CN102356531A - 用于检测充电的电路布置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有能量源的电路布置，该能量源在连接到电源时可提供充电电压以便对充电电路中的电能存储单元进行充电，其中能够使用交变量来表示充电电压，并且该电路布置具有电容器电路，该电容器电路具有第一电容器元件、第一阀门元件和能量源，其中，如果充电电压为负的，则第一电容器元件由能量源通过第一阀门元件来充电，以便如果充电电压为正的，则第一电容器元件上的电压就正负号而言在电容器电路中具有与充电电压相同的取向，并且电容器元件和能量源上的电压能够使用控制设备来检测。

Description

用于检测充电的电路布置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测充电电压或充电电流是否可用的电路布置和方法，所述充电电压或充电电流可用于例如对小的电池操作的电气装置，优选地电动牙刷进行充电。
背景技术
电池操作的电气装置例如小电气装置诸如电动牙刷或电动剃刀通常是在位于所述装置外部的充电工位中进行充电的。在充电过程中，能够启动某些功能例如充电控制显示，并且能够禁止某些功能比如开启牙刷。因此，需要能够在任何时间点检测到所述装置是否在充电工位中。为此，在装置中提供了多少有些复杂的逻辑单元，所述逻辑单元评测用于电池的充电电压的存在。该逻辑单元可但非必须与控制充电过程自身的电路组件(充电电流电路和控制逻辑)分开。由于充电装置通常类似于理想的电流源而非理想的电压源，因此当充电时，即当充电电流在流动时，充电电压明显地降至不能充电的值以下。因而该充电电压仅足以可靠地被逻辑单元评测到，尤其是在具有小电池单元电压的装置中更是如此。
已知的是，在充电电流开关的源侧上使用通过欧姆电阻电位差计的充电电流电路以分接出充电电压，所述充电电压可随充电电流通量而变化。如果存在充电电压，即如果充电电流电路是断开的，则充电电压处在其最大值；如果充电电流在流动，则充电电压会下降。微控制器执行所述评测。不利的是，电流连续地流过欧姆电阻电位差计，这导致连续的能量消耗。
发明目的
本发明的目的是提供一种电路布置，所述电路布置使检测充电成为可能但复杂性却不高。
解决方案
该目的使用如权利要求所述的装置和方法来实现。
因此，提供一种具有能量源的电路布置，所述能量源在其连接到电源时可提供充电电压以便对充电电路中的电能存储单元进行充电，其中能够使用交变量来表示充电电压，并且所述电路布置具有电容器电路，所述电容器电路具有第一电容器元件、第一阀门元件和能量源，其中，如果充电电压为负的，则第一电容器元件由能量源通过第一阀门元件来充电，以便如果充电电压为正的，则第一电容器元件上的电压就正负号而言在电容器电路中具有与充电电压相同的取向，并且电容器元件和能量源上的电压能够使用控制设备来检测。可检测到的充电水平UCD与电流是否在充电电路中流动，即是否连接了充电晶体管无关。
因此，在充电电压的负半波期间，第一电容器元件通过第一阀门元件被充电。在充电电压的正半波期间，第一阀门元件阻断以便第一电容器元件不能够使用它来放电。在电容器电路中(即在包括能量源、第一电容器元件和第一阀门元件的回路中)，通过电容器元件充电所产生的电压就正负号而言具有与正半波期间的充电电压相同的取向。对于充电检测信号(其可通过第一阀门元件分接)来讲，第一电容器元件连同第一阀门元件具有放大效应。如果充电电压为零，这等同于“装置不在充电工位中”，则充电检测信号也为零。
如果不提供限压措施，则能够达到大约为两倍的充电电压峰值的电压摆动。
因此，充电检测信号接收到电压摆动，所述电压摆动可为两倍的负充电电压。由于充电检测信号具有足够大的电压摆动，因此其可被可靠地检测到，例如使用半导体逻辑单元来检测。
由于在能量存储单元的充电过程中电容器不是必须在电容器电路中被完全再充电，因此避免了能量源或电源上的对应的充电。
