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Batteriebetriebenes elektronisches Gerät mit
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Sicherung der Spannungsversorgung für Teilfunktionen Gegenstand der
Erfindung ist ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät mit einem ersten Energieverbraucher,
der bei kontinuierlich geringer Stromaufnahme nur oberhalb einer vorgegebenen unteren
Grenzspannung exakt arbeitet, und wenigstens einem Energieverbraucher mit wesentlich
höherer Energieaufnahme, der zusätzlich einschaltbar ist.
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Die Anspruche hinsichtlich der Belastbarkeit einer Batterie sind relativ
gering, wenn es im wesentlichen nur um die Programmerhaltung bzw. Datenspeicherung
von mikroelektronischen Bausteinen geht. Elektronische Bausteine dieser Art sind
beispielsweise die integrierten Schaltkreise moderner Quarzuhren, deren Stromverbrauch
verhältnismäßig gering ist. Eine erschwerte Situation der Energieversorgung liegt
jedoch vor, falls an den elektronischen Schaltkreis Einrichtungen angeschlossen
sind, deren Aktivierung deutlich über dem Stromverbrauch der Basisfunktionen des
Scheltkreises liegende Stromstärken erfordert. Unter Basisfunktionen seien nachfolgend
Programm- und Datenspeicherung sowie Steuer- und Kontrollfunktionen verstanden,
während Einrichtungen mit erhöhtem Stromverbrauch im folgenden als Zusatzfunktionen
bezeichnet sind.
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Zusstzfunktionen im Falle einer elektronischen Armbanduhr stellen
zum Beispiel die Beleuchtung oder die Weckeinrichtung der. Die Ströme bzw. Stromimpulse
dieser Zusatzeinrichtungen liegen um mehr als den Faktor 104 höher als die der Basisfunktionen,
wie z.B. die Zeit- und Datumsanzeige. Da der Batterieinnenwiderstand gegen Entladeende
der Batterie ansteigt, er-
folgt ein zunehmend starker Spannungseinbruch
der Batterie, so daß schließlich die untere, für die Basisfunktion erforderliche
Grenzspannung unterschritten wird. Bei elektronischen Uhren mit einer Versorgungsspannung
von 1,5 Volt liegt diese beispielsweise zwischen 0,9 Volt und 1,1 Volt. Unterhalb
dieser Spannung ist die Programmierung und Datenspeicherung des elektronischen Schaltkreises
gestört, während die Zusatzfunktionen weitgehend entfallen.
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Aus der DE-OS 28 31 529 ist es zwar bekannt, ein batteriebetriebenes
elektronisches System mit biarneinrichtungen zur Spannungskontrolle bei entladener
Batterie zu versehen, doch ist dieser Druckschrift eine gesteuerte Abschaltung von
Zusatzfunktionen unter Beibehaltung der Basisfunktion nicht zu entnehmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, trotz weitgehender Entladung die Restkapszität
der Batterie sinnvoll auszunutzen und den Anwender über den Entladezustand zu informieren.
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Die Auf gabe wird dadurch gelost, daß das Gerät eine Schaltungsanordnung
besitzt, welche bei Erreichen der vorgegebenen unteren Grenzspannung zusätzliche
Energieverbraucher abschaltet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind zusätzliche Energieverbraucher
nur bei Überschreiten einer vorgegebenen höheren Mindestspannung einschaltbar.
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Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung snhand der Figuren 1
bis 4 näher erläutert. Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der erste Energieverbraucher
und Zusatzverbraucher aus der gleichen Spannungsquelle gespeist werden. Figur 2
zeigt eine Stromversorgung mit Teilspannungen. In Figur 3 ist eine Schaltungsanordnung
fUr eine elektrische Uhr dargestellt, während Figur 4 den Verlauf der Batteriespannung
über
der Zeit beschreibt.
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Gemäß Figur 1 besteht der elektrische Schaltkreis im wesentlichen
aus der Batterie 1, dem ersten Energieverbraucher 2, der Ausgabevorrichtung 3 sowie
dem Zusatzverbraucher 4. Der erste Energieverbraucher 2 nimmt die wesentlichen Teilfunktionen
des Gerätes wahr. Im folgenden wird der erste Energieverbraucher auch als Basiaverbraucher
bezeichnet. Parallel zum Basiaverraucher 2 ist der Eingang eines Diskriminators
5 geschaltet, der zwei Ausgänge besitzt. Ein Ausgang des Diskriminators ist mit
dem Eingang eines steuerbaren Schalters 6 verbunden, über den ein oder mehrere Zusatzverbraucher
4 an die Batterie 1 angeschlossen werden können. Der Diskriminator besitzt einen
unteren Schwellwert, der der unteren Grenzspannung UG der Schaltungsanordnung entspricht
und einen oberen SchweLlwert, der einer Mindestapannung UM für den oder die Zusatzverbraucher
entspricht. Bei Erreichen der Grenzspannung UG wird der steuerbare Schalter 6 geöffnet,
während er'bei Erreichen der Mindestspannung UM geschlossen wird. Zwischen dem steuerbaren
Schalter 6 und dem Zusatzverbraucher 4 ist der Betätigungsschalter 7 für die Zusatzfunktion
angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, den Betätigungsschalter 7 durch einen elektronischen
Schalter im Basisverbraucher 2 zu ersetzen.
