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Dokumentenidentifikation DE3822021C1 19.10.1989
Titel Schaltungsanordnung zur Überwachung
Anmelder Auergesellschaft GmbH, 1000 Berlin, DE
Erfinder Kämmer, Peter, 1000 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 30.06.1988
DE-Aktenzeichen 3822021
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.10.1989
IPC-Hauptklasse H02H 7/18
IPC-Nebenklasse H02J 7/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines aus einem integrierten Schaltkreis aufgebauten elektronischen Gerätes (3) gegen Betriebsstörungen, welches aus einem wiederaufladbaren Akkumulator (1) betrieben wird. Hierbei ist es erforderlich, daß bei einer Unterschreitung einer vorgegebenen Betriebsspannung für das zu versorgende elektronische Gerät, dieses vom Akkumulator (1) abgetrennt wird. Eine derartige Abtrennung soll nicht nur beim Vorliegen einer erreichten Tiefentladespannung des Akkumulators (1), sondern auch im Hinblick auf Kurz- und/oder Kriechschlüsse und auf einen Mindestspannungspegel der Betriebsspannung erfolgen. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Überwachungseinrichtung (2) einen als Komparator geschalteten Operationsverstärker (4) aufweist, der mit seinem Ausgang an ein Halbleiterschaltelement (10) angeschlossen ist, welches wiederum zwischen dem Akkumulator (1) und dem elektronischen Gerät (3) in Reihe geschaltet ist, wobei zwischen dem Gerät (3) und dem Halbleiterschaltelement (10) in Sperrichtung zum Gerät (3) eine Diode (11) an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (4) geschaltet ist (Fig. 1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Überwachung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus Electronic Design, Heft 12, 1978, Seiten 112-114 bekannt, bei der eine Schutzanordnung für den Akkumulator gegen Tiefentladung aus einem zwischen dem Akkumulator und dem Verbraucher angeordneten Halbleiterschalter und aus einem Komparator besteht, der bei Erreichen einer untersten Entladeschutzspannung den Halbleiterschalter sperrt.

Aus Elektor, Heft 5, 1988, Seiten 30-33 "Solar-Laderegler" ist ebenfalls ein Tiefentladeschutz für einen Akkumulator, bestehend aus einem Komparator in Zusammenwirkung mit einem Halbleiterschalter, bekannt. Bei diesen bekannten Ausführungen ist jedoch eine Überwachung der Betriebsspannung im Hinblick auf einen zum einwandfreien Betreiben von Logik-Bausteinen erforderlichen Mindestspannungspegels nicht beabsichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die zusätzlich ein Absinken der Betriebsspannung unter einen zulässigen Grenzwert bei betriebsbereitem Akkumulator überwacht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden an den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung, bei der gemäß der Erfindung die Überwachung gegen Tiefentladung eines Akkumulators und die Überwachung der Betriebsspannung für ein elektronisches Gerät mit nur einer Überwachungsgruppe erreicht wird, und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1, bei der die Einschaltung der Überwachungsbaugruppe über einen positiven Pol erfolgt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Schaltungsanordnung im wesentlichen aus einem Akkumulator-Block 1, einer Überwachungseinrichtung 2 und einem elektronischen Gerät 3.

Die Überwachungseinrichtung 2 weist einen als Komparator 4 geschalteten Operationsverstärker auf, an dessen nichtinvertierenden Eingang (Plus-Eingang) über einen Widerstand 5 eine Referenzspannung Uref anliegt, die durch einen ersten Spannungsteiler 6, 7 erzeugt wird. Parallel zu diesem ersten Spannungsteiler und zum Akkumulator 1 ist ein zweiter Spannungsteiler 8, 9 geschaltet, durch den der vom Hersteller des Akkumulators 1 vorgegebene Tiefentlade- Grenzwert eingestellt ist. Zur Überwachungseinrichtung 2 gehört weiterhin ein Feldeffekttransistor 10(FET), der mit dem Akkumulator 1 und mit dem Ausgang des Komparators 4 sowie mit dem elektronischen Gerät 3 verbunden ist.

