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Die
Erfindung betrifft einen Stromspeicher mit mehrstufigen Ausgangsspannungen.
Eine derartige Vorrichtung wird in Patentanspruch 1 beansprucht.
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Seit
der Entwicklung der globalen Computerisierung bringt die High-Technologie
mit jedem Tag neue Veränderungen
und die Computer entwickeln sich immer in der Richtung der hohen
Multifunktionen und der kleineren Abmessungen. Die Personalcomputer
bewähren
sich dabei ausgezeichnet und verringern den Abstand zwischen Menschen
und Rechnern. Zum Beispiel: die portablen Desktops, Notebooks und
die PDAs. Da die kleinen Rechner ziemlich häufig an der Stelle, wo es unter
Umständen
keinen Anschluss an die Netzspannung gibt, eingesetzt werden müssen, benutzen
sie die Trockenbatterien oder die aufladbaren Akkus als Ersatzstromversorgung.
Es ist ganz offensichtlich, dass die Notebooks eine große Menge
von aufladbaren Akkus benutzen, weil sie sehr häufig gebraucht werden.
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Wie
aus 1 ersichtlich, wird die von einem Notebook 10 benötigte, elektrische
Energie von einem Akku (nicht gezeigt) geliefert. Der Akku wird über einen
Netzadapter 20 an das öffentliche
Netz 30 angeschlossen. Auf diese Weise passt der Netzadapter
die Spannung des öffentlichen
Netzes an die im Notebook 10 benötigte Spannung an.
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In 2 ist
gezeigt, dass der Netzadapter 20 die Spannung des öffentlichen
Netzes an die im Notebook 10 benötigte Spannung anpasst. Ein
Mikroprozessor 104 steht in Verbindung mit dem Netzadapter 20 und
einem Akku 108, um den Zustand elektrischer Energie des
Akkus 108 zu überwachen.
Liegt die elektrische Energie des Akkus 108 unter einem gewissen,
elektrischen Niveau, sendet der Mikroprozessor 104 ein
Signal an eine zwischen dem Mikroprozessor 104 und dem
Akku 108 geschaltete Ladeschaltung 106, um den
Akku 108 durch Zufuhr der Gleichspannung aufzuladen. Erreicht
die elektrische Energie des Akkus ein gewisses elektrisches Niveau, kann
der Mikroprozessor 104 den Zustand der elektrischen Energie
des Akkus 108 erfassen und dann ein Signal zum Stoppen
der Aufladung an die Ladeschaltung 106 senden. Auf diese
Weise kann die Ladeschaltung 106 mit der Aufladung des
Akkus 108 aufhören.
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Da
die handelsüblichen
Computer unterschiedliche Spannungen verwenden, ist es bei der Aufladung
des Akkus, der innerhalb des Computers eingesetzt ist, erforderlich,
einen Netzadapter in entsprechender Ausführung zu benutzen. So ist es
bei dem Gebrauch unpraktisch. Außerdem ist die Kapazität des Akkus
sehr beschränkt.
Wenn ein Computer an einer Stelle, wo keine normale Netzspannung
zur Verfügung
steht und somit die Aufladung des Akkus unmöglich ist, gebraucht wird,
wird die elektrische Energie des Akkus ganz schnell verbraucht.
Das führt
zu einer Stilllegung einer Arbeit mit dem Computer. Beim Gebrauch
fehlen doch die Sicherheit und die Stabilisierung.
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In
US 6 064 125 A wird
eine unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit beschrieben, die
zwischen einen Adapter mit einem Adapteranschluss und eine elektronische
Vorrichtung geschaltet wird. Die Einheit weist einen ersten Schalter
zum Verbinden einer primären
Stromversorgung mit dem Ausgang der Stromversorgungseinheit und
alternativ einer Reservestromversorgung mit dem Ausgang der Stromversorgungseinheit
auf. Ferner weist die Anordnung einen zweiten Schalter zum Verbinden
bzw. Trennen eines positiven Anschlusses der Reservestromversorgung
mit einem positiven Anschluss des Ausgangs und eines negativen Anschlusses
der Reservestromversorgung mit einem negativen Anschluss des Ausgangs
auf.
