DE3923919C2 - Elektrische Versorgungsquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Versorgungsquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine elektrische Versorgungsquelle dieser Art ist aus der Druckschrift DE 34 39 180 A1 bekannt.

Dort bildet die Batterie (Akkumulator) die Stromquelle für ein elektrisches Gerät, wenn das Netzgerät nicht an das Netz angeschlossen ist. Eine nachgeschaltete Stabilisierungsschaltung, welche das elektrische Gerät bei Netzbetrieb mit Energie versorgt, ist einpolig mit einem Widerstand R überbrückt, so daß, wenn das elektrische Gerät, welches im Leerlauf den Strom I₁ aufnehmen sollte, abgeschaltet ist, die Spannung ansteigt.

Dieser Spannungsanstieg beruht dabei darauf, daß die Stabilisierungswirkung der entsprechenden Schaltung insoweit begrenzt ist, als die Stabilisierungsschaltung keinen Strom aufnehmen kann, so daß - sobald die Belastung einen Minimalwert unterschreitet - ein äußerer zusätzlich induzierter Strom einen Anstieg der Ausgangsspannung bewirkt.

Ferner ist es aus der Druckschrift AT 189 291 bekannt, Gleichrichtergeräte mit über einen großen Strombereich konstanter Ausgangsspannung in der Weise zu kombinieren, daß ein auf konstante Ausgangsspannung geregeltes Gleichrichtergerät und ein ungeregeltes Gleichrichtergerät so zusammengeschaltet werden, daß beim Überschreiten des Höchststromes des geregelten Gerätes das ungeregelte parallel geschaltet und beim Unterschreiten des geringsten Stromes der Kombination, bei dem noch die Regelspannung eingehalten ist, das ungeregelte Gerät abgeschaltet wird.

Es ist allgemein üblich, tragbare elektronische Geräte wie zum Beispiel elektronische Bandaufnahmekameras und Videoaufnahmegeräte mit einer wiederaufladbaren und daher wiederholt benutzbaren Batterie (Sekundärbatterie) als elektrischer Versorgungsquelle auszurüsten, so daß ein Einsatz des Gerätes unabhängig von einer externen Stromquelle und somit auch außer Haus möglich ist. Diese Geräte sind so konstruiert, daß sie wahlweise auch mit Gleichspannung betrieben werden können, die mittels eines Netzgerätes und eines Gleichrichters aus dem Wechselstromnetz erzeugt wird. Auf diese Weise kann der Batteriebetrieb so weit wie möglich verringert werden. Wenn das elektronische Gerät nicht in Betrieb ist, wird die Sekundärbatterie über die erwähnte elektrische Versorgungsquelle geladen.

Da bei diesem elektronischen Gerät die entsprechenden Schaltkreise, Baueinheiten, etc., für die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie als Bezugsspannung bemessen sind, ist es wünschenswert, daß zum Betrieb des elektronischen Gerätes die von der elektrischen Versorgungsquelle gelieferte Spannung der Ausgangsspannung der Sekundärbatterie entspricht.

Andererseits ist es zum Laden der Sekundärbatterie erforderlich, daß die von der elektrischen Versorgungsquelle an die Sekundärbatterie angelegte Spannung größer als die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie ist.

Bei einer herkömmlichen elektrischen Versorgungsquelle ist dafür gesorgt, daß zum Laden der Sekundärbatterie eine Spannung angelegt wird, die größer als die Spannung der Sekundärbatterie ist. Die Folge ist, daß wenn das elektronische Gerät über die elektrische Versorgungsquelle betrieben wird, die im elektrischen Gerät untergebrachte Schaltung zur Stabilisierung der elektrischen Versorgung sowie zur Stabilisierung und Lieferung der Gleichspannung aus der elektrischen Versorgungsquelle an die entsprechenden Schaltkreise infolge der Wirkungsgradänderung dieser Leistungs-Stabilisierungsschaltung Wärme erzeugt. Es müssen daher Maßnahmen wie die einer Bauweise getroffen werden, bei der Rippen zur Wärmeabstrahlung im elektronischen Gerät angeordnet sind, wodurch die Abmessungen des Gerätes vergrößert werden.

