DE4226530A1

DE4226530A1 - Energieversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE4226530A1
Application number: DE4226530A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Phys Dr Scharf; Wilhelm Ing Grad Amrhein; Klaus Dipl Phys Dr Reymann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-11
Filing date: 1992-08-11
Publication date: 1994-02-17

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Energieversorgungsschaltung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Fachzeitschrift "ELEKTRONIK", Heft 6, Franzis-Verlag München, 1977, S. 53 ist eine Energieversorgungsschaltung bekannt, die als Energiequelle Solar zellen und als Energiespeicher Kondensatoren enthält. Der Betrieb eines an die Energieversorgungsschaltung angeschlossenen Ver brauchers ist innerhalb eines Spannungsbereichs möglich, für den der Verbraucher ausgelegt ist. Die Energieversorgungsschaltung enthält einen ersten, zu den Solarzellen parallel geschalteten Kondensator sowie einen zweiten, im Vergleich zum ersten höherkapazitiven zweiten Kondensator, der erst nach Überschreiten einer vorgegebenen Spannungsschwelle mit den Solarzellen verbunden wird. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, den Verbraucher nach erstmaligem Beleuchten der Solarzellen wegen der verhältnismäßig geringen Kapazität des unmittelbar zu den Solarzellen parallel geschalteten Kondensators vergleichsweise rasch in Betrieb nehmen zu können, ohne daß die Aufladung des Kondensators mit großer Kapazität abgewartet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungs schaltung mit einem kapazitiven Energiespeicher anzugeben, die eine möglichst hohe Ausnutzung der gespeicherten Energie ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung weist den Vorteil auf, daß die in den beiden Kondensatoren gespeicherte Energie einem Verbraucher, der innerhalb eines festgelegten Spannungsbereichs ordnungsgemäß arbeitet, weitgehend zur Verfügung gestellt wird. Wenn der Verbraucher eine Spannungsänderung von beispielsweise 50% akzeptiert, ist eine Ausnutzung bis auf 15/16 der ursprünglich in den beiden Kondensatoren enthaltenen Energie möglich.

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, wobei der Solargenerator mit der Schaltung entweder fest verbunden oder bedarfsweise verbind bar ist. Diese Weiterbildung ist insbesondere für Verbraucher ge eignet, die einen vergleichsweise geringen Energiebedarf aufweisen, der mit einem kleinen Solargenerator aufgebracht werden kann. Der kapazitive Energiespeicher weist hier den Vorteil auf, daß der Lade wirkungsgrad auch bei kleinen Strömen nahezu 100% erreichen kann.

Eine andere Weiterbildung 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. Die Aufladezeit hängt von der Leistungsfähigkeit der Quelle und vom maximal zulässigen Kondensatorstrom ab.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht einen Spannungswandler vor, der zwischen die Energieversorgungsschaltung und den Verbraucher geschaltet ist. Mittels des Spannungswandlers sind Verbraucher ver wendbar, die keine oder nur geringe Spannungsschwankungen tolerieren.

In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energiever sorgungsschaltung ist vorgesehen, daß die Schaltmittel handbetätig bar sind. Diese Ausgestaltung weist den Benutzer durch eine Redu zierung der Funktionsleistung des Verbrauchers oder durch einen mittels der Umschaltung zu beseitigenden Ausfall des Verbrauchers darauf hin, daß der kapazitive Energiespeicher in absehbarer Zeit aufgeladen werden muß.

In einer anderen Ausgestaltung ist eine selbständige Umschaltung zwischen der Parallel- und Serienschaltung der beiden Kondensatoren vorgesehen. Die Umschaltung erfolgt in Abhängigkeit von der an einem Kondensator meßbaren Spannung, die ein Komparator mit einer vorge gebenen Schwelle vergleicht, bei deren Unterschreitung ein ent sprechendes Schaltsignal für die Schaltmittel abgegeben wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energie versorgungsschaltung ist die Anordnung wenigstens eines Kondensators in einem genormten Batteriegehäuse vorgesehen. Diese Maßnahme ermög licht ein Nachrüsten vorhandener Verbraucher mit entsprechenden Batteriekästen oder zumindest die Verwendung von preisgünstig er hältlichen 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 zur Türbetätigung, insbesondere bei Garagentoren oder beispielsweise bei Kraftfahrzeugen Verwendung. Beim Einsatz der Fernbedienung im Audio- und Videobereich ist neben der Ausgestaltung der Energiequelle als Solargenerator zusätzlich die Ausgestaltung als Netzenergie- oder Batterieenergiequelle zweckmäßigerweise vor zusehen, die in dem fernzubedienenden Gerät angeordnet ist und ein rasches Nachladen des kapazitiven Energiespeichers ermöglicht, falls die von dem Solargenerator 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

In der Figur ist ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Energiever sorgungsschaltung gezeigt.

