DE19807907A1 - Verfahren und Schalung zur Überwachung und Vermeidung von Kurzschlüssen oder kurzschlußartigen Zuständen eines an eine Stromversorgung legbaren elektronischen Gerätes - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren sowie eine Schaltung zur Überwachung und Vermeidung von Kurzschlüssen oder kurzschlußartigen Zuständen eines an eine Stromversorgung (BAT) legbaren elektronischen Gerätes (GER), wobei nach Anschalten der Stromversorgung deren Spannung zunächst über einen Vorwiderstand (RVO) an das Gerät gelegt wird, die Versorgungsspannung geräteseitig überprüft wird und ein den Vorwiderstand überbrückender Schalter (SWI) erst dann geschlossen wird, wenn eine zur Überwachung der geräteseitigen Versorgungsspannung (UGE) und zur Abgabe eines Schließsignals (ssg) eingerichtete Überwachungsschaltung (UEW) dieses Schließsignal abgibt, falls die Spannung geräteseitig einen bestimmten Nennwert erreicht hat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung und Vermeidung von Kurzschlüssen oder kurzschlußartigen Zu­ ständen eines an eine Stromversorgung legbaren elektronischen Gerätes. In gleicher Weise bezieht sich die Erfindung auf ei­ ne diesbezügliche Schaltung.

Moderne elektronische Geräte, insbesondere portable Geräte, wie Schnurlostelefone oder Mobilfunkgeräte ("Handys") sind auf sehr leistungsvolle Batterien angewiesen, wobei im Zusam­ menhang mit dieser Erfindung der Begriff "Batterie" auch für aufladbare Akkumulatoren, beispielsweise NiCd- oder NiMH- Akkumulatoren verwendet wird. Andererseits können solche Ge­ räte auch an stationären Netzgeräten betrieben werden, so daß der Begriff "Stromversorgung" im Zusammenhang mit portablen und/oder stationären Geräten zu verstehen ist und Netzgeräte und/oder Batterien beinhaltet.

Leistungsfähige Batterien (oder Netzgeräte) bringen jedoch die Gefahr mit sich, daß im Falle einer Verpolung oder eines aus welchen Gründen immer auftretenden Kurzschlusses oder kurzschlußähnlichen Zustandes in dem Gerät der Batteriestrom sehr stark, gegebenenfalls bis zu dem sehr hohen Kurzschluß­ strom ansteigt und hierdurch manche Batterien oder Akkumula­ toren zufolge einer internen Gasentwicklung explodieren kön­ nen. Gleiches gilt für zur Siebung der Versorgungsspannung in dem Gerät eingesetzte Elektrolytkondensatoren, insbesondere Tantalkondensatoren, die bei zu hohen Strömen gleichfalls ex­ plosions- bzw. brandgefährdet sind.

Man versucht zwar in vielen Fällen durch mechanische Maßnah­ men ein falsch gepoltes Einsetzen von Batterien in solche Ge­ räte zu vermeiden, doch sind diese Maßnahmen nicht immer ab­ solut wirksam bzw. können durch Fehlbedienung ausgeschaltet werden. Darüberhinaus kann auch bei richtig gepolt eingesetz­ ten Batterien oder bei Betrieb an einem Netzgerät in dem Ge­ rät aus anderen Gründen ein Kurzschluß auftreten, der zu den genannten Gefahrenzuständen führt.

