombron tussen deze spanningsomvormer en het energiereservoir geschakeld.
In een doelmatige uitvoeringsvorm van de uitvinding is de inrichting gemonteerd als energietoevoerinrichting in een digitale mobilofoon.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een inrichting voor het toevoeren van energie beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin : figuur 1 een blokschema weergeeft van een inrichting voor het toevoeren van energie volgens de uitvinding. figuur 2 een meer gedetailleerd elektrisch schema weergeeft van een deel van de inrichting uit figuur 1.
De inrichting voor het toevoeren van energie afkomstig van een gelijkstroom-laagspanningsenergiebron 1 aan een belasting 2, volgens figuuur 1, bevat in hoofzaak een spanningsomvormer 3, een daarop aangesloten instelbare en
<Desc/Clms Page number 4>
bestuurbare stroombron 4, een besturingseenheid 5 voor het besturen van de de stroombron 4 en een op de stroombron 4 en de besturingseenheid 5 aangesloten energiereservoir 6.
Voor allerlei draagbare elektronische toestellen zoals mobilofoons, draagbare komputers of zogenoemde notebooks, telemonitoringsystemen enz., is de laagspanningsenergiebron 1 meestal een droge batterij die wel in staat is een beperkte stroom gedurende een bepaalde tijd te leveren maar geen piekstromen kan afleveren. Zelfs indien ze initieel de gevraagde piekstroom zou kunnnen leveren is dit door de door gebruik afnemende stroomkapaciteit, na bepaalde tijd niet meer het geval. Veel gebruikte dergelijke batterijen zijn 3 Volt lithiumbatterijen die het voordeel hebben zeer kompakt te zijn en dus een hoge energiedichtheid per eenheid volume hebben. Bij konstante uitgangsspanning kunnen ze gedurende lange tijd een beperkte stroom leveren maar ze kunnen geen piekstromen leveren.
Als belasting 2 kan in het algemeen elke laagspannings en laagvermogenbelasting worden gebruikt welke slechts gedurende korte tijdspanne energie nodig heeft zoals bijvoorbeeld sensoren of detektoren die slechts af en toe aktief zijn en waarbij de batterijen zo kompakt mogelijk moeten zijn. Een ander voorbeeld is de digitale mobilofoon, de zogenoemde GSM (Global System for Mobility). Hier stelt zieh het probleem dat de energiebehoefte ongelijkmatig over de ontvangst- en de zendfaze verdeeld is. Gedurende de zendfaze, die ongeveer 1/8 van de aktieve tijd in beslag neemt, is de energiebehoefte veel groter dan gedurende de rest van de aktieve periode.
De uitvinding zorgt ervoor dat de mobilofoon optimaal en uiterst efficient van energie voorzien wordt.
<Desc/Clms Page number 5>
De spanningsomvormer 3 is een klassieke gelijkstroom/gelijkstroom spanningsomvormer die de voedingsspanning, dit is de spanning van de batterij, transformeert, meestal optransformeert, tot een tussenspanning die hoger ligt dan de gewenste uitgangsspanning van de inrichting. Deze spanningsomvormer wordt gedimensioneerd in funktie van de gemiddelde te leveren stroom. Er wordt ernaar gestreefd deze zo laag mogelijk te houden omdat de verhouding van de uitgangsspanning van de inrichting tot de ingangsspanning van de omvormer beperkt wordt door de hoeveelheid energie die maximaal met een aanvaardbare efficiëntie door de omvormer kan omgezet worden.
De instelbare stroombron 4 is een element dat stroom genereert onafhankelijk van de spanning die over het element staat. Dergelijke stroombronnen zijn voor de vakman als dusdanig bekend. Het tijdstip en de duur van de stroomlevering aan het energiereservoir 6 evenals de grootte van de stroom zijn instelbaar en worden adaptief ingesteld door de besturingseenheid 5. Deze besturingseenheid staat in verbinding met de uitgang van het energiereservoir 6 en bezit middelen om de uitgangsspanning van dit energiereservoir 6 te vergelijken met een referentiespanning en middelen om in funktie van het verschil in spanning de stroombron 4 in of uit te schakelen. De verhouding van de tijd dat de stroombron uitgeschakeld is en de tijd dat de stroombron ingeschakeld is en de stroomintensiteit bepalen de grootte van de geleverde stroom.
