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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft sog. Low-Power-Plug-In-Batterie-Ladevorrichtungen und Stromversorgungs-Vorrichtungen, bei denen parasitäre Energieverluste vermieden werden, wenn die Einheit nicht lädt.
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Hintergrund
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Es gibt viele Hersteller üblicher Standard-Low-Power-Plug-In-Ladevorrichtungen, und diese sind verbreitet im Einsatz. Diese Ladevorrichtungen weise keine automatische Steuerung auf, durch die die Primärwicklung des Transformators von Wechselstrom getrennt wird. Diese Systeme verbrauchen unabhängig davon, ob das System arbeitet oder nicht, Energie solange sie mit dem Stromnetz verbunden sind.
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Allgemeiner gesprochen tritt bei üblichen Stromversorgungs-Vorrichtungen parasitärer Ruhe-Energieverlust auf. Eine unabhängige Stromversorgungs-Vorrichtung verbraucht, solange das System mit dem Stromnetz verbunden ist, selbst dann weiter Energie, wenn das System, dem Strom zugeführt wird, nicht in Betrieb ist, so beispielsweise, wenn das System abgeschaltet ist, die Batterie vollständig geladen ist usw.
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Zu Beispielen für derartige Systeme gehören Stromversorgungs-Vorrichtungen für Laptop-Computer, Plug-In-Batterie-Ladevorrichtungen für elektronische Handheld-Geräte, wie beispielsweise Mobiltelefone und tragbare Musik-Abspielgeräte. Alle sogenannten ”Instant-On”-Geräte, die auf Fernbedienungseinheiten ansprechen, so beispielsweise Fernsehgeräte und Kabel-TV-Boxen, verbrauchen ebenfalls selbst dann weiter Energie, wenn das Gerät abgeschaltet ist. Dies ist notwendig, damit das Gerät auf das Fernbedienungssignal ansprechen kann.
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Das heißt, so lange ein Wechselstrom-Transformator mit der Wechselstrom-Quelle verbunden ist, verbraucht das Gerät Energie. Die einzige Möglichkeit, diesen parasitären Stromverbrauch zu beenden, besteht darin, die Wechselstrom-Quelle zu entfernen. Wenn die Wechselstrom-Quelle entfernt werden soll, erfordert dies normalerweise, dass das Gerät von der Wechselstrom-Steckdose getrennt wird. Dies ist möglicherweise lästig, und viele Verbraucher lassen die Geräte stets an der Steckdose, wodurch es auf Dauer gesehen und auf Haushalte verteilt, zu erheblicher Energieverschwendung kommt.
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Eine vorhandene Ladevorrichtung mit hoher Spannung (200–400 VDC) weist einen Schalter (Transistor) an der Primärseite des Transformators zur Steuerung auf. Da ein Steuersignal erforderlich ist, um diesen Schalter zu aktivieren und den Transistor zu erregen, ist für das System eine vorhandene Batterie-Ladung erforderlich, um die Funktion des Ladesystems zu initialisieren.
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Zusammenfassung
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In einer Ausführungsform umfasst eine unabhängige Stromversorgungs-Vorrichtung eine Stromversorgungs-Schaltung, die eine Primärseiten-Schaltung zum Verbinden mit einer ersten Stromquelle, eine Sekundärseiten-Schaltung zum Verbinden mit einer Last und einen Transformator enthält, der die Primärseiten-Schaltung und die Sekundärseiten-Schaltung verbindet. Ein Schalter verbindet in Funktion selektiv die Primärseiten-Schaltung mit der ersten Stromquelle. Eine zweite Stromquelle wird während des Betriebs der Stromversorgungs-Schaltung geladen. Eine Steuereinrichtung, die durch die zweite Stromquelle gespeist wird, weist wenigstens einen Eingang auf. Die Steuereinrichtung erzeugt einen Ausgang zum selektiven Betätigen des Schalters auf Basis des wenigstens einen Eingangs. Ein Spannungs-Isoliermechanismus befindet sich vorzugsweise zwischen dem durch die Steuereinrichtung erzeugten Ausgang und dem Schalter.
