DE2814812A1 - Schaltungsanordnung zur speisung eines schaltkreises sowie eines von diesem impulsweise gesteuerten verbrauchers - Google Patents

Schaltungsanordnung zur speisung eines schaltkreises sowie eines von diesem impulsweise gesteuerten verbrauchers

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Description

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28U812
(LANDlS & GYR)
LGZ LANDlS & GYR ZUG AG CH-6301 ZUG. Schweiz
Schaltungsanordnung zur Speisung eines Schaltkreises sowie eines von diesem impulsweise gesteuerten Verbrauchers
PA 2Ο15
909839/0611
28U812
Schaltungsanordnung zur Speisung eines Schaltkreises sowie eines von diesem impulsweise gesteuerten Verbrauchers ·
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines Schaltkreises sowie eines von diesem impulsweise gesteuerten Verbrauchers mit einer aufladbaren Ni-Cd-Zelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 .
Es sind elektrisch angetriebene Uhren, insbesondere Schaltuhren für periodisch wiederkehrende Schaltaufgaben bekannt, in denen ein Impulsuntersetzer nach einer bestimmten Anzahl Schwingungen eines Quarzes einen Impuls an einen elektrischen Schrittmotor zur Betätigung eines Uhrwerkes abgibt. Ein integrierter Schaltkreis (im folgenden IC genannt) dient als Impulsuntersetzer. Dessen Speisespannung muss zur Sicherstellung seiner Funktionsfähigkeit in relativ engen Grenzen konstant gehalten werden. Bei hochohmiger Spannungsquelle bewirkt der Impuls für den Schrittmotor ein für den IC unzulässiges Absinken der Speisespannung.
Eine von einer Eingangsspannung her dauernd geladene Ni-Cd-Zelle, die beim Ausfall der Eingangsspannung den Betrieb der Uhr über mehrere Stunden aufrecht erhält, dient bei der bekannten Schaltungsanordnung als Gangreserve. Die Ni-Cd-Zelle speist ferner den IC und bildet mit ihrer nahezu lastunabhängigen Klemmenspannung von 1,1...1,6 V, je nach Ladezustand und Umgebungstemperatur, die Betriebsspannung des IC auch während der Stossbelastung durch den Schrittmotor. Eine weitere Massnahme zum Konstanthalten der Spannung für die Speisung des IC ist daher nicht nötig.
Eine solche Schaltung weist jedoch den Nachteil auf, dass bei defekter Ni-Cd-Zelle die Uhr auch beim Vorhandensein der Eingangsspannung nicht mehr weiter läuft: Bei einem Kurzschluss der Ni-Cd-Zelle bleibt die Uhr stehen und bei einem Unterbruch wird der IC durch Ueberspannung zerstört.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Betriebs fähigkeit des Schaltkreises sowohl bei einem Kurzschluss als auch bei einem Unterbruch der Ni-Cd-Zelle erhalten bleibt, wenigstens solange die Eingangsspannung noch vorhanden ist.
Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert:
Es zeigen: Fig. 1, 2 und 3 je ein Schaltschemata nach der
Erfindung.
In den nachfolgend beschriebenen Figuren sind für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. In allen drei Figuren dient als Verbraucher ein von einem IC 1 aus über einen Transistor 2 gesteuerter Schrittschaltmotor 3 zum Antrieb eines weiter nicht dargestellten Räderwerkes. Ein Netzwerk 4 mit einem Quarz 5 beeinflusst den IC 1.
Eine erste Versorgungsleitung 6 bildet das Grundpotential einer Eingangsspannung U , die übe
Versorgungsleitung 8 speist.
Eingangsspannung U , die über eine Eingangsdiode 7 eine zweite
Zwischen den Versorgungsleitungen 8 und 6 besteht die Reihenschaltung eines ersten Vorwiderstandes 9 mit einer Ni-Cd-Zelle 10, deren eine Klemme 11 am Vorwiderstand 9 angeschlossen ist. Ferner ist ein zweiter Vorwiderstand 12 zwischen die Versorgungsleitung 8 und den einen Speiseanschluss 13 des IC 1 geschaltet. Ein zweiter Speiseanschluss 14 ist mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 6 verbunden. Parallel zu den beiden Speiseanschlüssen 13 und 14 sind je eine Stabilisierungsdiode 15 und ein bei einem Ausfall der Ni-Cd-Zelle 1O die Spannung an den Speiseanschlüssen 13 und 14 während des nachfolgend beschriebenen im-
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pulsweiseh Betriebes des Schrittschaltmotors 3 auf einem Minimalwert haltender Pufferkondensator 16 geschaltet. Ferner bildet ausgehend von der Versorgungsleitung 8 ein dritter Vorwiderstand 17 eine Einspeisung zum Schrittschaltmotor 3, wobei der dritte Vorwiderstand 17, der Transistor 2 und der Schrittschaltmotor 3 eine zwischen die Versorgungsleitungen 8 und 6 geschaltete Reihenschaltung bilden.
