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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten, und insbesondere eine verbesserte Anordnung für eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten, wobei ein Taster eingesetzt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Taster werden im Allgemeinen eingesetzt, um eine elektrische und elektronische Einrichtung einzuschalten und auszuschalten. Sie arbeiten in Kombination mit einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten, welche auf einem Mikrocontroller angeordnet ist, um eine Operation eines logischen Typs zu erzeugen, so dass, wenn ein Schaltpuls einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten zugeführt wird, die Schaltung von „aus” nach „ein” oder von „ein” nach „aus” schaltet. Der Schaltpuls wird durch eine Betätigung des Tasters bereitgestellt, welcher, wenn er betätigt wird, die Schaltung schließt, um der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten einen Puls bereitzustellen, um den Zustand der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten umzuschalten.
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Es ist im Allgemeinen für eine Anzahl von verschiedenen Typen einer elektrischen und elektronischen Einrichtung üblich, nur einen einzigen Taster zu verwenden, um die Einrichtung sowohl an- als auch abzuschalten.
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Beispielsweise steuert in der Druckschrift
WO 01/13 492 A1 ein Schaltkreis die elektrische Versorgung einer Last, wobei der Schaltkreis einen Taster aufweist, welcher bei Betätigung den Schaltkreis dazu veranlasst, einen Zustand des Schaltkreises von „an” auf „aus” bzw. von „aus” auf „an” zu wechseln.
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Einer der Nachteile bei einer Verwendung eines einzigen Tasters ist jedoch, dass es während des ausgeschalteten Zustandes noch notwendig ist, der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten einen Strom zuzuführen. Der Grund dafür ist, dass es notwendig ist, eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten aktiv zu halten, um einen Schaltpuls, welcher von dem Taster erzeugt wird, jederzeit zu erfassen. Daher entleert dieser Stromverbrauch ständig die Batterie oder die Wechselstromquelle, obwohl die elektronische Einrichtung einem Benutzer in einem Zustand ”aus” erscheint. Dieser Verbrauch eines elektrischen Stromes ist speziell für eine Batterie betriebene Einrichtung, wie z. B. Laptop-Computer und Mobiltelefone (oder schnurlose Telefone), wichtig, wobei eine lange Batterielaufzeit vorteilhaft ist, um die Anforderung nach einem ständigen Wechseln oder Aufladen der Batterien zu vermeiden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Anordnung für eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten, welche verwendet wird, um die Zufuhr eines elektrischen Stromes von einer elektrischen Versorgungsquelle, wie z. B. einer Batterie, zu einem Verbraucher bzw. zu einer Last zu steuern. Im Allgemeinen umfasst die vorliegende Anordnung für eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten ein Ladungsspeicherelement, welches die beiden Funktionen eines Einschaltens und Ausschaltens der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten durchführt.
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Erfindungsgemäß wird eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten zur Steuerung einer elektrischen Stromzufuhr von einer elektrischen Stromquelle zu einem Verbraucher mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsformen beispielhaft mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Schaltplan eines ersten Beispiels einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten, wobei sich die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten in einem Zustand ”aus” befindet;
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2 ist ein Schaltplan der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten der 1 mit dem Taster in einer geschlossenen Stellung während eines Einschaltens der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten;
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3 ist ein Schaltplan der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten der 1, mit dem Taster in einer geschlossenen Stellung während eines Ausschaltens der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten;
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4 ist ein Schaltplan eines zweiten Beispiels einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten;
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5 ist ein Schaltplan eines dritten Beispiels einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten;
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6 ist ein Schaltplan eines vierten Beispiel einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten;
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7 ist eine schematische Darstellung, welche die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten der 1 bis 3 darstellt, welche verwendet wird, um einen elektrischen Strom von einer gleichgerichteten Zufuhr aus einem Stromversorgungsnetz zu steuern;
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8 ist eine schematische Darstellung, welche die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten der 1 bis 3 darstellt, welche verwendet wird, um eine Wechselstromzufuhr für einen Verbraucher mit einem hohen Stromverbrauch zu steuern; und
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9 ist ein Schaltplan eines fünften Beispiels einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten.
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10 ist eine Perspektivdarstellung einer Schaltstruktur gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dar. Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 fungiert als eine Schnittstelle zwischen einer Stromzufuhr in der Form einer Batterie 11 und einem Verbraucher, welcher durch einen Widerstand R5 dargestellt ist. Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 umfasst einen ersten Transistor Q1, welcher als ein Stromzufuhrschalter arbeitet, einen Widerstand R1, eine elektronische Schaltvorrichtung 20, einen Taster S1 und eine Schaltung zum Speichern und Abgeben einer Ladung 30.
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Wie in 1 dargestellt ist, ist der Transistor Q1 vom pnp-Bipolar-Typ, wobei der Emitteranschluss von ihm mit dem positiven Anschluss der Batterie 11 gekoppelt ist, während der Kollektoranschluss mit einer Seite des Verbrauchers R5 verbunden ist. Ein Widerstand R8 ist zwischen den Emitteranschluss und den Basisanschluss des Transistors Q1 gekoppelt.
