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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mittels Batterie
gepufferten Uhrbausteins an einer Netz-Versorgungsspannung, wobei
der Uhrbaustein mit einer Funktionen zeitgerecht steuernden Funktionselektronik
kommuniziert und ein Komparator des Uhrbausteins beim Ausfall der
Netz-Versorgungsspannung auf die Batterie umschaltet. Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Schaltung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Mittels
verschiedener Funktionselektroniken sollen bestimmte Funktionen
uhrzeitgerecht gesteuert werden. Die Funktionselektronik und der
Uhrbaustein werden im Normalfall aus einer vom Netz abgeleiteten
Versorgungsspannung gespeist. Um bei einem Netzausfall oder bei
einem Absinken der Versorgungsspannung den Betrieb des Uhrbausteins
weiter aufrechtzuerhalten, ist eine Batterie vorgesehen. Die Echtzeit
geht jedoch dennoch verloren, wenn beim Ausfall der Versorgungsspannung
zwar auf die Batterie umgeschaltet wird, jedoch die Batteriespannung nicht
mehr zum Betrieb des Uhrbausteins ausreicht.
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Beispielsweise
bei Aufladesteuerungen von Elektrospeicherheizgeräten, die
ohne vom Elektrizitätsversorgungsunternehmen
geliefertes Freigabesignal arbeiten, führt die Unterbrechung des Uhrbausteins
zu Problemen. Denn es steht dann das die Aufladung des Wärmespeichers
bestimmende Zeitsignal nicht zur Verfügung. Der Wärmespeicher wird also zu einer
falschen Zeit und damit nicht mit dem zeitbeschränkten Niedertarif, sondern
zu einem höheren
Tarif aufgeladen.
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Es
sind Uhrbausteine, Real-Time-Clock-Bausteine (RTC) verschiedener
Hersteller bekannt; beispielsweise ST Microelectronics, Typ M 41T36.
Bei diesen erfolgt automatisch eine interne Umschaltung von der
Netz-Versorgungsspannung auf
die Batterie, wenn die Netz-Versorgungsspannung
ausfällt.
Die Batteriespannung selbst jedoch wird nicht überwacht. Es kann also der
Fall auftreten, dass die Versorgungsspannung ausfällt und
dann auch schon die Batteriespannung, beispielsweise durch Zeitablauf,
nur noch ungenügend
hoch ist.
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Es
sind auch RTC-Bausteine bekannt, die zusätzlich mit einer internen Schaltung
zur Überwachung
der Batteriespannung ausgestattet sind. Eine solche Schaltung ist
aufwändig
und dementsprechend teuer sind solche Bausteine.
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Eine
externe Messschaltung zur Überwachung
der Batteriespannung vorzusehen, ist ungünstig. Denn der Betriebsstrom
des RTC-Bausteins im Batteriebetrieb ist äußerst klein. Er beträgt etwa
1 μA oder
weniger. Übliche
preiswerte Bauteile für
eine Messschaltung haben Leckströme,
die in oder über diesem
Bereich liegen. Die Messschaltung würde die Batterie also stärker belasten
als der RTC-Baustein. Das Messen der Batteriespannung beim Vorliegen der
Netz-Versorgungsspannung würde
also dazu führen,
dass sich ihre Kapazität
erschöpft,
obwohl sie durch den RTC-Baustein selbst nicht belastet wird.
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In
der
DE 25 42 605 C3 ist
eine elektronische Uhr mit einer Batteriespannungsmessschaltung
beschrieben. Der Betrieb durch eine vom Netz abgeleitete Versorgungsspannung
ist nicht vorgesehen.
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Aus
der
DE 33 04 386 C1 ist
eine netzbetriebene elektronische Uhr mit einer Gangreserve bekannt.
Mit einer Anordnung zur Netzausfall-Überbrückung mit
einem Energiespeicher und einer zusätzlichen Schaltung, die bestimmt,
ob ein Netzausfall vorliegt oder die Uhr nur gelagert wird, wird
der Energiespeicher gesteuert. Im Falle einer Lagerung oder Stilllegung
wird der zugehörige
Energiespeicher unwirksam geschaltet.
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Aus
der
US 6,268,665 ist
eine unterbrechungsfreie Spannungsquelle bekannt, die eine Backup-Batterie
aufweist. Diese wird durch zyklisches Absenken der Netzversorgungsspannung
getestet, und eine zu niedrige Backup-Batteriespannung wird durch
ein Alarmsignal angezeigt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltung der eingangs
genannten Art vorzuschlagen, wobei während des Betriebes aus der Netz-Versorgungsspannung
die Batteriespannung mit preiswerten Mitteln und sehr geringer Belastung der
Batterie überprüft wird
und ein Zustand ungenügender
Batteriespannung angezeigt wird.
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Erfindungsgemäß ist obige
Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs
1 und hinsichtlich der Schaltung durch die Merkmale des Anspruchs
5 gelöst.