Von der Klemme 11 der Ni-Cd-Zelle 1O aus bestehen je eine Zuleitung 18 und 19 über je eine vom Spannungspotential an der Klemme 11 gegenüber der gemeinsamen Versorgungsleitung 6 abhängige Schalteinrichtung zum Schrittschaltmotor 3 bzw. zum Speiseanschluss des IC 1.
Die Stabilisierungsdiode 15 dient der Begrenzung der Speisespannung für den IC 1 im Falle eines Unterbruches oder Kurzschlusses der Ni-Cd-Zelle 1O. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dafür eine GaAsP-Leuchtdiode zu verwenden, denn diese weisen in der Durchlassrichtung in ihrer Kennlinie im Bereich von 1,5...1,6 V einen ausgeprägten Knick auf. Ausserdem kann eine als Leuchtdiode ausgebildete Stabilisierungsdiode 15 gleichzeitig zur optischen Anzeige eines Unterbruches der Ni-Cd-Zelle 10 verwendet werden.
Die in der Zuleitung 19 zum Speiseanschluss 13 angeordnete Schalteinrichtung besteht aus der Kollektor-Emitterstrecke eines ersten Transistors 2O. Dessen Basis ist über die Reihenschaltung eines Widerstandes 21 und der Kollektor-Emitterstrecke eines zweiten Transistors 22 an die gemeinsame Versorgungsleitung 6 angeschlossen. Die Basis des Transistors 22 wird vom Spannungspotential an der Klemme 11 her beeinflusst und ist zu diesem Zweck mit einem Widerstand 23 mit der Klemme 11 verbunden.
Im Beispiel der Fig. 1 und 3 bestehen die in der Zuleitung 18 angeordneten Schalteinrichtungen aus den Emitter-Kollektorstrecken je eines dritten Transistors 24 bzw. 25. Die Zuleitung 18 ist an die Verbindung zwischen dem dritten Vorwiderstand 17 und dem Transistor 2 angeschlossen, ./.
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Im Beispiel der Fig. 2 dient als Schalteinrichtung in der Zuleitung 18 eine in der Stromflussrichtung der Ni-Cd-Zelle 10 leitende Diode 26, wobei die Zuleitung 18 an die Verbindung zwischen dem Vorwiderstand 17 und dem Schrittschaltmotor 3 angeschlossen ist.
Die Basisspannung des dritten Transistors 24 in der Fig. 1 wird vom Schaltzustand des zweiten Transistors 22 beeinflusst. Dazu ist die Basis des dritten Transistors 24 über einen Widerstand 27 mit dem Kollektor des zweiten Transistors 22 verbunden. In den Fig. 1 und 2 bildet ferner ein Widerstand 28 die Verbindung zwischen einem das Impulssignal liefernden Ausgang 29 des IC 1 und der Basis des Transistors 2.
Im Beispiel der Fig. 3 ist die Basis des dritten Transistors 25 über die Reihenschaltung eines Widerstandes 3O mit der Kollektor-Emitterstrecke eines vierten Transistors 31 mit dem Ausgang 29 verbunden. Die Basis des vierten Transistors 31 ist über einen Widerstand 32 an die Klemme 11 angeschlossen.
Im Beispiel der Fig. 3 befindet sich zwischen der Basis des Transistors 2 und dem Ausgang des IC 1 die Reihenschaltung eines Widerstandes 33 mit der Kollektor-Emitterstrecke eines fünften Transistors 34, dessen Basis über einen Widerstand 35 mit dem Speiseanschluss 13 des IC 1 verbunden ist.
Damit bei einem Ausfall der Ni-Cd-Zelle 1O für den impulsweisen Betrieb des Schrittmotors 3 genügend Energie zur Verfügung steht, dient ein zusätzlicher Pufferkondensator 36, der in den Beispielen der Fig. 2 und 3 der Reihenschaltung, bestehend aus der Ni-Cd-Zelle 1O und dem Vorwiderstand 9 parallel geschaltet ist, während er im Beispiel der Fig. 1 der Reihenschaltung bestehend aus dem Transistor 2 und dem Schrittschaltmotor 3 parallel geschaltet ist.