Die Figur zeigt eine erste und zweite Stromversorgungsleitung, an die ein kapazitiver Energiespeicher 13 angeschlossen ist. Der kapa zitive Energiespeicher 13 enthält einen ersten und zweiten Konden sator 14, 15. Vorgesehen sind Schaltmittel 16, die eine Auswahl ermöglichen zwischen einer Anordnung, bei der die Kondensatoren 14, 15 parallelgeschaltet sind und einer Anordnung, bei der die Konden satoren 14, 15 in Serie geschaltet sind. In der Figur sind die Schaltmittel 16 beispielhaft in einer Schaltstellung gezeigt, bei der die Kondensatoren 14, 15 parallelgeschaltet sind. Die Schalt mittel 16 können entweder manuell oder elektronisch mittels eines Ausgangssignals eines Komparators 17 geschaltet werden. Der Kom parator 17 erhält an seinem Eingang 18 die am Kondensator 15 liegende Spannung zugeführt. Das zu den Schaltmitteln 16 führende Schaltsignal des Komparators 17 trägt das Bezugszeichen 19. Der Komparator 17 ist weiterhin mit der zweiten Stromversorgungsleitung 12 und einer zu einem Verbraucher führenden weiteren Stromver sorgungsleitung 21 verbunden. Die erste Stromversorgungsleitung 11 und die weitere Stromversorgungsleitung 21 sind mittels eines weiteren Schaltmittels 22 miteinander verbindbar. Zwischen dem weiteren Schaltmittel 22 und dem Verbraucher 20 ist ein Spannungs wandler 23 angeordnet.

Die Stromversorgungsleitungen 10, 11 führen zu Anschlußklemmen 24, 25, an die eine Energiequelle anschließbar ist. In der Figur sind zwei Beispiele von Energiequellen eingezeichnet. Eine erste Energie quelle 26 enthält einen Solargenerator 27, der die von einer Strahlungsquelle abgegebene Strahlung 28 in elektrische Energie umsetzt. In Serie mit dem Solargenerator 27 ist eine Diode 29 ge schaltet. Als zweite Energiequelle 30 ist eine Gleichstromquelle 31 vorgesehen, die in Serie mit einem Widerstand 32 geschaltet ist.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung arbeitet folgender maßen:

Die Energieversorgungsschaltung ist zur Bereitstellung elektrischer Energie für den Verbraucher 20 vorgesehen. Die Energieversorgungs schaltung enthält eine kapazitive Energiespeicherung 13 mit den beiden Kondensatoren 14, 15. Anstelle von jeweils einem Kondensator 14, 15 ist es auch möglich, daß sowohl der in der Figur gezeigte Kondensator 14 als auch der Kondensator 15 jeweils aus mehreren, parallelgeschalteten Kondensatoren zusammengesetzt ist. Als Konden satoren 14, 15 sind vorzugsweise hochkapazitive Doppelschichtkonden satoren, wie sie beispielsweise in der Firmenschrift "Supercap", NEC-Corporation, 1984, S. 1-26 beschrieben sind. Wesentlich ist die Umschaltmöglichkeit, die mittels des Schaltmittels 16 die Aus wahl gestattet zwischen einer Anordnung, bei der die Kondensatoren 14, 15 parallelgeschaltet sind, und einer Anordnung, bei der die Kondensatoren 14, 15 in Serie geschaltet sind. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, die in den Kondensatoren 14, 15 gespeicherte Energie unter Berücksichtigung der Spannungsänderung an den Kondensatoren beim Entladevorgang durch den Verbraucher 20 gegenüber einer Energieversorgungsschaltung ohne Umschaltmöglichkeit besser zu nutzen. Die Umschaltung von Parallel- auf Serienschaltung wird dann vorgenommen, wenn die Versorgungsspannung nicht mehr zum Betrieb des Verbrauchers 20 ausreicht. Die Schaltmittel 16, die in der Figur beispielhaft als zwei Umschalter eingetragen sind, können beispiels weise manuell betätigt werden. Die manuelle Betätigung kann von einem Benutzer vorgenommen werden, der eine abnehmende Funktions leistung des Verbrauchers 20 oder ein Ausbleiben der Verbraucher funktion feststellt.