De besturingseenheid 5 kan eventueel middelen bevatten om niet alleen het tijdstip van in-en uitschakelen van de stroombron 4 te bepalen, maar ook de stroomsterkte zelf in te stellen. Twee ingangen van de besturingseenheid zijn
<Desc/Clms Page number 6>
daartoe via de lijnen 7 en 8 respektievelijk met de uitgang van de spanningsomvormer of de ingang van de stroombron 4 en met de uitgang van de stroombron die ook in verbinding staat met de uitgang van het energiereservoir 6 verbonden. Een uitgang van de besturingseenheid 5 sluit via de leiding 9 op een ingang van de stroombron 4 aan.
Het energiereservoir 6 bestaat bij voorkeur uit een batterij kondensatoren die een lage ESR waarde bezitten.
Evenals de ene pool van de batterij 1 en de belasting 2, zijn ook de spanningsomvormer 3, de besturingseenheid 5 en het energiereservoir met een pool met de aarde verbonden.
De werking van de hiervoor beschreven inrichting is als volgt : Na het aanleggen van een voedingsspanning door de batterij 1, wordt aan de uitgang van de spanningsomvormer 3 een tussenspanning opgebouwd. Zodra deze spanningsomvormer stabiel is, wordt door de besturingseenheid 5 via de leiding 9 een signaal gegeven waardoor de stroombron 4 in werking treedt en het energiereservoir 6 opgeladen wordt.
Wanneer de besturingseenheid 5 detekteert dat de spanning in het energiereservoir 6 de gewenste referentiespanning bereikt heeft, geeft ze een signaal aan de stroombron 4 waardoor deze afgeschakeld wordt.
Wanneer de belasting 2 tijdelijk vermogen nodig heeft, levert het energiereservoir dit vermogen, waardoor de uitgangsspanning van het energiereservoir 6 en dus van de volledige inrichting daalt. Wanneer deze spanning onder een bepaalde waarde daalt of met andere woorden het verschil met de referentiespanning te groot wordt, beveelt de
<Desc/Clms Page number 7>
besturingseenheid 5 de stroombron 4 terug in werking te treden.
De hoeveelheid van de door de inrichting geleverde stroom wordt bepaald door, enerzijds, de intensiteit van de uitgangsstroon en, anderzijds, de verhouding tussen de tijd dat het energiereservoir 6 wordt belast en de tijd dat de stroombron aktief is en het reservoir terug wordt bijgevuld.
De besturingsinrichting 5 kan optioneel op een uitgang 10 een signaal ter beschikking stellen dat aangeeft wannneer het energiereservoir 6 klaar is voor gebruik of met andere woorden gevuld is. Dit signaal kan bijvoorbeeld een lampje doen branden.
Optioneel kan aan een ingang 11 van de besturingsinrichting 5 een synchronisatiesignaal toegevoerd worden dat aangeeft wanneer het energiereservoir 6 wordt belast. Het in- en uitschakelen van de stroombron 4 door de besturingsinrichting 5 kan hiermee worden gesynchroniseerd.
In de figuur 2 is een mogelijke praktische uitvoering weergegeven van het blokschema uit figuur 1.
Het energiereservoir 6 is gevormd door een kondensator die enerzijds via de leiding 12 met de aarde verbonden en anderzijds via de leiding 13 op de belasting 2 aansluit.
De besturingseenheid 5 bevat in hoofdzaak een komparator 14. Een ingang is via de leiding 15 met de leiding 13 verbonden, de andere ingang via de leiding 16, waarin een referentiespanningsbron 17 geschakeld is, met de aarde. De komparator 14 is geschakeld in een voedingslijn 18 die enerzijds op de uitgang van de spanningsomvormer 3 en anderzijds op de aarde aansluit. De uitgang van de
<Desc/Clms Page number 8>
komparator 14 sluit via de leiding 19 aan op de stroombron 4.
Deze stroombron 4 bevat twee transistoren 20 en 21 waarvan de basissen door de leiding 22 met elkaar verbonden zijn.
De emitters sluiten via leidingen 23 over een weerstand 24 aan op de uitgang van de spanningsomvormer 3. De kollektor van de transistor 20 sluit via de leiding 25 aan op de uitgang, dit is op de leiding 13. De kollektor van de transistor 21 sluit via de leiding 26 over een weerstand 27 aan op de leiding 19. Een derde transistor 28 is met zijn basis door de leiding 29 verbonden met de leiding 26. Zijn emitter sluit aan via de leiding 30 op de leiding 22 en zijn kollektor staat via de leiding 31 met de aarde in verbinding.
De spanningsomvormer 3 is van een gekende konstruktie en is gemonteerd in de voedingslijn 32.