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Die
Batteriespannung wird dadurch überwacht,
dass im normalen Betrieb die Versorgungsspannung für den Uhrbaustein
von der Funktionselektronik, die beispielsweise ein Mikrocontroller
ist, kurzzeitig gezielt abgesenkt wird und die Funktionselektronik – auch – während dieser
Zeit mit dem Uhrbaustein kommuniziert und das Kommunikationsergebnis überprüft. Ergibt
sich dabei, dass die Kommunikation nicht erfolgreich ist, dann ist
dies ein Zeichen dafür,
dass die Batteriespannung ausreichend hoch ist. Ist dagegen die
Kommunikation trotz abgesenkter Versorgungsspannung erfolgreich,
dann wird dies als Zeichen dafür
gewertet, dass die Batteriespannung nur noch ungenügend ist,
was für
den Nutzer erkennbar angezeigt wird. Es wird also die ohnehin vorhandene
Funktionselektronik zur Kontrolle der Batteriespannung verwendet.
Eine zusätzliche
Messschaltung, die die Batterie belasten würde, erübrigt sich. Es ist auch kein
teuerer RTC-Baustein
nötig,
der intern die Batteriespannung überwacht.
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Das
beschriebene Verfahren und die beschriebene Schaltung lassen sich
bei allen netzbetriebenen Geräten
verwenden, die eine geeignete Funktionselektronik und einen batteriegepufferten Uhrbaustein
haben. Beispielsweise ist die Anwendung bei jedem Personalcomputer
möglich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
und den Unteransprüchen.
In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild,
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2 ein
Spannungs-Zeitdiagramm bei ausreichender Batteriespannung und
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3 ein
Spannungs-Zeitdiagramm bei unzureichender Batteriespannung.
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Mittels
einer Funktionselektronik μC,
beispielsweise Mikrocontroller, werden Funktionen, beispielsweise
bei einem Wärmespeicherheizgerät, elektrische
Heizkörper
für die
Aufladung in Echtzeit und ein Lüfter
für die
Entladung sowie eine Anzeigeeinrichtung, beispielsweise 7-Segment-Anzeige, gesteuert.
Die Uhrzeit liefert ein Uhrbaustein RTC, wofür über eine SDA-Leitung und eine
CLK-Leitung Datentelegramme zwischen der Funktionselektronik μC und dem
Uhrbaustein RTC ausgetauscht werden. Die Funktionselektronik μC und der
Uhrbaustein RTC sind marktbekannte integrierte Schaltungsbausteine. Die
Funktionselektronik μC
liegt an einer vom Netz abgeleiteten Versorgungsspannung UV, beispielsweise 5 V. An der Versorgungsspannung
UV liegt ein Spannungsteiler aus Widerständen R1,R4.
An den Abgriff des Spannungsteilers R1,R4 sind ein I/O-Port der
Funktionselektronik μC
und ein Versorgungsspannungseingang EV des
Uhrbausteins RTC gelegt. Der I/O-Port hat die an sich bekannte Eigenschaft, dass
er sowohl als Ausgang als auch als hochohmiger Eingang betrieben
werden kann.
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An
den Uhrbaustein RTC ist eine Batterie B angeschlossen, deren Nennbatteriespannung
UB beispielsweise 3 V beträgt.
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Der
Uhrbaustein RTC weist in an sich bekannter Weise intern wenigstens
einen Komparator K auf, der die Spannung am Versorgungsspannungseingang
EV des Uhrbausteins RTC mit der Batteriespannung
UB vergleicht.
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Im
normalen Betrieb ist der I/O-Port als Ausgang geschaltet und auf "high" gesetzt. Im Beispielsfall
liegt an ihm die Versorgungsspannung UV,
5 V, an. Der Widerstand R1 ist somit kurzgeschlossen und am Versorgungsspannungseingang
EV liegt die Versorgungsspannung UV an.
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Wenn
die Versorgungsspannung UV jedoch ausfällt, stellt
dies der Komparator K fest und schaltet den Uhrbaustein RTC auf
die Batterie B um, so dass – unter
der Voraussetzung, dass die Batteriespannung UB noch
ausreichend hoch ist – der
Uhrbaustein RTC weiterarbeitet. Der Betrieb der Funktionselektronik μC ist dann
unterbrochen. Tritt die Versorgungsspannung UV wieder
auf, dann arbeitet auch die Funktionselektronik μC wieder und der Uhrbaustein RTC
schaltet wieder auf die Versorgungsspannung UV um.
Während
des Ausfalls der Versorgungsspannung UV geht
die Zeit nicht verloren, so dass die Funktionselektronik μC nach einem
Ausfall der Versorgungsspannung UV vom Uhrbaustein
RTC wieder die richtige Uhrzeit empfängt.