Beim Laden wird auf Parallelschaltung der Kondensatoren zurückge stellt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Um schalter 16 mit einer Rückstellfeder so versehen ist, daß die Parallelschaltung die Normalstellung darstellt.

In einer anderen Ausgestaltung kann die Umschaltung des Schalt mittels 16 selbständig in Abhängigkeit von der an einem Kondensator 14, 15 meßbaren Spannung erfolgen. Anstelle der Messung der Spannung an einem der Kondensatoren 14, 15 ist es auch möglich, die unmittel bar an den Stromversorgungsleitungen 11, 12 meßbare Spannung dem Komparator 17 zuzuleiten. In diesem Fall muß der Komparator eine Speicherfunktion enthalten, welche die Information festhält, daß bereits von Parallel- auf Serienschaltung umgeschaltet wurde, um ein dauerndes Hin- und Herschalten zu vermeiden. In der Figur ist bei spielhaft die Spannungsmessung am Kondensator 15 gezeigt. Der Kom parator 17 vergleicht die gemessene Spannung mit einer vorgegebenen Schwelle und gibt beim Unterschreiten der vorgegebenen Schwelle das Schaltsignal 19 an die Schaltmittel 16 ab. In dieser Ausgestaltung sind die Schaltmittel 16 als elektronisch steuerbare Schalter aus geführt. Die für den Komparator 17 vorzugebende Schwelle wird in Abhängigkeit vom zulässigen Betriebsspannungsbereich des Ver brauchers 20 festgelegt. In einer Weiterbildung kann es zweckmäßig sein, das Schaltsignal 19 des Komparators 17 auch einer in der Figur nicht gezeigten Anzeigevorrichtung zuzuführen, die einen Benutzer der Energieversorgungsschaltung und des Verbrauchers 20 darauf hin weist, daß die Umschaltung auf Serienschaltung der Kondensatoren 14, 15 bereits stattgefunden hat. Die Umschaltung auf Serienschaltung kann als Reservebetrieb bezeichnet werden. Unter der Annahme, daß beide Kondensatoren 14, 15 dieselbe Kapazität C aufweisen, gilt folgende Energiebetrachtung:

Bei der Parallelschaltung der Kondensatoren 14, 15 kann bei einer zulässigen Spannungsschwankung U_min = 1/2 U_max am Verbraucher 20 von U_max bis U_min der Parallelschaltung die Energie

E_p=C(U² _max-U² _min)

entnommen werden. Nach einer Umschaltung auf Serienschaltung der beiden Kondensatoren 14, 15 kann nochmals die Energie

E_s= 0.25×C×(U² _max-U² _min)

entnommen werden. Die gesamte, zu entnehmende Energie ergibt sich daraus zu
E_ges=1.25×C(U² _max-U² _min).

Unter der Annahme, daß der Verbraucher 20 eine Eingangsspannungs toleranz von 50% aufweist, können 15/16 der in den Kondensatoren 14, 15 ursprünglich gespeicherten Energie entnommen werden. Allge mein gilt, daß durch die Serienschaltung gegenüber der ursprüng lichen Parallelschaltung 3/4 der in der Parallelschaltung noch vor handenen Energie zusätzlich zur Verfügung stehen. Diese Angaben gelten unter der Annahme, daß die Kapazitäten der Kondensatoren 14, 15 jeweils gleich sind.

Der Verbraucher 20 ist über das weitere Schaltmittel 22, beispiels weise einem einpoligen Schalter mit der ersten Stromversorgungs leitung 11 verbindbar. Die für den Komparator erforderliche Energie wird vorzugsweise nach dem Schalter 22 an der weiteren Stromver sorgungsleitung 21 und an der zweiten Stromversorgungsleitung 12 entnommen. Diese Schaltung weist den Vorteil auf, daß der Komparator 17 nur im eingeschalteten Zustand des Verbrauchers 20 Energie ver braucht.

Ein Verbraucher, der nur eine relativ geringe Spannungsschwankung toleriert, kann durch die Zwischenschaltung eines Spannungswandlers 23 an der erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung betrieben werden. Der Spannungswandler 23 ist auf den gewünschten Eingangs spannungsbereich auszulegen. Die Ausgangsspannung sowie deren Toleranz sind auf den Verbraucher 20 abzustimmen.