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Solange Schalter 7 geschlossen ist, kann der Zusatzverbraucher bis
zum Erreichen der unteren Grenzspannung YG über den steuerbaren Schalter 6 versorgt
werden. Bei Erreichen der unteren Grenzapannung UG wird vom Diskriminator 5 der
Schalter 6 so angesteuert, daß er anschließend geöffnet wird. Falls sich die Batterie
nach einer bestimmten Zeitspanne erholt hat, ist es durchaus möglich, die Energieversorgung
für die Zusatzfunktion wieder aufzunehmen. Eine Reaktivierung der Zusatzfunktion
ist allerdings erst nach Erreichen der Mindestepannung UM möglich. Der Spannungsverlauf
ist zu dem in Figur 4 dargestellten Diagramm näher erläutert.
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Falls der Ausfall der Zusatzfunktionen nicht ohne weiteres erkennbar
ist, kann beispielsweise die Ausgabe- bzw. Anzeigevorrichtung 3 vom Diskriminator
5 so angesteuert werden, daß das Fehlverhalten sofort erkennbar ist.
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Eine beispielsweise Anwendung dieser Schaltungsanordnung ist bei einem
Radiorekorder möglich, dessen Laufwerk eine verhältnismäßig hohe Energieaufnahme
benötigt. Hieraus kann sich ein frühzeitiger Abfall der Batteriespannung ergeben,
die einen Ausfall der Motorfunktion zur Folge hat; somit ist keinerlei Nutzfunktion
zu erzielen. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, durch Abschalten des Motors als
Züsatzfunktion die Restenergie noch zum Empfängerbetrieb zu benutzen.
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Gemäß Figur 2 kann die elektrische Stromversorgung aus zwei Batterieteilen
bestehen, von denen eine Teilbatterie 10 lediglich den Basisverbraucher 2 mit Ausgabeeinheit
3 und Diskriminator 5 versorgt, Während die Zusatzverbraucher 4 über den steuerbaren
Schalter 6 von der anderen Teilbatterie 11 bzw.
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von der Gesamtbatterie 10,11 gespeist werden. Auch hier werden bei
Gefährdung der Funktionen des Basisverbrauchers 2 die Zusatzverbraucher 4 Uber den
steuerbaren Schalter 6 abgetrennt.
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Beispielsweise könnte eine derartige Schaltungsanordnung in einem
durch Funkfernsteuerung gelenkten Fahrzeug mit Batterieantrieb eingesetzt werden.
Es ist jedoch auch moglich, einen von einem anderen Energiewandler gespeisten Antrieb
- beispielsweise Verbrennungsmotor - abzuschalten, sobald die Basisfunktion - d.h.
die Steuerbarkeit - infolge des Entladezustandes der Batterie gefährdet ist.
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Auch könnte das Glockenwerk einer Elektrouhr als Zusatzverbraucher
abgeschaltet werden, während das eigentliche Uhrwerk als Basisverbraucher weiterhin
von der Batterie versorgt wird.
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In Figur 3 ist die Schaltungsanordnung einer elektrischen Uhr dargestellt.
Gemäß Figur 3 besteht der aus der Batterie 1 zu versorgende Basisstromkreis aus
dem Uhrwerk 2, der Anzeige 3 und dem Diskriminator 5. Als Uhrwerk wird vorzugsweise
ein integrierter Schaltkreis eingesetzt; die Anzeige 3 besteht aus Flüssigkristallen
oder einer Analoganzeige. Als steuerbarer Schalter 6 ist ein MOS-Feldeffekt-Transistor
vorgesehen. Über diesen Schalter 6 sind die Zusatzverbraucher 40 und 41 mit der
Batterie verbunden. Der Verbraucher 40 stellt eine Lampe zur Beleuchtung der Anzeige
3 dar; er wird über Betätigungsschalter 7 eingeschaltet. Als zweiter Zusatzverbrsucher
41 ist eine Weckeinrichtung vorgesehen, deren Betätigungsschalter jedoch einen Bestandteil
des Uhrwerks bildet und daher nicht als eigenes Schaltelement dargestellt ist.
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Sobeld nun bei Betätigung des Schalters 7 oder bei Einschalten der
Weckeinrichtung 41 die Batteriespannung den unteren Schwellwert UG des Diskriminators
5 erreicht, wird durch den Diskriminator der Feldeffekt-Transistor abgeschaltet
und somit die Stromversorgung der Zusatzverbraucher 40,41 unterbrochen.