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Die elektronische Schaltvorrichtung 20 umfasst einen Eingangsanschluss 7, welcher mit der Basis des Transistors Q1 über einen Widerstand R1 verbunden ist, einen Ausgang 22, welcher mit dem negativen Anschluss der Batterie gekoppelt ist, und einen Aktivierungseingang 4, welcher mit einem ersten Kontakt 14 des Tasters S1 gekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform umfasst die elektronische Schaltvorrichtung einen zweiten Bipolar-Transistor Q2 und einen dritten Bipolar-Transistor Q3, welche als eine Thyristor-Vorrichtung verbunden sind. Der zweite Transistor Q2 ist ein pnp-Bipolar-Transistor. Der Emitter des zweiten Transistors Q2 ist mit der Basis des Transistors Q1 über einen Widerstand R1 und mit dem Kontakt 14 des Tasters S1 über einen Widerstand R6 gekoppelt. Der Kontakt 14 des Tasters S1 ist auch mit dem Basisanschluss des zweiten Transistors Q2 und mit dem Kollektoranschluss des dritten Transistors Q3 gekoppelt. Der dritte Transistor Q3 ist ein npn-Bipolar-Transistor. Die Basis des dritten Transistors Q3 ist mit dem Kollektor des zweiten Transistors Q2 gekoppelt, und der Emitter des dritten Transistors Q3 ist mit einem Massepotenzial 12 über einen Widerstand R2 gekoppelt. Der Kollektor des zweiten Transistors Q2 ist auch mit dem Massepotenzial 12 über einen Widerstand R3 gekoppelt.
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Ein anderer Kontakt 13 des Tasters S1 ist mit dem Kollektoranschluss des Transistors Q1 über einen Widerstand R9 und auch mit dem Massepotenzial über eine Kapazität C2 gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform bilden der Widerstand R9 und die Kapazität C2 die Schaltung zum Laden und Abgeben einer Ladung 30 aus.
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Der positive Anschluss der Batterie 11 ist mit dem Emitteranschluss des ersten Transistors Q1 und mit dem Widerstand R8 gekoppelt, während der negative Anschluss der Batterie 11 mit dem Massepotenzial 12 gekoppelt ist. Alternativ kann jedoch der negative Anschluss der Batterie 11 mit einem Schwebepotenzial gekoppelt sein.
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Im Betrieb arbeitet die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 wie folgt:
Zu Beginn befindet sich die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 in dem ausgeschalteten Zustand und die Transistoren Q1, Q2 und Q3 sind ausgeschaltet, wobei sich der Taster S1 in der Stellung befindet, welche in 1 dargestellt ist. Daher gibt es keinen geschlossenen Stromkreis und die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 bewirkt, dass verhindert wird, dass ein Strom von der Batterie 11 zu dem Verbraucher R5 geführt wird.
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Wenn sich die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 in dem ausgeschalteten Zustand befindet, ist der einzige Stromverbrauch der Stromverbrauch eines Leckstromes durch die Transistoren Q1, Q2, Q3 in Rückwärtsrichtung, welcher praktisch im Vergleich zu dem Strom, mit welchem sich die Batterie 11 selbst entlädt, vernachlässigt werden kann.
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Dementsprechend ist das Anfangspotenzial an den Punkten 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 in der Schaltung 100 und der Zustand der Transistoren wie folgt:
Das Potenzial an dem Punkt 3 = E (das Potenzial der Batterie 11);
Das Potenzial an dem Punkt 1 = 0, da der Transistor Q1 abgeschaltet ist;
Das Potenzial über dem Basis-Emitter-Übergang des ersten Transistors Q1 = 0;
Das Potenzial an dem Punkt 2 = das Potenzial an dem Punkt 3 = E;
Der Strom durch R1 = 0;
Das Potenzial an dem Punkt 7 = das Potenzial an dem Punkt 2 = E;
Die Spannung über dem Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors Q2 = 0, da der zweite Transistor Q2 abgeschaltet ist;
Das Potenzial an dem Punkt 4 = das Potenzial an dem Punkt 7 = E; Der Strom durch R3 = 0;
Das Potenzial an dem Punkt 5 = 0;
Die Spannung über dem Basis-Emitter-Übergang des dritten Transistors Q3 = 0;
Der Strom durch den Widerstand R2 = 0;
Das Potenzial an dem Punkt 6 = 0;
Das Potenzial bzw. die Spannung über der Kapazität Q2 = 0; und
Das Potenzial an dem Punkt 8 = das Potenzial an dem Punkt 1 = 0.
