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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Sicherheitsausgabeeinheit, insbesondere
eine Sicherheitsausgabeeinheit zur Verwendung in einem Stromrichter.
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Stand der Technik
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Heutzutage
werden in vielen Elektrogeräten digitale Schaltkreise eingesetzt,
die Gleichstrom mit niedrigerer Spannung konsumieren. Jedoch liefern Kraftwerke
normalerweise Wechselstrom mit höherer Spannung. Daher
muss eine Spannungswandlung vorgenommen werden, bevor ein elektronisches
Gerät mit dem Kraftstrom aus einer Wandsteckdose versorgt
wird. Aus praktischen Gründen werden viele Elektrogeräte
tragbar und kleinformatig hergestellt, in denen allerdings kein
Stromrichter eingebettet werden kann. Jedoch sind Stromrichter im
Alltag unentbehrlich. Groß- bzw. kleinformatige Elektrogeräte
wie Audio/Video-Spieler, Mobiltelefone, MP3-Spieler und Laptops
sind mit ihrem eigenen Stromrichter ausgestaltet.
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Aufgrund
kommerzieller Überlegungen haben Stromrichter von unterschiedlichen
Herstellern ihre eigene Maßangaben z. B. die Spannungsgröße und
die Größe des Anpassstücks; außerdem
unterscheidet sich der Wechselstrom von Land zu Land. Hersteller
für Stromrichter haben sich zwar bemüht, die Stromrichter
der neuen Typen so zu gestalten, dass die Stromrichter gebräuchliche
Eingangsspannungen von 110 Volt bis zu 200 Volt tolerieren und die Eingangsspannung
in diesem Bereich in eine bestimmte Ausgangsspannung umwandeln können. Doch
bleibt es erforderlich, die Größe der Ausgangsspannung
und die Größe des Anpassstücks zu standardisieren.
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Jede
Familie oder jede Person besitzt heutzutage eine Vielzahl an Elektrogeräten
und eine entsprechende Anzahl der Stromrichter, die im Falle eines
Defekts des Elektrogeräts nicht mehr verwendbar sind. Zur
Lösung des o. g. Problems sind Stromrichter verschiedener
Typen, die variable Ausgangsspannungen und auswechselbare Anpassstücke
bereitstellen, auf dem Markt erhältlich. Dadurch wird die Anzahl
der Stromrichter erheblich reduziert, so dass der Benutzer auf einer
privaten Reise oder Geschäftsreise nicht mehr die Stromrichter
für alle Elektrogeräte mit sich herum tragen muss.
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1 zeigt
einen herkömmlichen Stromrichter 12, wobei der
Widerstandswert des Widerstands im Schiebeschalter 14 durch
den an den Ausgangsdraht angeschlossenen Schiebeschalter 14 verändert
wird, um den Spannungspegel des über die Ausgangsklemme 13 ausgegebenen
Kraftstroms auszuwählen. Nach längerer Zeit der
Benutzung wird der Betätiger 15 im Schiebeschalter 14 abgenutzt
und locker, so dass sich die Wahrscheinlichkeit der unerwünschten
Fehlbetätigung vergrößert und dadurch die
Ausgangsspannung instabil wird. Unbeabsichtigte Fehlbetätigungen,
die beim Umschalten des Schiebeschalters 14 geschehen,
können allerdings Risiken der persönlichen Sicherheit
und Beschädigung des Elektrogeräts verursachen.
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Um
die Kosten herabzusetzen und das Volumen des tragbaren Elektrogeräts
zu reduzieren, haben viele Hersteller für tragbare Elektrogeräte
Sicherheitsschaltkreise nur in den Stromrichtern, die ausschließlich
für ihre eigenen Produkte verwendet werden, eingebaut,
damit der Benutzer keinen anderen Stromrichter verwenden kann. Bei
handelsüblichen Laptops ist im Allgemeinen eine Toleranz
der Spannungsschwankung um 5% über bzw. unter der idealen
Spannung vorgesehen. Das heißt, dass der interne Schaltkreis
des Laptops beschädigt wird, sollte die Spannung des eingespeisten
Stroms den vorher genannten Toleranzbereichs überschreiten.
