DE10230066A1 - Elektrische Vorrichtung mit einem PTC-Heizbauteil und Verfahren zum Betreiben - Google Patents

Elektrische Vorrichtung mit einem PTC-Heizbauteil und Verfahren zum Betreiben

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Vorrichtung mit einem Heizer mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) und einer Anzahl von Batterien, wobei der PTC-Heizer angepaßt ist, um mit Hilfe der Batterien und einer größeren elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt zu werden. Der PTC-Heizer ist weiterhin angepaßt, um beim Starten der elektrischen Vorrichtung von der äußeren elektrischen Energiequelle und anschließend von den Batterien mit Energie versorgt zu werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit einem PTC-Heizbauteil (PTC-positiver Temperaturkoeffizient) und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung, bei der es sich beispielsweise um einen elektrischen Haarwickler handeln kann.
  • PTC-Thermistoren, bei denen es sich um eine Art von PTC-Heizbauteilen handelt, werden aus polykristalliner Keramik auf Basis von Bariumtitanat mittels einer Dotierung mit einer kleinen Menge seltener Erde hergestellt, beispielsweise Yttrium (Y), Lanthanium (La), usw. PTC-Thermistoren mit verschiedenen Formen und verschiedenen Spezifikationen können beispielsweise von Ohizumi Manufacturing Co., Ltd. aus Japan erhalten werden.
  • Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt eine Grafik, die eine typische Beziehung von elektrischer Widerstand/Temperatur für einen PTC-Thermistor darstellt. Der elektrische Widerstand des PTC-Thermistors wird bei einer Umgebungstemperatur und bei einer Spannung gemessen, die ausreichend niedrig ist, um eine Selbsterhitzung zu vermeiden. Die Temperatur, bei der der elektrische Widerstand des PTC-Thermistors schnell zu steigen beginnt, wird als "Curie-Temperatur" (Tc) bezeichnet, und als die Temperatur definiert, bei der der Widerstandswert das Doppelte des minimalen Widerstandswerts (Rmin) beträgt. Für den speziellen Thermistor, dessen Widerstand/Temperatur-Beziehung in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Temperaturkoeffizient a zwischen zwei beliebigen Temperaturen (T1, T2) durch die folgende Gleichung (1) gegeben:


  • Wenn die an einen PTC-Thermistor angelegte elektrische Spannung steigt, nimmt die Temperatur des PTC-Themistors durch Selbsterhitzung langsam zu. Wenn die Temperatur die Curie- Temperatur (Tc) erreicht und schließlich übersteigt, beginnt der elektrische Strom zu fallen, was in Fig. 2 gezeigt, welche die Beziehung zwischen dem durch den PTC-Thermistor fließenden elektrischen Strom relativ zu der angelegten Spannung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen zeigt. Gemäß Fig. 2 wird eine solche Beziehung durch die Umgebungstemperatur beeinflußt. Wenn die elektrische Spannung allmählich zunimmt, steigt die Temperatur des PTCs aufgrund der selbsterzeugten Wärme allmählich. Wenn die Temperatur den Bereich um die Curie-Temperatur (Tc) erreicht, zeigt sich eine negative Stromcharakteristik, d. h. die Spannung nimmt weiterhin zu und der elektrische Strom fällt. Dieses ist in Fig. 3 detaillierter gezeigt, welche die Beziehung zwischen dem durch den PTC-Thermistor fließenden elektrischen Strom und der Zeit zeigt.
  • Aus Fig. 3 ergibt sich, daß eine Dämpfung des Stromes auftritt, wenn eine elektrische Spannung an den PTC-Thermistor angelegt wird. Anfänglich fließt ein sehr großer elektrischer Strom durch den PTC-Thermistor. Wenn die Zeit des Anlegens dieser Spannung zunimmt, fällt der elektrische Strom steil, bis er ein niedriges Niveau erreicht, wonach er relativ konstant bleibt. Dieses niedrige Niveau liegt deutlich unter dem normalen Arbeitsstrom eines wärmeerzeugenden Widerstands und stellt deshalb bei langer Benutzung einen Vorteil der Verwendung eines PTC-Thermistors zum Erzeugen von Wärme gegenüber einem Widerstand dar.
