DE4226529A1 - Energieversorgungsschaltung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Energieversorgungsschaltung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Firmenschrift "SUPERCAP APPLICATION GUIDE", NEC-Corporation, 1985, S. 1-17 sind Schaltungen bekannt, die das gemeinsame Merkmal aufweisen, daß ein Doppelschichtkondensator mit hoher Kapazität zur unterbrechungs­ freien Stromversorgung eines Verbrauchers vorgesehen ist. Im Normal­ betrieb wird die Energieversorgung des Verbrauchers entweder von einer Batterie oder von einem Netzgerät mit Gleichstromausgang vor­ genommen. Im Normalbetrieb kommt dem Kondensator keine Funktion zu. Bei einem Ausfall der Netzenergie oder beispielsweise bei einem Batteriewechsel übernimmt der Kondensator für eine vorgegebene Zeit die Energieversorgung des Verbrauchers.

Aus der Fachzeitschrift "ELEKTRONIK", Heft 6, Franzis-Verlag München, 1977, S. 53 ist eine Energieversorgungsschaltung bekannt, die als Energiequelle Solarzellen und als Energiespeicher Konden­ satoren enthält. Der Betrieb eines an die Energieversorgungs­ schaltung angeschlossenen Verbrauchers ist innerhalb eines Spannungsbereichs möglich, für den der Verbraucher ausgelegt ist. Wenn die Solarzellen keine Energie abgeben, wird der Verbraucher ausschließlich von der in den Kondensatoren ge­ speicherten Energie versorgt. Nach Unterschreiten einer vom Ver­ braucher abhängigen Mindestspannung an den Kondensatoren während dieses Entladebetriebs ist der Verbraucher nicht mehr betriebsbereit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungs­ schaltung mit einem kapazitiven Energiespeicher anzugeben, der einen Reservebetrieb ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung weist den Vorteil auf, daß mit der zusätzlich zum kapazitiven Energiespeicher vorge­ sehenen elektrochemischen Batterie jederzeit ein Reservebetrieb des Verbrauchers, beispielsweise nach einem Absinken der Spannung am kapazitiven Energiespeicher unter einen vorgegebenen Schwellwert, möglich ist. Die Kapazität der Zusatzbatterie und somit deren mechanischen Abmessungen können vergleichsweise klein gewählt werden, weil der kapazitive Energiespeicher nach kurzer Zeit wieder von einer Energiequelle aufladbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsge­ mäßen Schaltung ergeben sich aus Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich besonders in Verbindung mit einem Solargenerator als Energiequelle. Der Solargenerator ist mit der Schaltung entweder fest verbunden oder kann bedarfsweise mit ihr verbunden werden. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für Ver­ braucher geeignet, die einen vergleichsweise geringen Energiebedarf aufweisen, der mit einem kleinen Solargenerator aufgebracht werden kann. Die Energieversorgung des Verbrauchers wird bei einem Weg­ bleiben des Energienachschubs durch den Solargenerator von der im kapazitiven Speicher enthaltenen Energie gedeckt. Für den Fall, daß auch die am kapazitiven Energiespeicher auftretende Spannung unter einen Mindestwert absinkt, ist in jedem Fall mittels der Zusatz­ batterie ein Reservebetrieb des Verbrauchers möglich.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, daß als Energiequelle eine mit der Energieversorgungsschaltung verbindbare Netzenergiequelle oder eine Batterieenergiequelle vorgesehen sind. Der wesentliche Vorteil dieser Weiterbildung liegt darin, daß der kapazitive Energiespeicher innerhalb kurzer Zeit wieder aufladbar ist, wobei die Aufladezeit im wesentlichen von der Leistungsfähigkeit der Quelle und vom maximal zulässigen Kondensatorstrom abhängt.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energieversorgungs­ schaltung ist vorgesehen, daß die Schaltmittel handbetätigbar sind. Diese Ausgestaltung weist den Benutzer durch eine Reduzierung der Funktionsleistung des Verbrauchers oder durch einen Ausfall des Verbrauchers darauf hin, daß der kapazitive Energiespeicher in absehbarer Zeit wieder aufgeladen werden muß. Gleichzeitig kann vom Benutzer der Reservebetrieb eingeschaltet werden.