Der Feldeffekttransistor 10 bildet quasi das von der Überwachungseinrichtung 2 gesteuerte zentrale Schaltelement zum Abschalten der Betriebsspannung für das elektronische Gerät 3 vom Akkumulator 1, wenn die bereits genannten Betriebsstörungen eintreten sollten. Zwischen dem FET10 und dem Komparator 4 ist in Sperrichtung eine Diode 11 parallel geschaltet, so daß im Betriebsfall kein Strom an den invertierenden Eingang (Minus- Eingang) des Komparators 4 gelangt. Parallel zum Komparator 4 ist an dessen nichtinvertierenden Eingang ein Kondensator 12 geschaltet, der mit dem im Abgreifzweig des ersten Spannungsteilers 6, 7 geschalteten Widerstand 5 ein RC-Glied bildet, welches eine Einschaltverzögerungs-Funktion erfüllt. Die Einschaltverzögerung ermöglicht ein definiertes Einschalten der Überwachungseinrichtung 2 mit einem in der Schaltungsanordnung nicht näher dargestellten Schalter.

Im Abgreifzweig des zweiten Spannungsteilers 8, 9 ist ein Widerstand 13 an den invertierenden Eingang des Komparators 4 geschaltet.

Am Ausgang des Komparators 4 ist eine mit dem integrierten Schaltkreis des elektronischen Gerätes 3 verbundene Diode 14 geschaltet, die als Koppeldiode dient und über die eine weitere Abschaltung der Betriebsspannung im Störfall erfolgen kann oder aber es kann über diese Diode eine Fehlermeldung ausgegeben werden.

In Fig. 2 ist eine im Aufbau im wesentlichen mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung gleiche Ausführung dargestellt, bei der die Einschaltung der Überwachungseinrichtung jedoch über einen positiven Pol erfolgt. Dies ist immer dann vorteilhaft, wenn eine andere Stromversorgungsquelle vorhanden ist und diese Einschaltungsart bevorzugt wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist für diesen Fall der Kondensator 4 an einen positiven Pol 15 der Schaltung angeschaltet.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach den Fig. 1 und 2 ist folgende:

Mit der Schaltungsanordnung werden von der Überwachungseinrichtung 2 Schaltfunktionen erfüllt, und zwar die Einschaltfunktion mit Einschaltverzögerung, die Schutzfunktion für den Akkumulator 1 gegen Tiefentladung, die Überwachungsfunktion für die Betriebsspannung im Falle eines Kurz- und/oder Kriechschlusses und die Überwachungsfunktion im Hinblick eines Minimal-Spannungspegels der Betriebsspannung, sowie die Überwachungsfunktion für die erforderliche Temperaturbegrenzung des Feldeffekttransistors 10. Immer dann, wenn die vorgenannten Störfälle eintreten sollten, wird von der Überwachungseinrichtung 2 die Betriebsspannung vom Akkumulator 1 abgeschaltet.

Nach dem Einschalten des elektronischen Gerätes 3 in Fig. 1 fließt der Akkumulatorstrom vom Pluspol durch die Strombegrenzungswiderstände 16, 6 und 5 sowie durch den Kondensator 12 zum Minuspol GND. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 4 wird somit direkt gegen Masse gezogen, so daß an diesem Eingang ein negatives Eingangssignal anliegt, das bewirkt, daß am Ausgang ein Low-Signal ansteht. Das Low-Signal steuert das Gate G des Feldeffekttransistors 10 an., Der Transistor 10 wird durchgeschaltet, wenn die erforderliche Betriebsspannung Ut konstant ist, die Tiefentladeschwelle des Akkumulators nicht erreicht ist, kein Kurzschluß vorliegt und die Betriebsspannung Ut durch einen Kriechschluß nicht unterhalb des eingestellten Schwellenwertes der Referenzspannung Uref liegt. Die Zeit der Einschaltverzögerung wird durch das RC-Glied 5, 12 bestimmt.