Weiter fließt ein starker elektrischer Strom durch die Stabilisierungsschaltung der elektrischen Versorgungsquelle und ändert dadurch die Betriebseigenschaften der Baueinheiten wie Motoren, Elektromagneten, etc., an welche die Spannung vor der Stabilisierung der Schaltung (d.h. die Spannung der elektrischen Versorgungsquelle) angelegt wird. Es ist infolgedessen schwierig, in bezug auf diese Baueinheiten eine exakte Servoregelung durchzuführen.

Um dieses Problem zu bewältigen, sieht man vor, die Ausgangsspannung der elektrischen Versorgungsquelle so nahe wie möglich an die Ausgangsnennspannung der Sekundärbatterie heranzubringen. Dann ist es aber schwierig, die Sekundärbatterie wirksam aufzuladen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Versorgungsquelle der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Umschaltung in den Betriebszustand zum Betrieb des angeschlossenen elektrischen Gerätes aus der Versorgungsquelle und in den Betriebszustand zum Nachladen der im elektronischen Gerät vorhandenen Batterie verbessert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Stromstärke beim Betrieb der elektronischen Vorrichtung und beim Nachladen von dessen Batterie unterschiedlich sind, so daß der jeweilige Betriebszustand über die Stromstärke erfaßt werden kann. Dementsprechend kann die Ausgangsspannung der elektrischen Versorgungsquelle geändert werden.

Vorteilhafterweise kann bei der erfindungsgemäßen Versorgungsquelle die Umschaltung vom einen in den anderen Betriebszustand zum wünschenswerten Zeitpunkt sehr zuverlässig und exakt erfolgen. Gleichzeitig können die Wärmeentwicklung und somit auch die räumlichen Abmessungen der Versorgungsquelle gering gehalten werden.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine bevorzuge Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektrischen Versorgungsquelle und eines elektronischen Gerätes,

Fig. 2 ein Schaltschema einer im Gegenstand von Fig. 1 enthaltenen Detektoreinrichtung,

Fig. 3 ein Schaltschema einer im Gegenstand von Fig. 1 enthaltenen Konstantspannungsschaltung,

Fig. 4 ein Schaltschema einer im Gegenstand von Fig. 1 enthaltenen Ladeeinrichtung und

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung von Stromstärke und Ausgangsspannung bei der erfindungsgemäßen elektrischen Versorgungsquelle bei unterschiedlichen Betriebszuständen.

Fig. 1 zeigt ein elektronisches Gerät, welches eine elektronische Vorrichtung und eine Batterie aufweist sowie eine elektrische Versorgungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Demgemäß besitzt die elektrische Versorgungsquelle 1 einen Stecker 11, der an den Ausgang einer netzseitigen Versorgungsquelle angeschlossen ist, und einen Stecker 12, der an die Klemmen 21 des elektronischen Gerätes 2 angeschlossen ist. Die Konstantspannungsschaltung 13 wandelt die vom Netz gelieferte Wechselspannung (z.B. 100 V) in eine vorbestimmte Gleichspannung um und liefert die umgewandelte Spannung an einen durch einen Stecker 12 gebildeten Ausgang. Die Detektorschaltung 14 erfaßt den von der elektrischen Versorgungsquelle 1 an das elektronische Gerät 2 gelieferten elektrischen Strom, d.h. den Rückstrom aus dem elektronischen Gerät, wenn der Stecker 12 mit den Klemmen 21 verbunden ist.