Mit einer Rückstellfeder am Umschalter kann erreicht werden, daß der Reservebetrieb von selbst wieder abgeschaltet wird.

In einer anderen Ausgestaltung ist eine selbständige Umschaltung zwischen Normalbetrieb und Reservebetrieb vorgesehen. Die Um­ schaltung erfolgt in Abhängigkeit beispielsweise von der am kapa­ zitiven Energiespeicher liegenden Spannung, die ein Komparator mit einer vorgegebenen Schwelle vergleicht, bei deren Unterschreitung ein entsprechendes Schaltsignal für die Schaltmittel abgegeben wird. Sowohl die Komparatorfunktion als auch die Schaltmittelfunktion können von einer einzigen Diode übernommen werden, die in Serie mit der Zusatzbatterie geschaltet ist, wobei die Serienschaltung parallel zum kapazitiven Energiespeicher liegt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht eine An­ zeigevorrichtung vor, die den Benutzer darauf aufmerksam macht, daß bereits auf Reservebetrieb umgeschaltet wurde.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energie­ versorgungsschaltung ist die Anordnung des kapazitiven Energie­ speichers in einem oder mehreren genormten Batteriegehäusen vorge­ sehen. Diese Maßnahme ermöglicht ein Nachrüsten vorhandener Ver­ braucher mit entsprechenden Batteriekästen oder zumindest die Ver­ wendung von preisgünstig erhältlichen Batteriekästen bei neu zu entwickelnden Verbrauchern.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung ist insbesondere für tragbare Geräte mit geringem Energiebedarf geeignet. Derartige Geräte sind beispielsweise Fernbedienungen für die unterschied­ lichsten Anwendungen. Fernbedienungen werden beispielsweise im Audio- und Videobereich verwendet. Weiterhin finden Fernbedienungen beispielsweise zu Türbetätigungen, insbesondere Garagentorbe­ tätigungen, oder beispielsweise bei Kraftfahrzeugen Verwendung.

Insbesondere beim Einsatz der Fernbedienung im Audio- und Video­ bereich ist neben der Ausgestaltung der Energiequelle als Solar­ generator zusätzlich die Ausgestaltung als Netzenergie- oder Batterieenergiequelle zweckmäßigerweise vorzusehen, die beispiels­ weise in dem fernzubedienenden Gerät angeordnet ist und die ein rasches Nachladen des kapazitiven Energiespeichers ermöglicht, falls die vom Solargenerator, der gegebenenfalls vorhanden ist, abgegebene Energie nicht ausreichen sollte.

Besonders geeignet als kapazitive Energiespeicher sind Doppel­ schichtkondensatoren, die bei gegebenen Abmessungen eine besonders hohe Kapazität aufweisen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Be­ schreibung.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Energiever­ sorgungsschaltung mit zwei Energiequellen und Fig. 2 zeigt eine andere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Energieversorgungs­ schaltung.

Fig. 1 zeigt eine erste und zweite Stromversorgungsleitung 10, 11, an die ein Kondensator 12 angeschlossen ist. Umschaltmittel 13 ver­ binden eine weitere Stromversorgungsleitung 14 entweder mit der ersten Stromversorgungsleitung 10 oder mit einer Zusatzbatterie 15, deren anderer Anschluß an der zweiten Stromversorgungsleitung 11 liegt. Die weitere Stromversorgungsleitung 14 ist über weitere Schaltmittel 16 mit einem Spannungswandler 17 verbunden, an dessen Ausgang ein Verbraucher 18 angeschlossen ist.

Das Schaltmittel 13 kann mittels eines Schaltsignals 19 betätigt werden, das am Ausgang eines Komparators 20 auftritt. Der Komparator 20 vergleicht die am Kondensator 12 auftretende Spannung mit einem Schwellwert. Der Komparator 20 ist mit einer Warnvorrichtung 21 verbunden.

Die Stromversorgungsleitungen 10, 11 führen zu Anschlußklemmen 22, 23, an die eine Energiequelle anschließbar ist. In Fig. 1 sind zwei Beispiele von Energiequellen eingezeichnet. Eine erste Energiequelle 24 enthält einen Solargenerator 25, der die von einer Strahlungs­ quelle abgegebene Strahlung 26 in elektrische Energie umsetzt. In Serie mit dem Solargenerator 25 ist eine Diode 27 geschaltet.