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Wenn der Taster S1 gedrückt wird, um die Kontakte 13, 14 zu schließen, wie es in 2 dargestellt ist wird der Punkt 4 auf ein Null-Potenzial getrieben und es bildet sich ein anfangs geschlossener Stromkreis (Pfad A). Dies bewirkt, dass die Basis-Emitter-Übergänge des ersten und des zweiten Transistors Q1, Q2 in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, wodurch die Transistoren Q1, Q2 eingeschaltet werden. Der anfängliche Strom, welcher erzeugt wird, trägt zu dem Basisstrom für den ersten und zweiten Transistor Q1, Q2 bei und führt zu einem Stromstoß über dem Widerstand R1 über den Pfad A. Dieser Stromstoß bezüglich des Basisstromes treibt den ersten und den zweiten Transistor Q1, Q2 in die Sättigung. Sofort, nachdem sich der Pfad A ausgebildet hat, verläuft der anfängliche Stromstoß durch den Widerstand R3 (Pfad B). Da sich die Spannung über R3 aufgrund des Stromstoßes rasch erhöht, wird der Basis-Emitter-Übergang des dritten Transistors Q3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wodurch der dritte Transistor Q3 eingeschaltet wird. Auf ähnliche Weise wird auch der dritte Transistor Q3 in die Sättigung getrieben.
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Der Strom durch Pfad A weist die Form eines Pulses auf, welcher aufgrund des Vorhandenseins der Kapazität Q2, welche auf einen konstanten Wert Vs aufgeladen wird, rasch Null wird, wodurch Pfad A zu einem offenen Stromkreis ausgebildet wird. In
2 ist die Spannung Vs durch
gegeben, wobei R
2 // R
3 den effektiven Widerstand der Widerstände R2 und R3 bezeichnet, welche parallel liegen. Wenn die Kapazität Q2 auf eine Spannung Vs aufgeladen ist, verhindert dies, dass ein weiterer Strom durch die Kapazität Q2 strömt und der Pfad A wird ein offener Stromkreis. Daher wird, auch wenn der Taster S1 weiter gedrückt bleibt, der Pfad A schließlich zu einem offenen Stromkreis, wenn Q2 auf V
s aufgeladen ist. Wie in dem folgenden Absatz gezeigt werden wird, ist die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten
100 derart konfiguriert, dass die Batterie
11 weiter einen elektrischen Strom zu dem Verbraucher führt, auch nachdem die Kapazität Q2 auf V
s aufgeladen und der Pfad A ein offener Stromkreis geworden ist. Nach einer Deaktivierung von S1 wird C2 durch einen Pfad X weiter auf eine Spannung von ungefähr E – 0,2 V aufgeladen. Dies ist dadurch begründet, dass der Spannungsabfall über dem Kollektor-Emitter-Übergang des Transistors Q1 typischerweise ungefähr 0,2 V beträgt, wenn sich der Transistor Q1 in der Sättigung befindet.
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Der zweite und der dritte Transistor Q2, Q3 bilden eine Thyristor-Vorrichtung, welche durch den Stromstoß angesteuert wird, welcher in der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 erzeugt wird, wenn der Taster S1 betätigt wird. Der dritte Transistor Q3 bekommt seinen Basisstrom von dem zweiten Transistor Q2 und zu derselben Zeit führt der dritte Transistor den Basisstrom zu dem zweiten Transistor Q2. Der Vorteil, eine Thyristor-Vorrichtung zu verwenden, ist, dass, wenn die Thyristor-Vorrichtung einmal einen eingeschalteten Zustand angenommen hat, sie, sogar ohne eine Stromzufuhr an dem Aktivierungseingang 4, weiter leitet (entweder aufgrund des Tasters, welcher freigegeben ist, oder aufgrund der Kapazität C2, welche auf einen konstanten Wert Vs geladen ist). Dies ist dadurch begründet, dass, wenn sich der Thyristor in dem gehaltenen eingeschalteten Zustand befindet, die Spannung über dem Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors Q2 in Vorwärtsrichtung vorgespannt gehalten wird, wobei sich der dritte Transistor Q3 in der Sättigung befindet, wie es durch einen Pfad C dargestellt ist, während die Spannung über dem Basis-Emitter-Übergang des dritten Transistors Q3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt bleibt, indem der zweite Transistor Q2 in der Sättigung betrieben wird, wie es durch den Pfad B dargestellt ist. Auf diese Weise hält sich die Kombination aus dem zweiten und dem dritten Transistor Q2, Q3 jeweils einander leitend, sogar ohne eine Stromzufuhr an dem Aktivierungseingang 4, solange die Batterie 11 mit dem Emitter des zweiten Transistors Q2 gekoppelt ist, das heißt, solange die Batterie 11 mit dem Punkt 7 in der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 gekoppelt ist. Daher halten, wenn die Thyristor-Vorrichtung einmal einen gehaltenen eingeschalteten Zustand angenommen hat, der geschlossene Strompfad B und der Strompfad C die Basis-Emitter-Übergänge des zweiten und des dritten Transistors Q2, Q3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, auch wenn der Pfad A zu einem offenen Stromkreis wird. Dementsprechend wird, wenn die Thyristor-Vorrichtung eingeschaltet ist, der Basis-Emitter-Übergang des ersten Transistors Q1 auch in einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Betriebsart gehalten, wobei sein Basisstrom in die Sättigung getrieben wird. Daher ist die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 in diesem Zustand eingeschaltet und ein Strom wird durch den Transistor Q1 einem Verbraucher R5 zugeführt.
