DE3534008A1 - Solare spannungsversorgungsschaltung - Google Patents

Description

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SoIare Spannungsversorgungsschaitung

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsschaitung für ein elektronisches Gerät, wie sie insbesondere als Sicherheitsschaltung zusammen mit einer Solarbatterie anwendbar

ist.

Eine bekannte solare Spannungsversorgungsschaitung weist ein hochintegriertes Bauteil (LSI), eine Solarbatterie, eine lichtemittierende Diode (LED), einen Widerstand R (etwa 10-50 KO'nn), einen Sicherheitskondensator (etwa 3,3-10 μ¥) und zwei soannungserhöhende Kondensatoren (etwa 0,047 - 0,1 fA F) auf. Die Vorwärtsspannung Vf oer LED beträgt etwa 1,3-1,5 V. Der Widerstand R und die LED bilden eine Konstantspannuncsschaltung. Der Sicherheitskondensator dient dazu, eine Fehlfunktion der LSI zu verhindern, wenn vorübergehend kein Licht auf die Solarzelle fällt und daher die Solarbatterie keine Spannung erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Spannungsversorguncsschaltung anzugeben, die ohne besonderen Sicherheitskondensator auskommt, um vorübergehenden Spannungsausfan von einer Primärbatterie zu überbrücken.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die spannungserhöhende Sekundärbatterie-Schaltung mehrere spannungerhöhende Kondensatoren aufweist. Der Ausgangskondensator der Schaltung wirkt zugleich als Sicherheitskondensator, um Spannungsausfall von der Primärbatterie zu überbrücken.

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Die Anwendung d.er Schaltung ist dann von besonderem Vorteil, wenn die Primärbatterie eine Solarbatterie ist, bei der es immer wieder vorkommt, daß auf eine Solarzelle

fallendes Licht abgedeckt wird.
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Die Erfindung wird in folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer solaren Spannungsversorgungsschaltung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Spannungserhöhenden Schaltung in der Spannungsversorgungsschaltung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der Spannungserhöhenden Schaltung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Darstellung der Funktion des Schalters in der

spannungserhöhenden Schaltung gemäß Fig. 3; 20

Fig. 5 ein Zeitdiagramm von Taktsignalen;

Fig. 6 Schaltungsdiagramme zum Erläutern der Funktion der und 7 Schaltung von Fig. 1 während eines Spannungsausfalls; und

Fig. 8 ein Diagramm zum Erläutern des Verlaufs von Taktpulsen und von Spannungsänderungen während eines vorübergehenden Spannungsausfalls.

Die Schaltung, wie sie im folgenden näher erläutert wird, kann z. B. an einem elektronischen Rechner verwendet werden,

ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. 35

Die solare Spannungsversorgungsschaltung gemäß Fig. 1 weist eine LSI 1, eine Solarbatterie SB (Primärbatterie), eine LED, einen Widerstand R und zwei Kondensatoren C2 und C3 auf. Der Widerstand R und die LED bilden eine Konstantspannungsquelle.

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Die LSI erhält eine Primärspannung VDD von der Primärbatterie und eine erhöhende Spannung VC vom Kondensator C3 der spannungserhöhenden Schaltung, über Anschlüsse VA und VB ist der Kondensator C2 an die LSI 1 angeschlossen. Die LSI 1 weist darüberhinaus einen Erdanschluß VSS auf, mit dem ein Anschluß des Kondensators C3 in Verbindung steht.

Die spannungserhohende Schaltung gemäß Fig. 2 v/eist einen komplementären P-Kanal MOS (CMOS)-Transistör auf, der mit P gekennzeichnet ist, sowie einen mit N gekennzeichneten N-Kanal CMOS-Transistör. Ein Pegelwandler L paßt die oben angegebenen Spannungen VDD und VC aneinander an. Mit φCi ist eine Taktspannung bezeichnet, die der LSI 1 zugeführt wird.

Irr. Ersatzschaltbild der Schaltung von Fig. 2 gemäß Fig. 3 ist ein Schalter SWl dargestellt, der dem in Fig. 2 dargestellten Inwärter Bl entspricht. Ein weiterer Schalter SW2 entspricht in der Blockschaltung gemäß Fig.2 einem P-Kanal CMOS B2 sowie einem weiteren P-Kanal CMOS B3. Diese Transistoren werden _v durch das Taktsignal PHI d geschaltet. Wenn das Taktsignal PHI d hochliegt, entspricht die Schalterstellung derjenigen, wie sie durch die durchgezogene Linie 1 in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn das Signal Tiefenpegel einnimmt, entspricht die Schalterstellung der in Fig. 4 gestrichelt dargestellten Li-

²⁵ nie 1-.

Es wird nun davon ausgegangen, daß das Taktsignal ψθί wan-, rend einer Zeitspenne Tl auf hohem Pegel und während einer Zeitspanne T2 auf niedrigem Pegel liegt. Die Ladungen ö.er

^O Kondensatoren C2 und C3 seien Null und die Spannung VDD von der Primärbatteria sei etwa 1,5 V. Während der Zeit Tl wird der Kondensator C2 über die Schalter SWl und SW2 (durchgezogene Linie) auf etwa 1,5 V aufgeladen, vorausgesetzt, daß die Zeitkonstanten oer Schaltung mit den Schaltern SWl, SW2 und

•^ den Kondensator C2 ausreichend kleiner sind als die Zeitspanne bis zum Beginn der Zeitspanne T2. Bein Wechsel der Zeitspanne Tl zur Spanne T2 werden die Schalter S-Wl und SW2 umgeschaltet (gemäß der gestrichelten Linie), so daß die Spannung -i VDD (+ 1,5 V) an den negativen Anschluß (VB) des Kondensators

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-6-C2 gelegt wi rd.