Als zweite Energiequelle 28 ist eine Gleichstromquelle 29 vorge­ sehen, die in Serie mit einem Widerstand 30 geschaltet ist.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausgestaltung der in Fig. 1 ge­ zeigten Stromversorgungsschaltung gezeigt. Diejenigen Teile in Fig. 2, die mit den in Fig. 1 gezeigten Teilen unmittelbar oder zumin­ dest funktionell übereinstimmen, sind in Fig. 2 mit denselben Be­ zugszeichen wie in Fig. 1 versehen. In Fig. 2 ist in Serie zur Zusatzbatterie 15 eine Diode 31 geschaltet. Die Serienschaltung 32, welche die Zusatzbatterie 15 sowie die Diode 31 enthält, ist un­ mittelbar zum Kondensator 12 parallel geschaltet.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung arbeitet folgender­ maßen:

Die Energieversorgungsschaltung ist zur Bereitstellung elektrischer Energie für den Verbraucher 18 vorgesehen. Die Schaltung enthält den Kondensator 12 als kapazitiven Energiespeicher. Der Kondensator 12 kann auch aus mehreren Kondensatoren zusammengesetzt sein. Als Kon­ densator 12 ist vorzugsweise ein hochkapazitiver Doppelschichtkon­ densator, wie er beispielsweise in der Firmenschrift "SUPERCAP", NEC-Corporation, 1984, S. 1-26 beschrieben ist.

Im Normalbetrieb des Verbrauchers 18 wird die benötigte Energie aus dem Kondensator 12 entnommen. In dieser Betriebsart verbindet das Schaltmittel 13, das beispielsweise als Umschalter ausgebildet ist, die erste Stromversorgungsleitung 10 mit der weiteren Stromver­ sorgungsleitung 14, die über das weitere Schaltmittel 16, das bei­ spielsweise als Ein/Aus-Schalter ausgebildet ist, und über den Spannungswandler 17 mit dem Verbraucher 18 verbunden ist. Bei einem vorgesehenen Dauerbetrieb des Verbrauchers 18 kann der Schalter 16 entfallen.

Ein Verbraucher, der nur eine relativ geringe Spannungsschwankung toleriert, kann durch die Verwendung des Spannungswandlers 17 an dem kapazitiven Energiespeicher 12 betrieben werden, dessen Spannung von der gespeicherten Energie abhängt. Der Spannungswandler 17 ist auf den gewünschten Eingangsspannungsbereich auszulegen. Die Ausgangs­ spannung sowie deren Toleranz sind auf den Verbraucher 18 abzu­ stimmen.

Der Umschalter 13 ist in einer ersten Ausgestaltung manuell betätig­ bar. In dieser Ausgestaltung hat ein Benutzer stets die freie Wahl zwischen dem Normalbetrieb, bei dem die Energie aus dem Kondensator entnommen wird und einem Reservebetrieb, bei dem die für den Ver­ braucher 18 benötigte Energie aus der Zusatzbatterie 15 entnommen wird. Die manuelle Betätigung des Umschalters 13 erfolgt beispiels­ weise dann, wenn der Benutzer eine abnehmende Funktionsleistung des Verbrauchers 18 oder ein völliges Ausbleiben der Verbraucherfunktion feststellt.

Die Kapazität der Zusatzbatterie 15 kann vergleichsweise gering bemessen werden, da die Zusatzenergie lediglich für den Reservebe­ trieb auszulegen ist. Die Batteriespannung kann so gewählt werden, daß sie wenigstens näherungsweise dem unteren, vom Verbraucher 18 oder vom Spannungswandler 17 noch tolerierten Eingangsspannungswert entspricht.

