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Dokumentenidentifikation DE102006028708A1 27.12.2007
Titel Schaltungsanordnung zur Unterspannungserkennung einer Energiequelle
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Lohr, G黱ter, 70771 Leinfelden-Echterdingen, DE;
Kynast, Andreas, 70176 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 20.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028708
Offenlegungstag 27.12.2007
Ver鰂fentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H02H 3/24(2006.01)A, F, I, 20060620, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird eine Schaltungsanordnung (10) zur Unterspannungserkennung einer Energiequelle (12) vorgeschlagen, mit einem Transistorschalter (48) und zumindest einem weiteren Schaltmittel (30). Die Schaltungsanordnung (10) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Transistorschalter (48) und das weitere Schaltmittel (30) in einem Betriebszustand der Schaltungsanordnung (10) niederohmig sind und der Transistorschalter (48) das weitere Schaltmittel (30) zur Unterbrechung der Spannungsversorgung sperrt, wenn eine Versorgungsspannung (U) der Energiequelle (12) einen definierten Spannungswert (US) unterschreitet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Unterspannungserkennung einer Energiequelle nach der Gattung des unabh鋘gigen Anspruchs.

Stand der Technik

Insbesondere bei akkubetriebenen, elektrischen Ger鋞en stellt eine Unterspannungserkennung eine wichtige Funktion dar. So kann durch eine entsprechende Schaltungsanordnung eine Tiefenentladung des Akkus vermieden werden. Da es bestimmte elektrische Bauelemente und Schaltungen gibt, die bei einer zu geringen Versorgungsspannung fehlerhaft arbeiten, kann eine Unterspannungserkennung auch in Verbindung mit anderen Energiequellen sehr hilfreich sein.

Aus der EP-A-0698794 A ist eine Schaltungsanordnung zur Unterspannungserkennung einer Energiequelle mit einer von der Energiequelle gespeisten Referenzspannungsquelle bekannt, deren Ausgang einem ersten Eingang eines Komparators zugef黨rt wird. Die Schaltungsanordnung verf黦t weiterhin 黚er Mittel zum Spannungsteilen der von der Energiequelle gelieferten Spannung, deren Ausgangsspannung einem zweiten Eingang des Komperators zugef黨rt wird, wobei an einem Ausgang des Komparators ein Detektionssignal abgreifbar ist, mit dessen Hilfe ein elektrisches Ger鋞 im Falle einer Unterspannung deaktiviert werden kann.

Entsprechende, eine Referenzspannungquelle sowie einen Komparator aufweisende Schaltungsanordnungen sind unter anderem auch bekannt aus der US-A-3670246, der EP-A-􃷓159 und der US-A-5508874. Diesen Schaltungsanordnungen gemein ist ein relativ gro遝r Bauteileaufwand, da unter anderem die Referenzspannungsquellen verh鋖tnism溥ig komplex aufgebaut sind.

Offenbarung der Erfindung

Gegen黚er dem Stand der Technik bietet die erfindungsgem溥e Schaltunganordnung zur Unterspannungserkennung einer Energiequelle, mit einem Transistorschalter und zumindest einem weiteren Schaltmittel, den Vorteil eines sehr einfachen und kosteng黱stigen Aufbaus sowie einer sehr geringen Stromaufnahme nach einer erfolgten Unterspannungsabschaltung. Dazu sind der Transistorschalter und das weitere Schaltmittel in einem Betriebszustand der Schaltungsanordung niederohmig, wobei der Transistorschalter das weitere Schaltmittel zur Unterbrechung der Spannungsversorgung sperrt, wenn eine Versorgungsspannung der Energiequelle einen definierten Spannungswert unterschreitet. Somit ist sehr einfach und kosteng黱stig eine Tiefenentladung eines als Energiequelle verwendeten Akkus sowie eine Besch鋎igung eines mit der Energiequelle betriebenen elektrischen Ger鋞s vermeidbar.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abh鋘gigen Anspr點hen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