Die Schaltungsanordnung zum Schutz des Akkumulators 1 gegen Tiefentladung besteht aus dem als Komparator 4 geschalteten Operationsverstärker, den Spannungsteilern 6, 7 und 8, 9, der Diode 11 sowie dem Transistor 10. Die Überwachung der Tiefentladung erfolgt derart, daß der vom Akkumulator- Hersteller angegebene Tiefentladegrenzwert, gebildet durch den Spannungsteiler 8, 9, mit dem Wert der Referenzspannung Uref mittels des Komparators 4 verglichen wird. Die Referenzspannung Uref wird über den Begrenzungswiderstand 6 mit der Referenzdiode 7 (Zenerdiode) gebildet. Die Referenzspannung Uref dient als direkte Bezugsspannung für den Komparator 4.

Wenn die heruntergeteilte Akku-Spannung den Wert der Referenzspannung Uref unterschreitet, steht am invertierenden Eingang des Komparators 4 ein Low-Signal an, welches am Ausgang als High-Signal erscheint und damit den Transistor 10 sperrt, was gleichbedeutend ist, daß die Betriebsspannung Ut abgeschaltet wird. Die Diode 11 hält hierbei den Komparator 4 in Selbsthaltung. Dieser Schaltungszustand kann nur durch erneutes Einschalten nach Beseitigung der Fehlerursache aufgehoben werden.

Die Schaltungsanordnung zur Kurzschlußüberwachung besteht im wesentlichen aus der an den invertierenden Eingang des Komparators 4 parallel geschalteten Diode 11. Bei einem direkten Kurzschluß wird die Betriebsspannung Ut nach dem Minus-Potential (GND-Potential) gezogen. Die Diode 11 schaltet den invertierenden Eingang des Komparators 4 ebenfalls nach dem Minus- Potential durch. Der Ausgang des Komparators 4 nimmt ein High-Signal an und sperrt den FET-Transistor 10, was bedeutet, daß der Komparator die Betriebsspannung Ut durch den Transistor abschaltet. Der Komparator 4 hält sich über die Diode 11 selbst. Dieser Schaltungszustand kann ebenfalls nur durch erneutes Einschalten nach Beseitigung der Fehlerursache aufgehoben werden. Die Einschaltung erfolgt wie bereits beschrieben.

Die Überwachung des Mindest-Spannungspegels der Betriebsspannung Ut erfolgt ebenfalls durch die Schaltungsanordnung der Überwachungseinrichtung 2. Dieser Mindest-Spannungspegel ist ein von den Herstellern von integrierten Schaltkreisen vorgegebener Spannungswert, der erforderlich ist, um ein einwandfreies Arbeiten der Logik-Bausteine zu gewährleisten.

Auch dieser Mindest-Spannungswert der Betriebsspannung Ut ist abhängig von der Referenzspannung Uref, die dann entsprechend ausgewählt bzw. vorgegeben werden muß. Die Abschaltung der Betriebsspannung Ut beim Unterschreiten der Mindestspannung erfolgt wie bei der beschriebenen Tiefentladungsüberwachung des Akkumulators 1 und der Kurzschlußüberwachung.

Für den Fall, daß in den von der Betriebsspannung Ut versorgten integrierten Schaltkreisen ein Kriechschluß auftritt, der den Spannungspegel der Betriebsspannung Ut sinken läßt, kann die Betriebsspannung ebenfalls durch die Schaltungsanordnung der Überwachungseinrichtung 2 abgeschaltet werden. Die erforderliche Schaltschwelle hierfür kann durch entsprechende Dimensionierung der Referenzspannung Uref festgelegt werden.

Weiterhin kann durch entsprechende Auslegung der Referenzspannung im Störungsfall die Verlustleistung des Feldeffekttransistors 10 derart begrenzt werden, daß jeweils die den Anforderungen entsprechende festgelegte Temperaturgrenze nicht überschritten wird. Insofern handelt es sich hierbei um einen thermischen Schutz für den Transistor 10. Die Abschaltung der Betriebsspannung beim Überschreiten der Temperaturgrenze erfolgt wie bereits bei den anderen Überwachungsvorgängen beschrieben wurde.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß die den Komparator 4 steuernde Referenzspannung Uref unter anderem mit ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, wenn es darum geht, eine Vielzahl von Überwachungsfunktionen durch lediglich eine Überwachungseinrichtung durchführen zu lassen. Die Referenzspannung Uref muß so dimensioniert und mit der Überwachungseinrichtung 2 abgestimmt sein, daß mit dieser Referenzspannung der am Ausgang des Komparators 4 liegende Schalttransistor FET10 immer dann die Betriebsspannung des elektronischen Gerätes 3 abschaltet, wenn Tiefentladung des Akkumulators 1, Kurz- und/oder Kriechschluß, Mindest-Spannungspegel der Betriebsspannung und Überschreitung der Temperaturgrenze für den Feldeffekttransistor 10 vorliegt.