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Es ist klar, dass Ausführungsformen der Erfindung auf verschiedene Weise implementiert werden können. Beispielsweise kann die zweite Stromquelle ein Kondensator sein. Verschiedene Steuereinrichtungs-Eingänge sind möglich. Die Steuereinrichtung kann einen periodischen Wake-Up-Eingang enthalten, der die periodische selektive Betätigung des Schalters zum Laden des Kondensators bewirkt. Eine Möglichkeit, den periodischen Wake-Up-Eingang zu implementieren, wenn die zweite Stromquelle ein Kondensator ist, besteht darin, eine Verbindung des periodischen Wake-Up-Eingangs mit dem Kondensator herzustellen, um die Ladung des Kondensators zu überwachen. Des Weiteren kann die Steuereinrichtung einen Trigger- bzw. Auslöse-Eingang oder mehrere Trigger- bzw. Auslöse-Eingänge, wie beispielsweise einen Auslöse-Eingang zum Überwachen der Last, enthalten. Ein Auslöse-Eingang zum Überwachen der Last kann als eine Verbindung mit der Sekundärseiten-Schaltung zum Erfassen eines Last-Stroms implementiert werden.
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Gemäß einem weiteren möglichen Merkmal kann eine Ausführungsform der Erfindung einen manuellen Überbrückungsschalter enthalten, der betätigt werden kann, um selektiv die Primärseiten-Schaltung mit der ersten Stromquelle zu verbinden und so die zweite Stromquelle zu laden. Ein Verriegelungsmechanismus kann mit dem manuellen Überbrückungsschalter verbunden sein, um kontinuierlich manuelle Überbrückung zu ermöglichen.
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Es ist klar, dass die Erfindung viele verschiedene Merkmale beinhaltet. Diese Merkmale können entsprechend einem speziellen Einsatzzweck der Erfindung einzeln oder in verschiedenen Kombinationen implementiert werden. Beispielsweise ist es möglich, einen periodischen Wake-Up-Eingang, falls vorhanden, direkt mit der zweiten Stromquelle zu verbinden oder nicht direkt mit der zweiten Stromquelle zu verbinden. Des Weiteren kann/können ein Auslöse-Eingang oder mehrere Auslöse-Eingänge enthalten sein, und Funktion der Steuereinrichtung in Reaktion darauf kann in Abhängigkeit von dem Auslöse-Ereignis variieren.
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In einer anderen Ausführungsform wird eine Vorrichtung, eine Anschlussleitung oder eine Wand-Installation (wall station) zum Laden eines Plug-In-Fahrzeugs geschaffen. Die Vorrichtung umfasst eine Stromversorgungs-Schaltung, die eine Primärseiten-Schaltung zum Verbinden mit einer ersten Stromquelle, eine Sekundärseiten-Schaltung zum Verbinden mit dem Fahrzeug und einen Transformator enthält, der die Primärseiten-Schaltung mit der Sekundärseiten-Schaltung verbindet. Ein Schalter verbindet in Funktion selektiv die Primärseiten-Schaltung mit der ersten Stromquelle. Eine zweite Stromquelle wird während des Betriebes der Stromversorgungs-Schaltung geladen. Eine Steuereinrichtung, die durch die zweite Stromquelle gespeist wird, weist wenigstens einen Eingang auf. Die Steuereinrichtung erzeugt einen Ausgang zum selektiven Betätigen des Schalters auf Basis des wenigstens einen Eingangs. Der wenigstens eine Eingang schließt einen periodischen Wake-Up-Eingang ein, der die periodische selektive Betätigung des Schalters zum Laden der zweiten Stromquelle bewirkt. Der periodische Wake-Up-Eingang ist eine Verbindung mit der zweiten Stromquelle zum Überwachen der Ladung der zweiten Stromquelle. Der wenigstens eine Eingang schließt einen Auslöse-Eingang zum Überwachen der Verbindung zu dem Fahrzeug ein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt ein Blockdiagramm einer unabhängigen Stromversorgungs-Vorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung dar;
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2 stellt eine unabhängig Stromversorgungs-Vorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung zum Einsatz bei einem Plug-In-Hybrid-Fahrzeug dar; und
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3 stellt eine Umsetzungsform einer Steuereinrichtung dar, bei der ein periodischer Wake-Up-Eingang und mehreren Auslöse-Eingänge verwendet werden.