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Jedoch muss ein ausreichender Umfang einer Ansteuerenergie bereitgestellt werden, damit die Thyristor-Vorrichtung einen gehaltenen eingeschalteten Zustand annimmt und weiter leitet, sogar nachdem der Pfad A ein offener Stromkreis geworden ist. Diese Ansteuerenergie wird bezüglich des minimalen Ansteuerstromes durch den Transistor Q3 ausgedrückt, welcher übertroffen werden muss, damit der Transistor Q3 dauerhaft eingeschaltet bleibt. Der Strom durch den Transistor Q3 hängt von seiner Basis-Emitter-Spannung ab, das heißt, der Spannung über den Punkten 5 und 6. Da die Spannung an dem Punkt 5 abhängig von der Spannung an dem Punkt 4 ist, steigt die Spannung an dem Punkt 5 und damit ein Strom durch den Transistor Q3 an, wenn die Kapazität C2 aufgeladen wird. Wenn die Kapazität C2 über eine bestimmte Spannung hinaus aufgeladen ist, steigt der Strom durch den Transistor Q3 über den erforderlichen Ansteuerstrom an und der Transistor Q3 wird dauerhaft eingeschaltet. Dies bedeutet dementsprechend, dass der Schalter S1 für eine Ansteuerzeit gedrückt werden muss, welche erforderlich ist, damit der Ansteuerstrom übertroffen wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Ansteuerzeit davon abhängig, wie schnell C2 aufgeladen wird.
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Aus dem vorab genannten folgt, dass die Zufuhr des elektrischen Stromes von der Batterie 11 zu einem Verbraucher R5 aktiviert wird, indem der Schalter S1 über eine Dauer gedrückt wird, welche länger als die Ansteuerzeit ist. Wenn der Schalter S1 betätigt wird, um die Kontakte 13, 14 zu schließen, wird die Kapazität C2 sowohl über den Pfad A als auch über den Pfad X aufgeladen, während die Pfade B und C Strom von den Pfaden A und X abziehen. Da C2 durch den Widerstand R9 entlang des Pfades X aufgeladen wird, sorgt R9 für eine Steuerfunktion der Aufladezeit. Die Ansteuerzeit kann daher eingestellt werden, indem der Wert von C2 und von R9 eingestellt wird, und dies sollte idealerweise nicht zu kurz sein, um eine Fehlauslösung des Thyristors zu verhindern.
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Dies ermöglicht vorteilhafterweise, dass die Ansteuerzeit vorab festgelegt ist, da sie unabhängig von dem Wert irgendeiner Filterkapazität ist, welche im Allgemeinen parallel zu dem Verbraucher liegt. Bei unserer vorherigen PCT-Anmeldung
PCT/SG99/00084 wurde eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten offenbart, wobei die Ansteuerzeit durch eine Kapazität bestimmt wurde, welche parallel zu dem Verbraucher liegt. In diesem Fall war es schwierig die sich ergebende Ansteuerzeit vorherzusagen, da sie nicht unabhängig von der Filterkapazität war.
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Wenn der Taster S1 wieder betätigt wird, um die Kontakte 13, 14 zu schließen (siehe 3), wird ein geschlossener Strompfad D in der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 ausgebildet, wenn sich die Kapazität C2 entlädt. Daher fungiert C2 als eine Ladungsspeichervorrichtung, welche aufgeladen wird, wenn die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten von ”aus” nach ”ein” geschaltet wird, und welche sich entlädt, wenn die Schaltung von ”ein” nach ”aus” geschaltet wird. Der Punkt 4 wird kurzzeitig während der Aktivierung des Schalters S1 mit dem Punkt 8 kurzgeschlossen und weist dasselbe Potenzial wie der Punkt 8 auf, welches E – 0,2 Volt beträgt. Die Spannung an dem Punkt 2 während des eingeschalteten Zustands der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 beträgt jedoch ungefähr E – 0,7 Volt. Dies ist dadurch begründet, dass der Spannungsabfall über dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q1 typischerweise bei ungefähr 0,7 V liegt. Daher werden, wenn der Punkt 4 auf E – 0,2 Volt geht, die Basis-Emitter-Übergänge des ersten Transistors Q1 und des zweiten Transistors Q2 nicht länger in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der erste und der zweite Transistor Q1, Q2 werden ausgeschaltet. Wenn der zweite Transistor Q2 ausgeschaltet ist, ist der Kollektor des zweiten Transistors Q2 auch ausgeschaltet, was den dritten Transistor Q3 ausschaltet. Daher stellt das Entladen der Kapazität C2 ein Signal bereit, um die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 auszuschalten und wenn der erste Transistor Q1 ausgeschaltet ist, wird kein Strom von der Batterie 11 zu dem Verbraucher R5 geführt. Wenn der Taster S1 freigegeben wird, wird die verbleibende Ladung in der Kapazität C2 über den Verbraucher R5 und den Widerstand R9 entladen.