Im Falle, dass die originalen Bauteile verloren sind oder im Moment
nicht verfügbar sind, muss der Benutzer einen nichtoriginalen
Stromrichter anschaffen. Jedoch weisen die auf dem Markt erhältlichen
Stromrichter Probleme auf, nämlich dass in solchen Stromrichtern
kein Stromschaltkreis zum Überwachen der Ausgangsspannung
vorgesehen ist, so dass keine Warnung im Falle einer fehlhaften
Ausgangsspannung ausgesendet werden kann; oder dass die Qualität
der Stromrichter instabil ist, so dass trotz der Anordnung einer Überwachungsvorrichtung
im Schaltkreis zur Spannungsumwandlung Probleme zwischen der Überwachungsvorrichtung
und dem Ausgangsanschluss entstehen könnten, so dass die Spannung
des zum Elektrogerät gelieferten Stroms schlagartig schwankt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsausgabeeinheit
zur Verwendung in einem Stromrichter zu schaffen, die deswegen äußerst
sicher ist, weil bei einem unerwünschten Spannungspegel
kein Strom geliefert wird.
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Die
Erfindung hat die weitere Aufgabe, eine Sicherheitsausgabeeinheit
zur Verwendung in einem Stromrichter zu schaffen, die in Übereinstimmung
mit den fein und kompakt ausgebildeten tragbaren Elektrogeräten
einfach und kompakt konstruiert ist.
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Die
Erfindung hat die weitere Aufgabe, eine Sicherheitsausgabeeinheit
zur Verwendung in einem Stromrichter zu schaffen, die kostengünstig
herstellbar ist.
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Die
Erfindung hat die weitere Aufgabe, eine Sicherheitsausgabeeinheit
zur Verwendung in einem Stromrichter zu schaffen, die in der Lage
ist, andauernd die Ausgangsspannung/den Strom zu überwachen,
bei Gefahren die Stromversorgung zu unterbrechen und somit das Elektrogerät
vor einer Beschädigung zu schützen.
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Die
Erfindung hat die weitere Aufgabe, einen Stromrichter mit einer
Sicherheitsausgabeeinheit zuschaffen, wobei der Stromrichter äußerst
sicher ist und das Elektrogerät vor Beschädigung
schützt.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgaben werden durch eine Sicherheitsausgabeeinheit zur Verwendung
in einem Stromrichter und einen mit dieser versehenen Stromrichter
mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung stellt eine Sicherheitsausgabeeinheit zur Verwendung in
einem Stromrichter bereit, wobei der Stromrichter einen Stromrichter-Hauptkörper
aufweist, der einen Gleichstrom mit einer vorbestimmten Spannung
ausgibt, wobei die Sicherheitsausgabeeinheit mit einem stromverbrauchenden
Gerät elektrisch verbunden ist, das durch den Stromrichter
mit Strom versorgt wird. Die Sicherheitsausgabeeinheit umfasst einen
Drahtsatz, der mit dem Stromrichter-Hauptkörper elektrisch
verbunden ist und einen Draht im Zustand H sowie einen Draht im
Zustand L aufweist, die einen Kraftstrom vom Stromrichter-Hauptkörper
empfangen; eine Erkennungs- und Steuereinheit zum Erfassen des Spannungsunterschieds,
die zwischen dem Draht im Zustand H und dem Draht im Zustand L angeordnet
ist; und einen Schalter, der durch die Erkennungs- und Steuereinheit
aktiviert wird, um den Stromrichter-Hauptkörper und das
stromverbrauchende Gerät einzuschalten, wenn der Spannungsunterschied
zwischen dem Draht im Zustand H und dem Draht im Zustand L wesentlich
der vorbestimmten Gleichstrom-Spannung entspricht.
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Im
Zusammenhang der Erfindung wird der Ausdruck „elektrisch
verbunden” als ein Zustand definiert, in dem zwei oder
mehr Bauteile miteinander in elektrischer Verbindung stehen, um
einen Stromfluss zu ermöglichen, entweder durch eine unmittelbare Kopplung
oder durch ein oder mehr Zwischenbauteile, wie z. B. einen Adapter,
ein elektrisches Kabel, usw.
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Der
Benutzer kann in Abstimmung auf die Spannung und die Stromangabe
des Elektrogeräts eine entsprechende Sicherheitsausgabeeinheit
auswählen und den Stecker der Sicherheitsausgabeeinheit
in den Stromeingangsanschluss des Elektrogeräts einstecken.
Im Falle einer Nichtübereinstimmung der Spannung aus dem
Stromrichter mit der vorbestimmten Spannung wird keine Stromversorgung
für das Elektrogerät gestattet, um die Qualität
bei jeder Stromversorgung zu gewährleisten. Vor allem ist
die erfindungsgemäße Sicherheitsausgabeeinheit
in der Lage, die Qualität der Stromversorgung andauernd zu überwachen,
um das Elektrogerät vor Beschädigung zu schützen.
