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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Fahrräder und insbesondere eine Schaltung
zur Steuerung von Energie von einem Dynamo.
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Fahrräder sind
typischerweise mit einem Dynamo ausgestattet, der Energie zum Erleuchten
einer Lampe, wie etwa eines Frontscheinwerfers, liefert. Vorrichtungen
zum Steuern der Lampenfunktion sind zum Beispiel in der japanischen
ungeprüften
Patentanmeldung 5-238447 und der ungeprüften Patentanmeldung 2000-62523
offenbart. Gemäß der in der
früheren
Veröffentlichung
gelehrten Vorrichtung wird die Klemmenspannung der Batterie detektiert, und
der Feldstrom des Dynamos wird unter Bezug auf den Sensorausgang
gesteuert, um die physischen Anforderungen an den Fahrer zu verringern und
die Lampenhelligkeit zu stabilisieren. Gemäß der in der früheren Veröffentlichung
gelehrten Vorrichtung ist ein Ladekondensator vorgesehen, so dass der
Lampe in Zeiten niedriger Energieerzeugung durch den Dynamo elektrische
Energie durch den Ladekondensator zugeführt werden kann. DE-A-44 29 693
zeigt eine weitere Vorrichtung zur Steuerung der Lampenfunktion.
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Neuere
Fahrräder
sind oft mit zusätzlichen vom
Dynamo angetriebenen Geräten
ausgestattet, wie etwa Betätigungsvorrichtungen,
um in elektrisch betriebenen Gangschaltungssystemen die Geschwindigkeit
zu ändern,
Betätigungsvorrichtungen, um
die Dämpfungskraft
in elektrisch betriebenen Stoßdämpfern zu
regulieren, und Anzeigehinterleuchtungen für Fahrradcomputer (derartige
Vorrichtungen werden im folgenden als „elektrisch betriebene Einheiten" bezeichnet). Derartige
elektrisch betriebene Einheiten arbeiten instabil, wenn die Betriebsspannung
unter eine gewisse vorbestimmte Spannung sinkt. Falls zum Beispiel
ein Betätigungsvorrichtung
aus einem Motor besteht, kann eine niedrigere Betriebsspannung zu
Proble men, wie etwa niedriger Geschwindigkeit oder einer Unmöglichkeit, mit
normaler Geschwindigkeit zu arbeiten, führen; in einem elektrisch betriebenen
Gangschaltungssystem zu einem Anhalten mitten während eines Schaltvorgangs;
oder in der Betätigungsvorrichtung
in einem elektrisch betriebenen Stoßdämpfer zu einem plötzlichen
Nicht-Funktionieren. Wenn eine elektrisch betriebene Einheit einen
Mikroprozessor einsetzt, können
sich Funktionsfehler ergeben. Im Falle einer Anzeigenhinterleuchtung
kann die Sichtbarkeit aufgrund ungenügender Beleuchtung beeinträchtigt sein.
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Für dieselbe
vorgegebene Dynamogeschwindigkeit ist, wenn die Lampe angeschaltet
ist, die Spannung niedriger, als wenn sie ausgeschaltet ist, und
daher ist es insbesondere bei mit elektrisch betriebenen Einheiten
der Art, wie sie oben beschrieben ist, ausgestatteten Fahrrädern wesentlich,
eine stabile Ladespannung zu erzielen. Jedoch sind herkömmliche
Geräte,
wie die oben beschriebenen, während
sie in der Lage sind, einer Lampe stabil elektrische Energie zuzuführen, nicht
in der Lage, anderen elektrisch betriebenen Einheiten stabil elektrische
Energie zuzuführen.