In vorteilhafter Weise ist der definierte Spannungswert aus der Summe einer Zenerspannung einer Z-Diode und einer Schwellspannung des Transistorschalters gebildet, so dass auf eine aufw鋘dige und kostenintensive Referenzspannungsquelle sowie einen entsprechend ausgelegten Komparator verzichtet werden kann. Die 躡erwachung der Versorgungsspannung erfolgt mittels eines Spannungteilers, der mit dem Transistorschalter verbunden ist, wobei der Transistorschalter sperrt, wenn die mittels des Spannungsteilers 黚erwachte Versorgungsspannung unter den definierten Spannungswert f鋖lt. Diesbez黦lich ist der Transistorschalter als ein NPN-Bipolartransistor ausgebildet, wobei die Basis des Bipolartransistors mit dem Spannungsteiler, der Emitter des Bipolartransistors mit der Kathode der Z-Diode und der Kollektor des Bipolartransistors mit einem Schalteingang des weiteren Schaltmittels verbunden ist. Somit ist es m鰃lich, eine Unterspannungserkennung und -abschaltung mit nur zwei elektrisch angesteuerten Schaltmitteln zu realisieren. Dabei kann das weitere Schaltmittel beispielsweise ein Transistor oder ein Relais sein.

Das Zur點ksetzen der Schaltungsanordnung nach erfolgter Unterspannungsabschaltung in den urspr黱glichen Betriebszustand erfolgt mittels eines Umschalters oder Tasters. Handelt es sich bei dem elektrischen Ger鋞 beispielsweise um ein Elektrowerkzeug, so kann dessen Ein/Aus- bzw. Hauptschalter als Umschalter oder Taster fungieren, so dass kein weiteres Bedienelement erforderlich ist.

In vorteilhafter Weise ist die Schaltungsanordnung als Bestandteil des elektrischen Ger鋞s ausgef黨rt. Es ist aber auch m鰃lich, dass sie Teil der Energiequelle ist.

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur beispielhaft erl鋟tert. Die Beschreibung sowie die Anspr點he enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird ein Fachmann auch die Merkmale aus unterschiedlichen Ausf黨rungsbeispielen zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt

1: ein Blockschaltbild der erfindungsgem溥en Schaltungsanordnung zur Unterspannungserkennung einer Energiequelle.

In 1 ist ein Blockschaltbild der erfindungsgem溥en Schaltungsanordnung 10 zur Unterspannungserkennung einer Energiequelle 12 gezeigt. Sowohl die Schaltungsanordung 10 als auch die Energiequelle 12 k鰊nen sich im Innern eines nicht gezeigten, elektrischen Ger鋞s, beispielsweise eines Elektrowerkzeugs oder dergleichen befinden, wobei die Energiequelle 12 als Akku 14 ausgebildet ist. Es ist zudem m鰃lich, dass die Schaltungsanordung 10 Bestandteil der Energiequelle 12 ist. Mittels eines Umschalters oder Tasters 16 kann die Energiequelle 12 mit der Schaltungsanordnung 10 elektrisch leitend verbunden bzw. von dieser getrennt werden. Befindet sich der Umschalter oder Taster 16 in der unteren Stellung 18, so weist die Versorgungsspannung U am Ausgang der Schaltungsanordnung 10 den Wert Null auf und das elektrische Ger鋞 ist deaktiviert bzw. befindet sich im Ruhezustand.

Durch Verbringen des Umschalters oder Tasters 16 in die obere Stellung 20 wird eine aus einem ersten und einem zweiten Widerstand 22 bzw. 24 sowie einem Kondensator 26 bestehende Reihenschaltung mit der Energiequelle 12 verbunden und der Kondensator 26 黚er die Widerst鋘de 22 und 24 aufgeladen. Parallel zum ersten Widerstand 22 ist ein als PNP-Bipolartransistor 28 ausgebildetes Schaltmittel 30 derart angeordnet, das sein Emitter E mit dem Umschalter oder Taster 16 verbunden ist, w鋒rend ein als Basis B ausgelegter Schalteingang 31 an einem Knotenpunkt 32 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 22 bzw. 24 liegt, und am Kollektor C die Versorgungsspannung U abgegriffen werden kann. W鋒rend des Aufladevorgangs des Kondensators 26 kommt es aufgrund des Ladestroms zu einem Spannungsabfall am Widerstand 22 und demzufolge auch 黚er der Basis-Emitter-Strecke des Bipolartransistors 28. Steigt die Spannung nun soweit an, dass die Schwellspannung des Basis-Emitter-躡ergangs 黚erschritten wird, schaltet der PNP-Bipolartransistor 28 durch. Am Ausgang 34 der Schaltungsanordnung 10, der unmittelbar mit dem Kollektor C des PNP-Bipolartransistors 28 verbunden ist, liegt dann die Versorgungsspannung U an, die sich aus der Spannung der Energiequelle 12 abz黦lich der Kollektor-Emitter-Spannung des PNP-Bipolartransistors 28 ergibt.