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Eine Uhr nach der Fig. 1 arbeitet wie folgt: Solange an den Speiseanschlüssen 13 und 14 eine Spannung von 1,1 bis 1,8 V vorhanden ist, liefert der Ausgang 29 des vom Quarz 5 gesteuerten IC 1 jede Sekunde einen Spannungsimpuls, der den Transistor 2 voll durchsteuert und damit den Schrittschaltmotor 3 über den dann ebenfalls leitenden Transistor 24 in den Stromkreis der Ni-Cd-Zelle 1O schaltet. Bei betriebsbereiter sowie bei unterbrochener Ni-Cd-Zelle 10 sind die Transistoren 20 und 24 dauernd leitend. Ein Kurzschluss der Ni-Cd-Zelle 1O bewirkt durch den Wegfall der Spannungsdifferenz zwischen der Klemme 11 und der Versorgungsleitung 6 ein Sperren des Transistors 22 und damit auch ein dauerndes Sperren der Transistoren 20 und 24. Die Zuleitungen 18 und 19 sind damit nicht mehr mit der jetzt am Potential der Versorgungsleitung 6 liegenden Klemme 11 verbunden. Der Transistor 22 ist nötig, weil sonst bei einem Kurzschluss der Ni-Cd-Zelle 10 infolge der zu hohen Kollektor-Basisspannung die Transistoren 2O und 24 invers leiten würden. Bei gesperrten Transistoren 20 und 24 erfolgt die IC-Speisung über den Vorwiderstand 12, wobei die Stabilisierungsdiode 15 die Spannung an den IC-Speiseanschlüssen 13 und 14 gegen oben begrenzt, während der Schrittschaltmotor 3 seine Spannung über den dritten Vorwiderstand 17 erhält. Letzterer lädt den Pufferkondensator 36 in den Impulspausen auf, der sich dann während des Impulses über den Transistor 2 und den Schrittschaltmotor 3 entlädt.
Die beschriebene Schaltungsanordnung erfordert gegenüber der bekannten Ausführung keine weiteren Anpassungen, so dass eine Uhr bekannter Ausführung ohne weiteres durch eine erfindungsgemässe ersetzt werden kann. Ferner weist die Schaltungsanordnung sowohl im Betrieb ab der Eingangsspannung Ue als auch bei Speisung ab , der Ni-Cd-Zelle einen relativ kleinen Strombedarf auf.
Uhren nach den Fig. 2 und 3 arbeiten ähnlich, wie dies für die Fig. 1 beschrieben ist. Die Anordnung des Pufferkondensators 36 zwischen den Versorgungsleitungen 6 und 8 ist gegenüber der Fig. in Bezug auf die mit der Alterung auftretenden Leckströme und
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Kapazitätsänderungen des Kondensators 36 günstiger: In der Fig. muss die Alterung bei der Dimensionierung des Vorwiderstandss 17 durch einen etwas erhöhten Stromfluss im Neuzustand berücksichtigt werden, und zwar sowohl beim Betrieb ab der Eingangsspcnnung Ue als auch ab der Ni-Cd-Zelle 10. In den Fig. 2 und 3 spielt eine Zunahme des Leckstromes eine kleinere Rolle, denn dieser wird von der Eingangsspannung Ue geliefert. Der Widerstand 17 kann somit nur für den tutsächlichen Strombedarf des Schrittschaltmotors 3 dimensioniert sein. Da ferner der Pufferkondensator 36 in den Fig. 2 und 3 an einem höheren Spannungspotential liegt als in der Fig. 1, kann dessen Kapazität bedeutend kleiner gewählt werden als bei der Anordnung nach Fig. 1.
Die Anordnung nach der Fig. 2 ist dank der billigen Diode 26 die kostengünstigste Lösung. Im Falle eines Kurzschlusses der Ni-Cd-Zelle 1O verhindert die Diode 26 einen Rückstrom von der Zuleitung 18 her zum Kurzschlusspfad. Im normalen Betrieb bedingt der Spannungsabfall von etwa 0,6 V über der Diode 26 eine kleinere Wirkspannung über dem Schrittschaltmotor und daher trotz des geringeren Strombedarfs für den Pufferkondensator 36 einen gesamthaft höheren Strombedarf als bei Fig. 1.
