JP4838883B2 - エネルギー源の不足電圧を検出するための回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の上位概念によれば、エネルギー源の不足電圧を検出するための回路装置に関する。

従来技術
とりわけ蓄電池で動作する電気機器においては、不足電圧の検出は重要な機能である。これによって相応の回路装置により蓄電池の深放電を回避することができる。所定の電気構成素子および電気回路には、供給電圧が低すぎる場合には正常に動作しないものもあるから、不足電圧を検出することは、別のエネルギー源との接続においても非常に有益であろう。

EP-A-0698794 Aから、エネルギー源から供給された基準電圧源によってエネルギー源の不足電圧を検出する回路装置が公知である。この基準電圧源の出力は、コンパレータの第1入力側に供給される。さらにこの回路装置には、エネルギー源から供給された電圧を分圧するための手段が設けられており、このエネルギー源の出力電圧は、前記コンパレータの第2入力側に供給される。このコンパレータの出力側において検出信号が取り出され、この検出信号によって、電圧が不足している場合にはこの電気機器を停止することができる。

基準電圧源ならびにコンパレータを有する相応の回路装置は、その他US-A-3670246、EP-A-0207159、およびUS-A-5508874からも公知である。これらの回路装置では共通して、特に基準電圧源が比較的複雑に構成されているから、構成素子のコストが比較的高くなる。

発明の開示
従来技術に対し、１つのトランジスタスイッチと少なくとも１つの別の切換手段とによってエネルギー源の不足電圧を検出するための本発明の回路装置の利点は、非常に簡単でコスト的に有利に製造することができ、不足電圧が遮断された後の電流消費が非常に少なくなることである。このために、トランジスタスイッチおよび前記別の切換手段は、回路装置の動作状態においては低抵抗である。ここで、エネルギー源の供給電圧が所定の電圧値を下回ると、このトランジスタスイッチは、電圧供給を遮断するために前記別の切換手段を遮断する。このようにして非常に簡単でコスト的に有利に、エネルギー源として使用される蓄電池の深放電を回避し、このエネルギー源によって動作する電気機器の損傷を回避することができる。

本発明のさらなる利点は、従属請求項に示す特徴的構成、図面ならびに以下の説明から明らかとなる。

有利にはこの所定の電圧値は、ツェナーダイオードのツェナー電圧と、トランジスタスイッチの閾値電圧との和から形成されている。したがって、高価でコストのかかる基準電圧源ならびに相応に構成されたコンパレータを省略することができる。供給電圧の監視は、トランジスタスイッチと接続された分圧器を用いて行うことができ、このトランジスタスイッチは、分圧器によって監視された供給電圧が所定の電圧値以下に降下すると、非導通状態になる。このトランジスタスイッチはNPNバイポーラトランジスタとして構成されている。このバイポーラトランジスタのベースは分圧器と接続されており、このバイポーラトランジスタのエミッタはツェナーダイオードのカソードと接続されており、このバイポーラトランジスタのコレクタは別の切換手段の切換入力側と接続されている。したがって不足電圧の検出と遮断を、電気的に制御されたただ２つの切換手段によって実現することができる。ここでこの別の切換手段は、例えばトランジスタまたはリレーとすることができる。

不足電圧の遮断が行われた後、この回路装置は、切換スイッチまたはキースイッチによって当初の動作状態に戻される。この電気機器が例えば電動工具である場合、この電動工具のオン/オフスイッチないしメインスイッチが、切換スイッチまたはキースイッチとして機能するから、別の操作素子は必要ない。

有利には、この回路装置は電気機器の構成部分として構成されている。しかし、この回路装置をエネルギー源の一部とすることもできる。

以下本発明を、１つの図を用いて詳細に説明する。明細書ならびに特許請求の範囲には、多数の特徴ならびにその組み合わせが示されている。当業者であれば、これらの特徴を個々に考慮し、これらを有利に組み合わせることができる。とりわけ当業者であれば、種々の実施例の特徴的構成を有利に組み合わせることができるだろう。

