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Dokumentenidentifikation DE3611484C2 09.06.1994
Titel Schaltungsanordnung für eine tragbare Leuchte
Anmelder ABB CEAG Licht- und Stromversorgungstechnik GmbH, 59494 Soest, DE
Erfinder Jütte, Reinhold, 3538 Marsberg, DE
DE-Anmeldedatum 05.04.1986
DE-Aktenzeichen 3611484
Offenlegungstag 08.10.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.1994
IPC-Hauptklasse H02H 7/18
IPC-Nebenklasse H01M 10/42   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine tragbare Leuchte, mit einer wiederaufladbaren Batterie und einer aus der Batterie gespeisten Glühlampe. Die Schaltungsanordnung enthält Schaltungsteile, die bewirken, daß nach Unterschreiten eines ersten Batteriespannungswertes der Strom durch die Glühlampe reduziert wird. Außerdem sind Schaltungsteile enthalten, die bewirken, daß nach Unterschreiten eines zweiten Batteriespannungswertes der Lampenstrom abgeschaltet wird.

Die Abschaltung des Lampenstromes nach Unterschreiten des zweiten Batteriespannungswertes ist als Tiefentladeschutz bekannt und soll die Batterie vor einer sie schädigenden Tiefentladung schützen. Eine Tiefentladung liegt vor, wenn ein bestimmter batteriespezifischer unterer Spannungswert unterschritten wird.

Da ein Benutzer einer tragbaren Leuchte durch plötzliche Abschaltung der Glühlampe durch die Tiefentladeschutzeinrichtung überrascht werden könnte, womit Gefahrensituationen verbunden sein können, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Leuchtenbenutzer zuvor zu warnen, indem nach Unterschreiten einer festgelegten Batteriespannung der Lampenstrom deutlich verringert wird, so daß der Benutzer auf die nachlassende Helligkeit und die baldige Erschöpfung der Batterie aufmerksam wird. Es steht dann noch Zeit zur Beendigung einer Reparaturarbeit oder zum Verlassen einer Gefahrenstelle zur Verfügung.

Aus der gattungsgemäßen US-A-4 342 953 ist eine Schaltungsanordnung mit den vorstehend genannten Funktionen bekannt. Allerdings werden nicht alle an eine solche Schaltungsanordnung zu stellenden Anforderungen optimal erfüllt.

Zu den auf der Hand liegenden Anforderungen zählt, daß die durch die Schaltungsanordnung verursachten Energieverluste in allen Betriebsbereichen der Leuchte klein sein sollen, also z. B. die Lampe im Hauptbetriebsbereich zwischen Volladung und dem Batteriezustand bei Erreichen des vorgenannten ersten Spannungswertes hell brennen soll. Es soll also möglichst die volle Batteriespannung an der Lampe anliegen. Besonders in dem Betriebsbereich zwischen erstem und zweitem Spannungswert muß mit der zur Verfügung stehenden Restenergie haushälterisch umgegangen werden. Es versteht sich auch, daß das Dimmen der Glühlampe in diesem Betriebsbereich deutlich erkennbar sein soll. Nach dem Abschalten der Glühlampe durch die Tiefentladeschutzeinrichtung soll der Stromverbrauch der Schaltung klein sein, um die Batterie vor einer Tiefentladung zu schützen.

Allen diesen Anforderungen kann die bekannte Schaltungsanordnung nicht optimal genügen, wie nachstehend anhand der Fig. 2 der US-A-4 342 953 dargelegt wird. Auch im Hauptbetriebsbereich entsteht ein Spannungsabfall an dem Widerstand 33 und am Transistor 6, der über den Basiswiderstand 31 angesteuert wird. Der Spannungsabfall am Transistor 6 könnte zwar niedrig sein, wenn der Widerstand 31 niederohmig gewählt wird. Aufgrund des damit gewählten Arbeitsbereiches würde aber der vorgeschlagene Bipolartransistor bei Unterschreiten des ersten Spannungswertes keine wünschenswerte überproportionale Abnahme des Kollektorstromes herbeiführen. Die Glühlampe würde also nicht deutlich dunkler brennen. Wird dagegen der Basiswiderstand 31 hochohmig ausgeführt, dann arbeitet der Transistor 6 schon im Hauptbetriebsbereich im linearen Bereich, wodurch hohe Verluste entstehen.