  • Die in Fig. 3 am deutlichsten gezeigte Charakteristik verhinderte jedoch die Nutzung von PTC-Thermistoren als Heizelemente in elektrischen Vorrichtungen mit Heizbauteilen, insbesondere in solchen Vorrichtungen mit Batterien (nachladbaren oder anderen) zum Betreiben der Heizbauteile. Wie oben diskutiert wurde, wird anfänglich ein großer elektrischer Strom von der Energiequelle gezogen, um den PTC-Thermistor zu starten, wenn eine elektrische Spannung an den PTC-Thermistor angelegt wird. In Fällen, in denen es sich bei der Energiequelle um Batterien handelt, verringert jedes Starten der elektrischen Vorrichtung die normale nutzbare Lebensdauer der Batterien wesentlich, weil Batterien nicht dafür konstruiert sind, einen solch großen elektrischen Stromfluß zu liefern. Dieses kann nicht in adäquater Weise kompensiert werden, auch wenn der elektrische Strom mit der Zeit auf ein niedriges Niveau fällt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine elektrische Vorrichtung mit einem PTC- Heizbauteil und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrischen Vorrichtung anzugeben, bei der (dem) die vorgenannten Probleme gelindert sind, oder wenigstens eine nützliche Alternative für die Öffentlichkeit zu schaffen.
  • Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Vorrichtung mit einem Heizbauteil mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), wenigstens einer ersten elektrischen Energiequelle und wenigstens einer zweiten elektrischen Energiequelle geschaffen, wobei das PTC-Heizelement angepaßt ist, um mittels der ersten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt zu werden. Das PTC-Heizbauteil ist angepaßt, um beim Starten der elektrischen Vorrichtung mittels der zweiten elektrischen Energiequelle und anschließend mittels der ersten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt zu werden.
  • Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Vorrichtung mit einem Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) und wenigstens einer ersten elektrischen Energiequelle geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: (a) Versorgen des PTC-Heizelements mit Energie mittels wenigstens einer zweiten elektrischen Energiequelle; (b) Versorgen des PTC-Heizelements mit Energie mittels der ersten elektrischen Energiequelle, wobei das PTC-Heizelement beim Starten der elektrischen Vorrichtung mittels der zweiten elektrischen Energiequelle und anschließend mit Hilfe der ersten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt wird.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • Fig. 1 eine typische Beziehung zwischen dem elektrischen Widerstand und der Temperatur für einen PTC-Thermistor;
  • Fig. 2 eine Beziehung zwischen dem durch einen PTC-Thermistor fließenden Strom relativ zu der an ihn angelegten elektrischen Spannung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen;
  • Fig. 3 die Beziehung zwischen dem durch einen PTC-Thermistor fließenden Strom und der Zeit;
  • Fig. 4 ein Diagramm, welches eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem PTC-Thermistor darstellt;
  • Fig. 5 ein Diagramm, welches eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem PTC-Thermistor darstellt;
  • Fig. 6 ein Diagramm, welches eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem PTC-Thermistor darstellt;
  • Fig. 7 ein Diagramm, welches eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem PTC-Thermistor darstellt;
  • Fig. 8 ein Diagramm, welches eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem PTC-Thermistor darstellt;
  • Fig. 9 ein Diagramm, welches eine sechste erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem PTC-Thermistor darstellt;
  • Fig. 10 ein Diagramm, welches eine siebte erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem PTC-Thermistor darstellt;
  • Fig. 11 ein Diagramm, welches eine achte erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem PTC-Thermistor darstellt;
  • Fig. 12 die Schaltung einer integrierten Zeitschaltung, welche in den Ausführungsformen nach Fig. 6 und Fig. 7 genutzt werden kann; und
  • Fig. 13 ein Blockdiagramm einer integrierten Schaltung zum Regulieren der Ladung der Batterie in den elektrischen Vorrichtungen nach den Ausführungsformen in den Fig. 5, 7, 9 und 11.
  • Fig. 4 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Vorrichtung, beispielsweise eines elektrischen Haarwicklers, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Die elektrische Vorrichtung 100 umfaßt einen Heizer 102 mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC), der über einen optionalen Aus-/Ein- Schalter 104 mit einer oder mehreren Batterien 106 elektrisch verbunden ist, und eine Energie- bzw. Spannungsbuchse 108. Die Batterien 106 können beispielsweise entsorgbare Batterien sein, z. B. Trockenbatterien oder Autobatterien. Die Energiebuchse 108 ist mit einer Aufnahme 110 elektrisch verbunden, die zum Verbinden mit einem Energiestecker 112 konstruiert ist, welcher wahrscheinlich über einen Umwandler mit einer äußeren elektrischen Energiequelle verbindbar ist, beispielsweise einer öffentlichen Wechselstromquelle von 220 Volt oder einer Autobatterie. Das Basisprinzip besteht darin, daß die Batterien 106 über eine Spannung von nicht mehr als 50 Volt verfügen und daß die äußere elektrische Energiequelle eine höhere elektrische Spannung als die Batterien 106 zur Verfügung stellen.
