DE10131589A1

DE10131589A1 - Engergieversorgung in einer Überwachungseinrichtung

Info

Publication number: DE10131589A1
Application number: DE2001131589
Authority: DE
Inventors: Felix Lang; Joachim Ukat; Thomas Moehler
Original assignee: Hekatron GmbH
Current assignee: Hekatron Technik GmbH
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: DE10131589B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines oder mehrerer gepulster Verbraucher (1), die an einer ersten Spannung (2) betrieben werden, welche nicht vollständig an dem einen oder mehreren Verbrauchern abfällt, und mit einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (3) verbunden sind, die den oder die Verbraucher über geeignete Schaltmittel (4) ein- und ausschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Verbraucher mit einem Energiespeicher (5) in Reihe geschaltet sind und die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung über den Energiespeicher an einer zweiten Spannung zur Energieversorgung angeschlossen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Energieversorgungsvorrichtung für Überwachungseinrichtungen für Umgebungsbedingungen, die mit Sende- und Empfangselementen ausgestattet sind.
Überwachungseinrichtungen für Umgebungsbedingungen der genannten Art senden elektromagnetische Strahlung aus und werten die in einem Meßvolumen auf den Empfänger gestreute Strahlung aus. Solche Überwachungseinrichtungen werden entweder einzeln von einer Batterie oder in einer Gefahrenmeldeanlage von einer zentralen Stromversorgung versorgt. Da auch Gefahrenmeldeanlagen zur Überbrückung von Netzausfällen über eine Energieversorgung durch Batterien verfügen und ihrerseits viele der Überwachungseinrichtungen versorgen müssen, ist es für den sicheren Betrieb unerlässlich, daß die Überwachungseinrichtungen eine sehr geringe Stromaufnahme haben. In üblichen Überwachungseinrichtungen der genannten Art wird Energie dadurch gespart, daß parallel zum Sendeelement eine Steuereinrichtung geschaltet ist, die den Sender und die Auswerteeinrichtung regelmäßig aber nur für sehr kurze Zeit einschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Energieverbrauch noch weiter als bisher zu senken und dadurch die Überwachungseinrichtungen zuverlässiger zu machen und die Betriebsdauer zu erhöhen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der durch den Sender fließende Strom einen Energiespeicher auflädt und die Steuer- und Auswerteeinrichtung sowie ggf. weitere Verbraucher aus diesem Energiespeicher versorgt werden.
Durch diese Maßnahme, kann der Stromverbrauch noch einmal deutlich gesenkt werden. Da durch den Energiespeicher ein sonst üblicher Vorwiderstand entfallen kann, wird die Energie die normalerweise im Vorwiderstand verloren geht zum Betrieb der übrigen Schaltung genutzt. Dies wirkt sich gerade deshalb deutlich aus, weil der für den Sender benötigte Strom um ein vielfaches über dem der restlichen Schaltung liegt. Oft beträgt die Stromstärke des Stromimpulses für das Sendeelement mehr als das tausendfache der mittleren Stromaufnahme der ganzen Überwachungseinrichtung.
Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. I zeigt ein Blockschaltbild nach dem Stand der Technik;
Fig. II zeigt eine Schaltung für den Betrieb des Sendeelementes nach dem Stand der Technik;
Fig. III zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Blockschaltbild;
Fig. IV zeigt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung;
Fig. V zeigt eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung.
In Fig. I wird gezeigt, daß gemäß dem Stand der Technik die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) mit der Spannungsquelle (2) und über die Steuerleitung (8) mit dem Schaltmittel (4) verbunden ist. Das Schaltmittel (4) kann den Verbraucher (1) mit der Spannungsquelle (2) verbinden. Dadurch werden die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) und der Verbraucher (1) aus der selben Spannungsquelle (2) versorgt.
In Fig. II wird dies an einer Schaltung nochmals ausführlicher gezeigt. Die Steuereinrichtung (3) ist mit der Spannungsquelle (2) verbunden und schaltet die Stromquelle (12) über die Steuerleitung (8) ein wodurch ein Strom durch das Sendeelement (1) und den zur Spannungsbegrenzung nötigen Vorwiderstand (11) fließen kann. Dadurch geht unnötig Energie im Vorwiderstand und bei zu großer U_CE auch im Transistor der Stromquelle (12), der gleichzeitig als Schaltmittel (4) wirkt verloren.
Anhand der Fig. III wird nun an einem Blockschaltbild die erfindungsgemäße Vorrichtung erklärt. Der Verbraucher (1) ist wie in Fig. I über das Schaltmittel (4) mit einer ersten Spannung (2) verbunden. Der durch den Verbraucher (1) fließende Strom lädt den Energiespeicher (5), der mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) verbunden ist, von einer zweiten auf eine dritte Spannung auf. Dann wird die Verbindung zwischen Spannung (2) und Verbraucher (1) unterbrochen. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) wird nun über eine Leitung (6) aus dem Energiespeicher (5) versorgt und entlädt diesen von der dritten Spannung bis zum Erreichen der zweiten Spannung. Nun schaltet die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) über die Steuerleitung (8) und das Schaltmittel (4) den Verbraucher (1) wieder ein, wodurch der Energiespeicher (5) wieder geladen wird. Auf diese Weise stellt sich ein Zyklus von ständigem Laden und Entladen des Energiespeichers und ein Pulsbetrieb des Verbrauchers (1) ein. Um eine Über- bzw. Tiefentladung des Energiespeichers (5) zu vermeiden, führt die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) in regelmäßigen Abständen Spannungsmessungen am Energiespeicher (5) durch. Diese Abstände werden nach erreichen einer vierten Spannung, die etwas größer als die zweite Spannung ist, verkürzt, damit der gepulste Verbraucher (1) rechtzeitig vor unterschreiten der zweiten Spannung eingeschaltet wird. Es ist einleuchtend, daß die so entstehende Periodendauer von der Stromstärke des Verbrauchers (1), die durch eine Stromquelle bestimmt wird, der Pulsdauer und dem Stromverbrauch der Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) abhängig sind. Die Periodendauer kann somit bei Bedarf, durch hinzuschalten weiterer nicht dargestellter Verbraucher z. B.: einem Alarmgeber an den Energiespeicher (5), verkürzt werden. Darüber hinaus kann, da die Pulslänge und die Ladestromstärke durch die Dimensionierung der Stromquelle bekannt sind, durch Messung der Periodendauer, der mittlere Stromverbrauch bestimmt werden. Bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes, kann ein Signal über eine hier nicht dargestellte Kommunikationsschnittstelle abgegeben werden um beispielsweise den Wartungsdienst zu rufen.
Um den Betrieb auch bei noch völlig entladenem Energiespeicher z. B. beim ersten Gebrauch zu ermöglichen sind Einschalthilfen (7) vorzusehen, die das Aufladen des Energiespeichers auch ohne die Wirkung der Steuer- und Auswerteeinrichtung (3), die noch nicht arbeiten kann, sicherstellen. Hierzu können die Einschalthilfen (7) entweder direkt den Energiespeicher (5) über eine Leitung (10) aufladen und beim Erreichen der zweiten Spannung das Laden beenden oder über die Steuerleitung (9) und das Schaltmittel (4) den Verbraucher (1) einschalten und so das Laden des Energiespeichers (5) sicherstellen. Alternativ dazu kann auch das Schaltmittel (4) so ausgeführt werden, daß der Verbraucher anfangs eingeschaltet ist und erst bei Betrieb der Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) durch letztere über Ansteuerung des Schaltmittels (4) ausgeschaltet wird. Vorzugsweise werden als Einschalthilfen (7) variable Widerstände eingesetzt. Unter variablen Widerstände sind hier u. a. Transistoren, mechanische Schalter, Taster, Kondensatoren und FETs zu Verstehen.
Fig. IV zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) schaltet über die Steuerleitung (8) das Schaltmittel (4), das hier als NPN-Transistor ausgebildet ist. Dadurch wird die Stromquelle (12), die hier aus einem PNP-Transistor (13), einem Widerstand (14) und einer Zehnerdiode (15) besteht, eingeschaltet und der Verbraucher (1) der als Leuchtdiode ausgebildet ist wird bestromt. Dadurch wird der Energiespeicher (5) der hier als Kondensator ausgebildet ist aufgeladen. Danach wird der Verbraucher (1) von der Steuer- und Auswerteeinrichtung (3)wieder ausgeschaltet. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) wird nun aus dem Energiespeicher (5) versorgt. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) überwacht ständig die Spannung am Energiespeicher (5) und schaltet wie zuvor beschrieben den Verbraucher (1) beim erreichen der zweiten Spannung wieder kurzzeitig ein. Damit der Energiespeicher schon bei der Inbetriebnahme geladen werden kann und die Versorgung der Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) sichergestellt wird, ist zwischen erster Spannung (2) und Steuerleitung (8) eine Einschalthilfe (7), die hier als Kondensator ausgeführt ist, eingefügt. Der Kondensator wirkt im ungeladenen Zustand beim ersten Verbinden mit der ersten Spannung wie ein 0 Ohm Widerstand und bewirkt durch die positive Spannung an der Basis des Schaltmittels (4) einen Stromfluss durch den Verbraucher (1) und damit ein Laden des Energiespeichers (5). In geladenen Zustand des Kondensators (7) wirkt er wie ein unendlich großer Widerstand. Dadurch liegt keine Spannung mehr an der Basis des Schaltmittels (4) das nun den Stromfluß durch den Verbraucher verhindert und die Ladung des Energiespeichers beendet.
Fig. V zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sie unterscheidet sich zu Fig. IV nur in der Wahl und Ausführung der Einschalthilfe (7). Hier wird die Einschalthilfe (7) durch einen selbstleitenden FET gebildet. Dieser ist an seinen Drainanschluß mit der ersten Spannung (2), an dem Gate mit Masse und an der Sorce über die Ladeleitung (10) mit dem Kondensator verbunden. In dieser Beschaltung wird die Spannung UGS des FET durch die Spannung über den Energiespeicher (5) gebildet. Im entladenen Zustand ist die Spannung über dem Energiespeicher (5) 0 Volt. Somit ist der FET leitend und kann über die Ladeleitung (10) den Energiespeicher (5) laden. Mit zunehmender Ladung steigt die Spannung an dem Energiespeicher (5). Beim Erreichen der Pinchoff-Spannung des FET sperrt dieser und der Energiespeicher wird nicht mehr weiter geladen. Selbstverständlich ist die Pinchoff-Spannung des FET so gewählt, daß der Betrieb der Steuer- und Auswerteschaltung (3) sichergestellt ist.