In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Schaltmittel 13 als elektronisch betätigbarer Umschalter ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung erhält der Umschalter 13 das Schaltsignal 19 zugeführt, das der Komparator 20 in Abhängigkeit von einem Vergleich der am Kondensator 12 auftretenden Spannung mit einem vorgegebenen Spannungsschwellwert abgibt. Der Spannungsschwellwert wird vorzugs­ weise auf einen Wert, der knapp oberhalb der Spannung der Zusatz­ batterie liegt, festgelegt. Beim Unterschreiten dieser Spannung wird auf die Zusatzbatterie 15 umgeschaltet. In dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung ist ein Umschalten auf Reservebetrieb für den Benutzer nicht ohne weiteres erkennbar. Vor­ teilhafterweise ist deshalb zusätzlich die Warnvorrichtung 21 vor­ gesehen, die ein optisches oder/und akustisches Signal entweder beim Umschalten auf Reservebetrieb oder dauernd während des Reservebe­ triebs abgibt. Die Warnvorrichtung 21 ist beispielsweise vom Kompa­ rator gesteuert. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Schaltbild ist bei­ spielsweise eine optische Anzeigevorrichtung in Form einer Leucht­ diode eingetragen.

Die im Kondensator 12 gespeicherte Energie wird von einer Energie­ quelle 24, 28 bereitgestellt, die mit den Anschlußklemmen 22, 23 verbindbar ist. In einer speziellen Ausgestaltung kann die Energie­ quelle 24, 28 mit den Klemmen 22, 23 ständig verbunden sein. Als erste Energiequelle 24 ist der Solargenerator 25 vorgesehen, der die von einer Strahlungsquelle abgegebene Strahlung 26 in elektrische Energie umsetzt. Die Diode 27 verhindert ein Entladen des Konden­ sators 12 durch den Solargenerator 25 bei nicht ausreichender Strahlung 26. Anstelle der ersten Energiequelle 24 oder zusätzlich zur ersten Energiequelle 24 kann die zweite Energiequelle 28 vor­ gesehen sein, die die Gleichstromquelle 29 aufweist. Die Gleich­ stromquelle 29 ist über den Widerstand 32 mit den Klemmen 22, 23 verbindbar. Der Widerstand 32, der gegebenenfalls vorgesehen ist, begrenzt den Ladestrom. Als Gleichstromquelle 29 kann beispielsweise eine elektrochemische Batterie vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Gleichstromquelle 29 als Netzgerät mit Gleichstromausgang realisiert.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung eignet sich insbe­ sondere für tragbare Verbraucher mit geringem Energieverbrauch. Eine vorteilhafte Verwendung ist beispielsweise bei Fernsteuerungen gegeben, die in den unterschiedlichsten Applikationen eingesetzt werden. Fernsteuerungen werden beispielsweise im Audio- und Video­ bereich, bei der Fernsteuerung von Toren, insbesondere von Garagen­ toren sowie bei der Fernsteuerung von Kraftfahrzeugkarrosserieelek­ tronik, wie beispielsweise Alarmanlagen, Zentralverriegelungsanlagen und Sitz-/Spiegel-/Lenkradverstellungen eingesetzt.

Als Zusatzbatterie 15 eignet sich beispielsweise eine Batterie mit einer geringen Selbstentladung. Als derartige Batterie ist bei­ spielsweise eine Lithium-Zelle geeignet.

In Betriebssituationen, bei denen die zweite Energiequelle 28 nicht verfügbar ist, die erste Energiequelle 24 entweder nicht verfügbar ist oder der Solargenerator 25 momentan keine Energie abgeben kann, ist bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung stets noch ein Reservebetrieb möglich.

Die zweite Energiequelle 28 ermöglicht ein rasches Nachladen der Energie im Sekunden- oder Minutenbereich. Die zweite Energiequelle 28 ist vorzugsweise am oder in der Nähe des Einsatzortes der er­ findungsgemäßen Schaltungsanordnung angeordnet. Bei Fernbedienungen zur Steuerung von Audio- und Videoanlagen ist die zweite Energie­ quelle 28 vorzugsweise unmittelbar in wenigstens einem der Geräte untergebracht. Bei einer Ausgestaltung der Gleichstromenergiequelle 29 als elektrochemische Batterie kann auch die zweite Energiequelle 28 als tragbare Einheit konzipiert sein. Die erste Energiequelle 24 kann mobil oder stationär sein.