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Gleichzeitig wird vom Diskriminator an die logischen VerknUpfungaschaltungen
8 und 9 ein Signal gelegt, welches durch Verknüpfung mit einem intermittierenden
Signal vom Uhrwerk 2 eine intervallartige Unterbrechung der Zeitanzeige 3 bewirkt.
Der Benutzer ist somit uber den Entlade zustand der Batterie informiert.
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Falls sich nun die Batterie wieder erholt hat und die Klemmenspannung
den oberen Schwellwert des Diskriminators UM erreicht, wird vom Diskriminator wieder
ein Steuersignal an diesen Schalttransistor 6 gegeben. Die Zusatzverbraucher sind
damit aktiviert und wiederum benutzbar.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, bei Unterschreiten
des oberen Schwellwertes UM lediglich die Minutenanzeige
intermittierend
zu betreiben, während bei Erreichen des unteren Schwellwertes UG die gesamte Zeitanzeige
- beispielsweise im Sekundenrhytmus - flackert.
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In Figur 4 ist der Spannungsverlauf einer Batterie schematisch dargestellt,
mit der ein Elektronikbaustein versorgt wird, der neben Basisfunktionen mit niedrigem
Stromverbrauch auch Zusatzfunktionen mit hohem Stromverbrauch enthält. Der gestrichelte
Spannungszeitverlauf UB ergibt sich, wenn nur die Basisfunktionen mit niedrigem
Stromverbrauch versorgt werden. Die schraffiert dargestellten Spannungseinbruchsprofile
A, B und C sind dagegen bei Betätigung der Zusatzfunktionen mit hohem Stromverbrauch
zu erhalten. Figur 4 enthält zwei zeitunabhängige Spannungswerte. Mit UM ist die
Mindestspannung der Batterie bezeichnet, oberhalb der die Zusatzfunktionen aktivierbar
sind; UG bildet den unteren Spannungsgrenzwert, bei dessen Erreichen die Zusatzfunktionen
abgeschaltet werden. Dieser Wert liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,8 bis
2 V. Die Basisfunktionen bleiben im Spannungsbereich UB W U BUG voll bestehen. Die
unterschiedlichen Spannungs/Zeit-Profile A, B und C bei Aktivierung der Zusatzfunktionen
ergeben sich aus dem Innenwiderstand der Batterie, der mit zunehmender Entladung
zunimmt.
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Spannungsprofil A: Die Batterie ist erst am Anfang der Entladung.
Ihr Innenwiderstand ist relativ klein. Bei Aktivierung der Zusatzfunktionen mit
einem Strom von beispielsweise 200/uA während der Zeit t1 bis t2 ist der Spannungsbereich
relativ klein. Das Spannungsminimum zur Zeit t2 ist positiver als UM. Die Zusatzfunktionen
sind einwandfrei aktivierbar. In der Zeit t2 bis t3 hat sich die Batteriespannung
voll auf den Wert UB erholt.
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Spannunqaprofil B: Bedingt durch die fortschreitende Entladung (t3<t4)
ist der Batterieinnenwiderstand gestiegen. Bei Belastung mit dem Strom für die Zusatzfunktionen
in der Zeit t4 bis t unterschreitet die Batteriespannung den Wert UM Der Minimalwert
bei t5 ist jedoch noch positiver als UG. Die Zusatzfunktionen können in der Zeit
t4 bis t5 noch einwandfrei betrieben werden. Eine Reaktivierung der Zusatzfunktionen
kann jedoch erst nach Erreichen der Minimalapannung UM erfolgen, d.h. zum Zeitpunkt
t6.
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Die Erholung der Batteriespannung auf den Wert UB erfolgt während
der Zeit t5 bis t7.
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Spannunusprofil C: Gegen Ende der Entladung zeigt die Batterie einen
besonders hohen Innenwiderstand. Bei Betätigung der Zusetzfunktionen zum Zeitpunkt
t8 bricht die Batteriespannung besonders schnell zusammen und erreicht zum Zeitpunkt
tg bereits den unteren noch zulässigen Spannungswert UG. Diese Situation bewirkt
ein automatisches Abschalten der Zusatzfunktion. Der Betrieb der Besisfunktion erfordert
nur noch einen Strom von maximal 20/uA.
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Nach tg erholt sich die Batteriespannung. Sofern sie nochmals den
Wert UM zum Zeitpunkt t10 erreicht (punktierte Kurve),kann eine Aktivierung grundsätzlich
nochmals erfolgen. Bleibt hingegen die Batteriespannung unterhalb von UM, ist eine
Reaktivierung nicht mehr mit der gleichen, Batterie möglich. Der hotwendige Batteriewechael
kann durch eine entsprechende Anzeige dem Benutzer mitgeteilt werden. FUr diesen
steht mindestens die Zeit t11 bis t12 zur VerfUgung. Erst nach t12 (UBU(3) ist auch
das Programm bzw. die Datenspeicherung des Elektronikbausteins gefährdet.
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