Claims

1. Vorrichtung zum stromsparenden Betrieb eines oder mehrerer gepulster Verbraucher, die an einer ersten Spannung betrieben werden, welche nicht vollständig an dem einen oder mehreren Verbrauchern abfällt, und mit einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung verbunden sind, die den oder die Verbraucher über geeignete Schaltmittel ein und aus schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Verbraucher mit einem Energiespeicher in Reihe geschaltet sind und die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung über den Energiespeicher an einer zweiten Spannung zur Energieversorgung angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch eins, dadurch gekennzeichnet daß, außer der Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung noch weitere Verbraucher an der zweiten Spannung angeschlossen sein können.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet daß, ein oder mehrere variable Widerstände vorgesehen sind, die ein Aufladen des Energiespeichers sicherstellen, wenn die zweite Spannung noch zu gering für den Betrieb der Steuereinrichtung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der oder die variablen Widerstände zwischen einem Potential der ersten Spannung und dem oder den Steuereingängen der Schaltmittel angebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der oder die variablen Widerstände durch das oder die Schaltmittel selbst ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der oder die variablen Widerstände zwischen einen Potential der ersten Spannung und dem Energiespeicher geschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der oder die variablen Widerstände als Kondensator, Schalter oder selbstleitender Transistor ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel ein selbstleitender Transistor ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der oder die variablen Widerstände als Schalter oder selbstleitender Transistor ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet daß, der gepulste Verbraucher ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Element ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet daß, das elektromagnetische Strahlung emittierende Element eine Leuchtdiode ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet daß, die Auswerteschaltung das von dem elektromagnetische Strahlung emittierenden Element ausgesendete und in einem Meßvolumen gestreute elektromagnetische Strahlung empfängt und auswertet.

13. Verfahren zum Betrieb eines oder mehrerer gepulster Verbraucher, die an einer ersten Spannung betrieben werden, welche nicht vollständig an dem einen oder mehreren Verbrauchern abfällt, und mit einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung verbunden sind, die den oder die Verbraucher über geeignete Schaltmittel ein und aus schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den oder die Verbraucher fließenden Ladungen in einem Energiespeicher fließen, den Energiespeicher von einer zweiten Spannung auf eine dritte Spannung aufladen und die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung aus diesem Energiespeicher versorgt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet daß, die Zeit zwischen den Pulsen durch die Höhe des Ladestroms, der Pulsdauer und dem Stromverbrauch der aus dem Energiespeicher versorgten Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung sowie weiterer Verbraucher bestimmt wird.

15. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 13 und 14 wonach der Zeitpunkt des Pulses durch Messung der zweiten Spannung bestimmt wird.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15 wonach die Pulsfrequenz durch zuschalten weiterer Verbraucher erhöht werden kann.

17. Verfahren nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet daß, als weitere Verbraucher Alarmierungseinrichtungen verwendet werden.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17 wonach der mittlere Stromverbrauch über die Periodendauer bestimmt wird.