Zwischen dem Kollektor C des PNP-Bipolartransistors 28 und dem Bezugspotential V der Energiequelle 12 ist ein Spannungteiler 36 angeordnet, der aus zwei weiteren Widerst鋘den 38 und 40 besteht und 黚er den die Versorgungsspanung U f黵 das elektrische Ger鋞 abgegriffen wird. Parallel zu dem Spannungteiler 36 ist eine aus einem Vorwiderstand 42 und einer Z-Diode 44 bestehende Reihenschaltung angeordnet, wobei 黚er der in Sperrrichtung gepolten Z-Diode 44 eine definierte Zenerspannung UZ abf鋖lt, die als Referenzspannung f黵 die im Folgenden erl鋟terte Unterspannungserkennung dient. Dazu ist die Basis B eines als NPN-Bipolartransistor 46 ausgebildeten Transistorschalters 48 mit einem Knotenpunkt 50 zwischen den beiden Widerst鋘den 38 und 40 des Spannungsteilers 36 verbunden, w鋒rend der Emitter E an die Kathode K der Z-Diode 44 und der Kollektor C zwischen dem Kondesator 26 und dem zweiten Widerstand 24 geschaltet ist. Die Widerst鋘de 38 und 40 des Spannungsteilers 36 sind nun derart dimensioniert, dass an dem Knotenpunkt 50 w鋒rend des normalen Betriebszustands der Schaltungsanordung 10 eine Spannung abf鋖lt, die einen definierten Spannungwert US 黚erschreitet. Dabei resultiert der definierte Spannungswert Us aus der Summe der Zenerspannung UZ und der Schwellspannung UBE zum Durchschalten des Basis-Emitter-躡ergangs des NPN-Bipolartransistors 46.

Kommt es im Laufe des Betriebs des elektrischen Ger鋞s zu einem Absinken der Versorgungsspannung U, beispielsweise infolge einer zu starken Entladung des Akkus 14, so sperrt der NPN-Bipolartransistor 46, falls die 黚er dem Widerstand 40 am Knotenpunkt 50 abfallende Spannung den definierten Spannungswert US und damit die erforderliche Schwellspannung UBE unterschreitet. Da der Ladevorgang des Kondensators 26 zwischenzeitlich beendet wurde, kann nun kein ausreichender Ladestrom mehr durch den ersten und den zweiten Widerstand 22 bzw. 24 flie遝n, so dass der Spannungsabfall am ersten Widerstand 22 die zum Durchschalten des Schaltmittels 30 erforderliche Schwellspannung unterschreitet. Das Schaltmittel 30 sperrt daraufhin und bewirkt eine Unterbrechung der Spannungsversorgung am Ausgang 34 der Schaltungsanordnung 10. Durch dieses „Zunullsetzen" der Versorgungsspannung U kann eine Tiefenentladung des Akkus 14 wirksam vermieden werden. Die Schaltungsanordnung 10 befindet sich nunmehr in einem Sperrzustand. Durch die besonders geringe Stromaufnahme der Schaltunganordnung 10 im Sperrzustand ist weiterhin gew鋒rleistet, dass der Akku 14 bei sich in der oberen Stellung 20 befindendem Umschalter oder Taster 16 praktisch nicht belastet wird.

