DE9216083U1

DE9216083U1 - Elektronische Ladeschaltung für einen Speicher mit geringer Eigenstromaufnahme

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Publication number: DE9216083U1
Application number: DE9216083U
Authority: DE
Original assignee: SENDEN UHRENFAB GmbH
Current assignee: SENDEN UHRENFAB GmbH
Priority date: 1992-11-26
Filing date: 1992-11-26
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2002-11-27
Also published as: EP0599029A2; EP0599029A3

Description

U 85-22-ka 10. November 1992

Anmelder: Uhrenfabrik Senden GmbH & Co. KG,

Erich-Rittinghaus-Straße 2, 7913 Senden

Elektronische Ladeschaltung für einen Speicher mit geringer

Ei genstromaufnähme

Die vorliegende Neuerung betrifft eine elektronische Ladeschaltung für einen Speicher nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

Quarzuhren in autonomer Bauart bzw. derartige Uhren auch mit Weckeinrichtungen (nachfolgend nur als Quarzuhren bezeichnet), werden sehr oft mit Primärelementen (Braunstein-Zink-Batterien, Alkali-Mangan-Batterien, Silberoxidzellen bzw. Lithiumbatterien) betrieben, wobei diese Batterien in bestimmten Zeitabständen von einigen Jahren verbraucht sind und ausgewechselt werden.

Aus der Druckschrift DE-Gm 91 11 015.7 sind bereits Ladeschaltungen beschrieben, wobei zwischen Generator und einem Speicherkondensator ein Ventil mit einer speziellen Ventilwirkung geschaltet ist, hier meistens eine Diode, welche Über den Generator das Speichermedium - hier insbesondere einen Speicherkondensator - mit einem Kapazitätswert von einigen Farad auflädt.

Nachteilig hierbei ist es, daß die bekannte Ladeschaltung mit der Parallelspannungsstabilisierung, wobei über die Diode ein Kondensator aufgeladen wird, relativ ungenau arbeitet. Außerdem stehen bei der bekannten Schaltung im Parallelzweig Verluste an, die sich nachteilig insbesondere in Hinsicht auf spitze Spannungsimpulse, auf den Speicherkondensator - auswirken können und zum Durchschlagen des

-2-Dielektrikums fuhren könnten.

Bei der bekannten Ladeschaltung ist auch die Längsschaltung der Diode an sich unvorteilhaft, daß die Diode zum Durchschlagen der Sperrschicht neigen könnte (insbesondere bei Dioden sehr kleiner Bauart), wobei Über den mit der Hand hochzutreibenden Generator der Kapazitätswert des Speicherkondensators leiden könnte, wobei eine gewiße Ausheilung des Bauelementes vorausgesetzt sein kann.

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es deshalb, eine Ladeschaltung der an sich bekannten Art so weiterzubilden, daß der Speicherkondensator sehr schonend ohne der Gefahr der Zerstörung aufgeladen wird. Die Ladeschaltung selbst soll hierbei nur eine geringe Eigenstromaufnahme von etwa 3&mgr;&Agr; aufweisen dürfen.

Als Speicherkondensator werden hierbei in der Regel Doppel Schichtkondensatoren mit speziellem inneren Aufbau, das zum Teil aus Dielektrikum verwendet wird, eingesetzt, wobei diese Kondensatoren mit Kapazitätswerten bis Über 20 Farad als "Gold-Caps" bezeichnet werden.

Zur Lösung der Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Schutzanspruches 1 vorgesehen.

Das wesentliche bei der Neuerung ist, daß ein Speicherkondensator der bestimmten Art hier mit einigen Farad (bis zu 20 Farad) verwendet wird, und zwar insbesondere in Verbindung mit dem von Hand antreibbaren Generator. Diese Kombination von Generator mit erhöhten Spitzenwerten in Verbindung mit der Ladeschaltung, wobei ein Längstransistor im Ladezweig vorgesehen ist, in Verbindung mit dem Spannungsdetektor von nur geringer Eigenstromaufnahme von 3&mgr;&Agr;, stellt die eigentliche Erfindung dar. Hierbei wird der Speicherkondensator von bis zu 20 Farad sehr schonend

aufgeladen, ohne daß die Gefahr besteht, daß das Dielektrikum durch Spannungsspitzen zerstört werden kann.

