DE2555541C3 - Netz-Batterie-Umschaltung für elektronische Geräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für einen von einer Batterie oder von einem Wechselstromnetz über einen Gleichrichter gespeisten Gleichstromverbraucher eines elektronischen Gerätes unter Verwendung von zwei Schalttransistoren, von denen der Steuertransisior über ein Netzwerk vom Netz und der Leistungstransistor, der mit seiner Leistungsstrecke an die Batterie und an den Verbraucher geschaltet ist, vom Steuertransistor angesteuert wird. Das Bedürfnis für die Erfindung besteht insbesondere bei elektronischen Uhren, die wahlweise am Netz oder an einer Batterie betrieben werden und bei denen ein unterbrechungsfreier Übergang zwischen den Versorgungsarten gewährleistet sein muß, damit keine in der Uhr gespeicherten Daten verlorengehen.

Es ist bekannt, für die automatische Netz-Batterie-Umschaltung Relaisschaltungen einzusetzen. Mit diesen Schaltungen ist jedoch ein unterbrechungsfreier Übergang zwischen den Versorgungsarten nicht zu erreichen. Zudem arbeiten solche Schaltungen nicht geräuschlos und weisen einen erheblichen Eigenverbrauch auf.

Ferner sind Schaltungen mit einer Rückstromdiode im Batteriestromkreis bekannt. Als Nachteil ist anzusehen, daß die Batteriespannung wesentlich kleiner als die Verbraucherspannung sein muß, damit die Batterie bei Netzunterspannung nicht entladen wird. Damit ergibt sich aber ein großer Spannungssprung für die Verbraucherspannung beim Umschalten der Netzspannung auf die Batteriespannung.

Aus der DE-AS 20 31 744 ist eine Stromversorgungsschaltung für einen von einer Batterie oder von einem Wechselstromnetz über einen Netzgleichrichter gespeisten Gleichstromverbraucher eines elektronischen Gerätes unter Verwendung von zwei Schalttransistoren, einem Steuertransistor und einem Leistungstransistor, bekannt. Dabei liegt der Leistungstransistor mit einer Elektrode an der Batterie und mit der anderen Elektrode am Verbraucher. Die Ansteuerung des Steuertransistors erfolgt über ein Netzwerk vom Netz, während der Leistungstransistor vom Steuertransistor angesteuert wird. Diese Schaltung hat den Nachteil, daß die Schalttransistoren in einer gewissen Unsicherheitsphase arbeiten, die bewirkt, daß der Wechsel der Versorgungsarten nicht unbedingt vollständig übergangsfrei ist. Dies hängt damit zusammen, daß beim Wechsel von Netzstromversorgung und Netzstromunterbrechung die Schalttransistoren nicht absolut sicher sperren bzw. durchschalten. Ferner hat die bekannte Schaltung den Nachteil, daß das Verhältnis zwischen Batterie- und Netzversorgungsspannung nicht beliebig •sein kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Stromversorgungsschaltung der eingangs erwähnten Art einen

schnellen, absolut übergangsfreien Wechsel der Versorgungsarten zu schaffen sowie die Wahl eines nahezu beliebigen Verhältnisses zwischen Batterie- und Netzversorgungsspannung zu gewährleisten. Di&ie Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wechselstromanschluß der Netzgleichrichterdiode über das einen Kondensator enthaltende Netzwerk, das als Eingangsstufe eine Steuergleichrichterdiode aufweist, durch deren Polarität bei Netzbetrieb die beiden ?ls BatterieschaKsystem dienenden Schalttransistoren gesperrt sind, an den Steuertransistor angeschlossen ist, und daß durch die Bemessung des Kondensators die beiden Schalttransistoren bei Netzstromunterbrechung durchschalten. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran- '⁵ sprächen gekennzeichnet

Bei der Erfindung kommt es darauf an, daß das am Wechselstromanschluß der Netzgleichrichterdiode liegende Netzwerk eine Diode und einen Kondensator enthält und das beireffende Netzwerk so ausgebildet und dimensioniert ist, daß bei Netzstromversorgung eine Sperrung des Steuertransistors und bei Netzstromunterbrechung eine Durchschaltung des Steuertransistors mit Sicherheit eintritt Damit die Steuerspannung mit Sicherheit weg ist, wenn das Netz ausfällt, und bei Unterbrechung der Netzstromversorgung mit Sicherheit die Schalttransistoren leitend geschaltet werden, ist eine bestimmte Polung der Steuergleichrichterdiode sowie eine bestimmte Bemessung des im Netzwerk enthaltenden Kondensators erforderlich. Ausbildung und Dimensionierung des Netzwerkes sind dabei vom Leitungstyp der Schalttransistoren sowie vom übrigen Aufbau der Stromversorgungsschaltung abhängig. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Die Schaltung nach der Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert aus der besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele ersichtlich sind. Es zeigt

Fi g. 1 eine Ausführungsform der Netz-Batterie-Umschaltung nach der Erfindung und

F i g. 2 eine andere Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 1.

