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Die
Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung zur Energieversorgung
eines akku- oder batteriebetriebenen elektrischen Gerätes.
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Mobile
elektrische Geräte,
beispielsweise aus der Spielzeug- oder Unterhaltungsindustrie können in
den meisten Fällen
sowohl mit Akkus als auch mit Batterien betrieben werden. Bei manchen
Geräten,
wie beispielsweise bei größeren Audiowiedergabegeräten, bei
denen Batterien oder Akkus der Größe „Baby" („C") oder „Mono" („D") verwendet werden, sind
so viele Akkus notwendig, dass der Preis eines kompletten Akkusatzes
sehr hoch ist und sogar den Wert des elektrischen Gerätes übersteigen
kann. Somit ist der Einsatz von Akkus bei solchen Geräten oft nicht
rentabel, so dass wiederholt nichtaufladbare aber günstigere
Batterien verwendet werden.
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Weiterhin
gibt es Geräte,
bei denen ein Betrieb mit Akkus nicht möglich ist, da Akkus häufig eine niedrigere
Ausgangsspannung aufweisen als Batterien. Beispielsweise ist die
normale Spannung eines Nickel-Cadmium bzw. Nickel-Metallhydrid-Akkus
mit 1,2 V geringer als die Spannung einer Zink-Kohle bzw. Alkaline-Batterie
von 1,5 V. Der wiederholte Einsatz von nicht wiederaufladbaren Batterien
verursacht auch hier erhöhte
Kosten.
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In
beiden Fällen
sind somit für
den Betrieb der elektrischen Geräte
relativ große
Ausgaben notwendig. Weiterhin ist die Verwendung von nicht wiederaufladbaren
Batterien wenig umweltfreundlich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Energieversorgungsvorrichtung zur günstigeren
Energieversorgung eines akku- oder batteriebetriebenen elektrischen
Gerätes
zu schaffen.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1.
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Eine
Energieversorgungsvorrichtung zur Energieversorgung eines akku-
oder batteriebetriebenen elektrischen Gerätes weist einen Energiespeicher
auf. Ferner ist ein Aufwärtswandler
zum Aufwärtswandeln
der Ausgangsspannung des Energiespeichers in eine höhere, von
dem elektrischen Gerät benötigte Betriebsspannung
vorgesehen.
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Bei
dem Energiespeicher kann es sich vorzugsweise um einen oder mehrere
Akkus handeln. Sind beispielsweise für den Betrieb eines elektrischen
Gerätes
zwei herkömmliche
Batterien mit einer Ausgangsspannung von jeweils 1,5 V notwendig, was
einer Gesamtausgangsspannung von 3 V entspricht, so ist es erfindungsgemäß möglich, als
Energiespeicher zwei Akkus mit jeweils einer Ausgangsspannung von
1,2 V zu verwenden, deren Ausgangsspannung durch den Aufwärtswandler
in die höhere Betriebsspannung
von 3 V gewandelt wird. Hierdurch ist ein kostengünstigerer
und umweltfreundlicherer Dauerbetrieb des elektrischen Gerätes möglich.
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In
einer anderen Anwendung ist es erfindungsgemäß möglich, in einem Gerät, das beispielsweise
eine Betriebsspannung von 3,6 V benötigt, anstatt von drei Akkus
mit einer jeweiligen Ausgangsspannung von 1,2 V, nur zwei Akkus
mit einer Gesamtausgangsspannung von 2,4 V zu verwenden, wobei diese
Gesamtausgangsspannung durch den Aufwärtswandler auf die für den Betrieb des
elektrischen Gerätes
benötigten
3,6 V gewandelt werden. Auch in diesem Fall ist ein kostengünstigerer
und umweltfreundlicherer Dauerbetrieb des elektrischen Gerätes gewährleistet.
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Alternativ
zu einem Aufwärtswandler
kann die Erfindung auch einen Wandler aufweisen, durch den nicht
nur ein Aufwärtswandeln
sondern auch ein Abwärtswandeln
der Ausgangsspannung des Energiespeichers in eine tiefere, von dem
elektrischen Gerät
benötigte
Betriebsspannung stattfinden kann.