  • Wenn der Energiestecker 112 mit der Energiebuchse 108 verbunden wird, wird dem PTC- Heizer von der äußeren elektrischen Energiequelle elektrische Energie zugeführt. Gleichzeitig wird ein bewegbarer Kontaktarm 114 der Energiebuchse 108 von einem feststehenden Kontaktarm 116 ausgedrückt, wodurch die Energieversorgung von den Batterien 106 unterbrochen wird. Die elektrische Vorrichtung 100 startet dann, und der PTC-Heizer 102 heizt sich aufgrund der von der äußeren elektrischen Energiequelle gelieferten Energie auf. Ein Nutzer kann den Energiestecker 112 per Hand aus der Energiebuchse 108 entfernen, sofern er dieses wünscht, um die elektrische Vorrichtung 100 von der äußeren elektrischen Quelle zu trennen. Durch das Entfernen des Energiesteckers 112 aus der Energiebuchse 108 geht der bewegbare Kontaktarm 114 zurück, beispielsweise aufgrund der Wirkung einer Vorspannkraft einer Feder, in seinen Normalzustand, um den feststehenden Kontaktarm 116 zu berühren und elektrisch zu verbinden, so daß der PTC-Heizer 102 nun mit Energie versorgt wird und sich aufwärmt oder warm gehalten wird mittels der Batterien 106 anstelle der äußeren elektrischen Energiequelle.
  • Mit Hilfe einer solchen Anordnung wird die große anfängliche elektrische Energie zum Starten des PTC-Heizers 102 von der äußeren elektrischen Energiequelle zur Verfügung gestellt und nicht von den Batterien 106 in der Vorrichtung 100. Der Ein-/Aus-Schalter 104 kann betrieben werden, um die elektrische Verbindung zwischen dem PTC-Heizer 102 und den Batterien und/oder der Energiebuchse 108, über welche der PTC-Heizer 102 mit der äußeren elektrischen Energiequelle verbunden ist, zu schließen oder zu unterbrechen.
  • Fig. 5 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, welcher allgemein mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet ist. In dieser elektrischen Vorrichtung 200 wird ein bewegbarer Kontaktarm 214 bewegt, wenn eine Energiebuchse 208 mit einem Energiestecker 212 verbunden wird, um einen feststehenden Kontaktarm 216 zu berühren und elektrisch zu verbinden, so daß die elektrische Vorrichtung gestartet wird und sich ein PTC-Heizer 202 in Folge der durch ihn fließenden Energie aufheizt, wenn die Energiebuchse 212 mit einer äußeren elektrischen Energiequelle verbunden ist, beispielsweise über einen Umwandler. Gleichzeitig werden eine oder mehrere nachladbare Batterien 206 mittels der äußeren elektrischen Energiequelle nachgeladen. Dieses geschieht unter der Steuerung eines integrierten Ladeschaltkreises (IC) 220. Die nachladbaren bzw. wieder aufladbaren Batterien 206 sind mittels einer rücksetzbaren Einrichtung 222, die von Raychem Circuit Protection, einer Abteilung von Tyco Electronics, unter dem Handelsnamen PolySwitch hergestellt und vertrieben wird, auch gegen Überladung geschützt. Diese Vorrichtung ist eine Art polymerischer nichtlinearer PTC-Therminstor, der die Größe des elektrischen Stroms, welcher hierdurch fließen kann, begrenzt.
  • Zu dieser Zeit wird die gesamte Schaltung von der äußeren elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt, auch nachdem der PTC-Heizer 202 auf seinen stationären Zustand ausreichend erhitzt wurde. Wenn der Energiestecker 212 aus der Energiebuchse 208 entfernt wird, löst sich der bewegbare Kontaktarm 214 von dem feststehenden Kontaktarm 216 und kehrt in seine normale offene Stellung zurück, worauf der PTC-Heizer 202 dann ausschließlich von den nachladbaren Batterien 206 und nicht von der äußeren elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt wird und aufgeheizt oder warm gehalten wird.
  • Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm eines Lade-IC, welcher bei der Ausführungsform nach Fig. 5 genutzt werden kann. Dieser kann als ein Schutz für nachladbare Ni-Cd oder Ni-MH Batterien genutzt werden. Ein solcher IC kann von Ricoh Corporation, USA als Serie R 5440N2xxA erworben werden, welcher eine Überspannung detektieren und einen Ladestrom anhalten kann. Er umfaßt Überspannungsdedektoren VD1, VD3, Niederspannungsdedektoren VD2, VD4, eine Oszillatorschaltung, eine Referenzeinheit, eine Verzögerungsschaltung und eine Logikschaltung.
  • Fig. 6 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Vorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, welche allgemein mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet ist. Wenn die Vorrichtung 300 mit einer äußeren elektrischen Energiequelle (nicht dargestellt) verbunden wird, fließt durch eine Spule 304 eines Relais 306 ein elektrischer Strom, so daß ein Pol D6 des Relais 306 zum Verbinden mit einer T61-Position angezogen wird, wodurch der elektrische Kontakt zwischen einem PTC-Heizer 302 und einer oder mehreren Batterien 308 in der Vorrichtung 300 unterbrochen wird. Der PTC-Heizer 302 beginnt sich aufgrund der Energie von der äußeren elektrischen Energiequelle aufzuheizen, und eine integrierte Zeitgeberschaltung (IC) 310 startet abwärts zu zählen. Die abwärts zu zählende Zeit T wird mit Hilfe des Wertes eines Kondensators C1 und von Widerständen R1, R2 gemäß Gleichung (2) bestimmt:

    T = 0.693 (R1 + 2R2).C1 (2)
  • Die Werte von C1, R1 und R2 sind so, daß die sich ergebende Abwärtszählzeit T eine ausreichende Dauer ergibt, um es dem PTC-Heizer 302 zu erlauben, einen relativ stationären und niedrigen Stromzustand zu erreichen.
  • Gleichzeitig triggert ein Zeitgeber IC 310 einen Transistor TR62 ein, so daß elektrischer Strom durch eine rote lichtemittierende Diode (LED) L62 und den Transistor TR62 fließt, worauf die LED L62 zu leuchten beginnt. Wenn der Zeitgeber IC 310 abwärts auf null gezählt hat, setzt der Zeitgeber-IC den Transistor TR62 auf aus zurück. Wenn der Transistor TR62 aus ist, fließt durch die LED L62 und den Transistor TR62 kein elektrischer Strom. Anstelle dessen fließt elektrischer Strom durch einen Transistor TR61, wodurch eine grüne LED L61 zu leuchten beginnt, was anzeigt, daß der PTC-Heizer 302 einen relativen stationären und niedrigen Stromzustand erreicht hat und deshalb für die Nutzung bereit ist.
  • Wenn die elektrische Vorrichtung 300 von der äußeren elektrischen Energiequelle getrennt wird, fließt durch die Spule 304 kein elektrischer Strom, worauf der Pol D6 in seine normale geschlossene (NC)-Stellung zurückkehrt, um T62 zu verbinden. Der PTC-Heizer 302 ist dann mit den Batterien 308 elektrisch verbunden, um mit Energie versorgt zu werden, wodurch er aufgeheizt oder warm gehalten wird.
  • Eine integrierte Schaltung, die als Zeitgeber-IC 310 genutzt werden kann, kann von Unisonic Technologies Co., Ltd., Taiwan unter deren Seriennummer UTC NE555 erhalten werden und ist in Fig. 12 beispielhaft als Blockdiagramm dargestellt. Wenn ein solcher IC in einer astabilen Betriebsart betrieben wird, können die Frequenz und der Taktzyklus des IC mit Hilfe von zwei äußeren Widerständen und eines Kondensators gesteuert werden, beispielsweise R1, R2 und C1 in Fig. 6.
  • Fig. 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Vorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 400 bezeichnet ist. Diese elektrische Vorrichtung 400 unterscheidet sich von der oben diskutierten dritten Ausführungsform hauptsächlich dadurch, daß in der elektrischen Vorrichtung 400 eine Anzahl von nachladbaren bzw. wiederaufladbaren Batterien 406 vorgesehen ist. Ein integrierter Ladeschaltkreis (IC) 408 und eine rücksetzbare Einrichtung 410 sind ebenfalls vorgesehen, um die nachladbaren Batterien 406 vor Überladung zu schützen. Wenn die elektrische Vorrichtung 400 mit einer äußeren elektrischen Energiequelle (nicht dargestellt) verbunden wird, werden die nachladbaren Batterien unter der Kontrolle des Lade-IC 408 und des Schutzes der rücksetzbaren Einrichtung 410 nachgeladen.