Ein Schalter 22 befindet sich in der in Fig. 1 dargestellten oberen Stellung, wenn das elektronische Gerät 2 unter Verwendung der elektrischen Versorgungsquelle 1 betrieben wird. Der Schalter 22 wird in die untere Stellung umgelegt, wenn das elektronische Gerät 2 unter Verwendung einer Sekundärbatterie 26 arbeitet. Ein Schalter 23 wird in Verbindung mit den Einschalt- oder Ausschaltoperationen eines Leistungsschalters 27 jeweils in die rechte oder linke Stellung umgelegt. Eine Ladeschaltung 25 lädt, beispielsweise mit Hilfe eines konstanten elektrischen Stromes (oder eines quasi-konstanten elektrischen Stromes), die Sekundärbatterie 26. Eine Stabilisierungsschaltung 24 der elektrischen Versorgungsquelle stabilisiert die vom Leistungsschalter 27 zugeführte Gleichspannung und legt die stabilisierte Spannung an nicht dargestellte Konstruktionsschaltungen und Baueinheiten der elektronischen Vorrichtung an. Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht die Detektorschaltung 14 beispielsweise aus einer Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 31, einer Bezugsspannungs-Erzeugungsschaltung 32 und einer Vergleichsschaltung 33. Die Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 31 als eigentliche Detektoreinrichtung besteht aus Widerständen 41 bis 44, einem Kondensator 45 und einem Operationsverstärker 46. Die Bezugsspannungs-Erzeugungsschaltung 32 besteht aus Widerständen 47 und 48, und die Vergleichsschaltung 33 aus Widerständen 49 und 50 und einem Operationsverstärker 51.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, besteht die Konstantspannungsschaltung 13 beispielsweise aus einem Transformator 61, Dioden 62, 63, Kondensatoren 64, 67, 85, 86, Widerständen 65, 75 bis 84, NPN-Transistoren 68 bis 74 und einer Zenerdiode 87.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, besteht die Ladeschaltung 25 beispielsweise aus einer Quasi-Konstantstromladeschaltung, die aus einem Widerstand 91 und einer Diode 92 gebildet ist.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der elektrischen Versorgungsquelle unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Wenn in Fig. 1 der Stecker 12 der elektrischen Versorgungsquelle 1 mit den Klemmen 21 nicht verbunden ist, ist der Schalter 22 in die untere Stellung umgelegt. Wenn der Schalter 27 eingeschaltet wird, wird der Schalter 23 in die rechte Stellung umgelegt. Somit wird eine von der Sekundärspannungsquelle 26 abgegebene Gleichspannung über die Schalter 23, 22 und den Leistungsschalter 27 an die Stabilisierungsschaltung 24 der elektrischen Versorgungsquelle gelegt. Die Stabilisierungsschaltung 24 der elektrischen Versorgungsquelle stabilisiert die Eingangsspannung und liefert die stabilisierte Spannung an entsprechende Geräteschaltungen und Baueinheiten der elektronischen Vorrichtung. Ein Teil der vom Leistungs­ schalter 27 zugeführten Ausgangsspannung wird Bauteilen zugeführt, die einen großen elektrischen Strom benötigen, wie Motoren, Elektromagneten etc., ehe dieser Spannungsanteil an die Stabilisierungsschaltung 24 der elektrischen Versorgungsquelle gelangt.

Auf diese Weise kann die elektronische Vorrichtung unter Verwendung der von der Sekundärbatterie 26 gelieferten elektrischen Leistung betrieben werden.

Wenn der Stecker 12 mit den Klemmen 21 verbunden ist, ist der Schalter 22 in die obere Stellung umgelegt. Infolgedessen wird, wenn der Leistungsschalter 27 geschlossen ist, die von den Klemmen 21 gelieferte Ausgangsspannung der elektrischen Versorgungsquelle 1 der Stabilisierungsschaltung 24 der elektrischen Versorgungsquelle sowie den entsprechenden Baueinheiten über den Schalter 22 und den Leistungsschalter 27 zugeführt.

In der elektrischen Versorgungsquelle 1 wird eine über den Stecker 11 kommende netzseitige Wechselspannung an die Primärwicklung des Transformators 61 der Konstant-Spannungsschaltung 13 angelegt (vgl. Fig. 3). Der Transformator 61 verringert die Spannung sekundärseitig und gibt die verringerte Spannung weiter. Die verringerte Spannung wird durch die Dioden 62 und 63 nach Plus- und Minus-Anteilen des Spannungssignals gleichgerichtet und durch den Kondensator 64 geglättet. Die geglättete Spannung wird über den Transistor 68, dessen Basis mit dem Kondensator 67 verbunden ist, und über den Transistor 69 in Darlington-Schaltung dem Stecker 12 zugeführt.