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Vorzugsweise
weist der Aufwärtswandler
ein Schaltnetzteil auf. Dies ermöglicht
geringere Abmessungen der Energieversorgungsvorrichtung sowie verbesserte
elektrische Eigenschaften, wie beispielsweise einen verbesserten
Wirkungsgrad.
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Insbesondere
ist es durch dieses Merkmal möglich,
dass die Energieversorgungsvorrichtung derartige Abmessungen aufweist,
dass sie in ein Batteriefach des verwendeten elektrischen Gerätes einsetzbar
ist. Durch den Einsatz der Energieversorgungsvorrichtung in dem
Batteriefach des verwendeten elektrischen Gerätes wird ein mechanischer bzw. elektrischer
Eingriff an anderer Stelle in das Gerät vermieden.
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Um
die Spannung der im Batteriefach eingelegten Energiespeicher abgreifen
zu können,
ist vorzugsweise eine Spannungsabgreifvorrichtung vorgesehen, die
auch in das Batteriefach des elektrischen Gerätes einsetzbar ist. Die Spannungsabgreifvorrichtung
kann über
eine Spannungsabgreifverbindungsleitung mit dem Schaltnetzteil verbunden
sein.
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Zum
Ausgeben einer aufwärtsgewandelten Betriebsspannung
an das verwendete elektrische Gerät kann ferner eine Spannungsabgabevorrichtung
vorgesehen sein. Diese kann über
eine Spannungsabgabeverbindungsleitung ebenfalls mit dem Schaltnetzteil
verbunden werden.
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Sowohl
die Schaltnetzteileinheit als auch die Spannungsabgreifvorrichtung
können
entsprechend Standardmaßen
von Akkus oder Batterien ausgebildet sein. Sinnvoll ist hierbei
die Form und Größe der kleinsten
möglichen
Energiespeichergröße zu wählen. Es
können
weiterhin eine Größenanpassvorrichtung,
beispielsweise in Form eines Gehäusedummies
zur Anpassung der Abmessungen des Schaltnetzteils oder der Spannungsabgreifvorrichtung
an die Abmessungen größerer Energiespeicherelemente
vorgesehen sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Energieversorgungsvorrichtung eine Ausgangsstrommessvorrichtung
zum Abschalten des Schaltnetzteils auf, wenn von dem elektrischen
Gerät kein Strom
benötigt
wird.
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Die
Messung des vom Netzteil abgegebenen Stroms ist vorteilhaft, da
der aktive Betrieb des Netzteils – auch wenn das angeschlossene
Gerät ausgeschaltet
ist, zu einer Stromaufnahme führt,
welche die Energiespeicherelemente bald entladen würde. Da
sich der Ein-Aus-Schalter des versorgten Gerätes aber elektrisch "hinter" dem Batteriefach
befindet, kann das Netzteil nur anhand der Stromaufnahme feststellen,
ob das Gerät
eingeschaltet ist oder nicht.
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Läuft das
Netzteil nicht, so liegt zumindest die Spannung der noch im Batteriefach
enthaltenen Energiespeicher (ggf. abzgl. der Durchlassspannung von
einer oder zwei Schottky-Dioden) am Gerät an. Wird dieses dann eingeschaltet,
fließt
zumindest ein kleiner Strom, welcher das Netzteil aktiviert, so
dass dieses dann die benötigte
Spannung zur Verfügung stellen
kann. Spätestens
jetzt fließt
der nominale Betriebsstrom und das Netzteil bleibt aktiviert. Beim
Abschalten des Gerätes
bricht dieser Stromfluss zusammen, was dann auch wieder zu einem
Abschalten des Netzteils führt.
So ist sichergestellt, dass die zusätzliche Stromaufnahme durch
das Netzteil nur erfolgt, wenn das versorgte Gerät eingeschaltet ist. Eine solche
Strommessschaltung zusammen mit dem Netzteil im Standby-Modus kann
technisch problemlos mit einer Stromaufnahme im Bereich unter 100 μA ausgeführt werden,
so dass die Stromaufnah me bei abgeschaltetem Gerät im Bereich unter der Selbstentladung
der Akkus liegt und so die Brauchbarkeitsdauer des Gerätes nicht
unzumutbar einschränkt.
