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Dokumentenidentifikation DE69724917T2 22.07.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000846362
Titel STROMVERSORGUNGSSYSTEM FÜR GERÄT MIT WIEDERAUFLADBAREN BATTERIEN
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder ETTES, Gerardus, Wilhelmus, NL-5656 AA Eindhoven, NL
Vertreter Meyer, M., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 52076 Aachen
DE-Aktenzeichen 69724917
Vertragsstaaten AT, DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 28.05.1997
EP-Aktenzeichen 979209202
WO-Anmeldetag 28.05.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/IB97/00609
WO-Veröffentlichungsnummer 0097049159
WO-Veröffentlichungsdatum 24.12.1997
EP-Offenlegungsdatum 10.06.1998
EP date of grant 17.09.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.07.2004
IPC-Hauptklasse H02J 7/10

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem, das Folgendes umfasst: ein Gerät mit einem wiederaufladbaren Akku, eine Stromversorgungseinheit, die mit dem Gerät gekoppelt werden kann, um das Gerät mit Strom zu versorgen, wobei die Stromversorgungseinheit Mittel enthält, um die Stromversorgungseinheit während Pausen zu stoppen, in denen dem Gerät kein Strom zugeführt wird; wobei das Gerät Mittel umfasst, um während der Pausen ein Statussignal an die Stromversorgungseinheit zu übertragen; und wobei die Stromversorgungseinheit Mittel umfasst, um das Statussignal während der Pausen zu erkennen, und Mittel, um die Stromstärke in Reaktion auf das Statussignal zu ändern.

Ein Stromversorgungssystem ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 750 385 bekannt. Dieses bekannte Stromversorgungssystem umfasst eine Ladeeinheit und ein Gerät mit einem Akkupack. Der Akkupack hat zwei Anschlüsse zum Empfangen des Ladestroms von der Ladeeinheit und zum Messen der Akkutemperatur. Der Strom der Ladeeinheit wird intermittierend unterbrochen, und während der Unterbrechung wird den Anschlüssen des Akkupacks eine konstante Spannung zugeführt, um die Spannung an einem in der Nähe des Akkus angeordneten Thermistors zu erfassen und den Ladestrom vom normalen Lademodus auf Erhaltungslademodus umzuschalten, wenn die Thermistorspannung eine Temperatur angibt, die einem voll aufgeladenen Akkupack entspricht.

In der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 4.775.827 wird ein Stromversorgungssystem beschrieben, in dem die Stromversorgungseinheit einen Gleichstromumrichter umfasst, der die gleichgerichtete Netzspannung in eine niedrige Gleichspannung umwandelt, mit der der Akku des Geräts geladen wird. Um eine größere Gestaltungsfreiheit zu bekommen, geht der Trend zur Schaffung einer physikalischen Trennung zwischen der Stromversorgungseinheit und dem Gerät, wobei die Stromversorgungseinheit als Adapter ausgeführt wird, der in eine Netzsteckdose gesteckt werden kann, und das aufladbare Gerät über ein Kabel mit dem Adapter verbunden wird. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die Stromversorgungseinheit den Akku des Geräts schnell aufladen kann. Dabei bestehtjedoch die Gefahr, dass der Akku überladen und beschädigt wird. Um dies zu verhindern, sollte das Gerät der Stromversorgung auf die eine oder andere Weise mitteilen können, dass der Akku voll ist und der Ladevorgang gestoppt werden sollte oder mit einem sicheren kleinen Ladestrom fortgesetzt werden sollte, der auch als Erhaltungsladestrom bezeichnet wird. Die Möglichkeit zur Mitteilung erfordert einen Kommunikationskanal zwischen dem Gerät und der Stromversorgungseinheit. Dieser Kommunikationskanal macht zusätzliche Adern in dem Anschlusskabel erforderlich.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein einfaches Stromversorgungssystem zu schaffen, das sowohl eine Stromversorgung als auch eine Kommunikation ermöglicht. Zu diesem Zweck ist das in der Einleitung beschriebene Stromversorgungssystem dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit ein Schaltnetzteil umfasst, das während der Pausen gestoppt wird, und dass das Gerät Mittel zum Erkennen der Pausen in der Stromzuführung umfasst.