如果将微控制器用于检测充电检测信号，则充电检测信号可用于所谓的引脚电平变化中断。如果充电检测信号超过预指定的阈值，则引脚电平变化中断可用来将微控制器从休眠模式“唤醒”。因此，只要充电检测信号低于阈值，微控制器就可保持在节省能量的休眠模式，即，它不是必须定期地“唤醒”而核查装置是否连接到充电工位。这最小化了充电设备的闭路电流。
另一个优点是，也可以该方式来测量充电部件的频率。
该电路的有利的改进形式可包括以下特征：
可存在第二阀门元件，其被布置在直流电压和第一阀门元件之间，并且将能量源和电容器元件上的电压限制为直流电压和第二阀门元件的正向电压的总和。因此，直流电流可用于通过使用电容器元件和能量源来选择性地调节最大电压，即，电压摆动。因此，可对应于检测逻辑单元的技术说明书来调节最大电压。就检测两种状态而言，可为“低”状态提供例如最大电压的至多20％，并且可为“高”状态提供最大值的80％以上。
此外，还可存在控制设备，所述控制设备被设计成用于检测电容器元件和能量源上的电压。能量源可包括线圈元件，所述线圈元件可连接到能量。因而，充电设备可被设计为用于能量存储单元的感应充电设备。能量存储单元也可为电池。
也可将用于整流充电电压的第三阀门元件布置在充电电路中，其中，电容器电路在充电电流的方向上被布置在第三阀门元件的上游。
第一电阻器元件可被布置在电容器电路中以用于限制电容器电路中的充电通量。
第一阀门元件和/或第二阀门元件可被布置在控制设备内部。当使用用于控制设备的内部功能元件时，可省略通过外部二极管实现的保护电路，这进一步减少了生成电路所需的材料。
第一阀门元件可为齐纳二极管元件。这导致对使用齐纳二极管元件的击穿电压的正充电检测电压的限制和对使用齐纳二极管元件的正向电压的负充电检测电压的限制。
下拉元件可被布置成与第一阀门元件并联。如果电路布置未连接到电源，则第一电容器元件可在所述第一阀门元件上放电。所述的电容器元件的完全放电进一步改善了充电检测。
电压转换器可被布置在其上，所述电压转换器被设计成用于为控制设备供电。当用于控制设备的操作电压大于充电电压时，可使用它。
为了在充电期间为控制设备供电，电容器电路可包括与第一电容器串联的第四阀门元件和与第一阀门元件并联的第二电容器元件。然后能够省略前述的为控制设备供电的电压转换器。
本发明也包括具有这种电路布置的小电气装置例如电动剃刀或牙刷。
被设计成用于开关充电电流的可控电路元件可被布置在充电电路中。因而可有利地控制或调控充电电流以保护电池。
本发明也包括一种用于在充电设备中进行充电检测的方法，所述充电设备具有能量源，所述能量源在其连接到电源时可提供充电电压以便对充电电路中的电能存储单元进行充电，其中能够使用交变量来表示充电电压，其中，当充电电压为负时，第一电容器元件由能量源通过第一阀门元件来充电，以便当充电电压为正时，第一电容器元件上的电压就正负号而言在电容器电路中具有与充电电压相同的取向，并且电容器元件和能量源上的电压能够使用控制设备来检测。
优选地，被布置在直流电压和第一阀门元件之间的第二阀门元件将能量源和电容器元件上的电压限制为直流电压的电压值和第二阀门元件的正向电压的总和。电容器元件和能量源上的电压优选地通过控制设备来检测。充电电压优选地通过第三阀门元件来整流。当电路布置未连接到电源时，第一电容器元件优选地通过下拉元件放电，所述下拉元件被布置成与第一阀门元件并联。该方法可用于小电气装置例如电动牙刷。
附图说明
将使用示例性实施方案和附图来更详细地描述该电路布置。
图1示出了电路布置的第一实施方案的电路图；
图2示出了第一实施方案的信号变化；
图3示出了第一实施方案的信号变化；
图4示出了电路布置的第二实施方案的电路图；
图5示出了电路布置的第三实施方案的电路图；并且
图6示出了电路布置的第四实施方案的电路图。
具体实施方式