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In
DE 196 13 831 C1 wird
eine Vorrichtung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung beschrieben,
bei der an eine aufladbare Batterie ein Wechselrichter zur Versorgung
von Wechselstromverbrauchern angeschlossen ist. Ferner weist die
Vorrichtung zwei antiparallel verschaltete Schaltnetzteile auf,
die Übertrager
enthalten, mit deren Hilfe die Spannungen zwischen einer Gleichspannungsschiene
und der Batterie aneinander angeglichen werden können.
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In
US 6 169 384 B1 wird
ein Stromversorgungssystem beschrieben, bei dem eine Batterie mittels
einer externen Wechselstromquelle geladen werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromspeicher mit mehrstufigen
Ausgangsspannungen zu schaffen, welcher elektronischen Geräten in unterschiedlichen
Ausführungen
unterschiedliche Ausgangsspannungen zur Verfügung stellen kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Stromspeicher mit mehrstufigen Ausgangsspannungen, der die
im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Im
Folgenden werden Aufgaben, Merkmale und Funktionsweise der Erfindung
anhand einer bevorzugten Ausführungsform
und der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Gesamtansicht eines herkömmlichen Notebooks mit seinem
Netzteil;
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2 ein
Blockdiagramm eines Aufladesystems eines herkömmlichen Notebooks;
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3 eine
perspektivische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Betriebssystemstruktur;
-
4 ein
Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Stromkreises; und
-
5 einen
Schaltplan der vorliegenden Erfindung.
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Wie
aus 3 ersichtlich, ist ein erfindungsgemäßer Stromspeicher 60 mit
mehrstufigen Ausgangsspannungen zwischen einem Netzadapter 50 und
einem elektronischen Gerät 40 vorgesehen.
So passt der Netzadapter 50 die Spannung des öffentlichen
Netzes 70 an die im Gerät
z. B. Computer benötigte
Gleichspannung an, die dann vom Stromspeicher 60 empfangen
und durch inneren Stromkreis verarbeitet wird, um dem elektronischen
Gerät 40 in unterschiedlichen
Ausführungen
unterschiedliche Ausgangsspannungen zur Verfügung zu stellen.
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Aus 3 und 4 ist
ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Stromspeicher 60 zwischen
dem Netzadapter 50 und dem elektronischen Gerät 40 vorgesehen
ist. Der Stromspeicher 60 nimmt die Gleichspannung auf
und kann mehrstufige Gleichspannungen in das elektronische Gerät 40 einspeisen.
Der Stromkreis des Stromspeichers 60 umfasst:
eine
erste Schaltereinheit 601, die sich zwischen dem elektronischen
Gerät 40 und
dem Netzadapter 50 befindet;
eine zweite Schaltereinheit 602,
die an das elektronische Gerät 40 angekoppelt
ist;
eine Spannungsstelleinheit 604, mit der sich
eine der Ausgangsspannungen auswählen
lässt;
eine
Verarbeitungseinheit 603, die an die erste Schaltereinheit 601,
die zweite Schaltereinheit 602 und die Spannungsstelleinheit 604 angeschlossen
ist sowie zum Empfang der Gleichspannung und der ausgewählten Ausgangsspannung
dient, wobei die Verarbeitungseinheit 603 nach der Vergleich-
und Rechenoperation die Umschaltung zwischen der ersten Schaltereinheit 601 und
der zweiten Schaltereinheit 602 steuert;
eine Ladeschaltung 608,
die die Gleichspannung empfängt
und zum Aufladen einer Akkueinheit 605 dient; und
eine
Spannungsumwandlungseinheit 607, die an die Verarbeitungseinheit 603,
die Akkueinheit 605 und die zweite Schaltereinheit 602 angeschlossen
ist sowie von der Verarbeitungseinheit 603 gesteuert ist, um
die elektrische Energie der Akkueinheit 605 umzusetzen,
woraufhin die elektrische Energie über die zweite Schaltereinheit 602 an
das elektronische Gerät 40 gelangt.