Die Kommunikation zwischen dem Gerät und der Stromversorgungseinheit findet während der eingefügten Pausen statt, während der die Stromversorgungseinheit keinen Strom an das Gerät liefert. In diesen Pausen sendet das Gerät der Stromversorgungseinheit ein Statussignal, dessen Wert, Form oder Inhalt den Ladezustand des Akkus angibt. Auf diese Weise kann die Stromversorgungseinheit den Ladestrom an den Ladezustand des Akkus anpassen. Da die Stromversorgung und die Kommunikation zeitlich getrennt stattfinden, können beide über die gleichen Adern des Anschlusskabels erfolgen. Aus diesem Grunde benötigt dieses Kabel nur zwei Adern, was den Vorteil hat, dass ein solches Kabel flexibler und preisgünstiger ist als ein dreiadriges oder mehradriges Kabel, wobei gleichzeitig eine breitere Vielfalt an zweiadrigen Stecker/Buchse-Kombinationen auf Seiten des Geräts zur Verfügung steht.

Das Schaltnetzteil in der Stromversorgungseinheit kann von jedem geeigneten Typ sein. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil einen Sperrwandler mit einem Transformator umfasst, dessen Sekundärwicklung über eine Gleichrichterdiode mit mindestens dem wiederaufladbaren Akku verbunden werden kann. Die Sperrwandler-Konfiguration eignet sich für die relativ geringe Leistung, die vom Netz gezogen wird. Der Transformator sorgt für die Anpassung zwischen der relativ hohen Netzspannung und der relativ geringen Akkuspannung und macht eine sichere galvanische Trennung zwischen dem Gerät und der Netzspannung möglich. Das Gerät braucht dann nicht mehr die strengen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, so dass man eine größere Gestaltungsfreiheit erhält. Darüber hinaus wird es damit möglich, wenn die Gesetzgebung dies aus Umweltschutzgründen vorschreibt, die wiederaufladbaren Akkus sicher zu entfernen, ohne in Berührung mit netzspannungsführenden Teilen zu geraten.

Für die Erzeugung des Statussignals ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät einen elektronischen Schalter zum Kurzschließen der Gleichrichterdiode während der Pausen umfasst, um über das Statussignal einen Impuls zu erzeugen. Während der Pausen läuft das Schaltnetzteil in der Stromversorgungseinheit im Leerlauf. Wenn nun während einer derartigen Pause die Gleichrichterdiode im Sekundärkreis durch den elektronischen Schalter kurzgeschlossen wird, wird die Akkuspannung der Sekundärwicklung zugeführt. Der Transförmator überträgt den Spannungsimpuls an die Primärwicklung oder an eine Zusatzwicklung, wo er durch die Erkennungsmittel in der Stromversorgungseinheit erkannt wird. Die Kommunikation zwischen dem Gerät und der Stromversorgungseinheit erfolgt somit, indem während der Pausen ein Impuls an die Stromversorgungseinheit gesendet wird oder nicht. Bei Empfang eines Impulses schaltet die Stromversorgungseinheit die Stromstärke des mittleren Stroms auf einen anderen Wert um. Wenn während einer Pause kein Impuls empfangen wird, fährt die Stromversorgungseinheit mit der Zuführung des gleichen Stroms fort. Durch das Umschalten zwischen zwei Stromstärken ist es möglich, einen mittleren Strom zum Aufladen des Akkus zu erhalten.

Hinsichtlich der Reaktion auf das Statussignal ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler angepasst ist, um nach der Erkennung des Impulses einen relativ kleinen Strom zu liefern und bei Abwesenheit des Impulses einen relativ großen Strom zu liefern. Wenn der Akku vollständig entladen ist, kann das Gerät keinen Impuls erzeugen. Während der Pausen erkennt die Stromversorgungseinheit daher keine Impulse. Wenn in dieser Situation die Zuführung eines relativ hohen Ladestroms beschlossen wird, wird erreicht, dass beim Starten des Stromversorgungssystems ein leerer Akkus schnell geladen wird.