Um diese Gefahren zu vermeiden, ist es bekannt geworden, zwi­ schen Batterie und Stromversorgungsabschnitt des Gerätes eine Sicherung vorzusehen, die z. B. als SMD-Schmelzsicherung rea­ lisiert ist. Bei Verwendung der bereits erwähnten Tantalkon­ densatoren ist jedoch eine weitere Absicherung dieser Konden­ satoren notwendig, was beispielsweise durch zusätzliche Si­ cherungen erfolgen könnte. Probleme ergeben sich jedoch bei der Dimensionierung derartiger Sicherungen in Hinblick auf das Verhältnis ihres Auslösestromes und der beim Einschalten bzw. Einsetzen der Batterie erfolgenden Ladestromstöße. Davon abgesehen führt bereits ein einmaliges Verpolen der Batterie zu einem Durchschmelzen der Sicherungen und das Gerät muß dann zu einer Reparaturwerkstatt gebracht werden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, auf einfache Weise die ge­ nannten Probleme zu lösen, d. h. die Gefahr einer Zerstörung von Geräten oder Geräteteilen zu bannen.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Anschalten der Stromversorgung deren Spannung zunächst über einen Vorwider­ stand an das Gerät gelegt wird, die Versorgungsspannung gerä­ teseitig überprüft wird und ein den Vorwiderstand überbrüc­ kender Schalter erst dann geschlossen wird, wenn die Spannung geräteseitig einen bestimmten Nennwert erreicht hat.

Dank der erfindungsgemäßen Lösung kann der Strom zu dem Gerät nie größer werden, als er durch den Vorwiderstand begrenzt wird. Erst nachdem die Spannungsüberwachungsschaltung erkannt hat, daß die Spannung geräteseitig den bestimmten Nennwert erreicht hat, der im allgemeinen nur geringfügig unterhalb der Spannung der Stromversorgung liegen sollte, wird der ge­ steuerte Schalter, nunmehr ohne Gefahr eines kurzschlußarti­ gen Zustandes, durchgeschaltet. Weiters können beim Aufladen von z. B. Tantalkondensatoren keine gefährlichen Ladestrom­ spitzen auftreten. Im Gegensatz zu der Lösung mit Sicherungen ist die elektronische Lösung sicher, reversibel und oft auch kostengünstiger.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Versorgungsspannung an einem Elektrolytkondensator des Gerä­ tes überprüft. Dabei kann es sich, wie dies in der Praxis häufig anzutreffen ist, auch um eine Parallelschaltung mehre­ rer Elektrolytkondensatoren handeln. Allein aus Sicherheits­ gründen ist diese Überprüfung unmittelbar an einer kurz­ schlußgefährdeten Stelle zweckmäßig.

Bei einer vorteilhaften Variante wird der Schaltzustand des Schalters angezeigt, insbesondere optisch. Auf diese Weise kann der Benutzer des Gerätes sofort erkennen, ob ein Fehler­ zustand, z. B. eine verpolte Batterie, vorliegt. Es versteht sich, daß man dabei wahlweise entweder einen Zustand "in Ord­ nung" oder einen Zustand "Fehler", z. B. mit grünen oder roten Leuchtdioden anzeigen kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem nach der Erfindung in zumindest einer Zuleitung zwischen Stromversorgung und Stromversorgungsabschnitt des Gerätes ein Vorwiderstand gele­ gen ist, der Vorwiderstand von einem gesteuerten Schalter überbrückt ist und zur Ansteuerung des Schalters eine Überwa­ chungsschaltung vorgesehen ist, die zur Überwachung der gerä­ teseitigen Versorgungsspannung und zur Abgabe eines Schließ­ signales an den Schalter eingerichtet ist, wenn die Versor­ gungsspannung einen bestimmten Nennwert erreicht hat.

Die Vorteile dieser Schaltung entsprechen den bereits im Zu­ sammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten.

Bei einer Variante ist eine von der Überwachungsschaltung an­ gesteuerte optische Anzeige vorgesehen und bei einer weiteren Variante ist der Überwachungsschaltung die an einem Elektro­ lytkondensator liegende Versorgungsspannung zugeführt. Auch hier wurden die erzielbaren Vorteile bereits weiter oben ge­ nannt.

Es ist zweckmäßig, wenn der gesteuerte Schalter ein Transi­ stor, z. B. ein MOSFET-Transistor ist. Eine solche Ausfüh­ rungsform ist verhältnismäßig preisgünstig, doch schließt dies die Verwendung anderer Schalter, z. B. eines Relais, nicht aus.

Eine einfache, von der eigentlichen Geräteschaltung unabhän­ gig arbeitende Schaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Überwachungsschaltung einen Transistor aufweist, der mit sei­ nem Kollektor über einen Arbeitswiderstand an einem Pol der Batteriespannung und mit seinem Emitter an dem anderen Pol der Batteriespannung liegt, wobei in dem einen Zweig des Ba­ sisspannungsteilers auch der Vorwiderstand liegt.