Dies führt
zu einer Notwendigkeit, einen Aufwärtstransformator oder einen
Aufwärts-Schaltkreis
bereitzustellen, um eine stabile Energiezufuhr zu elektrisch betriebenen
Einheiten bereitzustellen, während
die Lampe weiterbrennt, was zu dem Problem höherer Gerätekosten führt. Diese Probleme werden
durch eine Ladesteuerschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Dynamosteuerschaltung für ein Fahrrad,
wobei die Lampenfunktion gesteuert wird, um die Last für die Batterie
zu verringern. Eine Fahrrad-Ladesteuerschaltung zum Empfang elektrischer
Energie von einem Fahrraddynamo und zum Steuern der Funktion einer Lampe
und eines Ladeschaltkreises umfasst einen Lampenschalter, um der
Lampe vom Dynamo selektiv Energie zuzuführen, eine Batterie, die durch
den Dynamo geladen wird, und eine Lampensteuerschaltung, die funktionell
mit dem ersten Lampenschalter und der Batterie gekoppelt ist, um
den ersten Lampenschalter zu steuern und intermittierend der Lampe
Energie zuzuführen,
wenn die Batteriespannung sich unterhalb eines vorgewählten Wertes
befindet. In einer besonderen Ausführungsform richtet ein Gleichrichter
die Energie vom Dynamo zur Batterie gleich, und die Lampensteuerschaltung
steuert den Lampenschalter, um der Lampe in Intervallen, die etwa
gleich den Halbperioden der Ausgangsspannung des Dynamos sind, Energie
zuzuführen.
Die Lampensteuerschaltung ermöglicht,
der Lampe die volle Energie zuzuführen, wenn die Batteriespannung über dem
vorgewählten
Wert liegt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschaltbild einer besonderen Ausführungsform einer Dynamo-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein detaillierter schematischer Schaltplan einer besonderen Ausführungsform
der in 1 dargestellten Dynamo-Steuerschaltung; und
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3(A–B)
sind Wellenformen, die die der Lampe durch den Dynamo zugeführten Spannungen, wenn
sich die Batteriespannung unterhalb eines vorgewählten Werts befindet, zeigen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
ein Blockschaltbild einer besonderen Ausführungsform einer Dynamo-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Dynamo-Steuerschaltung
einen Dynamo (DYN) 1, der als Generator dient; eine Gleichrichterschaltung
(RECT) 2; einen Akkumulator (ACC) 3, der als die
Energieversorgung für
die elektrisch betriebenen Einheiten dient; eine Lampe (LMP) 4;
und einen Schalter (SW) 5, der sich zwischen dem Dynamo 1 und
der Lampe 4 befindet. Der Dynamo 1 umfasst beispielsweise
einen Nabendynamo, der in der Nabe des Vorderrads der Fahrrads aufgenommen
ist. Die Gleichrichterschaltung 2 ist eine Schaltung, um
die Ausgangswechselspannung des Dynamos 1 gleichzurichten,
und sie umfasst eine Diode oder dergleichen. Der Akkumulator 3 ist
eine Vorrichtung, die einen Kondensator, Transistor, etc. umfasst und
den An/Aus-Vorgang des Schalters 5 mittels ihrer Ladespannung
steuert.
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2 ist
ein detaillierter schematischer Schaltplan einer besonderen Ausführungsform
der in 1 dargestellten Dynamo-Steuerschaltung. Wie in 2 gezeigt,
ist der Dynamo 1 mit einem ersten Kondensator C1, einem
zweiten Kondensator C2, einer ersten Diode D1 und einer zweiten
Diode D2 gekoppelt. In dieser Schaltung bilden der erste und der zweite
Kondensator C1, C2 und die erste und die zweite Diode D1, D2 eine
spannungsverdoppelnde Gleichrichterschaltung. Der erste Kondensator
C1 wird während
der positiven Halbperiode des Ausgangs des Dynamos 1 geladen,
und während
der darauffolgenden negativen Halbperiode wird der zweite Kondensator
C2 mit einer Spannung geladen, die gleich der vom Dynamo 1 erzeugten
Spannung plus der Ladespannung des ersten Kondensators C1 ist. Somit
kann der zweite Kondensator C2 bei niedriger Geschwindigkeit eine
hohe Ladespannung erhalten. Der zweite Kondensator C2 wirkt als
eine Energieversorgung, um, wie später beschrieben, den ersten
und den dritten Feldeffekttransistor FET1 und FET3 zu betreiben.