Außerdem ist die Sicherheitsausgabeeinheit mit einem einfach
konstruierten Schaltkreis versehen, kostengünstig und kompakt
ausgebildet, so dass die Tragbarkeit und die kompakte Ausgestaltung
des Elektrogeräts nicht beeinträchtigt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Stromrichters.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Stromrichters gemäß einem
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei
das technische Verhältnis zwischen einer Sicherheitsausgabeeinheit,
einem Stromrichter-Hauptkörper und einem Elektrogerät
veranschaulicht wird.
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3 zeigt
einen Schaltplan für den Stromrichter-Hauptkörper
aus 2.
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4 zeigt
einen Schaltplan für die Sicherheitsausgabeeinheit aus 2.
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5 zeigt
einen Schaltplan für einen Stromrichter gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung der Struktur gemäß dem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Wege der Ausführung der Erfindung
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Im
Folgenden werden Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Jedoch
soll die Erfindung nicht auf die Beschreibung und die beigefügten
Zeichnungen beschränkt werden.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Stromrichter beispielsweise
mit einer Wandsteckdose 8 verbunden und empfängt
daher eine Eingangsspannung von 110 Volt. Das Elektrogerät,
das durch den Stromrichter mit Strom versorgt wird, wird im Folgenden
als ein stromverbrauchendes Gerät bezeichnet, das in diesem
Ausführungsbeispiel als ein Mobiltelefon 9 ausgeführt
ist, das zum Empfang einer Aufladespannung von 5 Volt Gleichstrom
ausgebildet ist. Selbstverständlich ist jedem Fachmann
klar, dass die oben genannte Eingangsspannung 220 Volt Wechselstrom
oder 12 Volt Gleichstrom eines Automobils sein kann, und dass das
stromverbrauchende Gerät ein beliebiges anderes Elektrogerät
sein kann.
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Da
Lithiumbatterien für Mobiltelefone 9 bei der Aufladung
im Falle einer überhohen Spannung überhitzen und
sogar brennen werden, führt es leicht zu einer Gefahr,
wenn die vom Mobiltelefon 9 eingespeiste Spannung den vorbestimmten
Bereich überschreitet. Daher ist die Sicherheitsausgabeeinheit
in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Anpassstücks
konfiguriert, das zu einem Aufladungsanschluß (charging
Port) des Mobiltelefons 9 kompatibel und in denselben einsteckbar
ist.
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Der
Stromrichter gemäß diesem Ausführungsbeispiel
umfasst die Sicherheitsausgabeeinheit 2 und einen Stromrichter-Hauptkörper 3.
Hierbei umfasst der Stromrichter-Hauptkörper 3 einen
Stecker 30, der als Eingangsanschluss dient und mit der Wandsteckdose 8 elektrisch
verbunden ist, einen als Ausgangsanschluss dienenden Ausgangsdraht 34 und
ein zwischen dem Stecker 30 und dem Ausgangsdraht 34 befindliches,
mit diesen beiden verbundenes Gehäuse 32, wobei
im Gehäuse 32 eine Spannungsumwandlungseinheit 36 und
eine Spannungsauswahleinheit 38 angeordnet sind, wie in 3 gezeigt.
Die Spannungsumwandlungseinheit 36 weist einen Schaltkreis
zur Spannungsumwandlung auf, dessen Betrieb wie folgt dargestellt
ist:
mit einer Referenzspannung Vref wird die nichtinvertierende
Eingangsklemme 362 eines Verstärkers 360 mit
Rückkopplung gespeist, und eine invertierende Eingangsklemme 364 wird
mit der Ausgangsklemme 366 des Verstärkers verbunden
und folgt der Referenzspannung Vref. Die invertierende Eingangsklemme 364 kann
wahlweise mit einem der innerhalb des Schalters 380 angeordneten
Schaltkreise verbunden werden, wobei der Schalter 380 als
Spannungsauswahleinheit 38 dient. Jeder Schaltkreis ist
mit einem Widerstand 382 versehen, wobei die Widerstände 382 alle
einen Widerstandswert besitzen, der sich voneinander unterscheidet.
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Wenn
das andere Ende eines Widerstands 382 mit einem bestimmten
Widerstandswert mittels des Schalters mit der Erdung eingeschaltet
ist, wird das Verhältnis zwischen den beiden Widerständen 382, 384 die
Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme bestimmen, weil die Spannung
an der invertierenden Eingangsklemme 364 und die Referenzspannung
Vref an der nichtinvertierenden Eingangsklemme 362 in gegenseitiger
Beziehung stehen. Wird der mit dem Verstärker verbundene
Widerstand 382 gewechselt, so verändert sich das
Verhältnis und somit die Ausgangsspannung Vout dementsprechend.