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Ausführliche Beschreibung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden, wie erforderlich, im Folgenden ausführlich offenbart, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, einige Strukturen können vergrößert oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als veranschaulichende Basis, anhand der einem Fachmann vermittelt wird, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise eingesetzt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann eine intelligente unabhängige Stromversorgungs-Vorrichtung erfassen, dass ein zu vernachlässigender Betriebsstrom vorliegt, und kann resultierend daraus die Primärseite des Wechselstrom-Transformators trennen. Dies hat die gleiche Wirkung wie Trennung der Stromversorgungs-Vorrichtung von der Wechselstrom-Quelle. Wenn die Wechselstrom-Quelle getrennt wird, verbraucht die Stromversorgungs-Vorrichtung keine Energie mehr. Wenn durch die Steuereinrichtung erfasst wird, dass Strom für Betrieb des Systems gezogen wird, wird die Verbindung zu der Wechselstrom-Quelle wiederhergestellt, so dass normaler Betrieb des Transformators wieder aufgenommen wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird die Steuereinrichtung selbst mit Spannung gespeist, die in einem Super- oder Nochleistungs-Kondensator gespeichert wird, der geladen wird, wenn der Transformator normal arbeitet. Wenn die Betriebsspannung des Kondensators unter einen Schwellenwert fällt, stellt die Steuereinrichtung wieder Verbindung mit der Wechselstrom-Quelle über einen Zeitraum her, der ausreicht, um den Kondensator wieder zu laden. In einer beispielhaften Umsetzungsform kann das Aufladen innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen sein. Nachdem der Kondensator aufgeladen ist, wird die Wechselstrom-Quelle durch die Steuereinrichtung erneut getrennt. Die Kondensatorspannung ist in einigen Ausführungsformen niedriger als 60 V.
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Es kann, um weiter ins Detail zu gehen, ein Überbrückungsschalter vorhanden sein, der das anfängliche Laden des Kondensators ermöglicht, um so die Steuereinrichtung zu aktivieren. Der Schalter ermöglicht auch System-Wiederherstellung, wenn der Kondensator einmal vollständig entladen sein sollte. In einigen Umsetzungsformen kann es eine mechanische Verriegelung dem Benutzer ermöglichen, die Abschalt-Steuereinrichtung permanent zu umgehen, so dass sich das System wie ein normales System ohne Abschaltung verhält.
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Es ist klar, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zahlreiche Einsatzgebiete haben. Beispielsweise eignen sich Ausführungsformen der Erfindung für alle Erzeugnisse mit geringem Stromverbrauch, bei denen ein Netz-Ladegerät zum Einsatz kommt, oder für unabhängige Stromversorgungs-Vorrichtungen und Geräte aus dem Bereich der Unterhaltungs-Elektronik, die auch im abgeschalteten Zustand eingeschränkt in Betrieb bleiben. Das heißt, Ausführungsformen der Erfindung eignen sich für Batterie-Ladeerzeugnisse, wie beispielsweise die Lade-Anschlussleitung für Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge. Im Allgemeinen eignen sich Ausführungsformen der Erfindung für alle handelsüblichen Ladevorrichtungen, bei denen ein Transformator normalerweise mit dem Netz verbunden bleibt.
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1 zeigt ein Blockdiagramm einer unabhängigen Stromversorgungs-Vorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung. Die unabhängige Stromversorgungs-Vorrichtung ist allgemein mit 10 gekennzeichnet. Eine Wechselstrom-Quelle 12 führt an Stecker 14 der Wechselstromquelle Strom zu. Die Stromversorgungs-Schaltung enthält eine Primärseiten-Schaltung 16, wobei die Primärseiten-Schaltung 16 Verbindung 18 enthält, die Verbindung mit einem Wechselstrom-Quellen-Stecker 14 herstellt.
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Die Stromversorgungs-Schaltung enthält des Weiteren einen Transformator 20. Der Transformator 20 enthält eine Primärwicklung 22 und eine Sekundärwicklung 24. Die Stromversorgungs-Schaltung enthält des Weiteren eine Sekundärseiten-Schaltung 30 zur Verbindung mit einer Last. Transformator 20 verbindet die Primärseiten-Schaltung 16 und die Sekundärseiten-Schaltung 30.
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Die Sekundärseiten-Schaltung 30 besteht aus Diodenbrücken-Gleichrichter 40, der Dioden 42 enthält. Weiter empfängt Schaltung 44 für Spannungsaufbereitung und Abspann-Regulierung den Ausgang von Gleichrichter 40.
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Es ist klar, dass Transformator 20, Gleichrichter 40 sowie Abspann-und-Regulier-Schaltung 44 in geeigneter Weise implementiert werden können, wie dies für den Fachmann auf der Hand liegt. Ausführungsformen der Erfindung sind nicht auf eine spezielle Stromversorgungs-Topologie beschränkt.