Um einen zu großen Ladestrom auszuschließen, ist eine Ausführungsform des Stromversorgungssystems dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät Mittel zum Messen eines mittleren Stroms zum Akku und Mittel zum Aktivieren des elektronischen Schalters, wenn der mittlere Wert einen Schwellwert überschreitet, umfasst. Sobald der mittlere Ladestrom zu groß wird, aktiviert das Gerät während der nächsten Pause den elektronischen Schalter, und der Stromversorgungseinheit wird ein Impuls zugeführt, der zur Folge hat, dass die Stromversorgungseinheit in dem Intervall zwischen der aktuellen Pause und der nächsten Pause auf einen kleineren Strom umschaltet. Wenn der mittlere Strom nach diesem Intervall noch immer zu groß ist, wird in der Pause nach diesem Intervall wieder ein Impuls gesendet. Dies wird fortgesetzt, bis der mittlere Wert kleiner als der Schwellwert geworden ist, und anschließend wird das Senden der Impulse gestoppt. Die Stromversorgungseinheit schaltet dann auf einen größeren Ladestrom zurück.

Um ein Überladen des Akkus zu verhindern, ist eine Ausführungsform des Stromversorgungssystems dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät Mittel zum Messen eines Ladezustands des Akkus und Mittel zum Aktivieren des elektronischen Schalters bei Erreichen eines vorgegebener Werts des Ladezustands umfasst. Sobald der Akku vollständig geladen ist, muss der Ladevorgang beendet oder mit einer sicheren kleinen Stromstärke fortgesetzt werden. Die Mittel zum Messen des Ladezustands können als ein einfaches Akkuspannungsmessgerät oder als ein komplexes Akku-Management-System ausgeführt sein, wie unter anderem aus der zuvor genannten US-amerikanischen Patentverbindung Nr. 4.775.827 bekannt. Wenn der Akku vollständig geladen ist, wird während jeder Pause der elektronische Schalter aktiviert und ein Impuls an die Stromversorgungseinheit gesendet, die auf diese Weise immer gezwungen ist, nach jeder Pause den relativ kleinen Strom an den Akku zu liefern. Der relativ kleine Strom reicht vorzugsweise für eine Erhaltungsladung des Akkus aus, während der relativ große Strom vorzugsweise für das schnelle Aufladen des Akkus ausreicht.

Das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem ist für eine Vielzahl von Geräten mit wiederaufladbaren Akkus geeignet, die ausgehend von der Netzspannung geladen werden. Das Stromversorgungssystem eignet sich vor allem für wiederaufladbare Rasierer. Eine große Anzahl elektronischer Bauelemente, die sonst im Rasierergehäuse untergebracht werden müssen, kann jetzt zum Adapter verlagert werden, wobei das übliche zweiadrige Kabel beibehalten werden kann.

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems;

2 einen funktionellen Schaltplan einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems mit einer Stromversorgungseinheit und einem Gerät mit wiederaufladbarem Akku;

3 ein Signalformdiagramm mit Signalen, die in der Ausführungsform aus 2 auftreten;

4 einen elektrischen Schaltplan der Stromversorgungseinheit des Stromversorgungssystems aus 2;

5 ein Signalformdiagramm mit Signalen, die in der Stromversorgungseinheit aus 4 auftreten;

6 einen elektrischen Schaltplan des Geräts mit einem wiederaufladbaren Akku aus dem Stromversorgungssystem aus 2; und

7 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems, bei dem das Gerät mit wiederaufladbaren Akkus ein Rasierer ist.