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Selbstverständlich
ist jedem Fachmann klar, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsform
mit der Auswahl von mehreren Spannungen beschränkt ist;
vielmehr ist erfindungsgemäß ein Stromrichter denkbar,
der eine Eingangsspannung in eine vorbestimmte Ausgangsspannung
umwandelt. Für die Konfigurationen der Schaltkreise mit
der Auswahl von mehreren Spannungen wird auf die
taiwanesische Patentanmeldung Nr. 97106821 von
dem/der Anmelder/-in verwiesen.
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Wie
in 4 gezeigt, weist die Sicherheitsausgabeeinheit
einen Drahtsatz mit einem Draht im Zustand H 20 und einem
Draht im Zustand L 22 auf, die jeweils mit der Ausgangsklemme
des Stromrichter-Hauptkörpers 3 elektrisch verbunden
sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Potential
des Drahts im Zustand L 22 als null definiert, so dass
alle in der Zeichnung mit dem Draht im Zustand L verbundenen Drähte
als Erdung gekennzeichnet sind. Selbstverständlich ist
jedem Fachmann klar, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführung
beschränkt ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist im Draht mit dem Zustand L 22 ein Schalter angeordnet,
der beispielsweise ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor
(MOSFET) 26 sein kann, wobei das Gate des MOSFET 26 teilweise
mit einer Erkennungs- und Steuereinheit für den Spannungsunterschied 24 verbunden
ist, die das Einschaltender Kathode und des Drain des MOSFET 26 bestimmt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel enthält die Erkennungs-
und Steuereinheit für den Spannungsunterschied
24 zwei
Vergleicher
240,
242. Wenn die nichtinvertierende
Eingangsklemme
246 eines Vergleichers
240 mit
einer Referenzspannung Vref gespeist wird, wird das Potential
an der invertierenden Eingangsklemme
244 durch das
Verhältnis der Widerstandswerte der beiden Widerstände
R1, R2 bestimmt.
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Ist
der Wert von
höher als die Referenzspannung
Vref, so wird die Ausgangsklemme
248 des Vergleichers
240 ein
Signal im Zustand H ausgeben, um das Gate des MOSFET
26 einzuschalten.
Ist der Wert von
im Gegenteil niedriger als
die Referenzspannung Vref, so bedeutet das, dass das Potential des
Drahts im Zustand H
20 zu hoch ist und zwar den Grenzwert der
Referenzspannung überschreitet, wobei die Ausgangsklemme
248 des
Vergleichers
240 ein Signal im Zustand L ausgibt, wobei
eine nachgeschaltete AND-Schaltung das Abschalten der Kathode und
des Drains des MOSFET
26 beibehält, um das stromverbrauchende
Gerät vor einer eventuell durch Überspannung verursachten
Beschädigung zu schützen.
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Im
Gegenteil nimmt der Verstärker
242 das Potential
an der invertierenden Eingangsklemme
als Referenz. Ist das Potential
an der nichtinvertierenden
Eingangsklemme höher als
so wird die Ausgangsklemme
des Vergleichers
242 ein Signal im Zustand H ausgeben,
um sicherzustellen, dass das Potential des Drahts im Zustand H
20 höher
als den vorbestimmten min. Grenzwert
ist. Ist das Potential des
Drahts im Zustand H
20 zu niedrig, so wird der Vergleicher
242 ein
Signal im Zustand L ausgeben, wobei eine nachgeschaltete AND-Schaltung
das Abschalten der Kathode und des Drains des MOSFET
26 beibehält,
um das stromverbrauchende Gerät vor einer eventuell durch
Unterspannung verursachten Beschädigung zu schützen.
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5 zeigt
ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das sich dadurch vom ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet,
dass die Erkennungs- und Steuereinheit ferner eine Erkennungs- und
Steuereinheit für den Strom 25' umfasst, die mit
dem Drahtsatz hintereinander geschaltet ist, um die Strommenge des
Drahtsatzes abzumessen. Erfindungsgemäß überwacht
die Erkennungs- und Steuereinheit für den Spannungsunterschied 24' den Spannungsunterschied
zwischen den beiden Drähten des Drahtsatzes, und die Gefahren
von unerwünschten Spannungen für das Elektrogerät
werden jederzeit beseitigt. Zusätzlich zu den vorher genannten
zwei Funktionen ist die Erkennungs- und Steuereinheit der Sichereinheitsausgabeeinheit 2' in
der Lage, den Schalter 26' sofort abzuschalten, um die
Beschädigung des Inneren des Elektrogeräts zu
minimieren, im Falle, dass ein Kurzschluss im Inneren des Elektrogeräts
vorliegt, so dass die Strommenge im Drahtsatz eine vorbestimmte
Strommenge überschreitet.