Der IC 1 hat an seinem Ausgang 29 bei Fig. 2 in den Impulspausen seinen Spannungstiefstwert und bei den Fig. 1 und 3 seinen Spannungshöchstwert. Damit im Zusammenhang steht auch die Anordnung des Schrittschaltmotors 3 zwischen dem Vorwiderstand 17 und dem Transistor 2 bei der Fig. 2 und zwischen dem Transistor 2 und der Versorgungsleitung 6 in den Fig. 1 und 3. In allen Fällen darf über der Basis-Emitterstrecke des Transistors 2 nur eine etwa dem Potential des IC-Ausganges entsprechende Spannung und nicht die etwa 10 mal grössere Eingangsspannung Ue erscheinen, da sonst der Transistor 2 nicht mehr sperren könnte. Bei einem Ausfall der Ni-Cd-Zelle 1O begrenzt in der Anordnung der Fig. 1 der für die Ladung des Kondensators 36 während den Impulspausen dimensionierte Widerstand 17 die über der Basis-Emitterstrecke des Transistors 2 anstehende Spannung.
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Die Funktionsweise der Anordnung nach der Fig. 3 unterscheidet sich gegenüber dem bereits Beschriebenen nur in der Verwendung .; der Transistoren 31 und 34. Während den Impulspausen hat der Ausgang 29 seinen Spannungshöchstwert. Ueber der Basis-Emitterstrecke des Transistors 31 liegt daher eine nur sehr kleine Spannung, so dass der Transistor 31 und damit auch der Transistor 25 in den Impulspausen sperren und während des Impulses leiten. Tritt ein Kurzschluss der Ni-Cd-Zelle 10 auf, dann ist die Basis des Transistors 31 mit der Zuleitung 6 verbunden und der Transistor 31 sperrt dauernd. Damit sperrt auch der Transistor 25 und trennt die Zuleitung 18 von der Klemme 11.
Der Transistor 31 ist nötig, weil sonst bei einem Kurzschluss der Ni-Cd-Zelle 10 und vorhandenem Ausgangsimpuls in Folge der zu hohen Kollektor-Basisspannung der Transistor 25 invers leiten würde.
Der Transistor 2 muss während den Impulspausen sperren, d.h. sein Emitter nimmt das Potential der Zuleitung 8, sein Kollektor dasjenige der Zuleitung 6 an. Da nun jedoch während den Impulspausen der Ausgang 29 höchstens das Potential des Speiseanschlusses 13 annimmt, könnte bei einer direkten Verbindung des Ausganges 29 mit der Basis des Transistors 2 der Transistor 2 nicht sperren. Der zusätzliche Transistor 34 kann hingegen während den Impulspausen eindeutig sperren, da dann zwischen seiner Basis und seinem Emitter praktisch keine Potentialdifferenz vorhanden ist. Bei gesperrtem Transistor 34 wird nun auch Transistor 2 gesperrt, da jetzt seine Basis auf das Potential der Zuleitung 8 ansteigt.
Die Fig. 3 stellt, dank der Anordnung des Kondensators 36 und dem gegenüber der Diode 6 der Fig. 2 geringen Spannungsabfall über dem Transistor 25, von den,drei Beispielen dasjenige mit dem kleinsten Strombedarf und daher mit der grössten Gangreserve dar. Dafür weist sie am meisten Komponenten auf, was aber bei Verwendung einer integrierten Schaltung von untergeordneter Bedeutung ist.
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Die für die Speisung einer Uhr beschriebene Schaltungsanordnung kann auch für andere Verbraucher, wie Taschenrechner, Blitzlichtgeräte, Speicher und anderes mehr Verwendung finden. Vor allem für die Notstromversorgung von Speichern auf dem Computersektor ist die Ausfallanzeige durch Leuchtdioden von entscheidendem Vorteil, indem defekte Zellen rechtzeitig erkannt werden können.