De hiervoor beschreven inrichting voor het toevoeren van energie laat toe dat een batterij die kompakt is en een beperkt vermogen kan leveren, toch gebruikt wordt om kortstondig een merkelijk groter vermogen aan een belasting ter beschikking te stellen.
De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke inrichtingen voor het toevoeren van energie kunnen in verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te vallen.
<Desc / Clms Page number 1>
Device for supplying energy. The invention relates to a device for supplying energy from a low-voltage direct current source to a load, which device contains an energy reservoir.
For portable electronic devices that use electric power, such as portable computers, so-called notebooks, mobile phones and the like, the energy is usually supplied by rechargeable or non-rechargeable batteries.
Such devices can require a lot of energy for a short time. It is of course possible to dimension the batteries in such a way that they can supply this energy peak directly at the desired moment, or in other words to dimension the batteries in function of the maximum expected energy consumption of the device. As a result, the battery is relatively large and heavy, which is very inconvenient for the aforementioned portable devices, which are preferably made as light and small as possible.
Hence, devices have been designed that contain an energy reservoir in which energy can be stored during the time that the device consumes little or no energy. When a large amount of energy is required for a short time, energy can be drawn from this reservoir. The batteries must therefore no longer be able to supply this energy peak and can therefore be made less heavy.
A known device of the aforementioned type makes use of a resistor which is connected between the energy source and the energy reservoir. This device works
<Desc / Clms Page number 2>
however not optimal. As the voltage builds up in the energy reservoir and thus this reservoir is charged, the charging current decreases exponentially. The closer the output voltage of the reservoir approaches the voltage when charging, the smaller this charging current, so that the charging of the reservoir takes a relatively long time. Some checking of the charging process is difficult. At start-up, when no energy is yet in the reservoir, a very large current can flow through the resistor. This flow cannot always be supplied.
The object of the invention is to overcome these drawbacks and to provide an energy supply device which, in an optimal manner, allows to briefly supply more energy to the load than the energy source can supply to a maximum, so that this energy source can be kept relatively small.
For this purpose, the device includes a controllable power source connected to the energy reservoir and a control unit connected to this power source and the output of the energy reservoir to control this power source in function of the output voltage of the energy reservoir.
By controllable current source is meant here an element that generates current and this independent of the voltage across the element.
Preferably, the current source is an adjustable current source, at least the time and duration of current delivery and the magnitude of the current are adjustable by the control unit.
<Desc / Clms Page number 3>
In a special embodiment of the invention, the control unit comprises a comparator which compares the voltage at the output of the energy reservoir with a reference voltage and when both voltages are equal the current source switches off or when the difference between these voltages exceeds a certain value it switches on the current source.
In a curious embodiment of the invention, the energy reservoir contains at least one capacitor.
In most cases, the device contains a voltage converter and the power source is switched between this voltage converter and the energy reservoir.
In an effective embodiment of the invention, the device is mounted as an energy supply device in a digital mobile phone.
With the understanding of better demonstrating the features of the invention, a preferred embodiment of an energy supply device is described below, by way of example without limitation, with reference to the accompanying drawings, in which: Figure 1 shows a block diagram of an energy supply device according to the invention. figure 2 shows a more detailed electrical diagram of a part of the device of figure 1.
The device for supplying energy from a low-voltage direct current energy source 1 to a load 2, according to Figure 1, mainly comprises a voltage converter 3, an adjustable and
<Desc / Clms Page number 4>
controllable power source 4, a control unit 5 for controlling the power source 4 and an energy reservoir 6 connected to the power source 4 and the control unit 5.
For all kinds of portable electronic devices such as mobile radios, portable computers or so-called notebooks, telemonitoring systems, etc., the low voltage power source 1 is usually a dry battery capable of supplying limited current for a certain period of time but not being able to deliver peak currents. Even if it could initially supply the requested peak current, this will no longer be the case after a certain period due to the decreasing current capacity. Commonly used such batteries are 3 Volt lithium batteries which have the advantage of being very compact and thus have a high energy density per unit volume. At constant output voltage, they can provide limited current for a long time, but they cannot provide peak currents.
As load 2, in general, any low-voltage and low-power load can be used which only needs energy for a short period of time, such as sensors or detectors which are only occasionally active and in which the batteries must be as compact as possible. Another example is the digital mobile phone, the so-called GSM (Global System for Mobility). Here, the problem arises that the energy requirement is distributed unevenly between the receiving and transmitting phases. During the transmission phase, which takes about 1/8 of the active time, the energy requirement is much greater than during the rest of the active period.