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Selbstverständlich
ist jedem Fachmann klar, dass die erfindungsgemäße
Sicherheitsausgabeeinheit nicht auf die Ausführungen mit
einer Einzelteil-Konfiguration beschränkt. Vielmehr ist
sie so ausgestaltet, dass sie direkt mit einem Elektrogerät
verbunden ist. Unter Rücksichtnahme der Tatsache, dass
Aufladungsanschlüsse tragbarer Elektrogeräte, wie
Laptops und PDAs (Personal Digital Assistant), von verschiedenen
Herstellern in weit unterschiedlichen Maßangaben hergestellt
werden, ist die Sichereinheitsausgabeeinheit 2' gemäß dem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit
einem Anpassstück 3' versehen, das so konfiguriert wird,
dass es sich an den Aufladungsanschluss des zu verbindenden Elektrogeräts
anpasst. Hierbei muss nur das Anpassstück 3' in
verschiedenen Maßangaben hergestellt werden, um sich mit
den Aufladungsanschlüssen der Elektrogeräte verbinden
zu können. Die Sichereinheitsausgabeeinheit 2' kann
an sich mit einer Maßangabe hergestellt werden, wodurch
die Herstellungskosten erheblich herabgesetzt werden können.
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Die
Sicherheitsausgabeeinheit 2' gemäß diesem
Ausführungsbeispiel kann ferner mit einer LED 27' versehen
werden, die mit der Erkennungs- und Steuereinheit für den
Spannungsunterschied 24' derart elektrisch verbunden ist,
dass die LED 27' durch Aufblinken auf das Auftreten eines
Ausgangsfehler hinweist, während der nachgeschaltete Schalter 26' im
AUS-Zustand beibehalten ist, sofern der durch die Erkennungs- und
Steuereinheit für den Spannungsunterschied 24' ermittelte
Spannungsunterschied von einem vorbestimmten Wert abweicht und zwar eine
vorbestimmte Toleranz überschreitet.
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Zur
Erhöhung der Qualität der Stromversorgung kann
ferner in der Sicherheitsausgabeeinheit wahlweise ein Schaltkreis
zur Spannungsstabilisierung 28' angeordnet werden, um den
nachgeschalteten Elektrogeräten einen stabilisierten Kraftstrom
bereitzustellen. Selbstverständlich können alle
oben genannten elektrischen Schaltungen gemäß dem Stand
der Technik in einer einzigen integrierten Schaltung angeordnet
werden, ohne zwischen mehreren Bauteilen unterscheiden zu müssen.
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Die
Erfindung ist insofern vorteilhaft, als für jedes Elektrogerät
lediglich eine entsprechende Sicherheitsausgabeeinheit zum Einsatz
genommen werden muss, die direkt mit dem Aufladungsanschluß des
Elektrogeräts verbunden wird, wodurch sichergestellt werden
kann, dass die Spannung des empfangenen Stroms in einem idealen
Bereich liegt; ferner ist erfindungsgemäß möglich,
dass bei einem Überstrom die Stromversorgung unterbrochen
wird, um die Beschädigung zu minimieren außerdem
kann ein Schaltkreis zur Spannungsstabilisierung eingesetzt werden,
um den durch das Elektrogerät eingespeisten Strom zu stabilisieren.
Vor allem ist eine derartige Sicherheitsausgabeeinheit kostengünstig
und kompakt ausgebildet, so dass das tragbare Elektrogerät
weiterhin bequem mitzunehmen und zu bedienen ist.
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Die
vorstehende Beschreibung stellt nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar und soll nicht die Patentansprüche beschränken.
Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen, die die
in diesem technischen Bereich Sachkundigen gemäß der
Beschreibung und den Zeichnungen der Erfindung vornehmen können,
gehören zum Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Der
Schutzbereich der Erfindung richtet sich auf die nachstehenden Patentansprüche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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an der nichtinvertierenden Eingangsklemme höher als
so wird die Ausgangsklemme des Vergleichers