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Aus dem vorab stehenden folgt, dass ein kurzzeitiges Betätigen des Tasters S1, während sich die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 in dem Zustand ”ein” befindet, den ersten Transistor Q1 und die Thyristor-Vorrichtung ausschaltet, da eine in Rückwärtsrichtung vorgespannte Spannung über dem ersten und dem zweiten Transistor Q1, Q2 aufgebaut wird. Wenn der Taster S1 nicht freigegeben wird, sondern weiter gedrückt bleibt, nimmt die Spannung an dem Punkt 4 ab, da sich die Kapazität C2 zu entladen beginnt. Wenn die Spannung an dem Punkt 4 ein ausreichend niedriges Niveau erreicht, beginnt der Transistor Q1 wieder zu leiten, da sein Basis-Emitter-Übergang wieder in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Dementsprechend wird dem Verbraucher R5 Strom zugeführt, wenn auch in einem geringen Umfang, da der Thyristor anders als während des Zustandes ”ein” der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100, welcher in den vorherigen Absätzen erwähnt ist, nicht aktiviert ist. Wenn der Taster S1 schließlich freigegeben wird, wird die Stromzufuhr zu dem Verbraucher R5 unterbrochen, da Q1 abgeschaltet wird, und jegliche verbleibende Ladung in der Kapazität C2 wird über den Verbraucher R5 und R9 entladen. Nachdem die Kapazität C2 vollständig entladen ist, kehrt die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 in den anfänglichen ausgeschalteten Zustand zurück, in welchem kein Strom von der Batterie 11 zu dem Verbraucher R5 geführt wird und der einzige Strom, welcher von der Schaltung 100 verbraucht wird, ist der Leckstrom durch den ersten, zweiten und dritten Transistor Q1, Q2, Q3 in Rückwärtsrichtung, welcher praktisch vernachlässigt werden kann.
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Die Werte des Widerstands R9 und der Kapazität C2 werden derart gewählt, dass dabei berücksichtigt wird, dass die Kapazität C2 entladen werden muss, wenn die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten in den anfänglichen Zustand ”aus” zurückkehrt, in welchem sie in der Lage ist, einen Schaltpuls, welcher von dem Taster erzeugt wird, jederzeit zu erfassen. Daher können die Werte von R9 und C2 nicht zu groß sein, oder es würde die Fähigkeit der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten beeinflussen, auf Schaltpulse zu reagieren. Auf der anderen Seite muss C2 auch eine Spannung halten, welche hoch genug ist, um Q1 und die elektronische Schaltvorrichtung auszuschalten, wenn eine Anforderung kommt, von einem Zustand ”ein” nach ”aus” zu schalten. Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt der Wert des Widerstandes R9 zwischen 22 bis 82 kOhm und die Kapazität von C2 zwischen 200 nF bis 10 μF, wenn die Versorgungsspannung zwischen 1,8 und 10 V liegt.
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Ein zweites Beispiel einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 150 ist in 4 dargestellt. Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 150 ist zu der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 identisch, außer dass die Schaltung einen Signaleingangskontakt 16 bei dem Punkt 5 der Schaltung umfasst. Der Signaleingangskontakt 16 ist mit einer elektronischen Einrichtung 17 verbunden, welche mit dem Verbraucher, welcher in 1 bis 3 dargestellt ist, äquivalent ist. Der Signaleingangskontakt 16 erlaubt der elektronischen Einrichtung 17, sich selbst automatisch, zum Beispiel nach einer vorbestimmten Zeitperiode, auszuschalten. Die elektronische Einrichtung 17 schaltet die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 150 in den ausgeschalteten Zustand, indem ein Massepotenzial auf den Signaleingangskontakt 16 aufgebracht wird, welches den dritten Transistor Q3 ausschaltet, was wiederum den zweiten Transistor Q2 ausschaltet. Dies bewirkt, dass die elektronische Schaltvorrichtung 20 ein offener Schaltkreis wird, was den ersten Transistor Q1 abschaltet, um die Stromzufuhr von der Batterie 11 zu der elektronischen Einrichtung 17 zu unterbrechen. Bei einer anderen Ausführungsform der 4 kann die elektronische Einrichtung 17 auch dazu verwendet werden, die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 150 einzuschalten, indem ein ausreichend hohes Spannungsniveau dem Signaleingangskontakt 16 zugeführt wird.
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5 stellt ein drittes Beispiel einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 200 dar, welche der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 150 ähnlich ist, außer dass ein Signaleingangskontakt 24 mit dem Punkt 4 verbunden ist. Der Signaleingangskontakt 24 erlaubt, wenn er mit der elektronischen Einrichtung 17 gekoppelt ist, dass die elektronische Einrichtung 17 die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 200 ausschaltet, indem ein Hochspannungszustandsignal auf den Kontakt 24 aufgebracht wird. Dies bewirkt, dass der Basis-Emitter-Übergang des ersten und des zweiten Transistors Q1, Q2 in der Rückrichtung vorgespannt wird, was den ersten und den zweiten Transistor Q1, Q2 abschaltet. Wenn der erste und der zweite Transistor Q1, Q2 abgeschaltet sind, wird der dritte Transistor Q3 auch abgeschaltet, da das Potenzial an dem Punkt 5 auf Null abfällt, und die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 200 wird in den ausgeschalteten Zustand geschaltet. Bei einer anderen Ausführungsform der 5 kann die elektronische Einrichtung 17 auch verwendet werden, um die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 200 einzuschalten, indem ein Massepotenzial dem Signaleingangskontakt 24 zugeführt wird.