  • Fig. 8 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Vorrichtung nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 500 bezeichnet ist. Wenn diese elektrische Vorrichtung 500 mit Hilfe des elektrischen Verbindens mit einer äußeren elektrischen Quelle (nicht dargestellt) gestartet wird, fließt durch eine Spule 502 eines Relais 504 ein elektrischer Strom, wodurch ein Pol D8 angezogen wird, um eine Position T81 zu berühren und elektrisch zu verbinden. Von der äußeren elektrischen Energiequelle wird dann ein großer elektrischer Einschaltstrom gezogen, um einen PTC-Heizer 506 mit Energie zu versorgen und aufzuheizen. Wenn der Schaltungsstrom hoch ist, wird ein Transistor TR82 zum Einschalten getriggert, so daß der elektrischen Strom durch eine rote LED L82 und den Transistor TR82 fließt, was zum Aufleuchten der roten LED L82 führt.
  • Wenn der PTC-Heizer 506 auf den stationären Zustand ausreichend aufgeheizt ist, wird der Strom niedrig. Wenn ein Transistor TR83 feststellt, daß der elektrische Strom, welcher durch einen Widerstand R9 fließt, unter ein vorbestimmtes Referenzniveau fällt, wird der Transistor TR82 ausgeschaltet. Der Wert des vorbestimmten Referenzniveaus wird durch den Wert der Energie des PTC-Heizer 506 und den Wert der Eingangsspannung der äußeren elektrischen Energiequelle bestimmt. Es kann sein, daß die Werte der Widerstände R8 und R9 als Reaktion auf Änderungen des Werts der Energie des PTC-Heizer 506 und des Werts der Eingangsspannung der äußeren elektrischen Energiequelle geändert werden müssen.
  • Nach dem Ausschalten des Transistors TR82 fließt durch die rote LED L82 und den Transistor TR82 kein Strom. Der elektrische Strom fließt hingegen durch einen Transistor TR81, wodurch eine grüne LED L81 eingeschaltet wird, was signalisiert, daß der PTC-Heizer 506 und damit die elektrische Vorrichtung 500 für eine Nutzung bereit sind. Zu diesem Zeitpunkt wird die gesamte elektrische Vorrichtung 500 noch von der äußeren elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt.
  • Wenn die elektrische Vorrichtung 500 von der äußeren elektrischen Energiequelle getrennt wird, fließt durch die Spule 502 des Relais 504 kein elektrischer Strom, worauf der Pol D8 in seine normalerweise geschlossene (NC) Stellung zurückkehrt, um T82 zu verbinden. Der PTC-Heizer 502 ist dann mit den Batterien 508 verbunden, durch welche er mit Energie versorgt wird und wodurch er aufgeheizt oder warmgehalten wird.
  • Fig. 9 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Vorrichtung nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, die allgemein mit den Bezugszeichen 600 bezeichnet ist. Diese elektrischen Vorrichtung 600 unterscheidet sich von der fünften oben diskutierten Ausführungsform hauptsächlich dadurch, daß in der elektrischen Vorrichtung 600 eine Anzahl von nachladbaren bzw. wiederaufladbaren Batterien 606 vorgesehen ist. Eine integrierte Ladeschaltung (IC) 608 und eine rücksetzbare Einrichtung 610 sind ebenfalls vorgesehen, um die nachladbaren Batterien 606 vor dem Überladen zu schützen. Wenn die elektrische Vorrichtung 600 mit einer äußeren elektrischen Energiequelle (nicht dargestellt) elektrisch verbunden ist, werden die nachladbaren Batterien 606 unter der Kontrolle des Lade-IC 608 und dem Schutz der rücksetzbaren Einrichtung 610 nachgeladen.
  • Fig. 10 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Vorrichtung nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung, die allgemein mit den Bezugszeichen 700 bezeichnet ist.