Ein eindeutiger Übergang vom hell- zum dunkel leuchtenden Betriebszustand nach dem Unterschreiten des ersten Spannungswertes ist also bei der bekannten Anordnung für den Anwender kaum zu erkennen und der Energieverbrauch der Schaltungseinrichtung selbst ist relativ hoch.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für die Steuerung einer tragbaren Leuchte mit wiederaufladbarer Batterie anzugeben, die den Anforderungen besser gerecht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung für eine tragbare Leuchte, mit einer wiederaufladbaren Batterie und einer aus der Batterie gespeisten Glühlampe wobei die Schaltungsanordnung Schaltungsteile aufweist, die bewirken, daß nach Unterschreiten eines vorgegebenen ersten Batteriespannungswertes der Strom durch die Glühlampe reduziert wird, um den Lampenbenutzer vor einer baldigen Erschöpfung der Batterie zu warnen und wobei die Schaltungsanordnung außerdem Schaltungsteile aufweist, die als Tiefentladeschutz wirken, indem sie nach Unterschreiten eines zweiten Batteriespannungswertes den Lampenstrom abschalten, und wobei

  • a) in einem Glühlampenstromkreis die Glühlampe und ein elektronischer Schalter ohne Zwischenschaltung von Widerstandselementen in Reihe zur Batterie geschaltet sind und
  • b) Mittel vorhanden sind, die den elektronischen Schalter mit einem pulslängenmodulierten Signal ansteuern, wenn die Batteriespannung im Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Batteriespannungswert liegt, wobei das pulslängenmodulierte Signal bewirkt, daß der Glühlampenstrom überproportional zur abnehmenden Batteriespannung reduziert wird.


Die mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielbaren Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik beziehen sich auf einen wählbaren Verlauf einer deutlich erkennbaren Lampenstromreduzierung im Betriebsbereich zwischen den ersten und zweiten Batteriespannungswerten und auf deutlich geringere Energieverluste der Schaltungseinrichtung in allen Betriebsbereichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in abhängigen Patentansprüchen und in der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung angegeben.

Es zeigt:

Bild 1 eine schematische Block-Bild-Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Bild 2 eine detaillierte Darstellung der Schaltungsanordnung gemäß Bild 1 und

Bild 3 eine grafische Darstellung des Lichtstromes über der Batteriespannung.

Zum Bild 1:

Eine Glühlampe h1 befindet sich in einem Glühlampenstromkreis 10, der von einer Batterie 11 mit Energie versorgt wird. Im Glühlampenstromkreis 10 befindet sich vor der Glühlampe h1 ein erster Schalter S1; zwischen dem ersten Schalter S1 und der Glühlampe h1 ist eine Anschlußklemme 12 eines elektronischen zweiten Schalters S2 geschaltet und im Glühlampenstromkreis 10 hinter der Glühlampe h1 ist ein elektronischer dritter Schalter S3 angeordnet. Zwischen dem Glühlampenstromkreis 10 und der Anschlußklemme 12 ist ein Bein eines Differenziergliedes angeschlossen, das aus einem Kondensator C und einem Widerstand R gebildet ist; das andere Bein des Differenziergliedes ist an den negativen Pol 13 der Batterie 11 angeschlossen. Der Pluspol der Batterie 11 besitzt die Bezugsziffer 14. Der andere Anschluß 15 des Schalters S2 liegt an einer Leitung 16 an, die mit einer Referenzschaltung oder Referenzspannungsquelle 17 verbunden ist; die Schaltungsanordnung besitzt weiterhin einen Schwellwertschalter 18, einen Oszillator 19 und eine Vergleicherschaltung 20. Über das Differenzierglied R/C wird dem Schwellwertschalter 18 über eine zwischen dem Kondensator C und dem Widerstand R angeschlossene Leitung 21 ein Spannungsimpuls gegeben. Dadurch schließt der Schwellwertschalter 18 über die strichpunktiert gezeichnete Linie 22 den elektronischen Schalter S2. Danach steht an der Leitung 16 die Batteriespannung, bezeichnet mit Uh, an. Der Schwellwertschalter 18 vergleicht die von der Referenzschaltung 17 abgegebene Referenzspannung URef mit der Batteriespannung Uh, und dann, wenn Uh größer ist als die Referenzspannung URef, gibt der Schwellwertschalter über die Leitung 22 das "Ein"-Signal an den Schalter S2, der dann geschlossen bleibt. Die Schaltung versorgt sich somit selbst (Selbsthalteschaltung).