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Wie
in 4 gezeigt, weist der erfindungsgemäße Stromspeicher
weiterhin eine Akkusteuereinheit 606 auf, die an die Verarbeitungseinheit 603 und
Akkueinheit 605 angekoppelt ist und somit die Zustandsdaten
der Akkueinheit 605 erhält,
um sie an die Verarbeitungseinheit 603 zu senden. Die Akkusteuereinheit 606 ist
den Ausgangsspannungen der Spannungsstelleinheit 604 angepasst,
um die Ausgabe des Belastungsstroms einzuschränken und dem elektronischen
Gerät 40 einen
dynamischen Überlastungsschutz
zu bieten. Die Aufgabe des dynamischen Überlastungsschutzes wird dadurch
erfüllt,
dass die Verarbeitungseinheit 603 ein Programm ausführt und
den Spannungswert der Akkueinheit 605 zur Rechenoperation
liest. Auf diese Weise wird der elektrische Strom geändert, um
die Einschränkung
vorzunehmen. Der erfindungsgemäße Stromspeicher
weist weiters eine Kurzschlussschutz-Wiederherstellungseinheit 609 auf,
die an die erste Schaltereinheit 601 und die zweite Schaltereinheit 602 angeschlossen
ist sowie die Aufgabe des Kurzschlussschutzes und die Wiederherstellungsaufgabe
ausführt.
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Unter
Bezug auf 4 und 5 werden Funktionsweise
und Vorteile beschrieben. Die erfindungsgemäße Verarbeitungseinheit 603,
die als PSOC-Chip ausgeführt
ist, ist über
zwei Spannungsteilungswiderstände
R7, R8 an den Netzadapter 50 angeschlossen. Unter Verwendung
des Spannungsteilungsprinzips wird die von dem Netzadapter 50 ausgegebene
Gleichspannung erhalten. Das Spannungsniveau des Gleichstroms wird
von der Verarbeitungseinheit 603, wie z.B. PSOC-Chip, ausgewertet
und dann mittels der Verarbeitungseinheit 603 mit der von
der Spannungsstelleinheit 604 ausgegebenen, ausgewählten Ausgangsspannung
verglichen. Stimmen das Spannungsniveau und die ausgewählte Ausgangsspannung überein, wird
ein Signal von einem Ausgang [SW_ACIN] der Verarbeitungseinheit 603 ausgestrahlt,
um den MOSFET-Schalter Q11 und MOSFET-Schalter Q12 der ersten Schaltereinheit 601 einzuschalten.
Auf diese Weise kann der elektrische Gleichstrom dazu dienen, die
Akkueinheit 605 über
die Ladeschaltung 608 aufzuladen. Gleichzeitig kann dem
elektronischen Gerät 40 die
elektrische Energie über
den Ausgang [V_FINALOUT] zugeführt
werden. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur die
Aufladungsaufgabe aufweisen, sondern auch das elektronische Gerät 40 mit
der elektrischen Energie speisen.
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Stimmen
das Spannungsniveau und die von der Spannungsstelleinheit 604 ausgegebene
Ausgangsspannung nicht überein,
wird ein Signal von einem Ausgang [SW_ACIN] der Verarbeitungseinheit 603 ausgestrahlt,
um den MOSFET-Schalter Q11 und MOSFET-Schalter Q12 der ersten Schaltereinheit 601 auszuschalten.
Auf diese Weise kann der elektrische Gleichstrom nur dazu dienen,
die Akkueinheit 605 über
die Ladeschaltung 608 aufzuladen, wobei dem elektronischen
Gerät 40 die
inkorrekte Spannung nicht zugeführt
werden kann, was die Schutzaufgabe erfüllt.
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Es
wird wiederum auf 5 Bezug genommen. Die vom Netzadapter 50 ausgegebene
Gleichspannung, wie z.B. 15V, verläuft durch die Spannungsteilungswiderstände R7,
R8, woraufhin das Spannungsniveau auf die Verarbeitungseinheit 603 übertragen
und mit der von der Spannungsstelleinheit 604 ausgegebenen Ausgangspannung
verglichen wird. Wird die von der Verarbeitungseinheit 603 gelesene
Ausgangsspannung ebenfalls auf 15V eingestellt, wird ein Signal
von einem Ausgang [SW_ACIN] der Verarbeitungseinheit 603 ausgestrahlt,
um den MOSFET-Schalter Q11 und MOSFET-Schalter Q12 der ersten Schaltereinheit 601 einzuschalten.
Gleichzeitig kann dem elektronischen Gerät 40 die vom Netzadapter 50 ausgegebene, elektrische
Energie über
den Ausgang [V_FINALOUT] zugeführt
werden. Umgekehrt ist der Ausgang SW_ACIN der Verarbeitungseinheit 603 inaktiv.