The invention ensures that the mobile phone is optimally and extremely efficiently supplied with energy.
<Desc / Clms Page number 5>
The voltage converter 3 is a classic DC / DC voltage converter that transforms the supply voltage, which is the voltage of the battery, usually transforms into an intermediate voltage which is higher than the desired output voltage of the device. This voltage converter is dimensioned in function of the average current to be supplied. The aim is to keep it as low as possible because the ratio of the output voltage of the device to the input voltage of the inverter is limited by the maximum amount of energy that can be converted by the inverter with acceptable efficiency.
The adjustable current source 4 is an element that generates current independent of the voltage across the element. Such power sources are known per se to those skilled in the art. The time and duration of the current supply to the energy reservoir 6 as well as the magnitude of the current are adjustable and are adaptively set by the control unit 5. This control unit is connected to the output of the energy reservoir 6 and has means to control the output voltage of this energy reservoir 6 with a reference voltage and means for switching the current source 4 on or off in function of the difference in voltage. The ratio of the time the power source is turned off and the time the power source is turned on and the current intensity determine the magnitude of the current delivered.
The control unit 5 may optionally contain means for not only determining the time of switching the current source 4 on and off, but also adjusting the current intensity itself. Two inputs of the control unit are
<Desc / Clms Page number 6>
for this purpose connected via lines 7 and 8 to the output of the voltage converter or the input of the current source 4 and to the output of the current source which is also connected to the output of the energy reservoir 6, respectively. An output of the control unit 5 connects via an input 9 to an input of the current source 4.
The energy reservoir 6 preferably consists of a battery capacitors which have a low ESR value.
Like the one pole of the battery 1 and the load 2, the voltage converter 3, the control unit 5 and the energy reservoir are also connected to earth with one pole.
The operation of the above-described device is as follows: After a supply voltage is applied by the battery 1, an intermediate voltage is built up at the output of the voltage converter 3. As soon as this voltage converter is stable, the control unit 5 gives a signal via line 9, whereby the current source 4 is activated and the energy reservoir 6 is charged.
When the control unit 5 detects that the voltage in the energy reservoir 6 has reached the desired reference voltage, it gives a signal to the current source 4, whereby it is switched off.
When the load 2 requires temporary power, the energy reservoir supplies this power, as a result of which the output voltage of the energy reservoir 6 and thus of the entire device drops. When this voltage drops below a certain value or in other words the difference from the reference voltage becomes too great, the
<Desc / Clms Page number 7>
control unit 5 to return the power source 4 to operation.
The amount of current supplied by the device is determined by, on the one hand, the intensity of the output current and, on the other hand, the ratio between the time that the energy reservoir 6 is charged and the time that the power source is active and the reservoir is refilled.
The control device 5 can optionally provide a signal at an output 10, which indicates when the energy reservoir 6 is ready for use or, in other words, is filled. This signal can, for example, light a lamp.
Optionally, a synchronization signal can be applied to an input 11 of the control device 5, which indicates when the energy reservoir 6 is loaded. The switching on and off of the power source 4 by the control device 5 can be synchronized with this.
Figure 2 shows a possible practical implementation of the block diagram from Figure 1.
The energy reservoir 6 is formed by a capacitor which, on the one hand, is connected to earth via line 12 and, on the other, connects to load 2 via line 13.
The control unit 5 mainly comprises a comparator 14. One input is connected via line 15 to line 13, the other input via line 16, in which a reference voltage source 17 is connected, to ground. The comparator 14 is connected in a supply line 18 which connects to the output of the voltage converter 3 on the one hand and to the ground on the other. The exit of the
<Desc / Clms Page number 8>
comparator 14 connects to power source 4 via line 19.
This current source 4 contains two transistors 20 and 21, the bases of which are connected to each other by the lead 22.
The emitters connect via lines 23 across a resistor 24 to the output of the voltage converter 3. The collector of the transistor 20 connects via the line 25 to the output, this is to the line 13. The collector of the transistor 21 connects lead 26 is connected to lead 19 across resistor 27. A third transistor 28 is connected to lead 26 through lead 29 through lead 29. Its emitter connects through lead 30 to lead 22 and its collector is through lead 31 connected to the earth.
The voltage converter 3 is of a known construction and is mounted in the supply line 32.
The above-described energy supply device allows a battery which is compact and capable of delivering a limited power to be used nevertheless to provide a significantly higher power to a load for a short time.
The present invention is by no means limited to the embodiments described above and shown in the figures, but such devices for supplying energy can be realized in different variants without falling outside the scope of the invention.