  • Wenn die elektrische Vorrichtung 700 mit einer äußeren elektrischen Energiequelle (nicht dargestellt) elektrisch verbunden ist, fließt durch eine Spule 704 eines Relais 706 ein elektrischer Strom, welcher einen Pol D10 anzieht, um eine Position T101 zu berühren und elektrisch zu verbinden. Ein PTC-Heizer 702 heizt sich dann aufgrund der Energie von der äußeren elektrischen Energiequelle auf. Zur gleichen Zeit ist ein Thermistor 710, der einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) aufweist und benachbart zu dem PTC-Heizer 702 angeordnet ist, in einem Zustand hohen Widerstands. Ein Transistor TR102 wird zum Einschalten getriggert, so daß durch eine rote LED L102 und den Transistor TR102 ein elektrischer Strom fließt, worauf die rote LED L102 zu leuchten beginnt.
  • Wenn die Temperatur des PTC-Heizers 702 ausreichend hoch ist, wird sie durch die mittels des PTC-Heizers 702 erzeugte Wärme erhitzt, so daß sein elektrischer Widerstand fällt, weil der NTC-Thermistor 710 in der Nähe des PTC-Heizers 702 angeordnet ist. Wenn die Temperatur des NTC-Thermistors 710 auf ein vorbestimmtes Referenzniveau steigt, fällt sein elektrischer Widerstand auf ein Niveau, bei dem der Transistor TR102 ausgeschaltet wird. Nach dem Ausschalten des Transistors TR102 fließt durch die rote LED und den Transistor TR102 kein elektrischer Strom. Anstelle dessen fließt der elektrische Strom durch einen Transistor TR101, worauf eine grüne LED 101 zu leuchten beginnt, was anzeigt, daß der PTC-Heizer 702 in einem stationärem Stromzustand und betriebsbereit ist. In der Zwischenzeit wird die elektrische Vorrichtung 700 von der äußeren elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt.
  • Wenn die elektrische Vorrichtung 700 von der äußeren elektrischen Energiequelle getrennt wird, fließt durch die Spule 704 kein Strom, worauf der Pol D10 in seinen normalerweise geschlossene (NC) Position zurückkehrt, um T102 zu verbinden. Der PTC-Heizer 702 ist dann mit den Batterien 708 elektrisch verbunden und wird von diesen mit Energie versorgt, so daß er erwärmt oder warmgehalten wird.
  • Der Abstand zwischen dem PTC-Heizer 702 und dem NTC-Thermistor 710, die Energie des PTC-Heizers 702 und die Eingangsspannung beeinflussen die Zeitdauer vor dem Anstieg der Temperatur des NTC-Thermistors 710 auf das vorbestimmte Referenzniveau. Der NTC- Thermistor 710 kann den PTC-Heizer 702 direkt berühren oder benachbart zu diesem angeordnet sein, ohne ihn zu berühren.
  • NTC-Thermistoren, welche in der oben diskutierten elektrischen Vorrichtung 700 genutzt werden können, können von Ohizumi Manufacturing Co., Ltd. aus Japan unter deren NGR- Serien mit einem Betriebstemperaturbereich von -55°C bis 300°C oder deren NRC-Serien mit einem Betriebstemperaturbereich von -20°C bis 100°C erworben werden. NTC-Thermistoren sind Widerstände mit einem hohen negativen Temperatur-Widerstandskoeffizienten. Die Beziehung zwischen ihrem elektrischen Widerstand und der Temperatur kann näherungsweise mittels Gleichung (3) berechnet werden:


  • wobei R0 der elektrische Anfangswiderstand des NTC-Thermistors bei der Temperatur T0 (in Kelvin) und R1 der elektrische Widerstand bei der Temperatur T1 sind. B ist eine Konstante für einen gegebenen Thermistor und kann näherungsweise mit Hilfe der folgenden Gleichung (4) berechnet werden:


  • Der Temperaturkoeffizient des Widerstands β des NTC-Thermistors kann näherungsweise gemäß Gleichung (5) berechnet werden:


  • Die Beziehung zwischen der Energie bzw. der Leistung P (welche gleich dem Produkt von Spannung (V) und Strom (I) ist), welche an einen NTC-Thermistor bei einer Umgebungstemperatur (T0) angelegt wird, und dem nachfolgenden Temperaturanstieg (T1-T0) infolge der Selbsterhitzung kann näherungsweise gemäß Gleichung (6) ermittelt werden:

    P = V.I
    = δ (T1-T0) (6)

    wobei δ die Dissipationskonstante ist, die normalerweise in mW/°C gemessen wird.