In bezug auf die Spannung VSS erreicht damit die Spannung am Anschluß VA 3,0 V (= VDD + 1,5 V). Während der Zeitspanne T2 wird der Kondensator C3 wegen der Spannungsgleichheit VA = VC auf die Spannung VDD + Spannungsdifferenz an Kondensator C2 aufgeladen.

Im folgenden wird die Funktion der Schaltung dargestellt, wenn die Spannungsversorgung von der Solarbatterie vorübergehend dadurch ausfällt, daß kein Licht mehr auf eine Solarzelle der Batterie trifft. Der Kondensator C3 gibt dann eine Sicherungsspannung an den Anschluß VC ab, um zu verhindern, daß

die LSI 1 falsch arbeitet. 15

Bei normalen Betrieb ohne Unterbrechung der Spannung von der Primärbatterie sind die Kondensatoren C2 und C3 voll aufgeladen. Wenn von der Solarbatterie SB kein Strom mehr erzeugt wird, führt dies während der Zeitspanne Tl des Taktsignsles φ Ci zu einer Spezifizierung des Ersatzschaltbildes gemäß Fig.3, wie es in Fig.6 dargestellt ist, während zur Zeitspanne T2 das Ersatzschaltbild wie in Fig.7 dargestellt aussieht. In den Ersatzschaltbildern der Figuren β und 7 ist mit RL der Ladewiderstand der LSI 1 und weiterer Bauteile bezeichnet. Bei einerr. Solarrechner beträgt der Widerstand etwa 100 bis 500 KOhrn. Mit RS ist der Einschaltwiderstand des Schalters bezeichnet, der i.d.R. kleiner als 1 KOhn ist. Im Vergleich zur Spannung, die bei Anlegen der Spannung VDD am Widerstand RL abfällt, kann der Widerstand RS vernachlässigt werden.

Der Verlauf der Spannung VDD während der Zeiten hoher und niedriger Pegel des Taktsignales PHI d ist in Fig.8 dargestellt.

Während der Zeitspanne Tl ändert sich die Spannung VDD entsprechend der Zeitkonstanten ti (= C2 RL) wie durch die Linie a in Fig.8 dargestellt. Während der direkt folgenen Zeitspanne T2 liegt die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung air, Kondensator C3 und der am Kondensator C2 am Widerstand RL.

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Die Spannungsdifferenz zwischen 3,0 V am Kondensator C3 und der Spannung am Kondensator C2, die zum Zeitpunkt Tl etwas geringer ist als 1,5 V, fällt am Widerstand RL ab. Die Spannungsdifferenz verringert sich mit einer Zeitkonstanten t2(Φ C2RL), wie dies durch die Linie b dargestellt ist. Darüber hinaus wird die Ladung vom Kondensator C3 in den Kondensator C2 übertragen, so daß sich die Spannung am Kondensator C2 wieder erhöht.

So wird die Spannung am Kondensator C3 wiederholt geringfügig mit einer Zeitkonstanten von tl=t2 verringert, wenn die Kapazität von C2 viel kleiner ist als die von C3. Sie fällt mit noch größerer Zeitkonstanten t (= C3RL) ab, was durch die Linie c in Fig. 8 veranschaulicht ist.

Obwohl also kein besonderer Sicherungskondensator für die Spannung VDD vorhanden ist, wird die Spannungssicherung durch den Spannungserhöhenden Kondensator C3 in der ohnehin vorhandenen Booster-Schaltung erreicht.

Da der Kondensator C3 auf 3,0 V und nicht nur auf 1,5 V aufgeladen ist, kann die Kapazität des Kondensators C3 nur halb so groß sein wie für eine Aufladung auf 1,5 V, um dennoch dieselbe Kapazität wie bei einem besonderen Sicherungskondensator bekannter Art zu erzielen. Vorzugsweise beträgt die Kapazität des Kondensators C2 etwa 0,04 bis 0,1 ]iF. Die Kapazität des Kondensators C3 beträgt etwa 1,7 bis 5\iF.

Gemäß der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform weist die spannungserhöhende Schaltung einen Kondensator C3 mit so großer Kapazität auf, daß der vorübergehende Spannungsabfall von der solaren Primärbatterie überbrückt wird. Ein besonderer Sicherungskondensator bekannter Art kann entfallen.

Claims (4)

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl. Ing. H. Steinmeister Dipl. Ing. F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51 Mauerkircherstrasse 45 D-8000 MÜNCHEN 80 D-48O0 BIELEFELD 1 2670-GER-PA-A 24. September 1985 Mü/Js/bt/b SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka 545, Japan Solare Spannungsversorgungsschaltung Priorität: 25. September 1984, Japan, Ser.No. 59-200785(P) PATENTANSPRÜCHE

1. Spannungsversorgungsschaltung mit

- einer Primärbatterie und

- einer Sekundärbatterie-Schaltung, die die Spannung der Primärbatterie erhöht,

gekennzeichnet durch

- einen Spannungserhöhenden Kondensator (3) innerhalb der Sekundärbatterie-Schaltung, der eine zur Absicherung der Funktion der Primärbatterie ausreichende Kapazität aufweist.

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2. Spannungsversorgungsschaltung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbatterie (SB) eine Solarbatterie aufweist.

3. Spannungsversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche

1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Spannungserhöhenden Kondensators etwa 1,7-5 uF beträgt.

4. Spannungsversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch
einen Pegelwandler (L) zum Anpassen der Spannungspegel der Primärbatterie (SB) und der Sekundärbatterie-Schaltung.