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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Fahrräder,
und insbesondere eine Leistungssteuerschaltung für eine mit dem Fahrrad verwendete
elektromotorische Einheit.
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Fahrräder können mit
Dynamos zur Stromversorgung von Vorderlichtern und weiteren Vorrichtungen
ausgerüstet
sein. Derartige herkömmliche Vorrichtungen
sind in JP (Kokai) 5-238447 und 2000-625223 offenbart. Bei der ersten
offenbarten Vorrichtung wird die physische Belastung des Fahrradfahrers
verringert und die Helligkeit des Vorderlichtes vergrößert, dadurch,
dass die Anschlussspannung der Batterie abgetastet wird und die
Feldstromstärke
des Dynamos in Übereinstimmung
mit der abgetasteten Spannung gesteuert wird. Bei der zweiten offenbarten
Vorrichtung ist ein Ladekondensator vorgesehen und elektrische Leistung
wird dem Vorderlicht vom Ladekondensator zugeführt, wenn der Dynamo zu wenig
elektrische Leistung erzeugt.
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Durch
einen Dynamo mit Energie versorgte Geräte von aktuellen Fahrrädern beinhalten
nicht nur Vorderlichter, sondern auch Stelleinrichtungen zum Schalten
von elektrisch betriebenen Schalteinrichtungen, Stelleinrichtungen
zum Einstellen der Dämpfungskraft
einer elektrisch betriebenen Aufhängung, Hintergrundbeleuchtungen
von Anzeigeeinrichtungen für
Fahrradcomputer und dergleichen. Derartige Geräte werden nachfolgend als "elektromotorische Einheiten" bezeichnet. Elektromotorische
Einheiten beginnen instabil zu arbeiten, wenn die Antriebsspannung
unter einen spezifischen Pegel abfällt. Beim speziellen Beispiel
eines Motors, der als Stelleinrichtung verwendet wird, nimmt bei
einer Verringerung der Antriebsspannung die Drehzahl des Motors ab
und macht einen Betrieb des Motors mit normaler Drehzahl unmöglich. Somit
kann eine verringerte Antriebsspannung verursachen, dass eine elektrisch angetriebene
Schalteinrichtung während
des Schaltvorgangs anhält,
kann mitten im Betrieb die Bewegung einer Stelleinrichtung einer
elektrisch angetriebenen Aufhängung
unmöglich
machen, und kann weitere Probleme verursachen. Eine verringerte Spannung
kann eine Fehlfunktion eines Mikrocomputers verursachen, der für eine elektromotorische Einheit
verwendet wird, und eine verringerte Spannung kann eine nicht ausreichende
Hintergrundbeleuchtung für
einen Anzeigebildschirm eines Fahrradcomputers verursachen. Mit
derartigen herkömmlichen
Vorrichtungen war es unmöglich,
die zuvor erwähnten
Probleme anzugehen, da Stelleinrichtungen oder dergleichen nicht
als Lasten (angetriebene Geräte)
betrachtet wurden.
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INHALT DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungssteuerschaltung wie
dargelegt in Anspruch 1 bereitgestellt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Fahrradvorrichtung wie dargelegt
in Anspruch 5 bereitgestellt.