図１は、エネルギー源の不足電圧を検出するための本発明の回路装置の回路図である。

図１には、エネルギー源１２の不足電圧を検出するための本発明の回路装置１０の回路図が示されている。回路装置１０ならびにエネルギー源１２は、例えば電動工具等、ここに図示しない電気機器の内部に設けられており、ここではエネルギー源１２は蓄電池１４として構成されている。これに代えて、回路装置１０をエネルギー源１２の構成部分とすることもできる。切換スイッチまたはキースイッチ１６によって、エネルギー源１２は回路装置１０と電気的に接続されたり、回路装置１０から切り離されたりする。切換スイッチまたはキースイッチ１６が下方の切換位置１８と接続されると、供給電圧Uはこの回路装置１０の出力側でゼロの値をとり、この電気機器は停止され、休止状態になる。

切換スイッチまたはキースイッチ１６を上方の切換位置２０に切り換えることによって、第1抵抗２２および第2抵抗２４ならびにコンデンサ２６からなる直列回路がエネルギー源１２と接続され、このコンデンサ２６は抵抗２２および２４を介して充電される。第1抵抗２２と並列に、PNPバイポーラトランジスタ２８として構成された切換手段３０が以下のようにして配置される。すなわち、このPNPバイポーラトランジスタのエミッタEが切換スイッチまたはキースイッチ１６と接続され、ベースBとして構成された切換入力側３１が第1抵抗２２および第2抵抗２４との間に位置し、コレクタCで供給電圧Uが出力されるように配置される。コンデンサ２６の充電過程中この充電電流に基づいて、抵抗２２およびPNPバイポーラトランジスタ２８のベース−エミッタ間において電圧降下が生じる。電圧が、ベース−エミッタ接合部の閾値電圧を上回る程に上昇すると、このPNPバイポーラトランジスタ２８に電流が流れる。その後、PNPバイポーラトランジスタ２８のコレクタCと直接に接続された回路装置１０の出力側３４に供給電圧Uが印加される。この供給電圧Uは、エネルギー源１２の電圧から、PNPバイポーラトランジスタ２８のコレクタ−エミッタ間の電圧を差し引いたものである。

PNPバイポーラトランジスタ２８のコレクタCと、エネルギー源１２の基準電位Vとの間に分圧器３６が配置されている。この分圧器３６は、２つの別の抵抗３８および４０から構成されており、これらの抵抗を介して、電気機器のための供給電圧Uが取り出される。この分圧器３６と並列に、直列抵抗４２およびツェナーダイオード４４からなる直列回路が構成されている。ここでは、阻止方向に接続されたツェナーダイオード４４を介して所定のツェナー電圧U_Zが得られ、このツェナー電圧は基準電圧として、以下に説明する不足電圧検出のために使用される。このために、NPNバイポーラトランジスタ４６として構成されたトランジスタスイッチ４８のベースBは、分圧器４０の２つの抵抗３８と４０との間にある接続点５０と接続されている。この一方で、エミッタEはツェナーダイオード４４のカソードKと接続されており、コレクタCは、コンデンサ２６と第２抵抗２４との間に接続されている。分圧器３６の抵抗３８および４０の回路定数は、回路装置１０が正常に作動している間、所定の電圧値U_Sを上回っている電圧が降下するように定められている。この所定の電圧値U_Sは結果的に、ツェナー電圧U_Zと、NPNバイポーラトランジスタ４６のベース−エミッタ接合部に電流が流れるための閾値電圧U_BEとの和からなる。