Bei den Schaltungen nach F i g. 1 und 2 ist als Beispiel die Netz-Batterie-Umschaltung für elektronische Uhren gewählt. Außerdem sind nur diejenigen Schaltelemente der Netz-Batterie-Umschaltung wiedergegeben, die zum Verständnis der Erfindung notwendig sind.

Aus dem Transformator 1 erfolgt die Netzstromversorgung der elektronischen Uhr (Punkt 2) mit Gleichrichter 3 und Siebkondensator 4. Bei Netzstrom-Versorgung liegt somit am Siebkondensator 4 und an dem damit verbundenen Widerstand 5 Spannung vom Netz. Zugleich liegt bei Netzstromversorgung über einen zum Gleichrichter 3 entgegengesetzt geschalteten Gleichrichter 6, einen Widerstand 7, einen zweiten Kondensator 8 und einen Widerstand 9 an einem Widerstand 10 eine der Spannung am Kondensator 4 entgegengesetzt gepolte Spannung vom Netz. Die Widerstände 5 und 10 bilden einen Spannungsteiler, von dem Spannung für die Basis eines ersten Transistors 11 abgenommen ist, der zur Ansteuerung der Basis eines zweiten Transistors 12 dient. Die Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors 12 ist in Serie mit der Batterie 13 und dem Verbraucher (Punkt 2) geschaltet, während seine Basis einerseits über einen hochohmigen Widerstand 14 mit dem einen Pol der Batterie 13 und andererseits über einen Widerstand 15 mit der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors 11 verbunden ist Ferner sind Basis und Kollektor des zweiten Transistors 12 über eine Diode 16 verbunden.

Die Wirkungsweise der aus F i g. 1 ersichtlichen Schaltung besteht im Prinzip darin, daß die beiden Transistoren 11, 12 als elektronische Schalter in der Weise wirken, daß bei Netzstromversorgung der erste Transistor 11 den zweiten, in Serie mit der Batterie 13 geschaltete Transistor 12 sperrt und damit die Batterie von der Netzstromversorgung abtrennt, während bei Unterbrechung der Netzstromversorgung der erste Transistor 11 den zweiten Transistor 12 leitend schaltet und damit die Batterie zur Stromversorgung anschaltet Im einzelnen ergeben sich folgende Funktionen der Schaltung nach F i g. 1:

Liegt keine Netzspannung aus dem Transformator 1 an und ist die Batterie 13 angeschlossen, so ist der Siebkondensator 4 spannungslos. Dies hat zur Folge, daß die Transistoren 11,12 gesperrt sind und damit die Batterie nicht zur Stromversorgung angeschaltet ist Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß beim erstmaligen Einsetzen der Batterie 13 diese nicht an die Schaltung gelegt wird, falls der Betrieb der elektronischen Uhr erst für einen späteren Zeitpunkt geplant ist.

Liegt kurzzeitig über den Gleichrichter 3 am Siebkondensator 4 bei angeschlossener Batterie Spannung vom Netz, und fällt die Spannung danach wieder aus, so ist über die Widerstände 5,17 der Transistor 11 und über den Widerstand 15 auch der Transistor 12 leitend geschaltet. Auf diese Weise ist eine schnelle übergangsfreie Umschaltung zwischen den Versorgungsarten gewährleistet.

Da die Betriebsspannung immer am Siebkondensator 4 liegt, sind bei Netzausfall bzw. Netzstromunterbrechung die Transistoren 11,12 im leitenden Zustand und damit die Schaltung im Ein-Zustand gehalten. Auf diese Weise liefert der in der Netzstromversorgung enthaltene Siebkondensator 4 bei Unterbrechung der Netzstromversorgung stets die Schaltspannung zum Leitendschalten der Transistoren 11,12.