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Die
Erfindung betrifft eine Leistungssteuerschaltung für eine elektromotorische
Einheit für
ein Fahrrad, welche eine Fehlfunktion der elektromotorischen Einheit
und/oder ein Überladen
einer Stromspeichervorrichtung zu verhindern hilft. In einer Ausführungsform
der Erfindung, jedoch nicht auf diese eingeschränkt, beinhaltet eine Leistungssteuerschaltung,
welche einen Eingang zur Aufnahme von Strom von einer Stromquelle
und einen Ausgang zum Antreiben einer elektromotorischen Einheit
für ein
Fahrrad aufweist: Eine Speichereinheit; ein erstes Schaltelement,
das zwischen der Speichereinheit und dem Ausgang angeordnet ist;
einen Spannungssensor, der eine der Speichereinheit zugehörige Spannung misst;
und eine Schaltsteuereinheit, welche funktionsmäßig mit dem Spannungssensor
und dem ersten Schaltelement verbunden ist, um die Stromverbindung
zum Ausgang zu trennen, wenn die der ersten Speichereinheit zugehörige Spannung
geringer ist als eine erste Referenzspannung, und um die Stromversorgung
zum Ausgang zu aktivieren, wenn die der Speichereinheit zugehörige Spannung
größer ist
als die erste Referenzspannung. Falls gewünscht kann, nachdem die Schaltsteuerschaltung
die Stromverbindung zum Ausgang aktiviert, die Schaltsteuerschaltung
die Stromverbindung zum Ausgang aufrechterhalten, wenn die der Speichereinheit
zugehörige
Spannung unter die erste Referenzspannung abfällt und oberhalb einer zweiten
Referenzspannung liegt. Eine derartige Struktur kann einen Hystereseeffekt
bereitstellen, so dass die Schaltoperation stabilisiert wird, wenn
die Schaltsteuerschaltung das erste Schaltelement aktiviert, wenn
die der Speichereinheit zugehörige
Spannung unter die zweite Referenzspannung abfällt.
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Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung, jedoch nicht auf diesen eingeschränkt, ist
eine zweite Schalteinheit zwischen dem Eingang und der Speichereinheit
angeordnet, wobei die Schaltsteuerschaltung mit dem zweiten Schaltelement
funktionsmäßig verbunden
ist, um die Stromversorgung zur Speichereinheit zu aktivieren, wenn
die der Speichereinheit zugehörige
Spannung kleiner ist als die erste Referenzspannung, und um die
Stromversorgung zur Speichereinheit zu trennen, wenn die der Speichereinheit
zugehörige
Spannung größer ist
als eine dritte Referenzspannung. Dies trägt dazu bei, zu verhindern,
dass die Speichereinheit überladen
wird oder eine durch eine übermäßig große Spannung
verursachte Fehlfunktion der elektromotorischen Einheit verursacht
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer speziellen Ausführungsform einer Leistungssteuerschaltung
gemäß der Erfindung;
und
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2 ist
ein Ablaufdiagramm, welches die Funktionsweise der in 1 dargestellten
Schaltung darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer speziellen Ausführungsform einer Fahrradvorrichtung
gemäß der Erfindung.
Die Vorrichtung weist einen Dynamo (Generator) 1, eine
Gleichrichterschaltung 2, eine elektromotorische Einheit 3,
und eine Leistungssteuerschaltung 4 auf, die zwischen der Gleichrichterschaltung 2 und der
elektromotorischen Einheit 3 angeordnet ist. Der Dynamo 1 kann
beispielsweise ein in der Vorderradnabe des Fahrrades angebrachter
Nabendynamo sein. Die Gleichrichterschaltung 2 ist ausgelegt,
um die vom Dynamo 1 ausgegebene Wechselspannung gleichzurichten,
und kann Diodenbrückenschaltungen,
Glättungskondensatoren
und dergleichen beinhalten. Die elektromotorische Einheit 3 kann
ein Stellglied für
ein Vorderlicht, eine elektrisch betriebene Schalteinrichtung, eine elektrisch
betriebene Aufhängung,
einen Fahrradcomputer usw. sein, und wird durch die Leistungssteuerschaltung 4 angesteuert.