Um die Schaltungsanordnung 10 wieder von dem Sperrzustand in den Betriebszustand zur點kzusetzen, ist eine Bet鋞igung des Umschalters oder Tasters 16 erforderlich. Dazu wird dieser zun鋍hst von der oberen Stellung 20 in die untere Stellung 18 verbracht, so dass sich der Kondensator 26 黚er die beiden Widerst鋘de 22 und 24 entl鋎t. Wird der Umschalter oder Taster 16 anschlie遝nd wieder in die obere Stellung 20 verbracht, so nimmt w鋒rend des Aufladevorgangs des Kondensators 26 das Schaltmittel 30 – wie oben beschrieben – einen niederohmigen Zustand ein, so dass am Ausgang 34 der Schaltungsanordnung 10 erneut die Versorgungsspannung U anliegt. Der Transistorschalter 48 schaltet jedoch nur durch, wenn die der 黚er dem Widerstand 40 des Spannungsteilers 36 abfallende Anteil der Versorgungsspannung U gr鲞er ist als der definierte Spannungswert US. Ist dies der Fall, so kann die Schaltungsanordnung 10 wieder zur Unterspannungserkennung bzw. -abschaltung der Energiequelle 12 verwendet werden.

Sollte der Akku 14 zwischenzeitlich nicht aufgeladen worden sein, so f黨rt die Bet鋞igung des Umschalters oder Tasters 16 zwar zu einem Durchschalten des Schaltmittels 30 w鋒rend des Aufladevorgangs des Kondensators 26, der Transistorschalter 48 wird jedoch aufgrund der zu geringen Versorgungsspannung U nicht aktiviert, so dass das Schaltmittel 30 nach Beendigung des Aufladevorgangs des Kondensators 26 wieder sperrt und die Versorgungsspannung U erneut den Wert Null annimmt. Am Ausgang 34 liegt demnach nur kurzzeitig eine Versorgungsspannung U ≠ 0V an. Eine Beeintr鋍htigung des elektrischen Ger鋞s infolge dieser kurzzeitigen Unterspannung ist jedoch auszuschlie遝n. Das Zur點ksetzen der Schaltungsanordnung 10 in den Betriebszustand ist somit nur m鰃lich, wenn der Akku 14 zwischenzeitlich soweit aufgeladen wurde, dass die 黚er den Widerstand 40 des Spannungsteilers 36 abfallende Spannung den definierten Spannungswert US 黚erschreitet.

Es ist ohne Einschr鋘kung der Erfindung auch m鰃lich, den Umschalter oder Taster 16 w鋒rend des normalen Betriebsvorgangs, d.h. bei ordnungsgem溥er Spannungsversorgung des elektrischen Ger鋞s, zu bet鋞igen. Wie bereits beschrieben, kommt es hierbei zu einer Entladung des Kondensators 26 黚er die Widerst鋎e 22 und 24. Im Unterschied zu einer Bet鋞igung des Umschalters oder Tasters 16 w鋒rend des Sperrzustands werden nun das Schaltmittel 30 und der Transistorschalter 46 vom niederohmigen in den hochohmigen, d.h. sperrenden Zustand verbracht, und die Versorgungsspannung U auf den Wert Null gesetzt. Nach einer erneuten Bet鋞igung des Umschalters oder Tasters 16 von der unteren Stellung 18 in die obere Stellung 20 befindet sich die Schaltungsanordnung 10 wieder im Betriebszustand gem溥 der obigen Beschreibung.

Als elektrischen Ger鋞 kann vorzugsweise ein Elektrowerkzeug dienen, in dem die Schaltungsanordnung 10 integriert ist. In diesem Zusammenhang ist es zweckm溥ig, wenn der Umschalter oder Taster 16 als ein von au遝n zug鋘gliches Bedienelement – beispielsweise der Ein/Aus- oder Hauptschalter – des Elektrowerkzeugs ausgebildet ist. Dabei sollte die untere Stellung 18 des Umschalters oder Tasters 16 einer Ruhestellung des Bedienelements entsprechen, w鋒rend dessen Bet鋞igung einem Verbringen in die obere Stellung 20 gleichkommt. Ist das elektrische Ger鋞 beispielsweise ein Akkuschrauber, so wird durch Bet鋞igen und Gedr點khalten des Ein/Aus-Schalters ein Elektromotor mit Energie versorgt. Erkennt die Schaltungsanordnung 10 nun w鋒rend des Betriebs oder unmittelbar nach Bet鋞igung des Ein/Aus-Schalters eine Unterspannung der an dem Elektromotor anliegenden Versorgungsspannung U, so setzt sie diese in der oben beschriebenen Weise auf den Wert Null. Auf diesen Vorgang kann der Benutzer des Akkuschraubers beispielsweise durch eine LED oder ein anderes Anzeigemittel hingewiesen werden. L鋝st der Benutzer den Ein/Aus-Schalter wieder los, wird er in die unter Stellung 18 verbracht und die Schaltungsanordnung 10 gem溥 der obigen Beschreibung zur點kgesetzt.