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Eine
dritte Diode D3, die als Gleichrichterschaltung dient, ist mit dem
Dynamo 1 gekoppelt, und der Ausgang dieser dritten Diode
D3 ist über
den ersten Feldeffekttransistor (im folgenden einfach „Transistor") FET1 mit einem
dritten Kondensator C3 gekoppelt, der als wiederaufladbare Batterie
dient. Das Gate des ersten Transistors FET1 ist über einen ersten Widerstand
R1 mit dem zweiten Kondensator C2 gekoppelt. In dieser Schaltung
ermöglicht
die dritte Diode D3, dass der dritte Kondensator C3 über den ersten
Transistor FET1 mit dem Ausgang des Dynamos 1 nur während dessen
negativer Halbperiode geladen wird. Wie für derartige Kondensatoren gut bekannt
ist, schaltet der erste Transistor FET1, falls das Potenzial am
Gate des ersten Transistors FET1 um mehr als einen vorbestimmten
Wert (zum Beispiel 2 V) höher
als das an der Source ist, an. Da die Spannung des zweiten Kondensators
C2 am Gate des ersten Transistors FET1 angelegt wird, ist die angelegte Spannung
selbst unter den weiter oben beschriebenen Bedingungen geringer
Geschwindigkeit ausreichend hoch, der erste Transistor FET1 ist
im AN-Zustand stabilisiert, und der Ladevorgang des dritten Kondensators
C3 ist stabilisiert.
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Der
zweite Transistor FET2, der dritte Transistor FET3 (entsprechend
dem Schalter 5 in 1) und die
Lampe 4 sind mit dem Dynamo 1 in Reihe geschaltet.
Die parallel zu dem zweiten Transistor FET2 geschaltet dargestellte
Diode D5 und die parallel zu dem dritten Transistor FET3 dargestellte
Diode D4 sind parasitäre
Dio den für
die jeweiligen Transistoren FET2, FET3. Das Gate des zweiten Transistors
FET2 ist über
einen zweiten Widerstand R2 mit dem zweiten Kondensator C2 gekoppelt,
und das Gate des dritten Transistors FET3 ist mit einer Steuerschaltung 10 gekoppelt.
Auch ein dritter Widerstand R3 ist parallel zu dem Gate des dritten
Transistors FET3 geschaltet.
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Mit
dieser Schaltungsanordnung kann das Gate-Potenzial des ersten Transistors
FET1 durch die Steuerungsschaltung 10 gesteuert werden,
um das Laden des dritten Kondensators C3 zu steuern, und das Gate-Potenzial
des dritten Transistors FET3 kann entsprechend der Ladespannung
des dritten Kondensators C3 gesteuert werden, um den An/Aus-Vorgang
des dritten Transistors FET3 zu steuern. Durch gemeinsames Ausschalten
des zweiten Transistors FET2 und des dritten Transistors FET3 kann
die Lampe 4 vollständig
abgeschaltet werden.
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Im
folgenden wird die Funktion der Schaltung erklärt. Es wird angenommen, dass
zu Beginn alle Kondensatoren leer sind. Zuerst fließt während der positiven
Halbperiode des Ausgangs des Dynamos 1 Strom über Pfad
(1):
(1): Dynamo D1 C1 Dynamo
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Das
führt zu
einem Aufladen des ersten Kondensators C1. Die Spannung über den
ersten Kondensator C1 erreicht ungefähr die Dynamo-Spitzenausgangsspannung
von 0,6 V.
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Während der
darauffolgenden negativen Halbperiode fließt Strom in umgekehrter Richtung über Pfad
(2):
(2): Dynamo C1 D2 C2 D5 Dynamo
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Das
führt zu
einem Aufladen des zweiten Kondensators C2. Der dem zweiten Kondensator
C2 zugeführte
Strom ist gleich dem Strom vom Dynamo 1 plus dem Strom
vom geladenen ersten Kondensator C1. Daher kann der zweite Kondensator
C2 selbst bei niedriger Geschwindigkeit angemessen aufgeladen werden.
Wenn die Spannung über
den zweiten Kondensator C2 {(Spannung über C3) + (AN-Triggerspannung für Gate von
FET1)} erreicht, schaltet der erste Transistor FET1 an. Der zweite
Transistor FET2 schaltet ebenfalls an. Somit fließt nun auch über Pfad (3)
Strom:
(3): Dynamo D3 FET1 C3 FET2 Dynamo
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Dies
setzt das Laden des dritten Kondensators C3 in Gang. Mit dieser
Anordnung kann der dritte Kondensator C3 nur während der negativen Halbperiode
des Dynamoausgangs bis zu einer relativ hohen Spannung stabil geladen
werden. Darüber
hinaus kann, während
die am Gate des ersten Transistors FET1 angelegte Spannung durch
den zweiten Kondensator C2 stabilisiert werden kann, der AN-Zustand
des ersten Transistors FET1 stabilisiert werden.