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6 stellt ein viertes Beispiel einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 250 dar. Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 250 ist mit einem ersten Schaltsignaleingangskontakt 16, welcher mit dem Punkt 5 verbunden ist, und einem zweiten Schaltsignaleingangskontakt 24, welcher mit dem Punkt 4 verbunden ist, versehen. Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 250 steuert die Stromzufuhr von der Batterie 11 zu der elektronischen Einrichtung 26. Die Schalteingangskontakte 16, 24 sind mit einem abgesetzten elektronischen System 27 gekoppelt, welches einen eigenen Stromschalter, welcher darin eingebaut ist, aufweist. Der Stromschalter, welcher in dem abgesetzten elektronischen System 27 eingebaut ist, kann eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten sein, welche mit irgendeiner der Schaltungen zum Ein- bzw. Ausschalten 100, 150, 200 ähnlich ist, oder es kann auch eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 250 sein, welche aus der Ferne durch ein weiteres abgesetztes elektronisches System gesteuert wird.
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Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 250 erlaubt eine abgesetzte Stromsteuerung von dem anderen abgesetzten elektronischen System 27 und kann zum Beispiel bei einem aus mehreren Einheiten bestehenden System eingesetzt werden. Das abgesetzte System 27 kann die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 250 in den eingeschalteten Zustand schalten, indem ein Massepotenzial (oder eine Spannung eines ausreichend niedrigen Niveaus) auf den Signaleingangskontakt 24 aufgebracht wird, um den Transistor Q2 in Vorwärtsrichtung vorzuspannen. Alternativ kann das abgesetzte System 27 die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 250 in den ausgeschalteten Zustand schalten, indem ein Massepotenzialsignal auf den Signaleingangskontakt 16 aufgebracht wird.
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Bei all den Schaltungen zum Ein- bzw. Ausschalten 150, 200, 250 ist noch ein Taster S1 vorhanden, welcher einer Bedienperson ermöglicht, die Schaltungen zum Ein- bzw. Ausschalten 150, 200, 250 zwischen dem ausgeschalteten und dem eingeschalteten Zustand manuell zu schalten. In den Fällen, in denen eine Bedienperson wünscht, den Taster anstelle der elektronischen Einrichtung oder anstelle des abgesetzten Systems 27 zu verwenden, um die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 150, 200, 250 zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand hin- und her zu schalten, wird die elektrische Verbindung zwischen der elektronischen Einrichtung 17 und dem Signaleingangskontakt 16, 24 hochohmig gehalten. Alternativ ist es auch möglich, den Tasters S1 zu deaktivieren und dem abgesetzten System 27 zu vertrauen, um das Hin- und Herschalten der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten zu steuern. In diesem Fall hält das Aufrechterhalten eines ausreichend hohen Potenzials an dem Signaleingangskontakt 16 die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten in einem Zustand ”ein”, wenn das Steuersignal auf den Signaleingangskontakt 16 aufgebracht wird, da der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, während ein Massepotenzial aufrechterhalten wird, welches den Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q3 in der Rückrichtung vorspannt, und die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten bleibt ausgeschaltet. Genauso gilt für den Signaleingangskontakt 24, dass ein Aufrechterhalten eines Massepotenzials an dem Signaleingangskontakt 24 die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten in einem Zustand ”ein” hält, da der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q2 in der Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, während ein hohes Potenzial aufrechterhalten wird, welches den Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q2 in der Rückrichtung vorspannt, und die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten bleibt ausgeschaltet.
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Als eine Alternative dazu, dass das abgesetzte System mit separaten Eingangskontakten 16, 24 verbunden wird, ist es möglich, dass das abgesetzte System durch eine einzige Leitung entweder mit der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 150 oder mit der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 200 verbunden ist. Für den Fall der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 150 würde das abgesetzte System 27 die Schaltung 150 einschalten, indem eine Spannung mit einem ausreichend hohen Niveau dem Signaleingangskontakt 16 zugeführt wird, und sie würde die Schaltung 150 ausschalten, indem ein Massepotenzial auf den Signaleingangskontakt 16 aufgebracht wird.
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Wenn das abgesetzte System 27 mit dem Signaleingangskontakt 24 in der Schaltung 200 verbunden ist, würde das abgesetzte System 27 die Schaltung 200 einschalten, indem ein Massepotenzial auf den Signaleingangskontakt 24 aufgebracht wird, und sie würde die Schaltung 200 ausschalten, indem eine Spannung mit einem ausreichend hohen Niveau auf den Signaleingangskontakt 24 aufgebracht wird, um den ersten und den zweiten Transistor Q1, Q2 in der Rückrichtung vorzuspannen.