Die Ladung für den Speicherkondensator erzeugt bei oben genannten Uhren ein als Generator betriebener Kollektormotor (nachfolgend als Generator bezeichnet), der von einer Handkurbel über ein Getriebe in Drehung versetzt wird. Zwischen dem Generator und dem Speicherkondensator muß ein "Ventil" geschaltet werden, damit bei Ruhestellung des Generators bzw. bei Unterschreitung einer bestimmten Drehzahl keine Entladung des Kondensators durch den Generator erfolgt. Im einfachsten Fall kann dieses "Ventil" eine Diode sein, durch die jedoch weitere notwendige Bedingungen sich nicht realisieren lassen.

Folgende Bedingungen müssen durch die Ladeschaltung erfüllt werden:

- niederohmige Ventilwirkung, um die Verluste niedrig zu halten und damit kurze Aufladezeiten zu erzielen;

- Realisierung hoher Ladeströme über den gesamten Ladespannungsbereich, um kurze Aufladezeiten zu erzielen;

- Vermeidung der Überschreitung der oberen Betriebsspannungsgrenze;

- Anzeige des Ladezustandes und der Ladeschlußspannung;

- geringe Ruhestromaufnahme.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Neuerung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Schutzansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Schutzansprüche untereinander.

Alle in den Unterlagen - einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen

-A-

dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren AusfUhrungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Figur 1: ein Prinzipschaltbild mit einem Generator;

Figur 2: ein erweitertes Prinzipschaltbild nach Figur 1.

Diese oben genannten Bedingungen werden durch die Ladeschaltung entsprechend Figur 1 gelöst, wobei die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Schutzanspruches 1 die Voraussetzung fUr die Grundfunktion der Schaltung und die Schutzansprüche 2 bis 5 (siehe auch Figur 2) die weitere Vervollkommung der Schaltung bei vorkommenden extremen Einsatzbedingungen sowie Bauelementetoleranzen sind.

Die Grundfunktion zeigt Figur 1. Durch die Emitter-Kollektor-Strecke des PNP-Bipolartransistors 3 wird die niederohmige Verbindung zwischen Generator 1 und Speicherkondensator 2 während des Ladevorganges hergestellt, da der Spannungsabfall ILr- vom Transistor 3 (Leistungstransistor) weniger als 0,5 V bei einem mittleren Ladestrom von ca. 400&mgr;&Agr; beträgt. Der Transistor 3 wird durch den PNP-Bipolartransistor 6 und dieser durch den Spannungsdetektor 5 aufgesteuert.

Der Spannungsdetektor 5 ist ein integrierter Schaltkreis mit

CMOS-Ausgangsstufe, dessen Ausgangspotential bei Überschreitung eines bestimmten Spannungswertes von V<-_s -Pegel auf V₀^ -Pegel umschaltet. Für die vorliegende Schaltung wird ein Typ eingesetzt, dessen Schaltspannung der oberen Betriebsspannungsgrenze des Quarzuhrwerkes entspricht.

Wenn die Spannung am Speicherkondensator 2 größer als die Schaltspannung des Detektors 5 ist, werden der Transistor 6 und damit auch der transistor 3 gesperrt. Gleichzeitig wird der NPN-Bipolartransistor 7 aufgesteuert und dadurch leuchtet die Leuchtdiode (LED) 4 auf, solange der Generator mit entsprechender Drehzahl betrieben wird.

Es wird damit angezeigt, daß der Speicherkondensator 2 aufgeladen ist. Der notwendige Strom für die LED 4 wird vom Generator 1 geliefert und dem Speicherkondensator wird im wesentlichen nur der Steuerstrom für Transistor 7 entnommen.

Ist der Generator 1 in Ruhestellung, so sperrt der NPN-Bipolartransistor 8 und damit wird die gesamte Schaltung hochohmig, so daß keine zusätzliche Belastung außer durch das Uhrwerk für den Speicherkondensator 2 entsteht.

Figur 2 zeigt die Erweiterung der Schaltung, wobei bestimmte Merkmale durch die Unteransprüche 2 bis 7 geschützt werden sollen.