Eine zweckmäßige Variante kann aber auch vorsehen, daß zumin­ dest Teile der Überwachungsschaltung in dem Gerät, z. B. in einem Mikroprozessor integriert sind. In vielen Fällen bieten sich nämlich zumindest Teile der eigentlichen Geräteschaltung für die Überwachung der Versorgungsspannung an.

Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen veranschaulicht, die in der Zeichnung näher erläutert sind. In dieser zeigen

Fig. 1 ein mögliches Prinzipschaltbild der Erfindung und

Fig. 2 die Schaltung einer anderen Ausführungsform unter Ver­ wendung zweier Transistoren.

Der in Fig. 1 dargestellte schematische Block soll ein Gerät GER symbolisieren, beispielsweise das Mobilteil eines Mobil­ funkgerätes oder Schnurlostelefons. In ein solches Gerät ist eine Batterie BAT einsetzbar, die eine Batteriespannung UBA besitzt, z. B. 2,2 bis 3 Volt. Der Stromversorgungsabschnitt GSV des Gerätes ist durch entsprechend dimensionierte Leitun­ gen und üblicherweise auch durch Siebkondensatoren repräsen­ tiert, die hier als Elektrolytkondensatoren EL1 und EL2 ein­ gezeichnet sind. Die Pfeile PF1 und PF2 zeigen, daß die posi­ tive bzw. negative Leitung weiter zu den eigentlichen Schal­ tungen des Gerätes GER führt.

Bei Einsetzen einer Batterie BAT wird diese über eine elek­ tromechanische Schnittstelle EMS an den Stromversorgungsab­ schnitt GSV des Gerätes angeschlossen. Nun kann ein Strom über einen Vorwiderstand RVO fließen, der in erster Linie die Elektrolytkondensatoren EL1 und EL2 auflädt und natürlich auch zu tatsächlichen Verbrauchern in dem Gerät fließt. Die Größe dieses Widerstandes RVO ist so gewählt, daß auch bei einem Kurzschluß in dem Gerät oder einem kurzschlußähnlichen Zustand, der beispielsweise durch falsche Polung der Batterie BAT in den Elektrolytkondensatoren EL1, EL2 auftreten kann, kein Strom fließt, der die Batterie BAT oder die Elektrolyt­ kondensatoren EL1, EL2 bzw. andere Teile des Gerätes gefähr­ det, wobei unter Gefährdung auch das Auftreten von Explosio­ nen in der Batterie BAT oder den Elektrolytkondensatoren EL1, EL2 und gegebenenfalls Bränden zu verstehen ist.

Zur Überwachung der Versorgungsspannung UGE des Gerätes ist eine Überwachungsschaltung UEW, hier repräsentiert durch ei­ nen Komparator, vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel wird die Spannung UGE mit einer Referenzspannung URE verglichen und die Überwachungsschaltung UEW gibt ein Schließsignal ssg an einen gesteuerten Schalter SWI ab, sobald die Versorgungs­ spannung UGE des Gerätes, hier die an den Elektrolytkondensa­ toren EL1, EL2 liegende Spannung, einen gewissen Wert er­ reicht hat, der in der Praxis sehr nahe an der Batteriespan­ nung UBA liegen soll. Der gesteuerte Schalter SWI überbrückt den Vorwiderstand RVO, sodaß an diesem kein Spannungsabfall mehr auftreten kann und der Stromversorgungsabschnitt des Ge­ rätes unmittelbar an der Batterie BAT liegt. Um für den Be­ nutzer den Schaltzustand des Schalters SW1 anzeigen zu kön­ nen, kann wie in Fig. 1 angedeutet, eine optische Anzeige ANZ, z. B. eine Glühlampe oder eine Leuchtdiode vorgesehen sein, die beispielsweise bei Schließen des Schalters SWI grün leuchtet. Alternativ kann mit einer solchen optischen Anzeige ANZ auch auf einen Fehlerzustand, beispielsweise auf einen offenen Schalter SWI bei eingesetzter Batterie BAT hingewie­ sen werden.