この電気機器の作動中に、例えば蓄電池１４が強く放電されることによって供給電圧Uが降下すると、このNPNバイポーラトランジスタ４６は非導通状態になる。このことは、抵抗４０を介して接合点５０で降下した電圧が、所定の圧力値U_Sひいては所要の閾値電圧U_BEを下回った場合に生じる。このときにはコンデンサ２６の充電過程は既に完了しているので、もはや充分な充電電流は第１抵抗２２および第２抵抗２４を介して流れない。したがって第１抵抗２２での電圧降下は、切換手段３０に電流を流すために必要な閾値電圧を下回る。したがってこの切換手段３０は非導通状態になり、回路装置１０の出力側３４における電圧供給を遮断する。このようにして供給電圧Uを「ゼロ設定」することによって、蓄電池１４の深放電を効果的に回避することができる。このときこの回路装置１０は、阻止状態にある。阻止状態においては回路装置１０の電流消費は特に少ないから、切換スイッチまたはキースイッチ１６が上方の切換位置２０にある場合でも、蓄電池１４は実際上負荷されない。

回路装置１０を再び阻止状態から動作状態に戻すためには、切換スイッチまたはキースイッチ１６を操作する必要がある。このためにこの切換スイッチまたはキースイッチは、まず上方の切換位置２０から下方の切換位置１８に切り換えられ、コンデンサ２６は２つの抵抗２２および２４を介して放電される。引き続きこの切換スイッチまたはキースイッチ１６が再び上方の切換位置２０に切り換えられると、コンデンサ２６の充電過程中、切換手段３０は上述のように低抵抗状態になり、回路装置１０の出力側３４において再び供給電圧Uが印加される。しかしトランジスタスイッチ４８は、分圧器３６の抵抗４０を介して降下した供給電圧の成分が、所定の電圧値U_Sよりも大きい場合にのみ電流が流れる。このような場合には回路装置１０を、再び不足電圧を検出するため、ないしはエネルギー源１２を遮断するために使用することができる。

蓄電池１４が充電されなかった場合でも、切換スイッチまたはキースイッチ１６を操作するとコンデンサ２６の充電過程中には切換手段３０に電流が流れるのだが、供給電圧Uが低いのでトランジスタスイッチ４８は作動しない。したがって、コンデンサ２６の充電過程が完了すると切換手段３０は再び非導通状態になり、供給電圧Uは再びゼロの値になる。それゆえ出力側３４において、供給電圧U≠0Vが短時間だけ印加される。しかし、この短時間の供給電圧による電気機器の損傷は阻止しなければならない。したがって回路装置１０を動作状態に戻すことは、蓄電池１４が、分圧器３６の抵抗４０を介して降下した電圧が所定の圧力値U_Sを上回る程に充電された場合にだけ可能である。

通常の動作中、すなわち電気機器が正常に給電されるとき、本発明は制限されることなく切換スイッチまたはキースイッチ１６を操作することができる。上述のように、ここではコンデンサ２６は抵抗２２および抵抗２４を介して放電される。この際に阻止状態における切換スイッチの操作とは異なり、切換手段３０およびトランジスタスイッチ４６は低抵抗状態から高抵抗状態へ、すなわち阻止状態へと切り換えられ、供給電圧Uはゼロ値に設定される。切換スイッチまたはキースイッチ１６が再び下方の切換位置１８から上方の切換位置２０へ操作された後で、回路装置１０は上述のようにして再び動作状態となる。

電気機器として有利には、回路装置１０が組み込まれた電動工具を使用することができる。これと関連して、切換スイッチまたはキースイッチ１６を、例えばオン/オフスイッチまたはメインスイッチなどの外部からアクセスできる操作素子として構成すると有利である。このとき切換スイッチまたはキースイッチ１６の下方の切換位置１８は、この操作素子の休止状態に相応し、この切換スイッチの操作は、上方の切換位置２０への操作と同等である。電気機器が例えば電池式電動ドライバである場合、オン/オフスイッチを操作して、押圧し続けることによって電気モータにエネルギーが供給される。動作中またはオン/オフスイッチの操作直後に、回路装置１０が、電気モータに印加される供給電圧Uの不足電圧を検出すると、この回路装置１０はこの供給電圧を上述のようにゼロ値にセットする。このようなプロセスによって、この電池式電動ドライバのユーザに、例えばLEDまたは別の指示手段によって知らせることができる。ユーザが再びオン/オフスイッチを離した場合、このオン/オフスイッチは下方の切換位置１８に切り換えられ、回路装置１０は上述の方法によって元の状態にリセットされる。