Der Oszillator 19 erzeugt eine Dreieckspannung UD, die von der Referenzspannung URef gesteuert einen Amplitudenhöchstwert

URef + UD

und einen Amplitudenniedrigstwert

URef - UD

hat. Die Dreieckspannung UD wird vom Vergleicher mit der Batteriespannung Uh verglichen. Ist

Uh > URef + UD

dann wird über die weitere strichpunktierte Leitung 23 der elektronische Schalter S3 dauernd eingeschaltet und die Glühlampe h1 brennt. Sinkt im Laufe der Entladung die Batteriespannung UBatt (entspricht Uh), so wird bei Unterschreiten der Schwelle

URef + UD

der Schalter S3 nicht mehr dauernd eingeschaltet, sondern periodisch mit einem Taktverhältnis, das dem Momentanwert der Batteriespannung entspricht. Dadurch wird der Spannungsmittelwert an der Lampe h1 reduziert; der Lichtstrom nimmt ab. Durch entsprechende Dimensionierung kann der Lichtstrom soweit abnehmen, daß er bei Erreichen des Tiefentladeschutzgrenzwertes nur noch wenige Prozent des Nennlichtstromes beträgt. Der Tiefentladeschutz wird aus der Zusammenwirkung der Referenzschaltungsanordnung, dem Schwellwertschalter und dem Schalter S2 gebildet. Erreicht die Batteriespannung den Wert Uh kleiner URef, dann spricht der Schwellwertschalter an und öffnet Schalter S2, so daß die Spannung Uh wegfällt und der Batteriestrom bis auf wenige Milliampere gegen Null geht, da die Lampe h1 verlischt und nicht wieder eingeschaltet wird.

Es sei nun Bezug genommen auf Bild 2. Der Schalter S1 wird geschlossen. Dadurch fließt über das Differenzierglied, das aus einer Reihenschaltung von Widerständen R1, R2, einer Diode V2 und einer Kapazität C1 besteht und parallel zu der Reihenschaltung von Batterie 11 und dem Schalter S1 geschaltet ist, kurzzeitig ein Strom. Zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 ist die Basis eines Transistors V1 geschaltet, und der Spannungsabfall an dem Widerstand R1 steuert die Basis des Transistors V1 an, so daß jener in den leitenden Zustand geht. Dadurch wird auf die Leitung 16 die Spannung Uh gegeben. Zwischen der Leitung 16 und dem Minuspol der Batterie 11 liegen ein weiterer Widerstand R6 und eine Zenerdiode V6, welche beiden Bauteile die Referenzschaltung bilden und somit die Referenzspannung URef bilden. Parallel zu dem Widerstand R6 und der Diode V6 liegt ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen R5 und R9; in einem Vergleicher oder Komparator V5 wird die von den beiden Widerständen R5 und R9 geteilte Spannung mit der Referenzspannung URef verglichen; der Minus-Eingang liegt zwischen dem Widerstand R6 und der Diode V6. Der Ausgang des Komparators V5 ist an die Basis eines Transistors V4 geschaltet und zwischen dem Kollektor des Transistors V1 und der Basis des Transistors V4 befindet sich ein Widerstand R4. Wenn nun der Referenzwert URef größer ist als der Spannungsteilerwert R5/R9, dann wird der Transistor V4 von dem Komparator V5 in den leitenden Zustand gesteuert und über Widerstände R1, R2 und Diode V2 bleibt der Transistor V1 leitend; die Schaltung versorgt sich selbst (Selbsthalteschaltung).