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Ein Schalter 50 kann, wie unter weiterer Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, in Funktion die Primärseiten-Schaltung 15 und den Transformator 20 selektiv mit der Wechselstrom-Quelle 12 verbinden. Des Weiteren ist ein manueller Rücksetz-/Überbrückungsschalter 52 vorhanden. Der manuelle Überbrückungsschalter 52 ermöglicht selektive Verbindung der Primärseiten-Schaltung 16 und des Transformators 20 mit der Wechselstrom-Quelle 12 durch einen Benutzer, Schalter 50 wird durch Schalt-Steuersignal 54 gesteuert. Schalter 52 hingegen kann manuell betätigt werden.
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Des Weiteren enthält Schalter 52 vorzugsweise einen mechanischen Verriegelungsmechanismus, der kontinuierliches manuelles Überbrücken ermöglicht. Schalter 50 kann auf jede beliebige geeignete Weise implementiert werden, so beispielsweise als Transistor, wie dies für den Fachmann auf der Hand liegt. Auch der manuelle Rücksetz-/Überbrückungsschalter sowie die mechanische Verriegelung 52 können auf jede beliebige geeignete Weise implementiert werden, wie dies für den Fachmann auf der Hand liegt.
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Gemäß der Erfindung enthält die unabhängige Stromversorgungs-Vorrichtung eine zweite Stromquelle. Die zweite Stromquelle ist eine von der Last getrennte spezielle Stromquelle. Beispielsweise ist die zweite Stromquelle bei einer Low-Power-Batterie-Ladevorrichtung von der Batterie getrennt, die geladen wird. in der speziellen beispielhaften Umsetzungsform in 1 ist die zweite Stromquelle in Form von Kondensator 60 vorhanden. Kondensator 60 wird während des Betriebes der Stromversorgungs-Schaltung geladen.
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Das heißt, Kondensator 60 ist ein Super- oder Hochleistungs-Kondensator, der geladen wird, wenn die Stromversorgungs-Schaltung und Transformator 20 normal arbeiten. In bestimmten Umsetzungsformen beträgt die Kondensatorspannung weniger als 60 V.
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Eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung 70 wird durch die zweite Stromquelle, in diesem Fall den Kondensator, gespeist. Die Stromversorgungs-Steuereinrichtung 70 hat in dieser Ausführungsform einen Gleichspannungs-Eingang 72, der mit Kondensator 60 verbunden ist, einen Spannungs-Erfassungs-Eingang 74, der mit Kondensator 60 verbunden ist und einen Strom-Erfassungs-Eingang 76 zum Überwachen von Last-Strom. Die Steuereinrichtung 70 erzeugt einen Ausgang 80 zum selektiven Betätigen des Schalters 50. Ausgang 80 durchläuft Spannungs-Isolier-Schaltung 82, die auf jede beliebige geeignete Weise implementiert sein kann, um das Schalt-Steuersignal 54 zu erzeugen.
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In der vorliegenden Ausführungsform in 1 wirkt Spannungs-Erfassungs-Eingang 74 als ein periodischer Wake-Up-Eingang, der periodische selektive Betätigung des Schalters 50 zum Laden des Kondensators 60 bewirkt. Das heißt, der Spannungs-Erfassungs-Eingang 74 überwacht die Ladung von Kondensator 60.
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Strom-Erfassungs-Eingang 76 überwacht die Last. Strom-Sensor 90 erfasst den Last-Strom, und Strom-Erfassungs-Eingang 76 stellt diese Informationen Stromversorgungs-Steuereinrichtung 70 bereit.
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2 stellt eine unabhängige Stromversorgungs-Vorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung zum Einsatz bei einem Plug-In-Hybrid-Fahrzeug dar. Die gesamte Vorrichtung (Anschlussleitung oder Wandinstallation) ist allgemein mit 100 gekennzeichnet. Die Hauptplatine 102 der Anschlussleitung oder Wandinstallation enthält einen Mikrocontroller 104, Steuer-Pilotschaltung 106 und andere Schaltungen 108. Des Weiteren sind Kabel 110 und Stecker 112 dargestellt, der so konfiguriert ist, dass Verbindung mit einem Fahrzeug ein Steuer-Pilotsignal oder Näherungs-Erfassung bewirkt. Im Allgemeinen arbeiten Hauptplatine 102, Mikrocontroller 104, Steuer-Pilotschaltung 106, die anderen Schaltungen 108 und Stecker 112 auf geeignete Weise, wie sie dem Fachmann bekannt ist.