Als Spannungsquelle für diese Referenzspannung Uref können beispielsweise vorteilhaft in einer anderen, in der Zeichnung nicht näher dargestellten Ausführung der Schaltungsanordnung externe Referenzquellen, regelbare Referenzdioden, Zenerdioden und Transistoren sowie integrierte Schaltkreise dienen. Nachfolgend werden die Schaltfunktionen der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 beschrieben. Nach dem Anlegen der Akkumulatorspannung wird durch den Kondensator 12 ein positiver Impuls auf den invertierenden Eingang des als Komparator 4 geschalteten Operationsverstärkers gekoppelt. Dieser Impuls bewirkt eine Einschaltverzögerung der Überwachungseinrichtung 2, indem der Ausgang des Komparators 4 für die Zeit der Impulsdauer auf einen Low-Pegel gehalten wird.

Wenn keine Störung vorliegt, bleibt nach dem Impulsende der Komparatorausgang auf Low-Pegel und schaltet mit dem Feldeffekttransistor 10 die Akkumulatorspannung durch. Die Impulsdauer und Impulsbreite wird durch den Kondensator 12 und durch den Widerstand 13 bestimmt.

Bei einer vorliegenden Störung wird am Ausgang des Komparators 4 ein High-Pegel erzeugt, so daß der Transistor 10 die Akkumulatorspannung sperrt. Der Komparator 4 hält sich über die Diode 11 selbst in dieser stabilen Lage.

Die weiteren Wirkungsweisen der Schaltungsanordnung erfolgen wie bereits bei den vorhergehenden Überwachungsvorgängen beschrieben wurde.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zur Überwachung eines von einem Akkumulator (1) versorgten und aus einem integrierten Schaltkreis aufgebauten elektronischen Geräts (3) mit
    1. - einem zwischen Akkumulator (1) und elektronischem Gerät (3) angeordneten Halbleiterschalter (10) und
    2. - einem als Komparator geschalteten Operationsverstärker (4), der den Halbleiterschaller (10) sperrt, wenn eine am invertierenden Eingang (-) anstehende, mittels eines ersten Spannungsteilers (8, 9) aus der Akkumulatorspannung gewonnene Spannung eine dem nichtinvertierenden Eingang (+) zugeführte Referenzspannung (URef) unterschreitet, wobei die Referenzspannung (URef) den Tiefentlade-Grenzwert des Akkumulators (1) festlegt,
  2. dadurch gekennzeichnet,
  3. daß eine Diode (11) mit der Kathode an den Eingang des elektronischen Gerätes (3) und mit der Anode an den invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers (4) angeschlossen ist, wodurch sowohl ein Absinken der Betriebsspannung (Ut) unter die Referenzspannung (URef), die auch den unteren Grenzwert der zulässigen Betriebsspannung (Ut) festlegt, feststellbar, als auch die Selbsthaltung des Operationsverstärkers (4) bei Sperrung des Halbleiterschalters (10) erreichbar ist.
  4. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (10) ein Feldeffekttransistor (FET) ist.
  5. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (URef) an einem parallel zum ersten Spannungsteiler (8, 9) angeordneten zweiten Spannungsteiler (6, 7) abgenommen wird.
  6. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (4) und Masse (GND) ein Kondensator (12) geschaltet ist, der mit einem im Abgreifzweig des zweiten Spannungsteilers (8, 9) angeordneten Widerstand (5) ein RC-Glied zur Einschaltverzögerung bildet.
  7. 5. Schaltungsanorndung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teilungswiderstand (7) des zweiten Spannungsteilers (6, 7) eine Zenerdiode ist.
  8. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (12) einerseits an den invertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (4) und andererseits an den Pluspol (15) der Schaltungsanordnung angeschlossen ist.






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