Sinkt die Spannung der Batterie 13, so verringert sich über den Spannungsteiler 5, 10 auch die Spannung für die Basis des ersten Transistors 11. Der Spannungsteiler 5,10 ist so bemessen, daß bei einer gewünschten unteren Abschaltspannung die Spannung an der Basis des Transistors 11 zum Leitendschalten nicht mehr ausreicht. Hierdurch sperren die Transistoren 11, 12 und trennen die Batterie ab. Auf diese Weise wird das Abschalten der Batterie bei Erreichen der untersten Betriebsspannung erreicht, die für die Gesamtschaltung noch sinnvoll ist, und damit ein Auslaufen der Batterie verhindert.

Entsteht im Betrieb ein Kurzschluß am Siebkondensator 4, so wird die Batterie gleichfalls abgeschaltet, wie ohne weiteres ersichtlich ist. Es besteht hierdurch gleichfalls ein wirksamer Auslaufschutz.

Um einen extrem geringen Spannungsabfall bei Versorgung aus der Batterie zu erzielen, ist der zweite Transistor 12 im leitenden Zustand voll durchgesteuert. Die Restspannung zwischen Kollektor und Emitter dieses Transistors ist dann minimal (ca. 100 mV).

Erfolgt über den Gleichrichter 3 die Versorgung aus dem Netz, so liegt über die Diode 6, den Kondensator 8 und den Widerstand 9 am Widerstand 10 eine der Spannung am Siebkondensator 4 entgegengesetzt gepolte Spannung an, die den Transistor 11 und damit den Transistor 12 sperrt. Die Batterie wird dadurch abgetrennt.
Fällt die Netzspannung aus, so soll die Spannung am

zweiten Kondensator 8 wesentlich schneller als am ersten Kondensator 4 sinken, so daß die höhere Spannung am ersten Kondensator die Transistoren 11, 12 leitend schaltet und damit die Batterie 13 zur Stromversorgung anschaltet. Zu diesem Zeck weist der zweite Kondensator 8 einen gegenüber dem ersten Kondensator 4 geringeren Kapazitätswert und damit eine kleinere Zeitkonstante auf. Für den Fall, daß die Verbraucherspannung größer als die Batteriespannung ist, kann durch inversen Betrieb des zweiten Transistors 12 ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen und Ladungsträger in die Basis-Emitter-Strecke injizieren. Der Transistor 12 wäre dann nicht mehr gesperrt, mit der Diode 16 zwischen Basis und Kollektor des Transistors 12 erfolgt aber ein Kurzschluß der Koliektor-Emitter-Strecke und damit die Sperrung im Inversbetrieb. Auf diese Weise wird der Vorteil erreicht, daß nur ein minimaler Rückstrom in die Batterie bei Netzbetrieb fließen kann. Damit ergibt sich der weitere Vorteil, daß nahezu ein beliebiges Verhältnis zwischen Batterie- und Netzversorgungsspannung auftreten kann, also die Verbraucherspannung größer, gleich oder kleiner als die Batteriespannung sein darf.

Der Widerstand 17 in der Basis-Zuleitung zum Transistor 11 dient zur Beseitigung eventuell auftretender hochfrequenter Schwingneigungen dieses Transistors. Ober den Schalter 18, der parallel zum Widerstand 10 geschaltet ist, läßt sich die Schaltung bei Batteriebetrieb in den Aus-Zustand bringen. Hierdurch ist eine einfache Abschaltmöglichkeit von Hand nach Trennung vom Netz wegen einer längeren Betriebspause gegeben. Die Bereitschaftsstellung der Schaltung stellt sich selbsttätig beim Wiederanschluß ans Netz ein. Mit dem gestrichelt eingezeichneten Widerstand 19 läßt sich auf Wunsch ein Regenerierstrom in die Batterie leiten.

Die aus Fig. 1 ersichtliche Schaltung hat besonders bei niedrigen Versorgungsspannungen Vorteile, da der Spannungsverlust bei Batteriebetrieb sehr klein ist. Die Schajtung arbeitet auch ohne Batterie bei Verzicht auf die Überbrückung von Netzausfällen. Die Polarität ist bei entsprechender Polung der Bauelemente und Auswahl der Halbleiterelemente beliebig wählbar.