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Die
Leistungssteuerschaltung 4 weist auf: Eine Speichereinheit
in Form eines Ladekondensators 10, ein erstes Schaltelement 11,
das zwischen dem Ladekondensator 10 und dem Ausgang der elektromotorischen
Einheit 3 angeordnet ist, ein zweites Schaltelement 12,
das am Eingang zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Ladekondensator 10 angeordnet
ist, und eine Steuerschaltung 13 (Spannungssensor), dessen
Funktion darin besteht, die Ladespannung abzutasten. Die Verwendung
eines Kondensators für
die Speichereinheit sorgt für eine
größere Dauerhaftigkeit
als eine Batterie, und die Vorrichtung kann eine Lebensdauer von
zehn Jahren oder mehr haben, was üblicherweise die normale Betriebslebensdauer
der elektromotorischen Einheit 3 überschreitet. In dieser Ausführungsform weisen
das erste Schaltelement 11 und das zweite Schaltelement 12 jeweils
einen Feldeffekttransistor auf, der geschlossen (freigegeben) ist,
wenn die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung "High" (H) ist, und geöffnet (getrennt)
ist, wenn die Spannung "Low" (L) ist. Eine Verwendung
von Transistoren für die
Schaltelemente ermöglicht,
dass die Schaltung kleiner und leichter wird, sorgt für eine längere Lebensdauer
und ermöglicht
eine hohe Schaltgeschwindigkeit. Die Steuerschaltung 13 weist
einen ersten und einen zweiten Komparator 15 und 16,
eine Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 17, welche Referenzspannung
an die Komparatoren 15 und 16 anlegt, einen Inverter 18,
der in Reihe mit dem Ausgangsanschluss des ersten Komparators 15 geschaltet
ist, und einen Puffer 19 auf, der in Reihe mit dem Ausgangsanschluss
des zweiten Komparators 16 geschaltet ist.
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Eine
Ladespannung VC wird an die Minusanschlüsse des
ersten und des zweiten Komparators 15 und 16 angelegt,
und die Referenzspannungen von der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 17 werden
an die Plusanschlüsse
des ersten und zweiten Komparators 15 und 16 angelegt.
Die Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 17 legt
zu Anfang eine erste Referenzspannung VH an
den ersten Komparator 15 an, und legt dann eine unterhalb
der ersten Referenzspannung VH liegende
Referenzspannung VL an, sobald die Ladespannung
VC die erste Referenzspannung VH überschreitet.
Die Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 17 legt auch
eine dritte Referenzspannung VHH, welche
sogar noch größer als
die erste Referenzspannung VH ist, an den zweiten
Komparator 16 an.
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Die
Funktionsweise der auf diese Weise aufgebauten Schaltung wird nachfolgend
mit Bezug auf das in 2 dargestellte Ablaufdiagramm
beschrieben. Das in 2 dargestellte Ablaufdiagramm
ist ausgelegt, um die Funktionsweise der Schaltung darzustellen,
und soll nicht die durch die Programmierung durchgeführte Steuerfunktion
beschreiben. Die Spannung VC, auf welche
der Ladekondensator 10 geladen ist, wird andauernd den
Minusanschlüssen des
ersten und des zweiten Komparators 15 und 16 zugeführt, und
die Ladespannung VC wird mit den Referenzspannungen
VH (VL) und VHH verglichen.
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Die
Schritte S1 und S2 in 2 werden ausgeführt, wenn
die Ladespannung VC unter die erste Referenzspannung
VH absinkt, beispielsweise wenn sich das
System entladen hat, wenn es für
eine längere
Zeit "gestanden" ist, eine schwere
Last angetrieben wurde, oder dergleichen. Wenn dies passiert, steigt
die Ausgangsgröße des ersten
Komparators 15 auf einen High-Pegel (nachfolgend als "H" bezeichnet), das entstehende H-Signal
wird durch den Inverter 18 invertiert, um einen Low-Pegel (nachfolgend
als "L" bezeichnet) zu erzeugen,
und das L-Signal wird an das Gatter des ersten Schaltelementes 11 angelegt.
Das erste Schaltelement 11 wird dadurch geöffnet, wodurch
verhindert wird, dass die Ladespannung an die elektromotorische
Einheit 3 angelegt wird. Mit anderen Worten sind das erste
Schaltelement 11 und die elektromotorische Einheit 3 deaktiviert.
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Unterdessen
wird eine dritte Referenzspannung VHH, welche
größer ist
als die erste Referenzspannung VH, an den
Plus-Anschluss des zweiten Komparators 16 angelegt. Der
zweite Komparator 16 gibt ein H-Signal aus, da die Ladespannung
VC kleiner ist als die erste Referenzspannung
VH, und das H-Signal wird an das Gatter
des zweiten Schaltelementes 12 über den Puffer 19 angelegt.
Als Ergebnis wird das zweite Schaltelement 12 geschlossen,
so dass der Ladekondensator 10 durch den Dynamo 1 geladen
wird.