In 1 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems dargestellt. Das Stromversorgungssystem umfasst eine Stromversorgungseinheit PSU (Power Supply Unit), die ein Schaltnetzteil DCC, auch als Gleichstromumrichter bezeichnet, und ein Gerät SVR enthält, bei dem es sich in diesem Beispielfall um einen wiederaufladbaren Rasierer handelt. Im Folgenden wird das Gerät SVR als „Rasierer" bezeichnet, jedoch wird deutlich sein, dass es sich hierbei auch um jedes andere Gerät mit wiederaufladbaren Akkus handeln kann. Der Rasierer SVR umfasst einen wiederaufladbaren Akku B, zum Beispiel einen NiCd-Akku (Nickel-Cadmium) oder einen NiMH-Akku (Nickel-Metallhydrid), der je nach erforderlicher Kapazität und Spannung aus einer oder mehreren Zellen in Reihe und/oder parallel bestehen kann. Der Rasierer SVR enthält unter anderem einen Motor M, der über einen Ein/Aus-Schalter SW mit dem Akku B verbunden ist. Die Stromversorgungseinheit PSU und der Rasierer SVR können mit einem zweiadrigen Kabel CRD miteinander verbunden werden, um den Akku B des Rasierers SVR mit Hilfe der Stromversorgungseinheit PSU zu laden, die zu diesem Zweck in eine Wandsteckdose des Wechselstromnetzes gesteckt wird. Ein zweiadriges Kabel ist kostengünstig, flexibel und bietet eine breite Auswahl an zweiadrigen Stecker/Buchse-Kombinationen auf Seiten des Rasierers. Während des Aufladens des Akkus B fließt ein Ladestrom durch das Kabel CRD von der Stromversorgungseinheit PSU zum Rasierer SVR. Das Aufladen des Akkus B muss beendet werden, wenn der Akku B vollständig geladen ist, um ein Überladen zu verhindern. Gleichzeitig muss während des Ladevorgangs die Größe des Ladestroms auf die eine oder andere Weise geregelt werden. Da die Stromversorgungseinheit PSU und der Akku B durch ein zweiadriges Kabel physikalisch voneinander getrennt sind, sollten die gleichen beiden Adern auf die eine oder andere Weise die Kommunikation vom Rasierer SVR zur Stromversorgungseinheit PSU erlauben, um Informationen über den Ladezustand des Akkus B und die Größe des Ladestroms zu erhalten. Erfindungsgemäß wurde ein Kommunikationsprotokoll geschaffen, wobei die Kommunikation vom Rasierer SVR zur Stromversorgungseinheit PSU mit der Zuführung des Ladestroms von der Stromversorgungseinheit PSU zum Rasierer SVR zeitmultiplexiert ist. Gemäß diesem Protokoll wird der Akku einige Zeit geladen; anschließend wird die Übertragung der Energie während einer Pause für einige Zeit unterbrochen. Während dieser Pause findet die Kommunikation statt, und anschließend wird die Energieübertragung bis zur nächsten Pause fortgesetzt. Die Pausen folgen in einem festen Muster aufeinander, während die Stromversorgungseinheit PSU in den Intervallen zwischen den Pausen einen Ladestrom liefert, dessen Größe von einem Statussignal abhängt, welches während der Pausen von dem Rasierer SVR an die Stromversorgungseinheit PSU übertragen wird. In Bezug auf dieses Protokoll umfasst das Schaltnetzteil DCC, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben, Mittel zum Stoppen des Schaltnetzteils während der Pausen, in denen kein Strom an den Rasierer SVR geliefert wird. Außerdem umfasst der Rasierer SVR Mittel zum Erkennen der Pausen in der Stromzuführung und Mittel, um während der Pausen ein Statussignal an die Stromversorgung PSU zu senden. Die Stromversorgungseinheit PSU umfasst weiterhin Mittel zum Erkennen des Statussignals während der Pausen und Mittel zum Ändern der Stromstärke des Ladestroms in Reaktion auf das Statussignal.