Aus Fig.2 ist eine Abwandlung der Schaltung nach F i g. 1 ersichtlich, die für höhere Betriebsspannungen geeignet ist. Zur Unterdrückung des Inversbetriebes von Transistor 12 bei Netzstromversorgung und für den Fall, daß die Batteriespannung kleiner als die Verbraucherspannung ist, wird in vorteilhafter Weise eine Diode 20 in die Kollektorleitung des Transistors gelegt. Der Spannungsabfall bei Batteriebetrieb ist damit um die Schleusenspannung der Diode 20 größer. Am Punkt 21 liegt dann bei Netzstromversorgung auch bei angeschlossener Batterie 13 keine Spannung, da der Transistor 12 gesperrt ist. Am Punkt 21 tritt erst dann eine Spannung auf, wenn die Netzstromversorgung ausfällt und der Transistor 12 leitend geschaltet wird. Damit läßt sich eine Spannung am Widerstand 22 gewinnen, die vorzugsweise zum Abschalten einer Anzeige verwendet werden kann, um den Stromverbrauch einer elektrischen Uhr bei Batteriebetrieb zu senken. Häufig wird in diesem Falle ein batteriebetriebener Taktgenerator verwendet. Der Widerstand 22 stellt dann die Last des Taktgenerators für Batteriebetrieb dar. Die Schaltung nach F i g. 2 gewährleistet dann, daß der Taktgenerator mit Sicherheit erst bei Ausfall der Netzstromversorgung eingeschaltet wird. Im übrigen entsprechen Aufbau und Wirkungsweise dieser Schaltung der Schaltung nach F i g. 1, so daß auch die für höhere Betriebsspannungen geeignete Schaltung eine Batteriespannung liefert, die mit Sicherheit erst bei Netzausfall wirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Stromversorgungsschaltung für einen von einer Batterie oder von einem Wechselstromnetz über einen Netzgleichrichter gespeisten Gleichstromverbraucher eines elektronischen Gerätes unter Verwendung von zwei Schalttransistoren, von denen der Steuertransistor über ein Netzwerk vom Netz und der Leistungstransistor, der mit seiner Leistungsstrecke an die Batterie und an den Verbraucher geschaltet ist, vom Steuertransistor angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromanschluß der Netzgleichrichterdiode (3) über das einen Kondensator (8) enthaltende Netzwerk (8, 9), das als Eingangsstufe eine Steuergleichrichterdiode (6) aufweist, durch deren Polarität bei Netzbetrieb die beiden als Batterieschaltsystem dienenden Schalttransistoren (11, 12) gesperrt sind, an den Steuertransistor (11) angeschlossen ist, und daß durch die Bemessung des Kondensators die beiden Schalttransistoren bei Netzstromunterbrechung durchschalten.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromanschluß der Netzgleichrichterdiode (3) über die Serienschaltung der zur Netzgleichrichterdiode entgegengesetzt gepolten Steuergleichrichterdiode (6) und des ohmschen Widerstandes (9) eines flC-Gliedes (8, 9) an einen eingangsseitig mit einem Siebkondensator (4) der Gleichstromversorgung verbundenen Spannungsteiler (5, 10) des Steuertransistors (11) angeschlossen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuergleichrichterdiode (6) der Ladekondensator (8) des ßC-Gliedes (8, 9) geschaltet ist, der bei Netzstromversorgung eine der Spannung des Siebkondensators (4) entgegengesetzt gepolte Spannung aufweist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladekondensator (8) ,äur Bildung einer kleineren Zeitkonstante einen gegenüber dem Siebkondensator (4) geringeren Kapazitätswert aufweist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Leistungstransistors (12) an den Kollektor des Steuertransistors (11) angeschlossen ist, dessen Basis an einem Verbindungspunkt eines ohmschen Spannungsteilers (5, 10) liegt, der seine Spannung über den Siebkondensator (4) oder über beide Kondensatoren (4, 8) erhält, deren Spannungen entgegengesetzt gepolt sind, wobei bei Netzstromversorgung beide Kondensatoren vom Netz und bei Netzstromunterbrechung der Siebkondensator von der Batterie geladen werden.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Spannungsteiler (5,10) so bemessen ist, daß bei Batteriestromversorgung die Schalttransistoren (11, 12) sperren, wobei bei Absinken der Batteriespannung die Spannung am Siebkondensator (4) unter einen kritischen Schwellenwert sinkt.

7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors (12) geschaltete Gleichrichterdiode (16), die zur Sperrung des Inversbetriebes bei Netzstromversorgung dient.

8. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine in die Kollektorleitung des Leistungstransistors (12) geschaltete Gleichrichterdiode (20) zur Sperrung des Inversbetriebes bei Netzstromversorgung.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kollektorstrekke des Leistungstransistors (12) eine Last (22) zur Bildung eines Spannungsabfalles bei Netzstromunterbrechung geschaltet ist, der zum Abschalten einer Anzeige dient