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Weiterhin
kann die Energieversorgungsvorrichtung eine Ausgangsstrommessvorrichtung
in Form einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode sowie einer
Spannungsmessvorrichtung zum Messen des Spannungsabfalls an der
Diode aufweisen. Die Stromaufnahme wird im Ausgangszweig gemessen
und kann entweder in der Minusleitung (dann sind zwei Leitungen
zum Abgreifelement erforderlich) oder in der Plusleitung (mit nur
einer Leitung zum Abgreifelement) erfolgen.
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Die
Strommessung in der Minus-Leitung wird üblicherweise technisch bevorzugt,
da sie schaltungstechnisch einfacher zu realisieren ist. Dazu wird in
der Minus-Leitung zum Verbraucher ein Nebenwiderstand (Shunt) oder,
falls nur eine Stromflussdetektion stattfinden soll, eben die erwähnte Diode
eingesetzt. Im Fall des vorliegenden Aufwärtswandlers muss aber sowohl
der Minus-Pol des ersten im Batteriefach eingesetzten Energiespeicherelements
als auch der Minus-Anschluss des Batteriefachs kontaktiert werden.
Bei der Strommessung in der Minus-Leitung liegt aber genau hier
die Diode oder der Shunt dazwischen, so dass zwei Leitungen zu deren
Kontaktierung erforderlich sind. Eine Strommessung in der Plus-Leitung
benötigt
zwar ebenfalls eine Diode oder einen Shunt, allerdings liegt diese
zwischen Plus-Ausgang des Netzteils und dem Plus-Anschluss des Batteriefachs
und somit üblicherweise
mit auf der Platine des Netzteils selbst und ist daher nicht mit
extra Leitungen zu verbinden. Dafür ist der schaltungstechnische
Aufwand zur Strommessung höher.
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Für elektrische
Verbraucher, welche erst bei Nennspannung einen nennenswerten Strom
aufnehmen, besteht die Möglichkeit
in regelmäßigen Intervallen
das Netzteil anlaufen zu lassen und bei nicht erfolgendem Stromfluss
wieder abzuschalten.
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Besitzt
das vom Netzteil versorgte Gerät
seinerseits eine Unterspannungsabschaltung, so wird es evtl. keinen
nennenswerten Strom aufnehmen, wenn es eingeschaltet wird und das
Netzteil noch nicht arbeitet und daher noch die niedrige Spannung der
verbliebenen Energiespeicherelemente anliegt. Dadurch wird aber
auch das Netzteil nicht aktiviert. Für derartige Verbraucher ist
es sinnvoll, von einer im Netzteil enthaltenen Intervallschaltung
das Netzteil alle paar Sekunden für Sekundenbruchteile anlaufen zu
lassen, um die benötigte
Ausgangsspannung kurz zur Verfügung
zu stellen, damit die Unterspannungsabschaltung des versorgten Gerätes zu umgehen und
so einen ausreichend hohen Stromfluss zu verursachen, der das Netzteil
an- und dann weiterlaufen lässt,
bis das Gerät
wieder abgeschaltet wird.
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Ein
derartiges gelegentliches Starten des Netzteils führt zwar
zu einer höheren
Stromaufnahme als der reine passive Wartezustand, allerdings immer
noch deutlich weniger als bei einem konstanten Betrieb des Netzteils.
Die Energieversorgung kann hierzu eine Einschalt- und eine Ausschaltvorrichtung
aufweisen. Bevorzugt ist es, diese Funktion abschaltbar zu gestalten.
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Weiterhin
kann die Energieversorgungsvorrichtung einen Spannungsdetektor zum
Messen der Ausgangsspannung des Energiespeichers aufweisen. Dies
kann beispielsweise in Form einer Unterspannungsdetektion geschehen,
so dass die Akkus vor einer schädlichen
Tiefentladung geschützt
werden können.
Zusätzlich
kann eine akustische Warnvorrichtung vorgesehen sein, welche kurz
vor Erreichung der Abschaltschwelle ein Warnsignal abgibt.