Die Ausgangsspannung wird durch die Widerstände 80, 81 und 82 unterteilt und mit einer durch die Zenerdiode 87 fixierten Bezugsspannung in einer Vergleichsschaltung verglichen, die aus den in Differenzialschaltung zweistufig verbundenen NPN-Transistoren 72 und 73 sowie den NPN-Transistoren 70 und 71 besteht. Das den Unterschied zwischen diesen Spannungen anzeigende Differenzsignal wird vom Kollektor des NPN-Transistors 72 an die Basis des NPN-Transistors 70 geliefert. Der NPN-Transistor 70 steuert den Betrieb der NPN-Transistoren 68 und 69 in Darlington-Schaltung, derart, daß die Ausgangsspannung eine der Bezugsspannung entsprechende Konstantspannung wird.

Von dem über den Stecker 12 gespeisten elektronischen Gerät 2 fließt ein elektrischer Rückstrom durch den Widerstand 41 der Detektorschaltung 14 (vgl. Fig. 2). Eine diesem elektrischen Strom entsprechende Spannung entsteht an einer Klemme des Widerstands 41, die einen geringen Widerstand besitzt. Diese Spannung wird durch einen aus dem Operationsverstärker 46 bestehenden Gegentaktverstärker verstärkt und an die Vergleichsschaltung 33 angelegt. Die Vergleichsschaltung 33 vergleicht diese Spannung mit einer von der Bezugsspannungs-Erzeugungsschaltung 32 erzeugten Bezugsspannung. Die Bezugsspannung wird unter Benutzung der Widerstände 47 und 48 durch Teilung einer festgesetzten Spannung V erzeugt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ist beim Betreiben der elektronischen Vorrichtung der verbrauchte elektrische Strom größer als der Strom, der verbraucht wird, wenn der Strom zum Laden der Sekundärbatterie 26 benutzt wird. Die Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 31 kehrt die Spannung um und verstärkt sie entsprechend diesem elektrischen Strom, so daß die Ausgangsspannung dieser Schaltung kleiner ist, wenn die elektronische Vorrichtung in Betrieb ist, als wenn die Sekundärbatterie 26 geladen wird. Die Bezugsspannung wird in der Bezugsspannungs-Erzeugungsschaltung 32 auf einen Wert eingestellt, der zwischen derjenigen Spannung liegt, welche dem Strom bei in Betrieb befindlicher elektronischer Vorrichtung entspricht, und der Spannung, welche dem elektrischen Strom beim Laden der Sekundärbatterie entspricht. Infolgedessen liefert die Vergleichsschaltung 33 bei in Betrieb befindlicher elektronischer Vorrichtung ein Signal mit niedrigem Spannungspegel. Die Folge ist, daß der NPN-Transistor 74 abgeschaltet bleibt und der Widerstand 83 dem Widerstand 82 nicht parallel geschaltet ist, so daß der Gesamtwiderstand der Widerstände 81 und 82 groß wird. Das durch die Widerstände 80, 81 und 82 zur Basis des NPN-Transistors 73 erzeugte Spannungsteilungsverhältnis wird groß, so daß relativ dazu die von der Zenerdiode 87 vorgegebene Bezugsspannung herabgesetzt wird und die Ausgangsspannung am Emitter des NPN-Transistors 69 zu einer relativ niedrigen Konstantspannung wird (die Spannung entspricht ungefähr der Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 26).

Auf der anderen Seite wird, wenn der Leistungsschalter 27 abgeschaltet und der Stecker 12 mit den Klemmen 21 verbunden ist, keine elektrische Leistung an die Baueinheiten wie die stabilisierende Schaltung 24 der elektrischen Versorgungsquelle, den Motor, den Elektromagnet, etc. geliefert. Weiter wird jetzt der Schalter 23 in die in Fig. 1 gezeigte linke Stellung umgelegt. Demgemäß wird die vom Stecker 12 gelieferte Spannung über den Widerstand 91, die Diode 92 und den Schalter 23 an die Sekundärbatterie 26 angelegt (vgl. Fig. 4). Da der Widerstand 91 einen relativ hohen Widerstandswert besitzt, wird der durch diesen Widerstand fließende elektrische Strom annähernd konstant (ein quasi-konstanter elektrischer Strom), und dieser konstante elektrische Strom wird zum Laden der Sekundärbatterie 26 benutzt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ist der Wert des elektrischen Stromes (der Wert des in der Sekundärbatterie 26 verbrauchten elektrischen Stromes), der von der elektrischen Stromquelle 1 an die Sekundärbatterie 26 geliefert wird, kleiner, als wenn die elektronische Vorrichtung in Betrieb ist. Dementsprechend erreicht beim Laden der Sekundärbatterie der Ausgang der Vergleichsschaltung 33 einen hohen Spannungspegel, der demjenigen des oben erwähnten Falles entgegengesetzt ist.