Die in Fig. 2 gezeigte alternative Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Stromversorgungsschaltung sieht eine selbständige Umschaltung zwischen Normalbetrieb und Reservebetrieb des Verbrauchers 18 vor. Die in Fig. 2 gezeigte Diode 31, die in Serie zur Zusatzbatterie 15 geschaltet ist, kann den in Fig. 1 gezeigten Komparator 20 sowie das Umschaltmittel 13 ersetzen. In dieser einfachen Ausgestaltung ist die Umschaltschwelle hauptsächlich durch die Diodendurchlaß­ spannung festgelegt. Zur Variation der Schwelle, bei der die Über­ nahme der Energieversorgung durch die Zusatzbatterie 15 stattfindet, können unterschiedliche Diodentypen mit entsprechend unterschied­ lichen Durchlaßspannungen oder Reihenschaltungen dieser Dioden vor­ gesehen sein. Vorzugsweise wird jedoch eine Diode mit geringer Durchlaßspannung gewählt und die Schwelle für die Energieübernahme durch die Zusatzbatterie 15 im wesentlichen durch die Spannung der Zusatzbatterie 15 festgelegt, weil eine hohe Durchlaßspannung der Diode eine entsprechend höhere Verlustleistung bei Stromfluß bedeuten würde. Die Batteriespannung ist so zu wählen, daß sie unterhalb der im Normalbetrieb am Kondensator 12 auftretenden Spannung liegt, jedoch ausreicht, die Funktion des Verbrauchers 18 zu gewährleisten. Die Spannung am Kondensator 12 fällt im Extremfall auf die Leerlaufspannung der Batterie abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode 31. Die Diode 31 kann bei einer Ausführung als Leucht­ diode gleichzeitig die Funktion der in Fig. 1 gezeigten Warnvor­ richtung 21 übernehmen.

Eine Nachrüstung bereits vorhandener Geräte mit der erfindungsge­ mäßen Energieversorgungsschaltung, insbesondere von Fernbedienungen, die einen Batteriekasten zur Aufnahme von Batterien mit genormten Abmessungen aufweisen, ist durch eine Weiterbildung möglich, die zumindest die Anordnung des Kondensators 12 in einem genormten Batteriegehäuse vorsieht. Bei neuen Entwicklungen kann unmittelbar auf die sehr preisgünstig erhältlichen Batteriekästen zurückge­ griffen werden.

Claims (12)

1. Stromversorgungsschaltung mit einer Energiequelle (24, 28), die zumindest zeitweise mit einem kapazitiven Energiespeicher (12) ver­ bindbar ist, dessen Kapazität derart bemessen ist, daß ein mit elektrischer Energie zu versorgender Verbraucher (18) eine vorgeb­ bare Zeit mit der im kapazitiven Energiespeicher (12) gespeicherten Energie betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (13) vorgesehen sind, die den Verbraucher (18) mit einer elektro­ chemischen Zusatzbatterie (15) verbinden, die einen Reservebetrieb des Verbrauchers (18) ermöglicht.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle (24) ein mit der Energieversorgungsschaltung verbind­ barer Solargenerator (25, 26, 27) vorgesehen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle (28) eine mit der Energieversorgungsschaltung verbind­ bare Gleichstromenergiequelle (29, 30) vorgesehen ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (13) manuell betätigbar sind.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (13) als elektronisch betätigbarer Schalter ausgebildet sind und daß ein Komparator (20) vorgesehen ist, der den Schalter (13) in Abhängigkeit von einem Vergleich der am Kondensator (12) liegenden Spannung mit einem vorgegebenen Spannungsschwellwert be­ tätigt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltmittel (13) eine Diode (31) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Warnvorrichtung (21) vorgesehen ist, die das Vorliegen des Reservebetriebs oder zumindest das Umschalten auf Reservebetrieb signalisiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Energiespeicher (12) wenigstens einen Doppelschichtkon­ densator enthält.

9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Kondensator (12) in einem genormten Batteriegehäuse unterge­ bracht ist.

10. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Energieversorgung von tragbaren Verbrauchern (18).

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Ver­ braucher (18) eine Fernbedienung vorgesehen ist.

12. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (13) mit einer Rückstellfeder versehen sind.