Beim Aufladevorgang wird der Generator 1 über eine Handkurbel und ein Getriebe in Drehung versetzt. Dabei entsteht durch den Ladestrom ein mechanisches Drehmoment am Generator und somit an der Handkurbel. Die Größe des fühlbaren mechanischen Drehmoments ist ein Maß für die Größe des Ladestroms. Um ein sicheres störungsfreies Arbeiten des Ladesystems im gesamten Spannungsbereich zu gewährleisten, ist es günstig, wenn Transistor 8 erst aufgesteuert wird, wenn die am Generator 1 erzeugte Spannung über der Ladeschlußspannung bzw. Schaltspannung des Spannungsdetektors 5 liegt. Dies wird durch die Reihenschaltung der zwei

Dioden 12,13 mit einem Widerstand 11 realisiert. Der Widerstand 11 wird so niederohmig dimensioniert, daß der an ihm entstehende Spannungsabfall von über 0,7 V zur Aufsteuerung des Transistors 8 erst entsteht, wenn die Flußspannung an den Dioden 12,13 jeweils 0,7 V beträgt. Der Widerstand 10 dient zur Basisstrombegrenzung des Transistors 8, wenn bei Erhöhung der Drehzahl des Generators 1 die Spannung am Widerstand 11 wieder ansteigt.

Die Schaltung nach Figur 1 bleibt in Ruhestellung stromlos, solange die Kontaktbürsten im Generator niederohmig kontaktieren und damit sich der niederohmige Wicklungswiderstand des Generators am Eingang des Transistors 8 auswirkt.

Bei Kollektormotoren, die bei dem vorgesehenen System zum Einatz kommen, kann der übergangswiderstand an den Kontaktblirsten in Ruhestellung ansteigen. Ein Störspannungsimpuls könnte dann den Transistor 8 aufsteuern. Der Transistor 3 würde dann im Inversbetrieb arbeiten. Der entstehende Stromfluß ist zwar gering, aber es käme zur zusätzlichen Entladung des Speicherkondensators. Durch die niederohmige Reihenschaltung der Dioden 12,13 und dem Widerstand 11 (siehe Figur 2) wird ein Störimpuls erstens stark gedämpft und zweitens könnte der entstehende Stromfluß durch die Bauelemente 11,12 und 13 bei Inversbetrieb des Transistors 3 keine bleibende Aufsteuerung des Transistors 8 erzeugen.

Durch die Beschaltung vom Widerstand 14 und Kondensator 15 am Spannungsdetektor 5 wird beim Aufladevorgang die Annäherung an die Ladeschlußspannung durch die LED 4 signalisiert. Die Wirkungsweise beruht auf einer Veränderung der Stromgröße durch den Widerstand 14 bei überschreiten der Schaltspannung des Detektors 5. Bei Erreichen der Schaltspannung springt das Ausgangspotential des Detektors 5 auf V..

-Pegel. Dadurch wird der Transistor 7 aufgesteuert und die LED 4 leuchtet auf. Da der Basisstrom für Transistor 7 durch den Widerstand 14

fließt, ergibt sich an diesem ein erhöhter Spannungsabfall. Die Spannung am Detektor 5 sinkt dadurch unter die Schaltspannung und die LED 4 verlischt wieder. Dies wird unterstützt dadurch, daß im Speicherkondensator 2 aufgrund seines spezifischen inneren Aufbaues bei Abschalten der Ladespannung durch Transistor 3 Umladungsprozesse Über interne Widerstände stattfinden, die zu einem Absinken der Spannung am Kondensator 2 führen.

Bei weiterem Nachladen wird die Schaltspannung des Detektors 5 wieder erreicht, die LED 4 leuchtet auf und obiger Vorgang wiederholt sich. Dadurch entsteht beim Aufladevorgang ab einer bestimmten Energiemenge im Speicherkondensator 2 ein intermittierendes Aufleuchten der LED 4, wobei sich die Dunkel phase an der LED mit zunehmender Energiemenge im Kondensator 2 verkürzt.

Bei voll aufgeladenem Kondensator auf die Ladeschlußspannung, die der Schaltspannung des Detektors entspricht, leuchtet die LED 4 ständig, solange der Generator 1 eine bestimmte Drehzahl überschreitet. Die Dimensionierung von Widerstand 14 und Kondensator 15 bestimmen die Blinkfrequenz der LED 4.

Die Niederohmigkeit der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 3 wird nur bei Übersteuerung erreicht. Deshalb muß der Transistor 3 einen genügend großen Basisstrom erhalten. Um dies in jedem Fall unabhängig von den Streuungen der Stromverstärkungen der Transistoren 3 und 6 sowie der Ausgangsstufe des Detektors 5 zu erreichen ist es zweckmäßig, den Transistor 3 durch eine Darlingtonstufe anzusteuern. Dies wird durch die Vorschaltung des Transistors 17 vor Transistor 6 erreicht.

