CN1098553C - 断开负载的方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于断开连接于电压源的负载的方法和电路，特别地，该电压源是直流电压源。针对本发明的目的，举例来说，直流电压系统一般包括现有技术中所知的由太阳能电池、原电池或蓄电池供电的移动设备。本发明是基于下面的认识而做出的，电压系统经常具有不同类型的负载，当一个或多个关断条件满足时，一些负载可以立即被断开，而另一些负载出于安全和心理上的原因，要求电源供应以较慢的速率下调。根据本发明的方法，连接于电压源的负载在至少一个关断条件满足时分两步被断开，第一步包括减少供应到适用于缓慢下调的负载的电流，后续步骤包括断开剩余的负载的电源供应。实现本发明的方法的电路，包括用于下调至少一个第一负载的供电电压的可控电阻器件(M2)和用于断开至少一个另外的负载(V1)电源的可控开关器件(M1)，所述电路由控制电路驱动，该控制电路设置成能够使直到流过第一负载(V)的电流减少后，另外的负载(V1)能够被断开。

Description

断开负载的方法和电路
本发明涉及一种断开连接于电压源的负载的方法和电路，例如，所述电压源可以是直流电压源。针对本发明的目的，特别的，所述负载是在现有技术中所知的一般在移动设备中所使用的，由太阳能电池、原电池或蓄电池供电的功率消耗型器件，其包括如电子电路、电机、微处理器及其类似器件。
DE 41 31 981 A1和DE 42 41 066 A1提出的电路结构中，由电压鉴别器测定电池电压。在电池电压达到一预定值后，流过与电池相连的负载的电流通过控制电路的控制连续或逐步减少到零。但是，在这些电路结构中，仅仅是减去了消耗最大份额电流的器件所造成的电池负载。其他系统元件，如控制电路本身，仍然继续消耗电池电能，尽管其以较低的速度耗电。
DE 41 16 318 A1提出了一种用于防止蓄电池深度放电的电路结构，该电路具有一电子开关器件，当蓄电池电压降到低于一预定的阀值时，该电子开关器件断开负载与电池的连接。
因此，在现有技术的电路结构中，当电池放电使电池电压下降时，其所连接的负载或者立即被断开，或者供电电源在一预定的时间内逐渐下调，从而避免电池的深度放电。这一点对于防止损坏电池非常重要，特别是在使用锂蓄电池时。
本发明的目的是提供一种断开连接于电压源的负载的方法和电路，它对于一个经常具有不同类型负载的用电设备，当一个或多个关断条件满足时，其中一些负载可以立即被断开，而对另一些负载，出于安全或心理上的原因，电源供应能够以较慢的速率下调。
以家用电器为例，如由电池供电的电动剃须刀，该电动剃须刀具有电机，当关断条件满足时，为了防止胡须被夹痛，要求电源供应缓慢地降低。相反地，举例来说，微控制器或测量电路可以被立即断开。
但是，在通常允许立即断开电源的系统里，可观察的功能指示器的强度，如光或声音的强度的逐渐减少一般被用于向使用者提示蓄电池被放电，而相反地，功能的突然中止可能表示有故障发生。
为了实现上述目的，本发明提供了一种断开连接于电压源的电器设备的方法，上述电器设备包括多个负载，其中，由电压源供给的电流连续或分步地减少，其特征在于：该方法包括第一步和后续第二步，所述第一步包括将电压源提供给至少一个第一负载的电流减少至零，所述第二步包括断开由电压源提供给至少一个另外的负载的电流。
本发明还提供了一种用于断开连接于电压源B的至少一个负载V的电路，包括可控电阻器件M2和用于驱动可控电阻器件M2的控制电路，负载V通过可控电阻器件M2与电压源B连接，其特征在于：该电路还包括用于断开至少一个另外的负载V1的可控开关器件M1，所述开关器件由控制电路驱动，对控制电路进行设置，使得直到流过至少一个第一负载V的电流减少到零值后，另外的负载V1能够通过可控开关器件M1的驱动而被断开。
根据本发明所述的方法，连接于电压源的负载在至少一个关断条件满足后分两步被断开，第一步骤包括减少供应到适用于缓慢下调的负载的电流，后续步骤包括断开剩余的负载的电源供应。
各负载在时间上相继被断开，特别是那些用于缓慢下调供应到负载上的功率的系统会继续工作直至下调结束。而后那些系统也被关闭。
根据本发明，提供至受下调控制的负载的电流被减少到一可预设值，例如，零值。随后关闭需断开的负载，最好已受下调控制的负载也被断开电源。作到这一点非常必要，特别是在上述提及的可预设值不等于零的情况。