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Die
Schritte S1 und S3 werden durchgeführt, wenn der Ladekondensator 10 anschließend geladen wird
und die Ladespannung VC die erste Referenzspannung
VH überschreitet.
Wenn dies passiert, überschreitet
die an den Minus-Anschluss des ersten Komparators 15 angelegte
Ladespannung VC die erste Referenzspannung
VH, so dass der erste Komparator 15 ein
L-Signal ausgibt. Der Inverter 18 invertiert das L-Signal,
und das entstehende H-Signal wird an das Gatter des ersten Schaltelementes 11 angelegt.
Das erste Schaltelement 11 schließt, so dass die Ladespannung
an die elektromotorische Einheit 3 angelegt werden kann.
Mit anderen Worten wird die Operation des ersten Schaltelementes 11 und
die elektromotorische Einheit 3 aktiviert.
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Unterdessen
wird die Spannung VC mit der dritten Referenzspannung
VHH durch den zweiten Komparator 16 verglichen,
und der zweite Komparator 16 gibt weiterhin ein H-Signal
aus, bis die dritte Referenzspannung VHH überschritten
wird. Somit bleibt das Schaltelement 12 geschlossen, und
das Laden des Kondensators 10 wird fortgesetzt, bis die dritte
Referenzspannung VHH überschritten wird.
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Nachdem
die Ladespannung VC die erste Referenzspannung
VH überschreitet,
legt die Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 17 die zweite Referenzspannung
VL an den Plus-Anschluss des ersten Komparators 15 an,
wobei die zweite Referenzspannung VL kleiner
ist als die erste Referenzspannung VH. Die
Schritte S4 und S5 werden ausgeführt,
wenn die Ladespannung Vc unter die zweite Referenzspannung
VL abfällt.
Wenn dies passiert, gibt der erste Komparator 15 ein H-Signal
aus, dieses Signal wird durch den Inverter 18 invertiert,
um ein L-Signal zu erzeugen, und das L-Signal wird an das Gatter
des ersten Schaltelementes 11 angelegt. Demzufolge wird
das erste Schaltelement 11 geöffnet, und das erste Schaltelement 11 und
die elektromotorische Einheit 3 werden erneut deaktiviert.
Es sollte ohne Weiteres klar sein, dass diese Änderung der Referenzspannungen
für einen
Hystereseeffekt sorgt, so dass die Schaltoperation stabilisiert
wird.
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Es
kann angestrebt werden, die elektromotorische Einheit 3 derart
zu konfigurieren, dass eine Steuerung der Geräte auf Seiten der elektromotorischen
Einheit 3 erfolgt, bevor die Zufuhr von elektrischem Strom
zur elektromotorischen Einheit 3 unterbrochen wird. Beispielsweise
kann im Fall einer elektrisch betriebenen Schalteinrichtung die
Zufuhr von elektrischem Strom unterbrochen werden, nachdem die Schalteinrichtung
auf die leichteste Gangstufe bewegt wurde. Es kann in einem derartigen
Fall angestrebt werden, die Ladespannung auf Seiten der elektromotorischen
Einheit 3 zu überwachen
und die auf Seiten der Leistungssteuerschaltung 4 zu unternehmenden
Steuerprozeduren abzuschätzen.
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Die
Schritte S6 und S7 werden durchgeführt, wenn die Ladespannung
VC die dritte Referenzspannung VHH überschreitet.
Wie zuvor angemerkt, ist die dritte Referenzspannung VHH größer als
die erste Referenzspannung VH. Da in diesem
Fall die an den ersten Komparator 15 angelegte Ladespannung
VC die erste Referenzspannung VH überschreitet,
gibt der erste Komparator 15 ein L-Signal aus, dieses Signal wird
durch den Inverter 18 auf ein H-Signal invertiert, und
das H-Signal wird an das Gatter des ersten Schaltelementes 11 angelegt.
Das erste Schaltelement 11 schließt, wodurch die Operation der
elektromotorischen Einheit 3 ermöglicht wird. Unterdessen ist
die an den Minus-Anschluss des zweiten Komparators 16 angelegte
Ladespannung VC größer als die dritte Referenzspannung
VHH, so dass der zweite Komparator 16 ein
L-Signal ausgibt. Das zweite Schaltelement 12 öffnet sich,
wodurch das Laden des Ladekondensators 10 unterbrochen
wird.