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Ferner
kann die Energieversorgungsvorrichtung einen Funksender zum Einsetzen
in eine Infrarotfernbedienung aufweisen. Hierbei erfolgt eine Messung
der Stromaufnahme in einer Fernbedienung, so dass ein Rückschluss
auf das übertragene Pulsmuster
der Sendediode gezogen werden kann. Diese Information kann anschließend über Funk
an einen Empfänger
gesendet werden. Bei dem Empfänger
kann es sich beispielsweise um ein Audio- oder Videogerät handeln,
das keine Sichtverbindung zur Fernbedienung aufweist. Somit kann
das bedienende Gerät
beispielsweise in einem Schrank untergebracht sein. Derartige Funksender
sind für
Universalfernbedienungen bereits bekannt. Allerdings werden diese
bisher mit einer eigenen Batterie versorgt und haben zur Folge,
dass der Fernbedienung weniger Spannung zur Verfügung steht.
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Ferner
ist es möglich,
die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung
zur Fernsteuerung des elektrischen Gerätes per Funk zu verwenden. Ein
Master-Slave-Betrieb per Funkfernbedienung ist ebenfalls möglich.
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Außerdem kann
eine Zeitsteuerungsvorrichtung zum automatischen An- und/oder Abschalten des
elektrischen Gerätes
durch den Aufwärtswandler vorgesehen
sein.
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Auch
ist es möglich,
eine Strommessvorrichtung zum Messen des Stromverbrauchs des elektrischen
Gerätes
in die Energieversorgungsvorrichtung zu integrieren.
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Die
Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Energieversorgungsvorrichtung,
beispielsweise wie sie bisher beschrieben wurde, wobei die Energieversorgungsvorrichtung
in das Batteriefach eines batterie- oder akkubetriebnen elektrischen
Gerätes eingesetzt
wird.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es
zeigen:
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1 bis 3 verschiedene
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Schaltnetzteileinheit,
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4 eine
schematische Darstellung einer Energieversorgungsvorrichtung in
einem elektrischen Gerät
gemäß dem Stand
der Technik, und
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5 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung
in einem elektrischen Gerät.
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Gemäß den 1 bis 3 sowie 5 weist
eine Energieversorgungsvorrichtung 10 zur Energieversorgung
eines nicht dargestellten akku- oder batteriebetriebenen elektrischen
Gerätes
einen Energiespeicher 12, bei dem es sich beispielsweise
um einen oder mehrere Akkus handeln kann, auf. Weiterhin ist ein
Aufwärtswandler 14 in
Form eines Schaltnetzteils zum Aufwärtswandeln der Ausgangsspannung
des Energiespeichers 12 in eine höhere von dem elektrischen Gerät benötigte Betriebsspannung dargestellt.
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Gemäß 1 ist
der Aufwärtswandler 14 derart
ausgebildet, dass der Energiespeicher 12 in dem Aufwärtswandler 14 aufnehmbar
ist.
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Alternativ
kann das Schaltnetzteil 14 gemäß 2 Messungen
aufweisen, die denen eines Energiespeicherelements 12a,
insbesondere denen einer Batterie oder eines Akkus entsprechen,
der für
ein elektrisches Gerät
verwendet wird, so dass das Schaltnetzteil 14 anstelle
eines von mehreren Energiespeicherelementen 12a, 12b in
das Batteriefach 16 des verwendeten elektrischen Gerätes einsetzbar ist.
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Weiterhin
kann gemäß 3 das
Schaltnetzteil 14 derartige Abmessungen aufweisen, dass es
zusätzlich
zu sämtlichen
Energiespeicherelementen 12a, 12b des Energiespeichers 12 in
ein Batteriefach 16 des verwendeten elektrischen Gerätes einsetzbar
ist. Diese Ausführungsform
ist besonders von Vorteil, wenn ein Aufwärtswandeln einer Ausgangsspannung
von mehreren Akkus in eine höhere von
dem elektrischen Gerät
benötigte
Betriebsspannung erfolgen soll, so dass das elektrische Gerät anstelle
von Batterien mit den wiederauf ladbaren Akkus betrieben werden kann.