根据图1的电路布置的第一实施方案优选地用于小电气装置例如可再充电的电动牙刷或电动剃刀中所用的电路。所述能量以感应方式从连接到电源的充电工位传送给所述牙刷。为此，能量通过充电线圈L(作为能量源)连接到电路中，并且使用充电电路提供给电池30。存在于充电线圈L上的电位VL为交变量。提供被布置在充电电路中的二极管DG以作为用于整流充电电流IL的阀门元件。二极管DG用作半波整流器，因此仅允许半波通过并用于对电池30进行充电。充电电流IL在充电电路中通过作为开关元件的充电晶体管T1来接通和断开，所述开关元件通过微控制器10来控制。
此外，还提供直流电流转换器(升压转换器)20，所述转换器向微控制器10提供操作电压VCC，所述操作电压高于电池电压。直流电流转换器20由电池30供电。
当所述装置处在充电工位中时，在充电线圈L上产生开路电压VI以作为充电电压VL，即在无电池充电电流IL流动时；或如果电池充电电流IL在流动，在充电电压VL的正半波时，产生UA(电池电压水平)+UCE(晶体管T1的集电极发射极电压)+UF(二极管DG上的正向电压)。因而，在充电电压的正半波期间，充电电路被充电使得充电电压VL下降。相比之下，负半波总是具有更高的峰值电压，因为没有充电电流流入到电池中(因为二极管DG阻断了它)；因此所述源不被充电。
图2中的图A描绘了当充电电流可流动(晶体管T1启用时)充电电压VL随时间的进程。因此在所述实例中，充电电压在约1.35V和-4.5V之间交替变化。
图3的图A描绘了当无充电电流可流入到电池30中(晶体管T1阻断不通)时充电电压VL随时间的进程。在这种情况下，充电电路是断开的以便充电电压达到最大值|VI|(在所述实例中为约9V)，两个半波均是如此。如果电池充电电流IL在流动，则负半波的峰值低于“实际”开路电压，即，如果无充电电流IL在流动，因为存在于通过充电线圈L自身连接通量的外部充电工位中的振荡器(未示出于图中)仅在正半波期间接收能量，然后仅在负半波期间衰减。
电容器电路包括由电容器C1、电阻器R1(也可被省略)、第一二极管元件D1和充电线圈L构成的串联电路。这些元件因此形成回路。在所述电容器电路或回路中降落在线圈L和电容器C1上的电压UCD被用于充电检测信号。充电检测信号UCD指示所述装置是否处在充电工位中。充电检测信号UCD被提供给对其进行评测的微控制器10。
就电压而言，电容器C1非对称地连结到微控制器10，具体地讲通过第二二极管D2(其具有直流电流VCC)和第一二极管D1来连结。图2和图3中的图B示出了这种情况，其中，标绘了电容器C1上的电压进程UBA。图2和图3的图B中的曲线地与图近似A中的曲线同相。因此，在电容器电路中，充电电压VL和UBA具有相同的取向，因此具有相同的正负号。
这就是当所述装置处在充电工位中时电容器C1是如何充电的。在充电电压VL的正半波期间，电压因而为UCD＝VCC+Vf2(Vf2二极管D2上的正向电压)。在充电电压VL的负半波期间，电压为UCD＝-Vf1(二极管D1上的正向电压)。图2和图3的图C分别描绘了充电检测信号UCD的电压进程。
微控制器10的引脚“充电检测”上的充电检测电压UCD因此在VCC+Vf2和二极管D1上的负正向电压(-Vf1)之间涨落。充电电压VL的值可远远低于VCC+Vf2，因此在充电检测的检测能力中不起任何作用。
充电检测电压UCD因此达到电压VCC的数量级并因此成为能够可靠地评测的信号(具有足够大的摆动)以便指示充电电路中充电电压VL或充电电流通量IL(如果充电晶体管T1启用的话)的存在。
对根据图2C和图3C的两条充电检测电压UCD曲线的比较表明，电压摆动实际上与充电电流IL是否在流动无关。唯一重要的因素是充电电压VL的存在，这具有与状态“装置处在充电工位中”相同的意义。这时充电检测电压UCD处在最大值。
只要所述装置(在该实例中为电动牙刷)不处在充电工位中，充电检测电压UCD就会连续地为“零”。
充电电压VL、并因此充电检测电压UCD通常具有30kHz数量级的频率。由于受关注的仅是充电检测电压的最大值而不是频率，因此充电检测信号可使用控制电子器件来检测。
电阻器R1限制电容器电路中的充电通量，即，微控制器10的端口中的电流。在电容器电路中，电阻器R2被布置成与二极管D1并联。电阻器R2为下拉电阻器，其确保当不存在充电检测信号UCD时，即，如果装置不再连接到充电工位，电容器C1完全放电。