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Obwohl dargestellt ist, dass die Schaltungen 100, 150, 200, 250 die Stromzufuhr von einer Batterie 11 zu einem Verbraucher R5 oder zu einer elektronischen Einrichtung 17, 26 steuern, könnten die Schaltungen auch verwendet werden, um die Stromzufuhr einer gleichgerichteten Wechselspannungsquelle und von einem Stromversorgungsnetz zu einer elektronischen Einrichtung mit einem großen Stromverbrauch zu steuern.
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7 stellt ein Beispiel der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 dar, welche eingesetzt wird, um eine gleichgerichtete Wechselstromzufuhr von einem Transformator K2 und einem Doppelweggleichrichter 29 zu einem Verbraucher 28 zu steuern. Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 könnte jedoch durch jede der Schaltungen zum Ein- bzw. Ausschalten 150, 200, 250 ersetzt werden.
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8 stellt die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 dar, welche verwendet wird, um die Stromzufuhr von einem Stromversorgungsnetz zu einem großen Verbraucher 30 durch einen Transformator K2, ein Relais R, eine Diode D4 und eine Batterie 32 zu steuern.
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9 ist ein Schaltplan, welcher ein fünftes Beispiel einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 400 darstellt. Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 400 ist mit der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100 identisch, außer dass die Bipolar-Transistoren Q1, Q2, Q3 jeweils durch MOSFETs vom Anreicherungstyp M1, M2, M3 ersetzt sind. Die Transistoren M1, M2 sind MOSFETs vom P-Leitungstyp und der Transistor M3 ist ein MOSFET vom N-Leitungstyp. Das Prinzip des Betriebes der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 400 ist identisch zu denjenigen der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten 100.
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Die beschriebenen Ausführungsformen eignen sich für eine Implementierung innerhalb einer integrierten Schaltung, wobei die meisten Komponenten zusammen auf einer integrierten Schaltung zusammengebaut sind. Die verbleibenden Komponenten der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten werden über Verbindungsmittel, welche auf der integrierten Schaltung bereitgestellt werden, mit der integrierten Schaltung verbunden. Darüber hinaus kann die integrierte Schaltung mit Mitteln versehen sein, um eine elektrische Stromquelle und/oder einen Verbraucher anzuschließen. Bei einer Ausführungsform ist die integrierte Schaltung in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet und mit den Verbindungsmitteln auf der integrierten Schaltung z. B. durch Drahtanschlüsse oder Flip-Chip-Verbindungen, elektrisch mit einem Ende der Verbindungsleitungen gekoppelt, welche auf der Oberfläche angeordnet sind oder sich aus dem einbettenden Material erstrecken. Die Verbindungsleitungen stellen eine elektrische Verbindung mit den Vorrichtungen bereit, welche außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten mit dem Transistor Q1, dem Widerstand R9 und der elektronischen Schaltvorrichtung 20, welche auf einer integrierten Schaltung zusammengebaut sind, implementiert. Die Kapazität C2, der Taster S1, die elektrische Stromquelle 11 und der Verbraucher R5 sind dann über Verbindungsmittel mit der integrierten Schaltung verbunden, welche auf der integrierten Schaltung vorhanden sind. Der Taster S1 und die Kapazität C2 sind in Reihe verbunden, so dass, wenn der Taster betätigt wird, die Kapazität C2 mit dem Aktivierungseingang 4 der elektronischen Schaltvorrichtung gekoppelt ist. Da in diesem Fall der Widerstand R9 innerhalb des ICs angeordnet ist, wird die Ansteuerzeit der sich ergebenden Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten eingestellt, indem der Wert der außerhalb angeordneten Kapazität C2 verändert wird.
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Zusätzlich zu dem vorab Ausgeführten kann die zusammengebaute integrierte Schaltung auch mit Verbindungsmitteln versehen sein, welche ermöglichen, dass die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten aus der Ferne über die elektronische Einrichtung 17 oder ein abgesetztes System 27 ein- oder ausgeschaltet wird. Bei einer Ausführungsform sind die Verbindungsmittel mit der elektronischen Schaltvorrichtung bei den Signaleingangskontakten 16 oder 24 gekoppelt, so dass die elektronische Schaltvorrichtung und damit die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten selektiv aus der Ferne ein- oder ausgeschaltet werden kann. Daher hat ein Benutzer der integrierten Schaltung die Option entweder einen Taster oder ein abgesetztes System in Kombination mit der integrierten Schaltung zu verwenden.