Das Schaltnetzteil DCC kann von jedem gewünschten Typ sein, zum Beispiel ein Flusswandler (Tiefsetzsteller), ein Sperrwandler (Tief-Hochsetzsteller) oder Ähnliches. Wenn die Stromversorgungseinheit PSU einen Transformator umfasst, gilt der Rasierer SVR nicht mehr als ein netzbetriebenes Gerät und sind die Zulassungs- und Sicherheitsanforderungen an den Rasierer SVR weniger streng oder nicht vorhanden. Dadurch erhält man eine größere Gestaltungsfreiheit in Bezug auf den Rasierer SVR. Darüber hinaus bietet der Transformator die Möglichkeit, auf einfache Weise die Forderung zu erfüllen, dass die wiederaufladbaren Akkus auf einfache und sichere Weise aus dem Rasierer SVR herausgenommen werden können müssen. Um diese Forderung zu erfüllen, wurde ein Sperrwandler mit einem Transformator als Schaltnetzteil DCC gewählt. Der funktionelle Schaltplan für diesen Sperrwandler ist in 2 dargestellt, wobei die allgemeine Funktion des auf einem Sperrwandler mit Transformator beruhenden Stromversorgungssystems unter Bezugnahme auf diese Figur erläutert wird.

Die Stromversorgungseinheit PSU in 2 umfasst einen Netzspannungsgleichrichter D1 und einen Glättungsfilter C1, L1, C2. Über den Kondensator C2 steht eine Gleichspannung zur Verfügung, die vom Sperrwandler in eine niedrige Gleichspannung zum Aufladen des Akkus B in dem Rasierer SVR umgesetzt wird. Der Sperrwandler umfasst einen Transformator TR mit einer Primärwicklung Lp, die über einen Schalttransistor parallel zur Gleichspannung am Kondensator C2 geschaltet ist. Der Schalttransistor ist in einer integrierten Schaltung (IC) ICA vom Typ TEA 1400 von Philips Electronics eines Schaltnetzteils (Switched-mode Power Supply, SMPS) enthalten. Der Transformator TR hat eine erste Sekundärwicklung Ls1, deren Anschlüsse PSA und PSB über das zweiadrige Kabel (in 2 nicht abgebildet) mit den entsprechenden Anschlüssen SVA und SVB des Rasierers SVR verbunden werden können. Der Transformator TR hat eine zweite Sekundärwicklung Ls2, die magnetisch gut mit der ersten Sekundärwicklung Ls1 gekoppelt ist, so dass die Spannungen an den Sekundärwicklungen Ls1 und Ls2 einander auf zufriedenstellende Weise folgen. Die zweite Sekundärwicklung Ls2 hat zum Zweck: (a) eine Betriebsspannung für das SMPS-IC ICA zu erzeugen; hierfür wurden die Gleichrichterdiode D4 und der Glättungskondensator C3 vorgesehen; (b) am Anschluss VAT des SMPS-ICs ICA eine Angabe zur Spannungsschwankung an der Sekundärwicklung Ls2 zu erzeugen; und (c) einem Statusdetektor STD ein Statussignal STS für die Kommunikation zwischen dem Rasierer SVR und der Stromversorgungseinheit PSU zu liefern. Das SMPS-IC ICA hat einen Eingang zum Empfangen eines Enable-Signals EN, mit dem der Sperrwandler gestoppt werden kann. Wenn das Enable-Signal niedrig ist, arbeitet der Sperrwandler nicht und der Akku B wird nicht geladen. Wenn das Signal EN hoch ist, arbeitet der Sperrwandler und der Akku wird mit einem Strom geladen, dessen mittlerer Wert durch den Entwurf des Sperrwandlers bestimmt wird. Ein Enable-Signal EN mit einem relativ hohen Tastverhältnis, d. h. ein Signal, das relativ häufig hoch ist, führt zu einem Ladestrom mit einem relativ großen mittleren Wert, mit dem der Akku schnell geladen werden kann (Schnellladung). Ein Enable-Signal mit einem relativ kleinen Tastverhältnis, d. h. ein Signal, das relativ oft niedrig ist, führt zu einem Ladestrom mit einem relativ kleinen mittleren Wert; mit dem der Akku langsam geladen werden kann (Erhaltungsladen). Die Funktion eines Sperrwandlers wird als bekannt vorausgesetzt, und für weitere Einzelheiten über die Funktion des SMPS-ICs TEA 1400 wird auf die relevante Dokumentation von Philips Electronics verwiesen.