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Es
kann jedoch auch der Fall auftreten, dass bei einem Ausfall der
Versorgungsspannung UV die Batteriespannung
UB nicht mehr hinreichend hoch ist, weil
sich die Kapazität
der Batterie B erschöpft
hat. Zur Kontrolle der Batteriespannung UB ist
folgendes vorgesehen:
Die Funktionselektronik μC schaltet
in Prüfzyklen
den I/O-Port kurzzeitig auf "Eingang", was nach den 2 und 3 im
Zeitpunkt t1 geschieht. Damit wird der Spannungsteiler R1,R4 wirksam
und am Versorgungsspannungseingang EV des
Uhrbausteins RTC stellt sich eine gezielt abgesenkte Versorgungsspannung
UV' ein,
die von der Dimensionierung des Spannungsteilers R1,R4 abhängt und
im Beispielsfall bei 3,2 V liegt (vgl. 2,3).
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Der
die Versorgungsspannung UV mit seinem Komparator
K überwachende
Uhrbaustein RTC ist so ausgelegt, dass er die Kommunikation mit
der Funktionselektronik μC
unterbricht, wenn die an seinem Versorgungsspannungseingang EV anliegende Versorgungsspannung UV einen Schwellwert US unterschreitet,
der um einen Faktor F höher
ist als die jeweilige Batteriespannung UB.
Der Faktor F ist so bemessen, dass der Schwellwert US gleich
oder höher
ist wie eine zu erwartende Batteriespannung UB und
niedriger ist als die Versorgungsspannung UV. Der
Faktor F kann zwischen 1 und 1,5 liegen. Im Ausführungsbeispiel beträgt er 1,25.
Durch die Wahl eines Faktors F > 1
soll verhindert werden, dass bei einem Ausfall der Versorgungsspannung
UV unvollständige oder fehlerhafte Datentelegramme
entstehen, die die Uhrzeitübertragung
zwischen der Funktionselektronik μC
und dem Uhrbaustein RTC beeinträchtigen
würden.
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Bei 2 ist
angenommen, dass die Batteriespannung UB bei
einem Nominalwert liegt, also im Beispielsfall 3 V beträgt. Dementsprechend
liegt der Schwellwert US bei 3 V × 1,25 =
3,75 V.
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Wie 2 zeigt,
unterschreitet die auf 3,2 V im Prüfzyklus, d.h. zwischen den
Zeitpunkten t2 und t3, abgesenkte Versorgungsspannung UV' den Schwellwert
US. Somit erfolgt im Prüfzyklus t2 bis t3 keine erfolgreiche
Kommunikation. Dies stellt die Funktionselektronik μC fest und
leitet daraus ab, dass die aktuelle Batteriespannung UB ausreichend hoch
ist. Sie schaltet dann ihren I/O-Port wieder auf "Ausgang", so dass der Uhrbaustein
RTC wieder normal mit der Versorgungsspannung UV,
beispielsweise 5 V, weiterbetrieben wird.
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Bei 3 ist
davon ausgegangen, dass die Batteriespannung UB' ungenügend hoch
ist und bei 2,5 V liegt. Dementsprechend liegt der Schwellwert US' bei
1,25 × 2,5
V = 3,125 V. Die im Prüfzyklus
abgesenkte Versorgungsspannung UV', im Beispielsfall 3,2
V, liegt nun über
dem Schwellwert US', so dass die Kommunikation nicht unterbrochen
wird. Die Funktionselektronik μC
erkennt, dass trotz abgesenkter Versorgungsspannung UV die
Kommunikation nicht unterbrochen ist. Dies wertet sie als Zeichen
dafür, dass
die Batteriespannung UB für einen
etwa fällig werdenden
Batteriebetrieb nur noch ungenügend hoch
ist. Die Funktionselektronik μC
leitet eine entsprechende Anzeige ein, indem sie beispielsweise die
von ihr angesteuerte Anzeigeeinrichtung blinken lässt oder
ein sonstiges Signal abgibt. Der Nutzer bekommt dadurch einen Hinweis
darauf, dass er die Batterie B auswechseln soll. Dies ist auf bautechnisch
einfache Weise und ohne Belastung der Batterie B erreicht. Der zwischen
t1 und t3 stattfindende Prüfzyklus
selbst kann sehr kurz sein und beispielsweise weniger als 1 s betragen.
Es kann genügen, den
Prüfzyklus
in großen
zeitlichen Abständen,
beispielsweise erst nach Tagen, erneut durchzuführen.
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Zwischen
den Abgriff des Spannungsteilers R1,R4 und die SDA-Leitung sowie
die CLK-Leitung sind Widerstände
R2,R3 geschaltet. Diese sollen eine Beeinflussung der Versorgungsspannung
UV bzw. abgesenkten Versorgungsspannung
UV',
durch die bei der Datenübertragung
bzw. Kommunikation zwischen der Funktionselektronik μC und dem
Uhrbaustein RTC auftretenden Impulse vermeiden.
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Ein
Kondensator C1 am Versorgungsspannungseingang EV puffert
die abgesenkte Versorgungsspannung UV' und verbessert damit
deren Stabilität
für die
Auswertung.