在关闭条件是由电压源的电压的大小决定的系统中，使用具有数字输出的电压检测器特别有利，以使得在电压源的电压达到一可选的阀值时检测器的输出信号电平从低到高或从高到低变化。通过阀值的选择，使得本发明的电路适应于各种不同电压源的电压成为可能，该电压源可包括例如各种型号的电池或太阳能电池。
尽管如此，关闭条件也由温度或其它的一些可通过合适的检测器检测的测量值所决定，例如，速率、电流、亮度或声音。
根据本发明，一旦第一电压检测器检测到由电压源提供的电压UBATT下降到低于预定的阀值UBATTmin或其它关闭条件满足时，需要受下调控制的负载就开始下调过程。上述情况指，例如，在太阳能电池中光线较暗时，在蓄电池中放电越来越大时。当第二电压检测器检测到受下调控制的负载中的供电电压UV下降到低于预定的阀值UVmin，或规定的认为足以执行完下调操作的时间段届满时，认为下调过程完成。仅在这些条件满足时，允许被立即关断的负载被从电源上断开，由于安全原因，最好那些已经下调过的负载也被从电源上断开。
当电压源的电压再次升高到高于阀值UBATTmin或其他阀值UBATTmin’时，电池重新向负载供应电流。电压升高的原因，举例来说，可以是更换电池、将蓄电池再充电或接上电源。
合理设计电源，可以使负载在现有技术中的双路模式工作，也即，由电源向负载供电并对蓄电池再充电。这使得如果蓄电池被用完，负载也可以工作。
本发明的一个实施例将参照附图在下面进行描述，附图用于说明断开与电压源相连的负载的电路。本发明的其他实施例将在说明书里进行描述。图中，
图1是本发明的电路的框图；
图2是图1中的下调电路的结构。
本发明的电路包括第一电压检测器SE1，第二电压检测器SE2，可控开关器件M1，可控电阻器件M2和包括组合逻辑系统L和下调电路A的控制电路。电路具有接线端子1和底盘接线端子2，上述接线端子1与蓄电池B的正极相连，上述底盘接线端子2与蓄电池B的负极相连。机械开关S1使底盘接线端子2与地线部分GND2相连。第一电压检测器SE1的供电接头同时也是检测接头连接于与接线端1相连的供电电压线和地线部分GND2之间。组合逻辑系统L的供电接头也连接于供电电压线和地线部分GND2之间。可控开关器件M1位于地线部分GND2与另一地线部分GND3之间，且具有一控制输入用于接收来自组合逻辑系统L的输出信号U4。由可控电阻器件M2和第一负载V组成的串联电路连接于供电电压线和另一地线部分GND3之间。与上述串联电路并联连接的有另一负载V1和下调电路A的供电电压接头。第二电压检测器SE2的供电电压接头和检测接头与第一负载V并联。
第一电压检测器SE1，第二电压检测器SE2和可能使用到的另一检测器SE3的输出连接到组合逻辑系统L的相应的输入端。第一电压检测器SE1的输出还连接到下调电路A的第一输入端。下调电路A具有连接到可控电阻器件M2和第一负载V的连接点的第二输入端。下调电路A的控制输出连接到可控电阻器件M2的控制输入端。
在假定蓄电池B处于充电状态下，本发明的电路的功能将在下面进行描述。
闭合机械开关S1以激活系统。于是第一电压检测器SE1发出变为高电平的输出信号U2，用以表示蓄电池电压UBATT高于断开电压UBATTmin。第二电压检测器SE2提供变为低电平的输出信号U1用以表示第一负载V的供电电压UV低于阀值电压UVmin。第一和第二电压检测器的输出信号U2和U1提供到组合逻辑系统L的相应输入端，该组合逻辑系统在上述条件下，发出提供到可控开关器件M1的高电平输出信号U4。结果，可控开关器件M1闭合使得地线部分GND2和另一地线部分GND3相连，以使由蓄电池B提供的电压施加于另一负载V1，下调电路A和第二电压检测器SE2。施加于下调电路A的第一输入端且变为高电平的第一电压检测器SE1的输出信号U2能够使下调电路A使能可控电阻器件M2，以使第一负载V通过可控电阻器件M2由电源供电。第一负载V的供电电压UV几乎与蓄电池B的供电电压UBATT对应，因此该电压高于阀值电压UVmin。于是，第二电压检测器SE2发出变为高电平的输出信号U1。系统现在处于工作就绪状态。
随着工作时间的增加，蓄电池电压UBATT下降，逼近断开电压UBATTmin。当蓄电池电压UBATT达到断开电压UBATTmin时，第一电压检测器SE1的输出信号U2从高电平变为低电平。于是下调电路A根据已定义的时间进度通过控制可控电阻器件M2的阻值来减少第一负载V上的供电电压UV，上述可控电阻器件M2的阻值随时间以下述形式变化，即阻值是随时间增长而增长的函数。结果，第一负载V的供电电压UV减少到阀值UVmin。当减少到阀值UVmin时，第二电压检测器SE2的输出电压从高电平变为低电平。由于两个电压检测器的输出电压U1和U2现在都为低电平，组合逻辑系统L的输出电压U4也从高电平变为低电平，使得可控开关器件M1打开。除了电压检测器SE1和组合逻辑系统L，所有的负载都被从蓄电池B上断开。