Der Rasierer SVR umfasst den Akku B, der über einen Strommesswiderstand R2 und eine Gleichrichterdiode D5 mit der Sekundärwicklung Ls1 über die Anschlüsse SVA und SVB verbunden ist. Der Knotenpunkt zwischen der Diode D5 und dem Widerstand R2 ist mit der Rasierer-Masse verbunden. Diese Rasierer-Masse ist galvanisch von der Masse der Stromversorgungseinheit PSU getrennt. Der Strom Is durch den Akku B wird mit einem Komparator CMP gemessen, der die Spannung an dem Widerstand R2 integriert und mit einer Referenzspannung von einer Referenzspannungsquelle REF vergleicht. Das Ergebnis des Vergleichs wird einer Steuereinheit CTL zugeführt. Mit Hilfe eines Statussignals STS schaltet die Steuereinheit CTL vorübergehend einen Schalttransistor T ein, wenn der mittlere Wert des Ladestroms Is zu groß ist oder wenn der Akku B voll-ständig geladen ist. Dieses Kurzschließen ist jedoch nur während der Pausen in dem Ladestrom Is zulässig. Zu diesem Zweck wurde ein Kein-Strom-Detektor NCD vorgesehen, der die Spannung am Anschluss SVB überwacht und der Steuereinheit CTL meldet, wenn der Sperrwandler sich im Leerlauf befindet. Die Spannung am Anschluss SVN pulsiert, wenn der Sperrwandler in Funktion ist, und sie ist konstant, wenn sich der Sperrwandler im Leerlauf befindet. Das vorübergehende Kurzschließen der Diode D5 hat zur Folge, dass die Batteriespannung vorübergehend an der ersten Sekundärwicklung Ls1 auftritt. Der Spannungsimpuls an der ersten Sekundärwicklung Ls1 infolge des Kurzschließens der Diode D5 wird an die zweite Sekundärwicklung übertragen und kann dort durch den Statusdetektor STD erkannt werden.

In 3 ist ein Signalformdiagramm von einigen Signalen dargestellt, die in dem Stromversorgungssystem aus 2 auftreten. Entlang der Zeitachse sind Pausen aufgetragen, die eine Länge t0 von 100 &mgr;s haben, während der sich der Sperrwandler im Leerlauf befindet. Die Intervalle zwischen den Pausen haben eine Länge t1 von 900 &mgr;s, während der der Sperrwandler arbeiten kann. Die Werte der Länge a der Pausen und der Länge t1 der Zwischenintervalle können selbstverständlich auch anders gewählt werden; dies hängt unter anderem von der Periode einer Schwingung des Sperrwandlers ab. Wie lange der Sperrwandler während eines Intervalls t1 funktioniert, oder – mit anderen Worten – wie viele Schwingungsperioden des Sperrwandlers im Intervall t1 zugelassen werden, wird durch das Enable-Signal EN vorgegeben, das in der Kurve IV dargestellt ist. Die Kurve V zeigt den Sekundärstrom Is des Sperrwandlers. Das Enable-Signal EN kann von zweierlei Art sein, d. h. FST (schnelle Ladung), wie in der Kurve I dargestellt, oder SLW (langsame Ladung), wie in der Kurve 1 dargestellt. Welche dieser beiden Arten für das nächste Intervall t1 gewählt wird, hängt von dem Wert, der Form oder dem Inhalt des Statussignals STS ab, das in der vorhergehenden Pause t0 vom Rasierer SVR gesendet wurde. In dem vorliegenden Beispiel wurde ein Enable-Signal EN gewählt, das standardmäßig die Form des Signals FST aufweist, es sei denn, der Statusdetektor STD erkennt während einer Pause einen Spannungsimpuls STS. In diesem Fall wird für das nächste Intervall ein Enable-Signal EN vom Typ SLW gewählt.