Die Oszillatorschaltung ist gebildet aus einem Widerstand R10, dessen eines Bein zwischen die Zenerdiode V6 und dem Widerstand R6 geschaltet ist, einem Widerstand R11, der zum Widerstand R10 in Reihe liegt, einem Widerstand R7, der zu dem Widerstand R11, und dessen anderes Bein an der Leitung 16 angeschlossen ist, einem Widerstand R12, der parallel zu dem Minus-Eingang und dem Ausgang eines Komparators V5&min; geschaltet ist, dessen positiver Eingang zwischen den Widerständen R10 und R11 angeschlossen ist und dessen Ausgang ebenfalls zwischen den Widerständen R7 und R11 eingeschaltet ist, und einer Kapazität C3, die zwischen dem Minus-Eingang des Komparators V5&min; und dem Minuspol der Batterie 11 liegt. Der Widerstand R12 liegt mit seinem einen Bein zwischen dem Minus-Anschluß des Komparators V5&min; und der Kapazität C3 und mit dem anderen Bein am Ausgang des Komparators V5&min;. Diese Oszillatorschaltung erzeugt eine Dreieckspannung UD, die den Höchstwert von



und einen Niedrigstwert von



besitzt. Die Frequenz des Oszillators wird durch die Widerstände R12, R10, R11 und R7 und die Kapazität C3 bestimmt und liegt aufgrund entsprechender Dimensionierung dieser Teile zwischen 100 bis 500 Hz. Diese Dreieckspannung UD wird dem positiven Eingang eines weiteren Komparators V5&min;&min; zugeführt; der negative Anschluß des Komparators V5&min;&min; liegt am Mittelabgriff eines Potentiometers R13, der über weitere Widerstände R8 und R14 einerseits mit der Leitung 16 und andererseits mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist. Diese Dreiecksspannung UD wird vom Vergleicher V5&min;&min; über den Spannungsteiler R8, R13, R14 mit der Spannung Uh verglichen. Liegt diese geteilte Spannung aus Uh über dem Höchstwert von UD, dann wird über einen am Ausgang des Komparators V5&min;&min; anliegenden Spannungsteiler aus den beiden Widerständen R15 und R16 die Basis eines Transistors V7 angesteuert, so daß der Transistor V7, dessen Emitter an der Leitung 16 anliegt, leitend und über einen im Kollektorkreis liegenden Spannungsteiler aus den Widerständen R17 und R18 auch der Schalttransistor V8 dauernd leitend; die Basis des Transistors V8 ist über den Widerstand R17 am Kollektor V7 angeschlossen. Parallel zur Basis-Emitterstrecke des Transistors V8 liegt der Widerstand R18. Parallel zu der Basis-Kollektorstrecke liegt eine Kapazität C4. Wenn der Transistor V8 leitend ist, brennt die Glühlampe h1. Sinkt im Laufe der Entladung die Batteriespannung ab, so sinkt auch die Spannung Uh ab. Unterschreitet diese Spannung am invertierenden Eingang des Vergleichers V5&min;&min; den Höchstwert von UD, dann erscheint am Ausgang des Komparators V5&min;&min; ein pulslängenmoduliertes Signal. Die beiden Transistoren V7 und V8 werden nun getaktet betrieben. Das Taktverhältnis ist abhängig von Uh und bestimmt den Gleichstrommittelwert durch die Glühlampe h1. Der Lichtstrom nimmt überproportional über die Abnahme der Spannung Uh bzw. UBatt ab.

Sinkt die Batteriespannung weiter, dann sinkt auch die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Komparators V5. Unterschreitet diese den Wert von URef, dann schaltet der Komparator V5 gegen Null und der Transistor V4 sperrt; damit wird über die Diode V2, den Widerstand R1 und den Widerstand R2 auch der Transistor V1 in den Sperrzustand gefahren. Die Schaltung nimmt sich dadurch die Versorgungsspannung Uh, wodurch der Tiefentladeschutz mit Wiedereinschaltsperre erzeugt wird. Ein erneutes Aktivieren der gesamten Schaltung ist nur durch Öffnen und Wiederschließen des Schalters S1 möglich.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird folgendes erreicht:

Bei genügend hoher Batteriespannung ist die Lampe dauernd eingeschaltet. Sinkt im Laufe der Entladung die Zellenspannung z. B. einer Nickel-Cadmium-Batterie auf einen Wert von weniger als 1 Volt/Zelle, dann wird der Lichtstrom der Glühlampe überproportional heruntergestellt. Dem Benutzer wird dadurch erkenntlich, daß die Batteriekapazität am Ende ist. Durch die Verringerung des Lampenstromes wird die Restkapazität zur Verlängerung der Brenndauer genutzt. Kurz vor Ansprechen des Tiefentladeschutzes hat der Lichtstrom so kleine Werte, daß der Benutzer die Leuchte u. U. selbst abschaltet.