考虑到第一电压检测器SE1和组合逻辑系统L可以设计成使它们的供电电流在微安范围内，蓄电池B通过电压检测器SE1和组合逻辑系统L的放电速率很低，因此可期望在深度放电前，使用者可以及时地将蓄电池B再充电。尽管如此，通过操纵机械开关S1，还可以将第一电压检测器SE1和组合逻辑系统L从蓄电池B上断开，以此确保蓄电池B不会深度放电。
在蓄电池B放电后，系统可以由电源供电而继续工作。通过操纵机械开关S1，直到蓄电池被再充电到其电压UBATT超过阀值UBATTmin，使第一电压检测器SE1又发出高电平输出信号U2时，负载才开始重新工作。
在本发明的电路的另一实施例中，在蓄电池放电后，系统可以仅通过由一合理设计的充电电源N供电而工作。为了达到上述目的，组合逻辑系统L具有另外的输入，用于接收充电电源N的输出信号U3。只要充电电源N连接在线路上，充电电源的输出信号变是高电平信号。随着机械开关S1闭合，组合逻辑系统L的输出信号U4由此再次变为高电平，而使得可控开关器件M1闭合。结果，系统由充电电源N供电工作。与此同时，蓄电池B可以再充电。在蓄电池B充满电后，充电电源N自动断开。同时，充电电源N的输出信号U3从高电平变为低电平。
从上述描述可以看出，仅仅在三个信号U1、U2、U3都变为低电平时，组合逻辑系统L的输出信号U4才变为低电平，由此打开可控开关器件M1。因此，组合逻辑系统L可以设置成OR门形式。在另外的组合逻辑系统的结构中，相应地可以选用其它值用于信号U1、U2、U3。举例来说，可控开关器件M1可以选用继电器或MOSFET管。可控电阻器件M2最好选用MOSFET管。
在本发明的电路的其它配置中，第一电压检测器SE1的开关阀值是可调节的。这使得电路可以调节成不同的断开电压，而使之适用于不同类型的蓄电池、太阳能电池等。
如果修改组合逻辑系统L使其还包括另外的输入，比如能够接收另外的检测器SE3的输出信号。这样就可以实现其他的断开条件，如根据温度断开负载以防止负载过热。
如图1所示，提供到第一负载V的电源通过下调电路A共同下调。在改进的电路中，需要下调的各个负载具有自己的下调电路和可控电阻器件。
下面，将对图2中所示的下调电路A的有利的配置进行描述。下调电路A包括运算放大器OP1，该运算放大器在其负输入端输入第一负载V的供电电压UV。在运算放大器OP1的正输入端和另外的地线部分GND3之间并联连接着电阻R1、电容C1和由可控开关器件M3和基准电压源UREF组成的串联电路。可控开关器件M3具有连接到第一电压检测器SE1的输出的控制输入端。运算放大器OP1的输出U5连接到可控电阻器件M2的控制输入端。可控开关器件M3可以通过如继电器或MOSFET管来实现。
系统处于工作就绪状态时，可控开关器件M3被闭合，将基准电压源UREF连接到运算放大器OP1的正输入端。于是加于负输入端的第一负载V的供电电压UV可以被调节到基准电压源UREF的电压。当第一电压检测器SE1的输出信号从高电平变为低电平时，可控开关器件M3被打开。然后，先前已在可控开关器件M3闭和状态下充电至基准电压的电容C1通过电阻R1放电。这样就产生了随时间下降的基准电压。结果，输出信号U5也同样随时间降低，随着电容C2放电，通过可控电阻M2，第一负载V的供电电压UV相应的下调到零值。
在下调电路的另一变型中，基准电压源UREF被省略。蓄电池电压UBATT通过可控开关器件M3直接加于运算放大器OP1的正输入端。这种变型可应用于第一负载V不绝对需要在受控的供电电压UV下工作的情况。
在再一种变型中，下调电路只包括微控制器。当第一电压检测器SE1通过其输出信号U2启动下调过程时，微控制器的输出电压U5小幅度地减少以便通过可控电阻器件M2下调第一负载V上的电源供应。
还可以作出下调电路的其它变型，可以用电流、速度、亮度和音量来代替电压进行控制。
此外，可以由控制电路代替下调电路，在达到断开条件时，该控制电路向可控电阻器件M2发出一随时间变化且与第一负载的供应电压UV无关的信号U5，以此来减少流过第一负载V的电流。

Claims (19)