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Da der Taster zu seiner normalen offenen Stellung zurückkehrt, wenn er freigegeben wird, ist er herkömmlicherweise mit einem Relais oder einem Microcontroller implementiert, welcher eine fortgesetzte Stromzufuhr zu dem Verbraucher sicherstellt, auch wenn der Schalter freigegeben ist. Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung bildet ein Taster
520 zusammen mit einer integrierten Schaltung
510 eine Baueinheit, um eine Schaltstruktur
500 herzustellen, welche in
10 dargestellt ist. Die integrierte Schaltung umfasst einige oder alle der Komponenten einer Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten (außer dem Taster), welche zur Steuerung der Zufuhr von elektrischem Strom von einer elektrischen Stromquelle zu einem Verbraucher verwendet werden. Der Taster
520 ist elektrisch mit der integrierten Schaltung über Verbindungsmittel gekoppelt, welche auf der integrierten Schaltung
510 vorhanden sind, wodurch ein unabhängiger Taster bereitgestellt wird, welcher in der Lage ist, in einen Zustand ”ein” ohne die Hilfe eines Relais oder eines Mikrocontrollers zu halten. Beispiele von Schaltungen zum Ein- bzw. Ausschalten, welche anwendbar sind, umfassen sowohl die Ausführungsformen, welche die vorliegende Erfindung umfasst, als auch diejenigen unserer vorherigen PCT-Anmeldung
PCT/SG99/00084 . Die Vermeidung eines Microcontrollers verringert vorteilhafterweise auch den Stromverbrauch in dem Zustand ”aus”, da die Ausführungsformen der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten sowohl der vorliegenden Erfindung als auch diejenigen der PCT-Anmeldung
PCT/SG99/00084 keine aktive Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten erfordern, um einen Schaltpuls, welcher erzeugt wird, indem der Taster betätigt wird, zu erfassen.
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Die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten, welche in
1 bis
9 beschrieben ist, umfasst ein Ladungsspeicherelement, welches die beiden Funktionen durchführt, die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten ein- und auszuschalten, während bei der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten der
PCT/SG99/00084 separate Module erforderlich sind. Genauer wird bei der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten der
PCT/SG99/00084 eine Pulserzeugungsvorrichtung, welche eine Kapazität und einen Widerstand, welche parallel geschaltet sind, umfasst, verwendet, um die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten einzuschalten, während eine Ladungsspeichervorrichtung, welche eine Kapazität umfasst, verwendet wird, um die Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten auszuschalten. Vorzugsweise wird der Stromzufuhrschalter Q1 und die elektrische Schaltvorrichtung
20, welche beiden Schaltungen zum Ein- und Ausschalten gemein sind, auf der integrierten Schaltung
510 der Schaltstruktur
500 zusammengebaut. Die Kombination des Stromzufuhrschalters Q1 und der elektronischen Schaltvorrichtung
20 bilden einen elektronischen Latch-Schalter, welcher zwischen einer leitenden und einer nicht leitenden Betriebsart abhängig von einer Aktivierung des Tasters schaltet. Indessen sind das Ladungsspeicherelement, die Ladungsspeichervorrichtung und zumindest ein Teil der Pulserzeugungsvorrichtung vorzugsweise außerhalb der Schaltstruktur
500 angeordnet, wobei Verbindungsmittel vorhanden sind, um sie mit der integrierten Schaltung zu verbinden. Bei einer Ausführungsform, wobei die Schaltstruktur
500 auf der Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten der
PCT/SG99/00084 basiert, ist die Pulserzeugungsvorrichtung derart angeordnet, dass der Widerstand auf der integrierten Schaltung
510 und die Kapazität außerhalb der Schaltstruktur angeordnet ist. Auf diese Weise bildet die Schaltstruktur
500 in Kombination mit den außen angekoppelten Komponenten eine Schaltung zum Ein- bzw. Ausschalten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die integrierte Schaltung 510, welche mit dem Taster 520 eine Baueinheit bildet, den ersten Transistor Q1, den Widerstand R9 und die elektronische Schaltvorrichtung 20 wie auch Mittel, um den Taster 520, eine Kapazität C2, eine elektrische Stromzufuhr 11 und einen Verbraucher R5 mit der integrierten Schaltung zu verbinden. Die integrierte Schaltung 510 ist auf einem Anschlussgehäuse („Lead Frame”) 530 mit den Verbindungen des Anschlussgehäuses 530 angebracht, welche für eine elektrische Verbindung zwischen der integrierten Schaltung 510 und den äußeren Vorrichtungen sorgen. Ein elektrisch isoliertes Gehäuse 540 bettet die integrierte Schaltung 510 ein, wobei der Taster 520 aus dem Gehäuse 540 ragt, so dass er durch eine Bedienperson von außen betätigt werden kann. Obwohl die Schaltstruktur 500, welche in 10 dargestellt ist, ein Anschlussgehäuse 530 einsetzt, sind andere Arten, das Substrat einzubetten, wie z. B. Substrate, welche an der Oberfläche montiert werden (SMD-Technik), auch geeignet.
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Eine integrierte Schaltung und eine Schaltstruktur, wie sie vorab beschrieben sind, können bei einem weiten Bereich von Anwendungen, wie z. B. bei Batterie betriebenen Vorrichtungen oder sogar im Zusammenhang mit einem Mikroprozessor eingesetzt werden, um den Stromverbrauch des Mikroprozessors in dem ausgeschalteten Zustand zu verringern.