Wenn das Enable-Signal EN vom Typ FST ist, passt eine relativ große Anzahl von Schwingungsperioden des Sperrwandlers in das Intervall t1. Der Übersichtlichkeit halber sind in der Kurve V nur sieben Perioden dargestellt, jedoch kann diese Anzahl in Wirklichkeit wesentlich größer sein. Der mittlere Strom, der dem Akku B zugeführt wird, ist dann groß. Wenn in den Pausen keine Spannungsimpulse gesendet werden, wird der Sperrwandler nach jeder Pause mit Intervallen fortfahren, in die relativ viele Schwingungsperioden passen. Der mittlere Wert des Ladestroms, gemessen über eine Vielzahl von Intervallen t1 und Pausen t0, ist aufgrund der vorübergehenden Unterbrechungen während der Pausen, die zehn Prozent der Gesamtzeit einnehmen, etwa zehn Prozent kleiner als der maximale Strom. Der mittlere Wert des Ladestroms kann auf eine solche Weise angepasst werden, dass der Akku B mit einem Schnellladestrom von zum Beispiel 1,2 A geladen wird.

Wenn während einer Pause ein Spannungsimpuls STS erkannt wird, wird in dem nächsten Intervall ein Enable-Signal EN vom Typ SLW gewählt. In die relativ kurze Zeit, die das Enable-Signal EN hoch ist, passen nur wenige Schwingungsperioden des Sperrwandlers. Die Kurve V zeigt eine einzelne Schwingungsperiode, jedoch ist auch eine größere Anzahl möglich. Der mittlere Ladestrom ist während dieses Intervalls wesentlich kleiner. Würde in jeder Pause ein Spannungsimpuls STS erkannt, würde dieser kleine mittlere Ladestrom in jedem nachfolgenden Intervall zugeführt. Der mittlere Wert des Ladestroms, gemessen über eine Vielzahl von Intervallen t1 und Pausen t0, kann auf eine solche Weise angepasst werden, dass der Akku B mit einem Erhaltungsladestrom von zum Beispiel 25 mA geladen wird.

Die Werte für den Schnellladestrom und den Erhaltungsladestrom sind lediglich Beispielwerte und sind in der Praxis abhängig von der Kapazität und der Art des Akkus. Es ist auch möglich, den maximalen Ladestrom des Sperrwandlers zu überdimensionieren, um das Stromversorgungssystem für verschiedene Akkutypen geeignet zu machen. Der integrierende Komparator CMP überwacht den mittleren Ladestrom durch Vergleichen der Spannung am Widerstand R2 mit einer Referenzspannung. Durch Variieren der Verstärkung des Komparators oder durch Variieren der Referenzspannung kann der mittlere Ladestrom justiert werden. Wenn der mittlere Ladestrom überschritten wird, führt die Steuereinheit CTL der Gate-Elektrode des Transistors T während der nächsten Pause ein Statussignal STS zu, was zur Folge hat, dass der Stromversorgungseinheit PSU ein Spannungsimpuls gesendet wird. In dem nachfolgenden Intervall liefert der Sperrwandler einen kleinen Ladestrom. Der mittlere Ladestrom kann jetzt geregelt werden, indem zwischen dem großen Ladestrom (Schnellladung) und dem kleinen Ladestrom (Erhaltungsladung) umgeschaltet wird.

Die volle Aufladung des Akkus B wird durch die Akku-Management-Einheit BMU signalisiert. Die Steuereinheit CTL wird jetzt in jeder Pause einen Impuls an die Stromversorgungseinheit senden, so dass mit einem kleinen Erhaltungsladestrom geladen wird. In dem einfachsten Fall ist die Akku-Management-Einheit BMU ein Komparator, der die Akkuspannung mit einer Referenzspannung vergleicht. Komplexere Systeme auf der Basis von Strommessung, Zeitmessung, Ladungsmessung, mit oder ohne Temperatur- und Alterungskorrektur, und dergleichen sind jedoch ebenfalls möglich, um den Ladezustand des Akkus B zu überwachen.