Es ist m鰃lich, die Schaltungsanordnung 10 als Bestandteil des elektrischen Ger鋞s oder der Energiequelle 12 auszubilden. Im letzteren Fall ist es zweckm溥ig, dass die Energiequelle 12 entsprechend ausgebildete Kontakte aufweist zur Verbindung der Schaltungsanordnung 10 mit dem Umschalter oder Taster 16 des elektrischen Ger鋞s. Hierauf kann jedoch verzichtet werden, wenn sich der Umschalter oder Taster 16 ebenfalls an der Energiequelle 12 befindet. Auch das oben erw鋒nte Anzeigemittel kann am elektrischen Ger鋞 und/oder an der Energiequelle 12 angeordnet sein.

Es sei abschlie遝nd noch darauf hingewiesen, dass auf die Angabe exakter Werte f黵 die Bauelemente der Schaltungsanordnung 10 verzichtet wurde, da diese unter anderem von dem Energiebedarf des elektrischen Ger鋞s und demzufolge von der Belastbarkeit abh鋘gen. Ein Fachmann auf dem Gebiet des Elektrotechnik wird in der Lage sein, die Bauelemente entsprechend zu dimensonieren. Weiterhin ist es m鰃lich, dass weitere Schaltmittel 30 als ein Relais auszubilden. Bei besonders hohen Leistungsanforderungen k鰊nen auch Insulated-Gate-Bipolartransistoren (IGBT) als Transistorschalter 48 bzw. weiteres Schaltmittel 30 zum Einsatz kommen. Auch eine Verwendung von entsprechend ausgelegten Feldeffekt-Transistoren ist denkbar.


Anspruch[de]
Schaltunganordnung (10) zur Unterspannungserkennung einer Energiequelle (12), mit einem Transistorschalter (48) und zumindest einem weiteren Schaltmittel (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Transistorschalter (48) und das weitere Schaltmittel (30) in einem Betriebszustand der Schaltungsanordung (10) niederohmig sind und der Transistorschalter (48) das weitere Schaltmittel (30) zur Unterbrechung der Spannungsversorgung sperrt, wenn eine Versorgungsspannung (U) der Energiequelle (12) einen definierten Spannungswert (US) unterschreitet. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Spannungswert (US) aus der Summe einer Zenerspannung (UZ) einer Z-Diode (44) und einer Schwellspannung (UBE) des Transistorschalters (48) gebildet ist. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Anspr點he, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistorschalter (48) mit einem Spannungteiler (36) verbunden ist zur 躡erwachung der Versorgungsspannung (U). Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistorschalter (48) sperrt, wenn die mittels des Spannungsteilers (36) 黚erwachte Versorgungsspannung (U) unter den definierten Spannungswert (US) f鋖lt. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Anspr點he, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistorschalter (48) ein NPN-Bipolartransistor (46) ist, wobei die Basis (B) des NPN-Bipolartransistors (46) mit dem Spannungsteiler (36), der Emitter (E) des NPN-Bipolartransistors (46) mit der Kathode (K) der Z-Diode (44) und der Kollektor (C) des NPN-Bipolartransistors (46) mit einem Schalteingang (31) des weiteren Schaltmittels (30) verbunden ist. Schaltungsanordung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung mittels eines Umschalters oder Tasters (16) in den Betriebszustand zur點ksetzbar ist. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Anspr點he, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weitere Schaltmittel (30) als ein PNP-Bipolartransistor (28) oder ein Relais ausgebildet ist. Energiequelle (12) mit einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Anspr點he 1 bis 7. Energiequelle (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (12) ein Akku (14) ist. Elektrisches Ger鋞 mit einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der Anspr點he 1 bis 7. Elektrisches Ger鋞 nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Ger鋞 ein Elektrowerkzeug ist.






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