图4描绘了电路布置的第二实施方案，其中，两个二极管D1和D2均集成在微控制器10中。因而可将它们从外部保护电路中省略掉。
图5描绘了电路布置的第三实施方案，其中，二极管D1被设计为齐纳二极管。在该情况下，引脚“充电检测”上的正电压被限制为齐纳二极管的击穿电压，并且负电压在正向上通过齐纳二极管的正向电压。
取决于充电线圈电压和电阻器R1的布局，充电检测可为相对高电阻的以便其几乎不对充电部件加载。
此外，还可改进第三实施方案，使得当所述装置连接到充电工位时电容器电路可用作用于某个电路的电流源。图6描绘了作为电路布置的第四实施方案的这种变体。将整流二极管D4加入到电容器电路中，并且电容C2与齐纳二极管D5并联，所述齐纳二极管具有图1，4和5中所绘的二极管D1的功能。电容C2和二极管D4形成电容器电路中的整流器，并且二极管D4整流电容器电路中的电流。齐纳二极管D5将电压UCD和二极管电压Vf4的总和限制为其击穿电压。
电阻器R1和电容C1在该情况下旨在被调节使得有足够的电荷可流动。然而，取决于电路是如何布局的，可完全省略掉电阻器R1。
在所有这些实施方案中，可取代微控制器10而使用不同的逻辑单元(模拟的或数字的)来评测充电检测信号。此外，电压转换器20也可被设计成不同形式的；其不是必须为“升压转换器”。因此，元件20代表了任何所期望的元件，所述元件使电池30的电压达到单元10的供电电压VCC所要求的水平。
在所有实施方案中，充电晶体管T1仅是任选的，即，其可被省略掉。如果不存在充电晶体管T1，则无需对电池进行充电控制，然而充电检测功能仍然存在。
此外，所述的充电检测也在使用二极管DG的具有全波整流而非半波整流的充电机构中起作用。因此，电容器电路被布置在所述一个半波的二极管分支中，并且因此其仅监测对应于所述一个半波的充电信号部分。
所述的电路不限于用在电动牙刷中。实际上，它们也可用在其他装置例如电动剃刀、家用电器和通讯装置中。

Claims (20)

1.一种电路布置，所述电路布置具有：
能量源(L)，所述能量源当其连接到电源时能够提供充电电压(VL)以便对充电电路中的电能存储单元(30)进行充电，其中能够使用交变量来表示所述充电电压(VL)，
并且具有电容器电路，所述电容器电路具有第一电容器元件(C1)、第一阀门元件(D1)和所述能量源(L)，
其中，如果所述充电电压(VL)为负的，则所述第一电容器元件(C1)由所述能量源(L)通过所述第一阀门元件(D1)来充电，以便如果所述充电电压(VL)为正的，则所述第一电容器元件(C1)上的电压(UBA)就正负号而言在所述电容器电路中具有与所述充电电压(VL)相同的取向，
并且所述电容器元件(C1)和所述能量源(L)上的电压(UCD)能够使用控制设备(10)来检测。
2.如权利要求1所述的电路布置，其中，存在第二阀门元件(D2)，所述第二阀门元件被布置在直流电压(VCC)和所述第一阀门元件(D1)之间，并将所述能量源(L)和所述电容器元件(C1)上的电压限制为所述直流电压(VCC)和所述第二阀门元件(D2)的正向电压(Vf2)的总和。
3.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，当所述充电电压(VL)为负时，所述第一阀门元件(UCD)上的电压(UCD)被限制为所述第一阀门元件(D1)的正向电压(Vf1)。
4.如前述任一项权利要求所述的电路布置，还具有控制设备(10)，所述控制设备被设计成用于检测所述电容器元件(C1)和所述能量源(UCD)上的电压。
5.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，所述能量源(L)包括能够用来连接能量的线圈元件。
6.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，用于整流所述充电电压(VL)的第三阀门元件(DG)被布置在所述充电电路中，其中所述电容器电路在所述充电电流的方向上被布置在所述第三阀门元件(DG)的上游。