  • Fig. 11 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Vorrichtung nach einer achten Ausführungsform der Erfindung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 800 bezeichnet ist. Diese elektrische Vorrichtung 800 unterscheidet sich von der oben diskutierten siebten Ausführungsform hauptsächlich dadurch, daß in der elektrischen Vorrichtung 800 eine Anzahl nachlaßbarer bzw. wiederaufladbarer Batterien 806 vorgesehen ist. Ein integrierter Ladeschaltkreis (IC) 808 und eine rücksetzbare Einrichtung 810 sind ebenfalls vorgesehen, um die nachladbaren Batterien 806 vor Überladung zu schützen. Wenn die elektrische Vorrichtung 800 mit einer äußeren elektrischen Energiequelle (nicht dargestellt) elektrisch verbunden ist, werden die nachladbaren Batterien 806 unter der Kontrolle des Lade-IC 808 und dem Schutz der rücksetzbaren Einrichtung 810 nachgeladen.
  • Es wird darauf hingewiesen, daß die obigen Erläuterungen lediglich Beispiele zur Ausführung der Erfindung darstellen, wobei verschiedene Modifikationen und/oder Veränderungen ausgeführt werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere wird darauf hingewiesen, daß der Wert von verschiedenen elektronischen Komponenten in den Figuren nur beispielhaft ist und bei Veränderung der Spannung, der äußeren elektrischen Energiequelle oder der Energie des PTC-Heizers in der elektrischen Vorrichtung geändert werden kann.
  • Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß bestimmte Merkmale der Erfindung, die zur Klarheit im Kontext mit getrennten Ausführungsformen beschrieben wurden, auch als Kombination in einer einzelnen Ausführungsform vorgesehen sein können. Demgegenüber können verschiedene Merkmale der Erfindung, die aus Gründen der Kürze im Kontext mit einer einzelnen Ausführungsform beschrieben wurden, auch getrennt oder in irgendeiner geeigneten Unterkombination vorgesehen sein können.

Claims (41)

1. Elektrische Vorrichtung mit einem Heizbauteil mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), wenigstens einer ersten elektrischen Energiequelle und wenigstens einer zweiten elektrischen Energiequelle, wobei das PTC-Heizbauteil angepaßt ist, um von der ersten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Heizbauteil angepaßt ist, um beim Starten der elektrischen Vorrichtung von der zweiten elektrischen Energiequelle und anschließend von der ersten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt zu werden.
2. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Heizbauteil angepaßt ist, um anschließend anstelle von der zweiten elektrischen Energiequelle von der ersten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt zu werden.
3. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Energiequelle eine größere elektrische Leistung als die erste elektrische Energiequelle aufweist.
4. Elektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Energiequelle über weniger als 50 Volt verfügt.
5. Elektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Energiequelle wenigstens einer entsorgbare Batterie umfaßt.
6. Elektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Energiequelle eine nachladbare elektrische Energiequelle ist und angepaßt ist, um mit Hilfe der zweiten elektrischen Energiequelle nachgeladen zu werden, wenn das PTC-Heizbauteil von der zweiten elektrischen Quelle mit Energie versorgt wird.
7. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Steuermittel zum Steuern des Nachladens der ersten elektrischen Energiequelle mit Hilfe der zweiten elektrischen Energiequelle.
8. Elektrischen Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel wenigstens eine integrierte Schaltung umfassen.
9. Elektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Schutzmittel zum Schützen der ersten elektrischen Energiequelle vor Überladung durch die zweite elektrische Energiequelle.
10. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmittel wenigstens eine Strombegrenzungseinrichtung umfassen.
11. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung wenigstens ein polymerisches PTC-Bauteil umfaßt.
12. Elektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Änderung der Energiequelle von der zweiten Energiequelle auf die erste Energiequelle per Hand ausführbar ist.
13. Elektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Anzeigemittel zum Anzeigen, wenn das PTC-Heizbauteil eine vorbestimmte Temperatur erreicht.
14. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch wenigstens einem Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) zum Erfassen der Temperatur des PTC-Heizbauteils.
15. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand des NTC-Thermistors angepaßt ist, um auf ein vorbestimmtes Niveau zu fallen, wenn das PTC-Heizbauteil die vorbestimmte Temperatur erreicht.
16. Elektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Anzeigemittel zum Anzeigen, daß der durch das PTC-Heizbauteil fließende elektrische Strom unter ein vorbestimmtes Niveau fällt.
17. Elektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Anzeigemittel zum Anzeigen, wann das PTC-Heizbauteil mit Hilfe der zweiten elektrischen Energiequelle für eine vorbestimmte Zeitperiode mit Energie versorgt wurde.
18. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeitperiode mittels wenigstens einer integrierten Schaltung gemessen wird.
19. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Vorrichtung mit einem Heizbauteil mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) und wenigstens einer ersten elektrischen Energiequelle, wobei (a) das PTC-Heizbauteil von wenigstens einer zweiten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt wird, und wobei (b) das PTC-Heizbauteil von der ersten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Heizbauteil beim Starten der elektrischen Vorrichtung von der zweiten elektrischen Energiequelle und anschließend von der ersten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der zweiten elektrischen Energiequelle die erste elektrischen Energiequelle anschließend das PTC- Heizbauteil mit Energie versorgt.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrischen Energiequelle über eine größere elektrischen Energie als die erste elektrische Energiequelle verfügt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Energiequelle über eine Spannung von weniger als 50 Volt verfügt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Energiequelle wenigstens eine entsorgbare Batterie umfaßt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Energiequelle eine nachladbare elektrische Energiequelle ist.
25. Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch einen Schritt (c) zum Nachladen der ersten elektrischen Energiequelle mit Hilfe der zweiten der elektrischen Quelle, wenn das PTC-Heizelement von der zweiten elektrischen Quelle mit Energie versorgt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch einen Schritt (d) zum Steuern des Nachladens der ersten elektrischen Energiequelle mit Hilfe der zweiten elektrischen Energiequelle.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (d) mit Hilfe wenigstens einer integrierten Schaltung ausgeführt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, gekennzeichnet durch einen Schritt (e) zum Schützen der ersten elektrischen Energiequelle vor Überladung durch die zweite elektrische Energiequelle.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (e) mit Hilfe wenigstens einer Strombegrenzungseinrichtung ausgeführt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung wenigstens ein polymerisches PTC-Bauteil aufweist.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, gekennzeichnet durch einen Schritt (f) zum manuellen Ändern der Energiequelle zum Betreiben der elektrischen Vorrichtung von der zweiten Energiequelle auf die erste Energiequelle.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, gekennzeichnet durch einen Schritt (g) zum Ändern der Energiequelle zum Betreiben der elektrischen Vorrichtung von der zweiten Energiequelle auf die erste Energiequelle, wenn das PTC-Heizbauteil eine vorbestimmte Temperatur erreicht.
33. Verfahren nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch einen Schritt (h) zum Erfassen der Temperatur des PTC-Heizbauteils.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (h) mit Hilfe wenigstens eines Thermistors mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) ausgeführt wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand des NTC-Thermistors auf ein vorbestimmtes Niveau fällt, wenn das PTC- Heizbauteil die vorbestimmte Temperatur erreicht.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, gekennzeichnet durch einen Schritt (i) zum sichtbaren Anzeigen, daß der elektrische Widerstand des NTC- Thermistors auf ein vorbestimmtes Niveau fällt.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, gekennzeichnet durch einen Schritt (j) zum Ändern der Energiequelle zum Betreiben der elektrischen Vorrichtung von der zweiten Energiequelle auf die erste Energiequelle, wenn der durch das PTC- Heizbauteil fließende elektrische Strom unter ein vorbestimmtes Niveau fällt.
38. Verfahren nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch einen Schritt (k) zum sichtbaren Anzeigen, daß der durch das PTC-Heizbauteil fließende elektrische Strom unter das vorbestimmte Niveau fällt.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, gekennzeichnet durch einen Schritt (l) zum Ändern der Energiequelle zum Betreiben der elektrischen Vorrichtung von der zweiten Energiequelle auf die erste Energiequelle, nachdem das PTC- Heizbauteil für eine vorbestimmte Zeitperiode von der zweiten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt wird.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeitperiode mit Hilfe wenigstens einer integrierten Schaltung gemessen wird.
41. Verfahren nach Anspruch 39 oder 40, gekennzeichnet durch einen Schritt (m) zum sichtbaren Anzeigen, daß das PTC-Heizbauteil für die vorbestimmte Zeitperiode mit Hilfe der zweiten elektrischen Energiequelle mit Energie versorgt wurde.
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