Hierzu kann das Schaltnetzteil 14 beispielsweise flach
oder plattenförmig
ausgebildet sein, so dass es sich zwischen mehreren Batterien oder
Akkus oder zwischen einer Batterie oder einem Akku und dem Pol des
Batteriefachs platzieren lässt.
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Gemäß 5 kann
die Energieversorgungsvorrichtung 10 eine Spannungsabgreifvorrichtung 18 zum
Abgreifen der Ausgangsspannung des Energiespeichers 12 aufweisen,
wobei die Spannungsabgreifvorrichtung 18 ebenfalls in das
Batteriefach 16 des verwendeten elektrischen Gerätes einsetzbar
ist. Die Spannungsabgreifvorrichtung 18 weist vorzugsweise
zwei Spannungsabgreifelemente 18a, 18b auf, wobei
das erste Spannungsabgreifelement 18a, insbesondere unmittelbar
derart elektrisch mit dem Schaltnetzteil 14 verbunden ist,
dass das Schaltnetzteil 14 über das erste Spannungsabgreifelement 18a mit
einem ersten Pol des Energiespeichers 12 elektrisch verbindbar
ist. Der zweite Pol des Energiespeichers 12 kann über das
zweite Spannungsabgreifelement 18b und über eine Spannungsabgreifverbindungsleitung 22 mit
dem Schaltnetzteil 14 verbunden sein. Somit kann dem Schaltnetzteil 14 über das
erste Spannungsabgreifelement 18a und das zweite Spannungsabgreifelement 18b die
Ausgangsspannung des Energiespeichers 12 zugeführt werden.
Die Spannungsabgreifverbindungsleitung ist vorzugsweise so lang,
dass sie in handelsüblichen
Batteriefächern
die Strecke von der ersten bis zur letzten Batterie- oder Akkuzelle überbrücken kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist es möglich,
dass sowohl das erste Spannungsabgreifelement 18a als auch
das zweite Spannungsabgreifelement 18b über jeweils eine Spannungsabgreifverbindungsleitung 22 derart
elektrisch mit dem Schaltnetzteil 14 verbunden sind, dass
das Schaltnetzteil 14 über
das erste Spannungsabgreifelement 18a und das zweite Spannungsabgreifelement 18b mit
einem ersten und einem zweiten Pol des Energiespeichers 12 elektrisch
verbindbar ist.
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Gemäß 5 kann
weiterhin eine Spannungsabgabevorrichtung 20 zum Abgeben
einer aufwärtsgewandelten
Betriebsspannung an das verwendete elektrische Gerät vorgesehen
sein. Vorzugsweise weist die Spannungsabgabevorrichtung 20 zwei Spannungsabgabeelemente 20a, 20b auf,
wobei mindestens ein Spannungsabgabeelement 20b über eine
Spannungsabgabeverbindungsleitung 24 mit dem Schaltnetzteil
verbunden sein kann. Somit kann eine Leistungsabgabe vom Schaltnetzteil 14 zu
dem Versorgungsstromkreis 26 des elektrischen Gerätes erfolgen.
Das erste Spannungsabgabeelement 20a ist vorzugsweise unmittelbar
elektrisch mit dem Schaltnetzteil 14 verbunden, so dass
ein geschlossener Stromkreis entstehen kann. Das erste Spannungsabgabeelement 20a ist
dabei mit einem ersten Kotakt des Versorgungsstromkreises 26 des
elektrischen Gerätes
verbindbar, während
das zweite Spannungsabgabeelement 20b mit einem zweiten Kontakt
des Versorgungsstromkreises 26 des elektrischen Gerätes verbindbar
ist.
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In
einer bevorzugte Ausführungsform
können
das Schaltnetzteil 14 und/oder die Spannungsabgreifeinheit 18 tailliert
ausgeführt
sein, um ein einfaches Aufwickeln der Spannungsabgreifverbindungsleitung 22 sowie
der Spannungsabgabeverbindungsleitung 24 zu ermöglichen,
die ansonsten nur umständlich
im Batteriefach unterzubringen wären.