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In
der vorhergehenden Ausführungsform wird
die Zufuhr von elektrischem Strom zur elektromotorischen Einheit 3 unterbrochen
und die elektromotorische Einheit 3 wird deaktiviert, bis
die Ladespannung VC die erste Referenzspannung
VH (z.B. 6 V) überschreitet, wodurch es möglich wird,
zu verhindern, dass die elektromotorische Einheit 3 in
instabiler Weise arbeitet. Jegliche, die Schließ- und Öffnungssteuerung des ersten
Schaltelementes 11 beeinflussende Instabilität kann dadurch
verhindert werden, dass eine zuvor beschriebene Hystereseanordnung
verwendet wird, bei welcher eine unterhalb der ersten Referenzspannung
VH liegende zweite Referenzspannung VL (z.B. 4,5 V) als Schwellenwert verwendet
wird, um die Zufuhr von elektrischer Leistung zur elektromotorischen
Einheit 3 zu steuern, nachdem die Operation der elektromotorischen
Einheit 3 aktiviert wurde. Außerdem wird, dadurch, dass der
Ladeprozess unterbrochen wird, sobald die Ladespannung VC die dritte Referenzspannung VHH überschreitet,
ermöglicht,
die Zufuhr einer übermäßig großen elektrischen
Leistung zur elektromotorischen Einheit 3 zu verhindern,
und ermöglicht,
dass die elektromotorische Einheit 3 in stabiler Weise
arbeitet. Der Ladekondensator 10 kann durch Auswählen der gewünschten
Einstellung für
die dritte Referenzspannung geschützt werden.
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Auch
wenn zuvor eine Ausführungsform
der Erfindung beschrieben wurde, können weitere Modifikationen
verwendet werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise können
Größe, Form,
Ort und Orientierung der verschiedenen Bauelemente nach Wunsch verändert werden.
Bauelemente, die als direkt miteinander verbunden oder in Kontakt
stehend dargestellt sind, können
zwischen ihnen angeordnete Zwischenstrukturen haben. Auch wenn die
zuvor beschriebene Ausführungsform
mit Bezug auf einen Fall beschrieben wurde, bei dem das erste Schaltelement 11 separat von
der elektromotorischen Einheit 3 verwendet wurde, ist es
ebenfalls möglich,
eine Anordnung zu verwenden, bei der das erste Schaltelement in
die elektromotorische Einheit 3 eingebaut ist. In einem
derartigen Fall kann die Signalleitung des ersten Komparators 15 mit
der elektromotorischen Einheit 3 zusätzlich zur Stromleitung verbunden
sein. Auch wenn die zuvor beschriebene Ausführungsform mit Bezug auf einen
Fall beschrieben wurde, bei welchem es sich bei der Leistungssteuerschaltung
um eine analoge Schaltung handelte, ist es ebenfalls möglich, eine
Anordnung zu verwenden, bei welcher ein Mikrocomputer verwendet
wird, um die Steuerprozeduren durchzuführen. Software kann anstelle
von Hardware verwendet werden. Das Messen einer Spannung kann indi rekt
durch Messen eines Widerstandes oder einer Stromstärke gemäß dem Ohmschen
Gesetz erfolgen. Die Funktionen eines Einzelelementes können von
zwei Elementen übernommen
werden, und umgekehrt. Es ist nicht erforderlich, dass alle Vorteile
in einer speziellen Ausführungsform
gleichzeitig vorhanden sind. Jedes Merkmal, dass eine Abgrenzung gegenüber dem
Stand der Technik darstellt, sollte, allein oder in Kombination
mit weiteren Merkmalen, als separate Beschreibung weiterer Erfindungen
der Anmelderin betrachtet werden, welche die durch eines oder mehrere
dieser Merkmale realisierten strukturellen und/oder funktionalen
Konzepte einschließt.
Somit versteht es sich, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht
durch die hier offenbarten spezifischen Strukturen oder den anfänglichen
scheinbaren Fokus auf eine spezielle Struktur oder Merkmal eingeschränkt ist.