Anstelle einer in Fig. 1 gezeigten eigenen Spannungsüberwa­ chungsschaltung kann in vielen Fällen auch die interne Be­ schaltung des Gerätes GER zur Detektion der Versorgungsspan­ nung UGE und zur Ansteuerung des gesteuerten Schalters SWI herangezogen werden, insbesondere ein in den meisten elektro­ nischen Geräten enthaltener Mikroprozessor. Dabei erfolgt nach einer Analog/Digital-Wandlung eine softwaremäßige Reali­ sierung der Überwachungsschaltung.

Eine andere Möglichkeit einer Spannungsüberwachungsschaltung ist in Fig. 2 gezeigt, die, sofern es sich um gleiche Teile handelt, die gleichen Bezugszeichen wie Fig. 1 verwendet. Bei dieser Schaltung ist der gesteuerte Schalter als MOSFET- Transistor TR1 ausgeführt, welcher den Vorwiderstand RVO überbrückt. Zur Ansteuerung des Transistors TR1 ist ein wei­ terer Transistor, hier ein pnp-Tansistor TR2 vorgesehen, des­ sen Kollektor über einen Widerstand RE1 an dem negativen Pol der Batterie bzw. der elektromechanischen Schnittstelle EMS liegt und der unmittelbar mit dem Gate des Transistors TR1 verbunden ist. Der Emitter des Transistors TR2 liegt an dem positiven Pol der Versorgungsspannung, d. h. unmittelbar an den Elektrolytkondensatoren EL1, EL2 und die Basis des Tran­ sistors TR2 weist einen Basisspannungsteiler auf, der aus ei­ nem Widerstand RE2 besteht, der zwischen Basis und dem posi­ tiven Pol der Versorgungsspannung liegt, sowie aus einem Wi­ derstand RE3 zwischen Basis und negativem Pol der Versor­ gungsspannung UGE. In Serie mit diesem Widerstand RE3 des Ba­ sisspannungsteilers liegt zum negativen Pol der Batterie BAT der Vorwiderstand RVO. Um eine Vorstellung von der Größenord­ nung der Widerstände zu geben, seien beispielsweise folgende Werte genannt: RVO=47 Ohm, RE2=100 Kiloohm, RE3=270 Kiloohm. Nach Einlegen bzw. Anschalten einer Batterie fließt zunächst der Strom durch den Widerstand RVO, da der Transistorschalter TR1 aufgrund der fehlenden Ansteuerung noch gesperrt ist. Dieser Strom kann einen gewissen Höchstwert, der durch die Batteriespannung, z. B. 3 Volt und den Widerstand RVO bestimmt ist, nicht überschreiten. Dieser Strom, hier z. B. ca. 60 mA bei sonst intakter Schaltung des Gerätes GER die Elektrolyt­ kondensatoren EL1, EL2, z. B. Tantalkondensatoren, näherungs­ weise auf die angelegte Batteriespannung UBA aufladen. Über­ schreitet die Spannung an den Kondensatoren EL1 und EL2 die von der Spannungsüberwachung eingestellte Schwelle, hier ty­ pischerweise 2 Volt, dann wird auch ein Basisstrom in dem Transistor TR2 fließen und der Transistor TR1 angesteuert, der hierauf den Vorwiderstand RVO überbrückt. Der zwischen der Batterie BAT und der Stromversorgung GSV des Gerätes lie­ gende Serienwiderstand reduziert sich hier auf den Bahnwider­ stand des Transistors TR1, der bei einem MOSFET-Transistor z. B. 150 Milliohm betragen kann.

Im Fehlerfall, z. B. einem Kurzschluß, einem verpolten Tantal­ kondensator, einer fehlerhaften Bestückung etc. reicht der durch den Vorwiderstand RVO vorgegebene Strom nicht aus, um den Schwellwert der Spannungsüberwachungsschaltung zu errei­ chen und der Transistor TR1 bleibt auch weiterhin gesperrt, bis die Ursache behoben wird.