Hierdurch ergibt sich die Ausschaltung des MOSFET-Schalters Q11
und MOSFET-Schalters Q12. Auf diese Weise kann der elektrische Gleichstrom
nur dazu dienen, die Akkueinheit 605 über die Ladeschaltung 608 aufzuladen,
wobei dem elektronischen Gerät 40 die
inkorrekte Spannung nicht zugeführt
wird, was die Schutzaufgabe erfüllt.
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Ebenfalls
wird auf 5 Bezug genommen. Tritt die
vom Netzadapter 50 ausgegebene, elektrische Energie nicht
mehr auf, wird die Aufgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung von der Aufladung
in die Entladung verwandelt. So ist der Ausgang SW_ACIN der Verarbeitungseinheit 603 inaktiv,
wobei ein Signal von einem Ausgang [SW_ACIN] der Verarbeitungseinheit 603 ausgestrahlt
wird, um den MOSFET-Schalter Q7 und MOSFET-Schalter Q8 der zweiten
Schaltereinheit 602 einzuschalten. Außerdem führt die Akkueinheit 605 dem
elektronischen Gerät 40 eine
mittels der Spannungsumwandlungseinheit 607 eingestellte,
entsprechende Spannung zu, die durch den MOSFET-Schalter Q7 und
MOSFET-Schalter Q8 geht. Gleichzeitig wird das von der Spannungsstelleinheit 604 ausgegebene,
gespeicherte Spannungsniveau mittels der Verarbeitungseinheit 603 mit
der von der Spannungsumwandlungseinheit 607 ausgegebenen
Ausgangsspannung verglichen. Wenn die beiden nicht übereinstimmen oder
das Spannungsniveau der Spannungsumwandlungseinheit 607 beim
Entladevorgang geändert wird,
dann wird der Ausgang SW_VOUT mittels der Verarbeitungseinheit 603 deaktiviert.
Hierdurch ergibt sich die Ausschaltung des MOSFET-Schalters Q7 und
MOSFET-Schalters Q8. Auf diese Weise kann der Ausgang V_FINALOUT
dem elektronischen Gerät 40 die
benötigte
Spannung nicht zuführen.
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Hierzu
ist darauf hinzuweisen, dass Kabelerfassungsstifte der Verarbeitungseinheit 603 ein Rücksetzsignal
empfangen, wenn das ursprüngliche Spannungsniveau über einen
Drehknopf der Spannungsstelleinheit 604 wieder hergestellt
wird und darauf das Signalübertragungskabel
zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem elektronischen Gerät 40 zuerst
entfernt und dann erneut eingesetzt wird. Auf diese Weise führt die
Verarbeitungseinheit 603 einen erneuten Vergleich des Spannungsniveaus
und der Ausgangsspannung aus. Stimmen sie überein, wird der Ausgang SW_VOUT
aktiviert, um den MOSFET-Schalter Q7 und MOSFET-Schalter Q8 einzuschalten,
wodurch der Ausgang V_FINALOUT dem elektronischen Gerät 40 die
benötigte
Spannung zuführt.
Wenn es nicht der Fall ist, werden der MOSFET-Schalter Q7 und MOSFET-Schalter
Q8 solange ausgeschaltet, bis die Übereinstimmung auftritt.