Die in den Kondensatoren 14, 15 gespeicherte Energie wird von einer Energiequelle 26, 30 bereitgestellt, die mit den Anschlußklemmen 24, 25 verbindbar ist. In einer speziellen Ausgestaltung kann die Energiequelle 26, 30 mit den Klemmen 24, 25 ständig verbunden sein. Als erste Energiequelle 26 ist der Solargenerator 27 vorgesehen, der die von einer Strahlungsquelle abgegebene Strahlung 28 in elektrische Energie umsetzt. Die Diode 29 verhindert ein Entladen der Kondensatoren 14, 15 durch den Solargenerator 27 bei geringer oder nicht vorhandener Strahlung 28. Anstelle der ersten Energie quelle 26 oder zusätzlich zur ersten Energiequelle 26 kann die zweite Energiequelle 30 vorgesehen sein, die die Gleichstromquelle 31 aufweist, die über den Widerstand 32 mit den Klemmen 24, 25 verbindbar ist. Der Widerstand 32, der gegebenenfalls vorgesehen ist, begrenzt den Ladestrom. Anstelle des Widerstands 32 sind auch andere Schaltungen denkbar, die den maximal zulässigen Ladestrom der Kondensatoren 14, 15 oder den maximalen Strom durch die Gleichstrom energiequelle 31 begrenzen. Als Gleichstromquelle 31 kann beispiels weise eine elektrochemische Batterie vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Gleichstromquelle 31 als Netzgerät mit Gleichstromausgang realisiert.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung eignet sich insbe sondere für tragbare Verbraucher 20 mit geringem Energieverbrauch. Eine vorteilhafte Verwendung ist beispielsweise bei Fernsteuerungen gegeben, die in unterschiedlichsten Applikationen eingesetzt werden.

Als Beispiele werden genannt: Der Audio- und Videobereich, die Fernsteuerung von Toren, insbesondere von Garagentoren, sowie die Fernsteuerung von Kraftfahrzeugkarosserieelektronik wie beispiels weise Alarmanlagen, Zentralverriegelungsanlagen und Sitz-/Spiegel-/Lenkradverstellungen. Bei Fernbedienungen, die ins besondere in Innenräumen betrieben werden, beispielsweise zur Fern bedienung von Audio- und Videoanlagen, kann es vorkommen, daß die vom Solargenerator 27 zur Verfügung gestellte Energie nicht in allen Betriebssituationen ausreicht. Hier ist ein rasches Nachladen der Energie möglich mit der zweiten Energiequelle 30, die unmittelbar in dem zu bedienenden Audio- oder Videogerät angeordnet ist. Eine Nachladung der Kondensatoren 14, 15 mit elektrischer Energie ist im Sekunden- oder Minutenbereich ohne weiteres möglich.

Eine Nachrüstmöglichkeit bereits vorhandener Geräte, insbesondere von Fernbedienungen, die einen Batteriekasten zur Aufnahme von Batterien mit genormten Abmessungen aufweisen, ist durch eine Weiterbildung möglich, die zumindest die Anordnung wenigstens eines der Kondensatoren 14, 15 in einem genormten Batteriegehäuse vorsieht. Bei neuen Entwicklungen kann in diesem Fall auf die sehr preiswert erhältlichen Batteriekästen zurückgegriffen werden.

Claims

1. Energieversorgungsschaltung mit einem an Stromversorgungs leitungen (11, 12) liegenden kapazitiven Energiespeicher (13), dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (13) zwei Kondensatoren (14, 15) enthält und daß Schaltmittel (16) vorgesehen sind, die eine Auswahl ermöglichen zwischen einer Anordnung, bei der die Konden satoren (14, 15) parallel geschaltet sind, und einer Anordnung, bei der die Kondensatoren (14, 15) in Reihe geschaltet sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle ein mit der Energieversorgungsschaltung verbindbarer Solargenerator (26, 27, 28, 29) vorgesehen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle eine mit der Energieversorgungsschaltung verbindbare Gleichstromenergiequelle (30, 31, 32) vorgesehen ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Verbraucher (20) und der Energieversorgungsschaltung ein Spannungswandler (23) angeordnet ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (16) manuell betätigbar sind.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kom parator (17) vorgesehen ist, der die Schaltmittel (16) beim Unter schreiten einer vorgegebenen Schwelle der an einem Kondensator (14, 15) meßbaren Spannung betätigt.

7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kondensatoren (14, 15) in einem genormten Batteriegehäuse untergebracht ist.

8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kon densatoren (14, 15) Doppelschichtkondensatoren vorgesehen sind.

9. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Energieversorgung von tragbaren Verbrauchern (20).

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ver braucher (20) eine Fernbedienung vorgesehen ist.

11. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (16) mit einer Rückstellfeder versehen sind.