Die Erfindung bietet unter anderem den Vorteil, daß bei­ spielsweise beim Aufladen der Tantalkondensatoren EL1, EL2 keine unkontrollierten Stromspitzen auftreten können, die zu einer Zerstörung des Kondensators führen könnten. Falls, wie dies in Fig. 1 angezeigt ist, eine optische (oder sonstige) Anzeige vorgesehen ist, erkennt man sicher und ungefährlich die Verpolung der Tantalkondensatoren, da der Meßstrom nur sehr gering ist, ebenso Kurzschlüsse und Fehlbestückungen, die zu erhöhter Stromaufnahme führen können. Der äquivalente Serienwiderstand der Tantalkondensatoren wird nicht vergrö­ ßert, was auch bedeutet, daß bei Verwendung von Schaltnetz­ teilen für die Stromversorgung der Rippel konstant bleibt. Im Gegensatz dazu führt die Verwendung von Sicherungen vor den Elektrolytkondensatoren zu einer Erhöhung des tatsächlichen Serienwiderstandes in der Größenordnung von typischerweise 150 Milliohm und zu einer entsprechenden Verringerung der Siebwirkung. Die oben genannten Fehlerzustände führen auch nicht zu seitens des Benutzers nicht behebbaren Schäden, wie z. B. zum Durchschmelzen eingelöteter Sicherungen.

Wenngleich der gesteuerte Schalter SWI in Fig. 2 als Schalt­ transistor dargestellt ist, kann anstelle eines Transistors beispielsweise auch ein Relais Verwendung finden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Überwachung und Vermeidung von Kurzschlüssen oder kurzschlußartigen Zuständen eines an eine Stromversor­ gung (BAT) legbaren elektronischen Gerätes (GER), dadurch gekennzeichnet, daß nach Anschalten der Stromversorgung deren Spannung zu­ nächst über einen Vorwiderstand an das Gerät gelegt wird, die Versorgungsspannung geräteseitig überprüft wird ,und ein den Vorwiderstand überbrückender Schalter erst dann geschlossen wird, wenn die Spannung geräteseitig einen bestimmten Nenn­ wert erreicht hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung an einem Elektrolytkondensator des Gerätes überprüft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltzustand des Schalters angezeigt wird, insbesondere optisch.

4. Schaltung zur Überwachung und Vermeidung von Kurzschlüssen oder kurzschlußartigen Zuständen eines an eine Stromversor­ gung (BAT) legbaren elektronischen Gerätes (GER), dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einer Zuleitung zwischen Stromversorgung (BAT) und Stromversorgungsabschnitt (GSV) des Gerätes ein Vorwiderstand (RVO) gelegen ist, der Vorwiderstand von einem gesteuerten Schalter (SWI) überbrückt ist und zur Ansteuerung des Schalters eine Überwachungsschaltung (UEW) vorgesehen ist, die zur Überwachung der geräteseitigen Versorgungsspan­ nung (UGE) und zur Abgabe eines Schließsignales (ssg) an den Schalter eingerichtet ist, wenn die Versorgungsspannung einen bestimmten Nennwert (URE) erreicht hat.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Überwa­ chungsschaltung (UEW) angesteuerte optische Anzeige (ANZ) vorgesehen ist.

6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungsschal­ tung (UEW) die an einem Elektrolytkondensator (EL1, EL2) lie­ gende Versorgungsspannung (UGE) zugeführt ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Schal­ ter (SWI) ein Transistor, z. B. ein MOSFET-Transistor (TR1) ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschal­ tung einen Transistor (TR2) aufweist, der mit seinem Kollek­ tor über einen Arbeitswiderstand (RE1) an einem Pol der Ver­ sorgungsspannung (UBA) und mit seinem Emitter an dem anderen Pol der Versorgungsspannung liegt, wobei in dem einen Zweig des Basisspannungsteilers (RE2, RE3) auch der Vorwiderstand (RVO) liegt.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teile der Überwachungsschaltung in dem Gerät, z. B. in einem Mikropro­ zessor, integriert sind.