Bei einer speziellen Ausgestaltung einer Batterie mit vier Nickel-Cadmium-Zellen wird bei einer Batteriespannung kleiner 4 Volt, d. h. 1 Volt/Zelle der Lichtstrom zurückgefahren. Bei 0,9 Volt/Zelle beträgt der Lichtstrom noch ca. 5% und bei diesem Wert, d. h. bei 3,6 Volt Batteriespannung, spricht der Tiefentladeschutz an. Es sei hierbei Bezug genommen auf Bild 3. Man erkennt ausgezogen den Lichtstromverlauf einer 4,8 Volt, 5 Watt-Glühlampe in Abhängigkeit von der Batteriespannung. Die strichlinierte Linie verläuft bis zu einer Batteriespannung von 3,9 Volt exakt auf der ausgezogenen Linie. Bei weiterem Absinken der Batteriespannung, d. h. also Abnahme der Kapazität, sinkt der Strom durch den Verbraucher aufgrund der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung überproportional bis zu dem Wert von 3,6 Volt Batteriespannung ab. Bei dieser Spannung spricht der Tiefentladeschutz an und trennt die Lampe h1 von der Batterie.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung für eine tragbare Leuchte, mit einer wiederaufladbaren Batterie und einer aus der Batterie gespeisten Glühlampe, wobei die Schaltungsanordnung Schaltungsteile aufweist, die bewirken, daß nach Unterschreiten eines vorgegebenen ersten Batteriespannungswertes der Strom durch die Glühlampe reduziert wird, um den Lampenbenutzer vor einer baldigen Erschöpfung der Batterie zu warnen und wobei die Schaltungsanordnung außerdem Schaltungsteile aufweist, die als Tiefentladeschutz wirken, indem sie nach Unterschreiten eines zweiten Batteriespannungswertes den Lampenstrom abschalten, dadurch gekennzeichnet,
    1. a) in einem Glühlampenstromkreis (10) die Glühlampe (h1) und ein elektronischer Schalter (S3, V8) ohne Zwischenschaltung von Widerstandselementen in Reihe zur Batterie (11) geschaltet sind und
    2. b) Mittel (17, 19, 20) vorhanden sind, die den elektronischen Schalter (S3, V8) mit einem pulslängenmodulierten Signal ansteuern, wenn die Batteriespannung im Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Batteriespannungswert liegt, wobei das pulslängenmodulierte Signal bewirkt, daß der Glühlampenstrom überproportional zur abnehmenden Batteriespannung reduziert wird.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des pulslängenmodulierten Signals eine Oszillatorschaltung (19), eine Referenzspannungsquelle (17) und eine Vergleicherschaltung (20) angeordnet sind, wobei die Oszillatorschaltung (19) eine Dreieckspannung (UD) erzeugt und zu einer von der Referenzspannungsquelle (17) abgegebene Referenzspannung (URef) addiert und das resultierende Signal dem Vergleicher (20) zuführt, der dieses Signal mit der Batteriespannung (UBatt) vergleicht, ein Signal (UBatt - (URef + UD)) bildet und als pulslängenmoduliertes Signal an den elektronischen Schalter (S3) abgibt.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Tiefentladeschutzeinrichtung ein zweiter elektronischer Schalter (S2) in der Zuleitung des Batteriestromes zu den Mitteln (17, 19, 20) zur Steuerung des elektronischen Schalters (S3) angeordnet ist, der von einem Schwellwertschalter (18) gesteuert ist, wobei der Schwellwertschalter (18) den zweiten elektronischen Schalter (S2) abschaltet, wenn die Batteriespannung (UBatt) die von der Referenzspannungsquelle (17) abgegebene Referenzspannung (URef) unterschreitet.






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