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Claims (9)

28U812 PATENTANSPRUECHE
1. Schaltungsanordnung zur Speisung eines Schaltkreises sowie eines von diesem impulsweise betätigten Schaltgliedes zur Steuerung eines Verbrauchers mit einer von einer Eingangsspannung über wenigstens eine Eingangsdiode und einen Vorwiderstand aufladbaren Ni-Cd-Zelle zum Aufrechterhalten des Betriebes des Schaltkreises und des Verbrauchers bei einem Ausfall der Eingangsspannung, wobei die stabile Klemmenspannung der Ni-Cd-Zelle gleichzeitig als Speisespannung für den Schaltkreis dient, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl in einer Zuleitung (18) von der einen Klemme (11) der Ni-Cd-Zelle (1O) zum Verbraucher (3) als auch in einer Zuleitung (19) von der Klemme (11) zum einen Speiseanschluss (13) des Schaltkreises (1) je eine vom Spannungspotential an der Klemme (11) gegenüber einer gemeinsamen Versorgungsleitung (6) abhängige Schalteinrichtung (24, 26, 25; 20) vorhanden ist, die beide bei kurzgeschlossener Ni-Cd-Zelle (1O) dauernd geöffnet sind, während bei betriebsberedter, sowie bei unterbrochener Ni-Cd-Zelle (1O) die Schalteinrichtung (2O) zur Speisung des Schaltkreises (1) dauernd leitend und die Schalteinrichtung (24, 26, 25) zur Speisung des Verbrauchers (3) mindestens impulsweise leitend ist.
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer von der Eingangsdiode (7) gespeisten Versorgungsleitung (8) und dem mit der Zuleitung (19) verbundenen Speiseanschluss (13) des Schaltkreises (1) ein weiterer Vorwiderstand (12) geschaltet ist, während ein zweiter Speiseanschluss (14) mit der gemeinsamen Versorgungsleitung (6) verbunden ist, und dass parallel zu den beiden Speiseanschlüssen (13, 14) je eine Stabilisierungsdiode (15) und ein Pufferkondensator (16) geschaltet sind und dass ferner von der Versorgungsleitung (8) aus ein dritter Vorwiderstand (17) eine Einspeisung zum Schaltglied (2) des Verbrauchers (3) bildet und ein zweiter Pufferkondensator (36) als Energiespeicher zur Unterstützung des impulsweisen Betriebes des Verbrauchers (3) angeordnet ist.
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3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Zuleitung (1°) zum Speiseanschluss (13) für den Schaltkreis (1) angeordnete Schalteinrichtung die Kollektor-Emittsrstrecke eines ersten Transistors (2θ) ist, dessen Basis über die Reihenschaltung eines Widerstandes (21) mit der Kollektor-Emitterstrecke eines zweiten, mit seiner Basis vom Spannungspotential an der Klemme (11) der Ni-Cd-Zelle (1O) her beeinflussbaren Transistors (22) an die gemeinsame Versorgungsleitung (6) angeschlossen ist.
4. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Zuleitung (18) zum Verbraucher (3) angeordnete Schalteinrichtung die Kollektor-Emitterstrecke eines dritten Transistors (24) ist, dessen Basisspannung vom Schaltzustand des zweiten Transistors (22) beeinflussbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Zuleitung (18) zum Verbraucher (3) angeordnete Schalteinrichtung eine in der Stromflussrichtung der Ni-Cd-Zelle (1O) leitende Diode (26) ist.
6. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Zuleitung (18) zum Verbraucher (3) angeordnete Schalteinrichtung die Kollektor-Emitterstrecke eines weiteren Transistors (25) ist, dessen Basis über die Reihenschaltung eines Widerstandes (3θ) mit der Kollektor-Emitterstrecke eines vierten Transistors (31) mit einem das Impulssignal liefern den Ausgang (29) des Schaltkreises (1) in Verbindung steht, während die Basis des vierten Transistors (31) über einen Widerstand (32) an die Klemme (11) der Ni-Cd-Zelle (10) angeschlossen ist, und dass ferner die Basis des mit seiner Kollektor-Emitterstrecke als Schaltglied im Stromkreis des Verbrauchers (3) angeordneten Transistors (2) über die Reihenschaltung eines Widerstandes (33) mit der Kollektor-Emitterstrecke eines fünften Transistors (34) mit dem den Impuls liefernden Ausgang (29) des Schaltkreises (1) verbunden ist, und ein Widerstand (35) eine Verbindung zwischen
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der Basis des fünften Transistors (34) und dem mit der Zuleitung (19) verbundenen Speiseanschluss (13) des Schaltkreises (1) bildet.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferkondensator (36) der Reihenschaltung der Ni-Cd-Zelle (1O) und dem ersten Vorwiderstand (9) parallel geschaltet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferkondensator (36) der Reihenschaltung, bestehend aus dem als Schaltglied zur Steuerung des Verbrauchers dienenden Transistor (2) und dem Verbraucher (3) parallel geschaltet ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsdiode (15) eine GaAsP-Leuchtdiode ist.
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