Die Wirkungsweise der Diode 16 ist wie nachfolgend beschrieben. Bei leerem Speicherkondensator 2 würde ohne Diode die minimale

Betriebsspannung des Spannungsdetektors 5 nicht erreicht. Dadurch wäre das Ausgangspotential am Detektor 5 nicht eindeutig V<-_s -Pegel und der Transistor 3 wird beim Ladevorgang nicht optimal aufgesteuert. Außerdem könnte der Transistor 7 aufgesteuert werden und die LED 4 aufleuchten. Dies wird verhindert, durch das Einfügen der Diode 16 entsprechend Figur 2. Wenn nämlich der Transistor 3 beim Ladevorgang nicht optimal aufgesteuert wird, entsteht am Generator 1 eine höhere Spannung (Leerlaufspannung) als bei Normalladung. Dadurch steigt die Spannung am Widerstand 11 an, bis am Detektor 5 über Diode 16 die minimale Betriebsspannung erreicht wird und das Ausgangspotential vom Detektor sich definiert auf V_ss -Pegel stellt. Der Transistor 3 wird dann maximal aufgesteuert. Ist die Spannung am Kondensator 2 auf die minimale Betriebsspannung des Detektors 5 angestiegen, dann sperrt die Diode 16 und der Ladevorgang wird normal fortgesetzt.

Figur 2 zeigt weiterhin eine Zusatzeinrichtung an der Ladeschaltung, damit der Speicherkondensator 2 auch über das Energienetz aufgeladen werden kann. Es ist sinnvoll, die Schaltung so auszulegen, daß bei leerem Kondensator 2 das Uhrwerk sofort anläuft, wenn die Spannung über die Schaltbuchse 20 zugeführt wird. Um dies zu erreichen, muß der Ladestrom begrenzt werden, da die Einspeisung der Spannung vom Energienetz über normalerweise kleine Transformatoren mit hohem Innenwiderstand erfolgt. Durch das Einfügen des Widerstandes 18 wird die Ladestrombegrenzung erreicht. Andererseits würden durch den Widerstand 18 Verluste entstehen, wenn das Uhrwerk seine Energie aus dem Kondensator 2 entnimmt. Ist keine Nachladung durch das Energienetz möglich, so ist der Zuführungsstecker aus der Schaltbuchse gezogen und der Ruhekontakt 19 überbrückt den Widerstand 18. Es wird dadurch die Betriebsart -Aufladung durch Generator- ohne Einschränkung realisiert.

Ist jedoch der Stecker in die Schaltbuchse gesteckt und der Transformator nicht am Netz angeschlossen bzw. bei Netzausfall, so

bieibt der Widerstand 18 wirksam. Das Uhrwerk mit seiner geringen Stromaufnahme ist dadurch in seiner Funktion nicht beeinträchtigt. Es verkürzt sich durch die Verluste am Widerstand 18 nur die Laufzeit bis zum nächsten Nachladen. Jedoch bei Verwendung einer Weckeinrichtung am Quarzuhrwerk könnte bei der Wecktonabgabe (höherer Stromverbrauch) die minimale Betriebsspannung des Uhrwerkes durch den Spannungsabfall am Widerstand 18 unterschritten werden und dadurch das Uhrwerk während der Wecktonabgabe stehenbleiben (Veränderung der angezeigten Uhrzeit). Dies wird durch die überbrückung des Widerstandes 18 durch eine Schottky-Diode 23 vermieden. Bei Einspeisung über das Energienetz wird der Kondensator 2 auf einen Spannungswert, der der oberen Betriebsspannung des Uhrwerkes entspricht, aufgeladen. Da die Differenz zwischen oberer und unterer Betriebsspannung größer als 0,5 V beträgt, die Flußspannung der Schottky-Diode kleiner als 0,5 V ist, kann der Spannungsabfall über dem Widerstand 18 bei aktiviertem Wecksystem nicht so stark ansteigen, daß die untere Betriebsspannung des Uhrwerkes unterschritten wird.