回路装置１０を、電気装置の構成部分またはエネルギー源１２の構成部分として構成することもできる。後者の場合このエネルギー源１２は、回路装置１０と電気装置の切換スイッチとを接続するために相応に構成されたコンタクト手段を有する。しかしこれに関して、切換スイッチ１６をエネルギー源１２に配置するのを省略することもできる。先に述べた指示手段を、電気機器および／またはエネルギー源１２に配置することも可能である。

最後に述べておくが、回路装置１０の構成素子に対する正確な値を示すことは省略した。なぜなら、この値はとりわけ電気機器のエネルギー需要および負荷に依存するからである。エレクトロニクス技術の当業者であれば、この構成素子の回路定数を相応に定めることができる。さらに、別の切換手段３０をリレーとして構成することもできる。特に大きな電力が要求される場合、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）をトランジスタスイッチ４８ないし別の切換手段３０として使用することもできる。また相応に構成された電界効果トランジスタを使用することもできる。

図１は、エネルギー源の不足電圧を検出するための本発明の回路装置の回路図である。

Claims (10)

1. トランジスタスイッチ（４８）と少なくとも１つの別のスイッチ（３０）とによってエネルギー源（１２）の不足電圧を検出するための回路装置（１０）であって、
   前記トランジスタスイッチ（４８）および前記別のスイッチ（３０）は、前記回路装置（１０）の動作状態においては低抵抗であり、
   エネルギー源（１２）の供給電圧（U）が所定の電圧値（U_S）を下回ると、前記トランジスタスイッチ（４８）は、電圧供給を遮断するために前記別のスイッチ（３０）を遮断する形式の回路装置において、
   前記所定の電圧値は（U _S ）、ツェナーダイオード（４４）のツェナー電圧（U _Z ）と、前記トランジスタスイッチ（４８）の閾値電圧（U _BE ）との和から形成されており、
   前記のトランジスタスイッチ（４８）およびツェナーダイオード（４４）は、エネルギー源側で前記別のスイッチ（３０）に後置接続されている、
   ことを特徴とする回路装置（１０）。
2. 前記供給電圧（U）を監視するために、前記トランジスタスイッチ（４８）は、分圧器（３６）と接続されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の回路装置（１０）。
3. 前記トランジスタスイッチ（４８）は、前記分圧器（３６）によって監視された供給電圧（U）が前記所定の電圧値（U_S）以下に降下すると非導通状態になる、
   ことを特徴とする請求項２記載の回路装置（１０）。
4. 前記トランジスタスイッチ（４８）はNPNバイポーラトランジスタ（４６）として構成されており、
   前記NPNバイポーラトランジスタ（４６）のベース（B）は前記分圧器（３６）と接続されており、
   前記NPNバイポーラトランジスタ（４６）のエミッタ（E）は前記ツェナーダイオード（４４）のカソード（K）と接続されており、
   前記NPNバイポーラトランジスタ（４６）のコレクタ（C）は、前記の切換入力側（３１）を介して当該の別のスイッチ（３０）を導通状態または非道通状態に切り換えるため、抵抗（２４）を介して前記別のスイッチ（３０）に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の回路装置（１０）。
5. 前記回路装置は、切換スイッチまたはキースイッチ（１６）によって動作状態に戻される、
   ことを特徴とする請求項１記載の回路装置（１０）。
6. 少なくとも１つの前記別のスイッチ（３０）は、PNPトランジスタ（２８）またはリレーとして構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の回路装置（１０）。
7. 請求項１から６のいずれか一項記載の回路装置（１０）を備えるエネルギー源（１２）
8. 前記エネルギー源（１２）は蓄電池（１４）である、
   ことを特徴とする請求項７記載のエネルギー源（１２）。
9. 請求項１から６のいずれか一項記載の回路装置（１０）を備える電気機器。
10. 前記電気機器は電動工具である、
    ことを特徴とする請求項９記載の電気機器。

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