7.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，第一电阻器元件(R1)被布置在所述电容器电路中以用于限制所述电容器电路中的充电通量。
8.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，所述第一阀门元件(D1)和/或所述第二阀门元件(D2)被布置在所述控制设备(10)内部。
9.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，所述第一阀门元件(D1)为齐纳二极管。
10.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，下拉元件(R2)被布置成与所述第一阀门元件(D1)并联，如果所述电路布置未连接到所述电源，则所述第一电容器元件(C1)能够在所述下拉元件上放电。
11.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，布置了电压转换器(20)，所述电压转换器被设计成用于为所述控制设备(10)供电。
12.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，为了给所述控制设备(10)供电，所述电容器电路包括与所述第一电容器元件(C1)串联的第四阀门元件(D4)和与所述第一阀门元件(D1)并联的第二电容器元件(C2)。
13.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，所述电路布置被布置在小电气装置中，具体地讲布置在电动牙刷中，并且所述能量存储单元(30)为电池。
14.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，被设计成用于开关所述充电电流(IL)的可控电路元件(T1)被布置在所述充电电路中。
15.一种用于在电路布置中进行充电检测的方法，所述电路布置具有能量源(L)，所述能量源在其连接到电源时可提供充电电压(VL)以便对充电电路中的电能存储单元(30)进行充电，其中能够使用交变量来表示所述充电电压(VL)，其中，当所述充电电压(VL)为负时，第一电容器元件(C1)由所述能量源(L)通过第一阀门元件(D1)来充电，以便当所述充电电压(VL)为正时，所述第一电容器元件(C1)上的电压(UBA)就正负号而言在所述电容器电路中具有与所述充电电压(VL)相同的取向，并且所述电容器元件(C1)和所述能量源(L)上的电压(UCD)能够使用控制设备(10)来检测。
16.如权利要求15所述的方法，其中，存在第二阀门元件(D2)，所述第二阀门元件被布置在直流电流(VCC)和所述第一阀门元件(D1)之间，并将所述能量源(L)和所述电容器元件(C1)上的电压限制为所述直流电压(VCC)的电压值和所述第二阀门元件(D2)的正向电压(Vf2)的总和。
17.如权利要求15或16所述的方法，其中，所述电容器元件(C1)和所述能量源(UCD)上的电压通过控制设备(10)来检测。
18.如权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，所述充电电压(VL)通过第三阀门元件(DG)被整流。
19.如权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，当所述电路布置未连接到所述电源时，所述第一电容器元件(C1)通过下拉元件(R2)放电，所述下拉元件被布置成平行于所述第一阀门元件(D1)。
20.如权利要求15至19中任一项所述的方法，所述方法用于小电气装置，例如电动牙刷。
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