Claims

PATENTANWALT

DR.-ING. PETER RIEBLING

Dipl.-Ing. EUROPEAN PATENT ATTORNEY

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U 85-22-ka

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D-8990 Lindau (Bodensee)

Rennerle 10 ■ Postfach 3160

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Betreff: Re

Anmelder: Uhrenfabrik Senden GmbH & Co. KG
Erich-Rittinghaus-Straße 2, 7913 Senden

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IS Schutzansprüche

s 1. Elektronische Ladeschaltung für einen Speicher mit geringer Eigenstromaufnahme, wobei ein Speicherkondensator aufgeladen wird bei

Verwendung für ein Uhrwerk eventuell mit Wecksystem für Quarzuhren, und j wobei als Speicherkondensator hohe Kapazitätswerte von einigen Farad vorliegen, die über eine besondere Ladeschaltung aufgeladen werden und dann das Uhrwerk speisen, dadurch

gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (2) von einem von Hand antreibbaren Generator (1) angesteuert wird und daß dazwischen ein Längstransistor (3) angeordnet ist, der von einem Spannungsdetektor (5) geregelt wird.

Telephon: Telex: Facsimile/Telefax: ffi Lindau (O 83 82) 5 43 74(patent-d) +40-8C82-7 S0?7 7 80 25 Telegramm-Adresse: patri-lindan

Bankkonten: Postscheckkonto

■äayer. Vereinsoan-, Lindau (B) Nr. 1257 110 (BLZ 735 200 74) München 414 848-808

rlyp.j-Bd.ik Lindau (B) Nr. 66 70-326 843 (BLZ 733 204 42) (BLZ 70010080) Volkjbank Lindau ;B) Nr. 51 222 000 (BLZ 735 901 20)

-2-
2. Elektronische Ladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von Hand angetriebene Generator (1) eine Gleichspannung erzeugt, die über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Bipolartransistors (3) dem Speicherkondensator zugeführt wird, wobei der Speicherkondensator hohe Kapazitätswerte aufweist, und daß am Kondensator (2) ein Spannungsdetektor (5) angeschaltet ist.
3. Elektronische Ladeschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Speicherkondensator (2) den Spannungsdetektor (5) ansteuert und der Ausgang des Detektors (5) über einen PNP-Bipolartransistor (6) den Längstransistor (3) steuert, wobei der Ausgangs des Spannungsdetektors (5) auch über einen NPN-Bipolartransistor (7) eine Leuchtdiode (4) zur Signalisierung des Ladezustandes ansteuert und wobei in Reihe mit dem Spannungsdetektor (5) an den Transistoren (6,7) die Kollektor-Emitter-Strecke eines NPN-Bipolartransistors (8) zum Minuspol geschaltet ist, wobei vom Generator (1) ausgehend über einen Begrenzungswiderstand (9) der NPN-Bipolartransistor (8) angesteuert wird und hierbei die Leuchtdiode (4) ebenfalls am Pluspol des Generators (1) angeschlossen ist (Figur 1).
4. Elektronische Ladeschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (8) über einen Widerstand (10) angeschlossen ist, von dessen zweiten Anschluß ein Widerstand (11) an Masse und damit an den Minuspol des Generators (1) und zwei Dioden (12,13) in Reihe zum Pluspol des Generators (1) geschaltet sind, wobei die Kathoden der Dioden (12,13) nach Art einer zusätzlichen Begrenzung zur Basis des Transistors (8) gerichtet sind (Figur 2).
5. Elektronische Ladeschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vom V_DD -Anschluß des

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Spannungsdetektors (5) ein Widerstand (14) zum Pluspol des Speicherkondensators (2) und ein Kondensator (15) zum V₅₅ -Anschluß des Spannungsdetektors (5) geschaltet ist.
6. Elektronische Ladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsregelung des Transistors (3) über einen Transistor (6) angesteuert wird und eventuell durch einen weiteren Transistor (17) in Darlingtonschaltung ergänzt wird.
7. Elektronische Ladeschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (16) mit der Kathode an den V ,^.-Anschluß des Spannungsdetektors (5) und mit der Anode an die Ansteuerung des Transistors (8) geschaltet ist.
8. Elektronische Ladeschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Widerstand (18), der durch einen Ruhekontakt (19) einer Schaltbuchse (20) überbrückt wird, der Speicherkondensator (2) durch vom Energienetz erzeugte Spannung, die durch einen Transformator über die Schaltbuchse (20) zugeführt wird und über den Gleichrichter (21) und die Stabilisierungsschaltung (22) gleichgerichtet und stabilisiert wird, aufladbar ist.
9. Elektronische Ladeschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ladestrombegrenzungswiderstand (18) eine Schottky-Diode (23) geschaltet ist.