Infolgedessen wird der NPN-Transistor 74 der Konstantspannungsschaltung 13 eingeschaltet. Da in diesem Falle der Widerstand 83 parallel zum Widerstand 82 liegt, wird der Gesamtwiderstand derselben kleiner als der Widerstandswert im Falle, daß nur der Widerstand 82 angeschlossen ist. Entsprechend wird die Ausgangsspannung des Emitters des NPN-Transistors 69 konstant und größer als die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 26. Im Ergebnis wird die Sekundärbatterie 26 zuverlässig und wirksam geladen.

Es ist vorteilhaft, den oben erwähnten Ladevorgang mit Konstantstrom durchzuführen, wenn als Sekundärbatterie 26 beispielsweise eine Nickel-Cadmium-Batterie verwendet wird. Falls als Sekundärbatterie 26 beispielsweise eine Bleibatterie verwendet wird, ist es vorteilhaft, den Ladevorgang bei konstanter Spannung durchzuführen, wobei die vorliegende Erfindung auch in diesem Falle angewendet werden kann.

Claims (5)

1. Elektrische Versorgungsquelle für ein elektronisches Gerät mit einer elektronischen Vorrichtung und einer Batterie, umfassend

• - eine Stromversorgungseinrichtung zum wahlweisen Liefern eines Gleichstroms höherer Stärke bei niedrigerer Spannung an die elektronische Vorrichtung zu deren Betrieb und eines Gleichstroms geringerer Stärke bei höherer Spannung an die Batterie zu deren Ladung, wobei die Batterie zum Betrieb der elektronischen Vorrichtung dient, wenn die Stromversorgungseinrichtung abgeschaltet ist, gekennzeichnet durch
• - eine steuerbare Schalteinrichtung (74, 83, 84) zum wahlweisen Schalten der Stromversorgungseinrichtung (13) in einen ersten Betriebszustand zur Lieferung des stärkeren Stromes bei geringerer Spannung und in einen zweiten Betriebszustand zur Lieferung des schwächeren Stromes bei höherer Spannung,
• - eine Detektoreinrichtung (31) zum Erfassung des Stromes, der von der Stromversorgungseinrichtung (13) an das elektronische Gerät geliefert wird, und zur Erzeugung eines entsprechenden Erfassungssignals,
• - eine Bezugssignalerzeugungseinrichtung (32) zur Erzeugung eines Bezugssignals und
• - eine mit der Detektoreinrichtung (31) und der Bezugssignalerzeugungseinrichtung (32) verbundene Vergleichseinrichtung (33) zum Vergleichen des Erfassungssignals der Detektoreinrichtung (31) mit dem Bezugssignal der Bezugssignalerzeugungseinrichtung (32),
• - wobei die Vergleichseinrichtung (33) mit der Schalteinrichtung (74, 83, 84) verbunden ist zu deren Steuerung in Abhängigkeit davon, ob das Erfassungssignal der Detektoreinrichtung (31) unter oder über dem Bezugssignal der Bezugs­ signalerzeugungseinrichtung (32) ist.

2. Elektrische Versorgungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangsanschluß der Detektoreinrichtung (31) mit einer von der Stromversorgungseinrichtung (13) zum elektronischen Gerät (2) führenden Stromversorgungsleitung verbunden ist.

3. Elektrische Versorgungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die höheren und niedrigeren Spannungen Konstantspannungen sind.

4. Elektrische Versorgungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schalter (22) zum wahlweisen Anschluß der elektronischen Vorrichtung an die Stromversorgungseinrichtung (13) und an die Batterie (26).

5. Elektrische Versorgungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren Schalter (23), der mit einem Leistungsschalter (27) des elektronischen Gerätes gekuppelt ist und die Batterie (26) wahlweise an die elektronische Vorrichtung oder an eine mit der Stromversorgungseinrichtung (13) verbundene Batterieladeschaltung (25) anschließt.