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Zu
diesem Zeitpunkt ist die Spannung über den dritten Kondensator
C3 nicht geeignet, andere elektrisch betriebene Einheiten stabil
zu betreiben. Daher wird die am Gate des dritten Transistors FET3 angelegte
Spannung durch die Steuerschaltung 10 gesteuert, so dass
der dritte Transistor FET3 ausgeschaltet bleibt. Während der
positiven Halbperiode wird der erste Kondensator C1 mittels Strom,
der über
Pfad (1) fließt,
wie oben beschrieben, geladen:
(1): Dynamo D1 C1 Dynamo
und
die Lampe 4 wird mittels Strom erleuchtet, der über Pfad
(4) fließt:
(4):
Dynamo FET2 D4 Lampe Dynamo
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Während der
darauffolgenden negativen Halbperiode werden der zweite Kondensator
C2 und der dritte Kondensator C3 mittels Strom geladen, der über Pfad
(2) fließt:
(2):
Dynamo C1 D2 C2 FET2 Dynamo
und mittels Strom, der über Pfad
(3) fließt:
(3):
Dynamo D3 FET1 C3 FET2 Dynamo
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Der
obige Vorgang mittels Strom, der während der positiven Halbperiode
des Dynamoausgangs über
die Pfade (1) und (4) fließt,
und der Vorgang mittels Strom, der während der negativen Halbperiode über die
Pfade (2) und (3) fließt,
werden wiederholt durchgeführt.
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3(b) zeigt die Wellenform des Dynamoausgangs in
diesem Fall, und 3(a) zeigt die Wellenform der
an die Lampe angelegten Spannung. Es wird aus den Zeichnungen ersichtlich,
dass die Lampe 4 während
der positiven Halbperiode des Dynamoausgangs erleuchtet wird, während die
wiederaufladbare Batterie (Kondensator C3) während der negativen Halbperiode
geladen wird. In 3(b) ist die positive Spitzenspannung
V1 niedriger als die negative Spitzenspannung V2; dies liegt an
einem sich aus der Lampenlast ergebenden Abfall der Spannung im
Dynamo. Der dritte Kondensator C3 wird auf diese Weise wiederholt
aufgeladen, und wenn die Spannung über den dritten Kondensator
C3 einen Wert erreicht, der ausreichend ist, um andere Geräte zu betreiben,
wird der dritte Transistor FET3 durch die Steuerschaltung 10 angeschaltet.
Dies bewirkt, dass Strom über
Pfad (5) fließt:
(5)
Dynamo Lampe FET3 FET2 Dynamo
so dass die Lampe leuchtet. In
diesem Zustand wird die Lampe nicht intermittierend, sondern sowohl während der
positiven als auch der negativen Halbperiode des Dynamoausgangs
konstant erleuchtet. Die Lampe 4 kann vollständig ausgeschaltet
werden, indem zusätzlich
zum dritten Transistor FET3 der zweite Transistor FET2 ausgeschaltet
wird.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform haben
die drei Transistoren FET1, 2, 3, der zweite und dritte Transistor
C2, C3 und die Steuerschaltung 10 ein einheitliches GND-Niveau,
wodurch die Notwendigkeit umgangen wird, eine spezielle Schaltung zum
Bereitstellen eines einheitlichen Masseniveaus für die Elemente bereitstellen
zu müssen,
und ermöglicht
wird, dass die drei Transistoren leicht geschaltet werden können. Darüberhinaus
kann, da die Energie zum Betrieb der Steuerschaltung 10 vom
dritten Kondensator C3 erhalten wird, das Anlegen einer hohen Spannung
vom Dynamo an die Steuerschaltung 10 verhindert werden,
wodurch die Notwendigkeit eines Schaltkreises zum Schutz der Steuerschaltung 10 umgangen
wird.
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Man
kann sich verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung vorstellen, ohne vom Umfang der Erfindung,
wie sie durch die vorliegenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.