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Eine Wechselstrom-Quelle 120 ist mit einer Eingang-Filterschaltung 122 und mit Diodenbrücke 124 sowie Kondensator 126 verbunden. Die gleichgerichtete Gleichspannung wird zu Isolier-Transformator 130 geleitet. Transformator 130 enthält Primärwicklung 132 und eine Reihe von Sekundärwicklungen 134, 136, 138, und der Transformator enthält auch Hilfswicklung 140. Low-Dropout-Spannungsregler 142 erzeugt eine regulierte Spannung für Mikroprozessor 104. Die Schaltstrom-Versorgung erzeugt Ausgangsspannungen von Wechselstrom-Quelle 140 auf bekannte Weise über die Funktion von Begrenzer-Schaltung (snubber circuit) 150, Schalter 152, Widerstand 154 und PWM-Controller 156, der Eingang von Feedback-Compensation-Schalter 158 empfängt.
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VCC wird, wie unter weiterer Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, PWM-Controller 156 über Widerstände 170, 172, Transistor 174, Kondensator 176 und Hilfswicklung 140 bereitgestellt, die mit Transistor 174 über Dioden 180, 182 verbunden ist. Gemäß der Erfindung ist Aktivierungs-Auslöse-/Stromzuführ-Steuereinrichtung 200 gegenüber Schalter 174 isoliert und betätigt ihn, ansonsten kann Betrieb der gesamten Stromversorgungs-Vorrichtung auf eine geeignete Weise stattfinden, wie sie dem Fachmann bekannt ist.
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Aktivierungs-Auslöse-Einrichtung 200 empfängt Strom von einer speziellen Stromquelle 202. Aktivierungs-Auslöse-Einrichtung 200 kann auf Basis des Steuer-Pilot- oder Annäherungssignals 206 ausgelöst werden. Aktivierungs-Auslöse-Einrichtung 200 empfängt des Weiteren das periodische Wake-Up-Signal 204. Das periodische Wake-Up-Signal kann dann genutzt werden, um die Niederspannungs-Seite von Isolier-Komponenten, wie beispielsweise eines Optokopplers, und die für das Laden bestimmten Stromquelle 202 anzusteuern. Es liegt auf der Hand, dass die Funktion von Aktivierungs-Auslöse-Einrichtung 200 auf Basis des Steuer-Pilot-/Näherungs-Eingangs 206 und des periodischen Wake-Up-Signals 204 sowie das Zusammenwirken mit der speziellen Stromquelle 202 entsprechend den oben stehenden Erläuterungen stattfinden.
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3 stellt eine Umsetzungsform einer Steuereinrichtung dar, bei der ein periodischer Wake-Up-Eingang und mehrere Auslöse-Eingänge verwendet werden. Die Steuereinrichtung 220 wird von der speziellen Stromquelle 222 gespeist und erzeugt ein Schalt-Steuersignal 226. Spannungs-Isolierblock 224 isoliert die Niedrigspannungs-Steuereinrichtung 220 gegenüber den geschalteten Hochspannungskomponenten. Die spezielle Stromquelle 222 wird während des Betriebes einer Stromquelle von Schalt-Steuersignal 226 gesteuert geladen.
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Die Steuereinrichtung 220 hat mehrere Eingänge, die einen periodischen Wake-Up-Signal-Eingang 230, den ersten Auslöse-Eingang 232 sowie den zweiten Auslöse-Eingang 234 einschließen. Die Steuereinrichtung 220 verarbeitet die mehreren Eingänge, um das Schalt-Steuersignal 226 zu erzeugen.
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Eine Auslösung (trigger) könnte auf verschiedene Weise implementiert werden. So sind beispielsweise ein Fernbedienungs-Signal, Auslösung durch Licht, Sonnenenergie usw. möglich. Beispielsweise könnte eine Photodiode eingesetzt werden, um die Stromversorgung anzuschalten, wenn ein Licht leuchtet, oder bei einem anderen Beispiel die Stromversorgung abzuschalten, wenn ein Licht leuchtet, wenn sie in Kombination mit einem sogenannten Depletion-MOSFET (depletion mode MOSFET) eingesetzt wird. Bei einer Möglichkeit kann eine integrierte Schaltung (IC) eine integrierte Solarzelle aufweisen und zum Steuern der Stromversorgungs-Vorrichtung eingesetzt werden.
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Obwohl Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, ist klar, dass verschiedene alternative Ausführungsformen möglich sind.
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Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentbeschreibung verwendeten Formulierungen beschreibende und keine beschränkenden Formulierungen, und es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren können die Merkmale verschiedener Umsetzungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung herzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7894212 [0007]
- US 6445268 [0007]
- US 6198638 [0007]
- US 5390101 [0007]
- US 6061257 [0007]
- US 7295449 [0007]
- US 2003/0210118 [0007]
- US 2008/0061746 [0007]
- US 2006/0062027 [0007]