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In 5 ist
noch gezeigt, dass die erfindungsgemäße Erfindung einen Ausgangskurzschlussschutz
aufweist und eine automatische Wiederherstellung erlaubt. Außerdem wird
diese Aufgabe mittels der an die erste Schaltereinheit 601 und die
zweite Schaltereinheit 602 angekoppelte Kurzschlussschutz-Wiederherstellungseinheit 609 durchgeführt. Die
Kurzschlussschutz-Wiederherstellungseinheit 609 besteht
aus Dioden D16. Beim Auftritt des Ausgangskurzschlusses wird die
Spannung des Ausgangs V_FINALOUT auf niedriges Niveau reduziert, was
für eine
Senkung der Spannung des Ausgangs SW_ACIN oder SW_VOUT auf niedriges
Niveau sorgt, indem die Dioden D16 in Vorwärtsrichtung zusammengeschaltet
werden. So werden der MOSFET-Schalter Q7 und MOSFET-Schalter Q8
bzw. der MOSFET-Schalter Q11 und MOSFET-Schalter Q12 zur Ausschaltung
gezwungen, was für
eine Unterbrechung der Verbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit dem elektronischen Gerät 40 und
somit einen Schutz bewirkt. Damit wird vermieden, dass Bauteile
ausbrennen. Nach der Beseitigung des Ausgangskurzschlusses kehrt
das elektrische Potenzial des Ausgangs SW_ACIN oder SW_VOUT durch Rückwärtssperrung
der Dioden D16 zum normalen Spannungsniveau zurück. So werden der MOSFET-Schalter
Q7 und MOSFET-Schalter Q8 bzw. der MOSFET-Schalter Q11 und MOSFET-Schalter
Q12 erneut eingeschaltet, wodurch die Verbindung zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem elektronischen Gerät 40 wieder
hergestellt werden kann, was für
einen normalen Betrieb sorgt. Zum Kurzschlussschutz findet eine
bekannte Sicherung Verwendung. Sie kann zwar die Schutzaufgabe erfüllen, aber
nicht vermögen,
die Verbindung wieder herzustellen. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung
ist eine automatische Wiederherstellung jedoch möglich.
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Zusammengefasst
lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise
folgende Vorteile realisieren:
- 1. Unter Verwendung
der Verarbeitungseinheit 603 wird ausgewertet, ob die Ausgangsspannung und
das von der Spannungsstelleinheit 604 ausgegebene Spannungsniveau übereinstimmen. Wenn
es der Fall ist, dann ist der Durchfluss der elektrischen Energie
zum elektronischen Gerät 40 zulässig. Gleichzeitig
wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
aufgeladen werden. Wenn die beiden nicht übereinstimmen, ist die Zufuhr
der elektrischen Energie zum elektronischen Gerät 40 unzulässig, während nur
die Aufladung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zustande kommt. Beim Entfernen der äußeren Stromquelle wird die
Ausgabe der Spannungsstelleinheit 604 mit dem Drehknopf vorgenommen.
Entspricht die äußere Stromquelle dem
Drehknopf nicht, ist die Ausgabe der Stromquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unzulässig.
- 2. Nachdem eine Auswahl über
den Drehknopf der Spannungsstelleinheit 604 vorgenommen wird,
kommt eine Zufuhr der elektrischen Energie zur erfindungsgemäßen Vorrichtung
nur durch Herausziehen und Hineinstecken eines Anschlusskabels zustande.
Wenn der Drehknopf während
der Zufuhr der elektrischen Energie gedreht wird, hört die Stromversorgung
solange auf, bis der Anschlusskabel erneut herausgezogen und hineingesteckt
wird. Wird der Drehknopf auf OFF gedreht oder wird das Anschlusskabel
herausgezogen, dann wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einen Schlafmodus
versetzt, um Strom zu sparen.
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Stand der Technik
- 10
- Notebook
- 104
- Mikroprozessor
- 106
- Ladeschaltung
- 108
- Akku
- 20
- Netzadapter
- 30
- öffentliches
Netz
-
Die vorliegende Erfindung
- 40
- elektronisches
Gerät
- 50
- Netzadapter
- 60
- Stromspeicher
- 601
- erste
Schaltereinheit
- 602
- zweite
Schaltereinheit
- 603
- Verarbeitungseinheit
- 604
- Spannungsstelleinheit
- 605
- Akkueinheit
- 606
- Akkusteuereinheit
- 607
- Spannungsumwandlungseinheit
- 608
- Ladeschaltung
- 609
- Kurzschlussschutz-Wiederherstellungseinheit
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Stand der Technik
- 10
- Notebook
- 104
- Mikroprozessor
- 106
- Ladeschaltung
- 108
- Akku
- 20
- Netzadapter
- 30
- öffentliches
Netz
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Die vorliegende Erfindung
- 40
- elektronisches
Gerät
- 50
- Netzadapter
- 60
- Stromspeicher
- 601
- erste
Schaltereinheit
- 602
- zweite
Schaltereinheit
- 603
- Verarbeitungseinheit
- 604
- Spannungsstelleinheit
- 605
- Akkueinheit
- 606
- Akkusteuereinheit
- 607
- Spannungsumwandlungseinheit
- 608
- Ladeschaltung
- 609
- Kurzschlussschutz-Wiederherstellungseinheit