1.一种断开连接于电压源的电器设备的方法，上述电器设备包括多个负载，其中，由电压源供给的电流连续或分步地减少，其特征在于：该方法包括第一步和后续第二步，所述第一步包括将电压源(B)提供给至少一个第一负载(V)的电流减少至零，所述第二步包括断开由电压源(B)提供给至少一个另外的负载(V1)的电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：提供到第一负载(V)的电流被减少到一可预先设定的值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：第一负载(V)与另外的负载(V1)同时被断开。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一电压检测器(SE1)测定电压源(B)的电压而发出输出信号(U2)，当电压源(B)的电压(UBATT)降低到低于阀值电压时，提供到第一负载(V)的电流减少。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：将至少一个附加检测器(SE3)的输出信号与一个阈值进行比较，使得当上述附加检测器(SE3)的输出信号超过或低于一阀值时，提供到第一负载(V)的电流减少。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在提供到第一负载(V)上的电流开始减少后一规定的时间周期届满后，至少将提供到另外的负载(V1)的电流断开。
7.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：第二电压检测器(SE2)测定第一负载(V)两端的电压而发出一输出信号(U1)，当第一负载(V)两端的电压降低到低于阀值电压时，至少将提供到另外的负载(V1)的电流断开。
8.用于断开连接于电压源(B)的至少一个负载(V)的电路，包括可控电阻器件(M2)和用于驱动可控电阻器件(M2)的控制电路，负载(V)通过可控电阻器件(M2)与电压源(B)连接，其特征在于：该电路还包括用于断开至少一个另外的负载(V1)的可控开关器件(M1)，所述开关器件由控制电路驱动，对控制电路进行设置，使得直到流过至少一个第一负载(V)的电流减少到零值后，另外的负载(V1)能够通过可控开关器件(M1)的驱动而被断开。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于：对控制电路进行设置，使得直到流过第一负载(V)的电流减少后，第一负载(V)能够通过可控开关器件(M1)的驱动而被断开。
10.根据权利要求8或9所述的电路，其特征在于：控制电路包括组合逻辑系统(L)和下调电路(A)，接收测定电压源(B)电压(UBATT)的第一电压检测器(SE1)的输出信号(U2)。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于：组合逻辑系统(L)接受测定第一负载(V)两端的电压(UV)的第二电压检测器(SE2)的输出信号(U1)。
12.根据权利要求10所述的电路，其特征在于：组合逻辑系统(L)接收用于给蓄电池充电的充电电源(N)的输出信号(U3)。
13.根据上述权利要求8所述的电路，其特征在于：控制电路接收至少一个附加检测器(SE3)的输出信号，上述附加检测器特别地是一个温度检测器。
14.根据上述权利要求8或13所述的电路，其特征在于：控制电路包括定时电路，该定时电路在从电流开始减少后一规定的时间后断开负载。
15.根据上述权利要求8所述的电路，其特征在于：可控电阻器件(M2)是可由下调电路(A)驱动的MOSFET，可控开关器件(M1)是可由组合逻辑系统(L)驱动的MOSFET或继电器。
16.根据上述权利要求10所述的电路，其特征在于：组合逻辑系统(L)包括OR门。
17.根据上述权利要求10所述的电路，其特征在于：对应于第一负载(V)上的电压(UV)的信号可输出至下调电路(A)。
18.根据权利要求17所述的电路，其特征在于：下调电路(A)包括运算放大器(OP1)，该运算放大器(OP1)用于接收对应于第一负载(V)上的电压(UV)的信号和基准电压(UREF；UBATT)，该运算放大器(OP1)的输出信号(U5)可输出到可控电阻器件(M2)。
19.根据权利要求18所述的电路，其特征在于：下调电路(A)包括可由第一电压检测器(SE1)控制的可控开关器件(M3)，所述可控开关器件(M3)可将变化电压而不是基准电压(UREF)输出到运算放大器(OP1)，该变化电压是通过电阻(R1)放电的电容(C1)的电压。
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