Da das Enable-Signal standardmäßig vom Typ FST ist, wird ein leerer Akku B schnell geladen werden. Wäre SLW der Standardtyp, müsste der Rasierer mit Hilfe von Impulsen angeben, dass auf Schnellladen umgeschaltet werden muss. Das Zuführen von Impulsen ist jedoch nicht möglich, solange der Akku B leer ist. Das System würde daher bei leerem Akkus sehr lange im Erhaltungsladungsmodus bleiben, so dass die gewünschte Ladedauer überschritten wird. Diese Situation wird also mit einem Standard-Enable-Signal vom Typ FST verhindert.

Die abfallende Flanke des Signals SLW fällt mit dem Ende eines Intervalls t1 und mit dem Anfang einer Pause t0 zusammen. Für den Betrieb des Stromversorgungssystems ist es jedoch nicht relevant, wo sich die abfallende Flanke in dem Intervall t1 befindet, solange die Impulse des Signals SLW nicht während der Pausen auftreten.

In 4 ist der Schaltplan der Stromversorgungseinheit PSU aus 2 dargestellt. Die mit R1, D1, C1, L1, C2, D2, D3, Tr, Lp, Ls1, Ls2 und ICA bezeichneten Komponenten haben die gleiche Bedeutung oder Funktion wie die entsprechend bezeichneten Komponenten in 2. Die Spannung an der zweiten Sekundärwicklung Ls2 wird mit einer Gleichrichterdiode D5 und einem Glättungskondensator C4 gleichgerichtet, wobei der Knotenpunkt zwischen der Kathode der Diode D5 und dem Kondensator C4 als Signahnasse fungiert. Von der gleichgerichteten Netzspannung an Anschluss Vin des SMPS-ICs ICA wird eine interne Versorgungsspannung abgeleitet, die an einem Anschluss VIC des SMPS-ICs ICA zur Verfügung steht und mit einem Kondensator C3 gepuffert wird. Der Anschluss VAC1 des SMPS-ICs ICA ist mit dem Kondensator C4 verbunden. Wenn die Spannung am Kondensator C4 während des Betriebs des Sperrwandlers ausreichend hoch ist, wird die interne Versorgungsspannung VIC von der Spannung am Anschluss VAC1 abgeleitet. Von der Spannung am Anschluss VIC wird mit einem Reihenwiderstand R3, einer Zener-Diode D7 und einem Glättungskondensator C8 eine Versorgungsspannung Vdd für die anderen Schaltungen der Stromversorgungseinheit PSU abgeleitet. Die Drain-Elektrode DRN des internen Schalttransistors des SMPS-ICs ICA ist mit der Primärwicklung Lp verbunden und seine Source-Elektrode SRC ist mit Erde verbunden. Der Strom durch den Schalttransistor wird durch einen Messwiderstand R4 zwischen den Messanschlüssen S1 und S2 überwacht.

Die Signale FST und SLW werden mit Hilfe von Invertern eines Hex-Schmitt-Triggers CD40106 erzeugt. Der erste Inverter mit dem Widerstand R5 und dem Kondensator C5 funktioniert als Taktoszillator, dessen Ausgangsspannung von dem zweiten Inverter gepuffert wird. Das Tastverhältnis des Taktsignals beträgt 50%. Die abfallenden Flanken des Taktsignals werden mit einem Kondensator C6 und einem Widerstand R6 differenziert und einem dritten Inverter zugeführt, der hiervon das Signal SLW mit einem Tastverhältnis von ungefähr 2% ableitet. Die abfallenden Flanken des Signals SLW werden mit einem Kondensator C7 und einem Widerstand R7 noch einmal differenziert und einem vierten Inverter zugeführt, der hiervon ein Signal ableitet, welches für 100 &mgr;s hoch ist. Dieses Signal wird mit einem fünften Inverter, der das Signal FST liefert, invertiert. Die Pausen folgen somit unmittelbar auf die abfallenden Flanken des Signals SLW, wie in 3 dargestellt. Dieses Verfahren zur Erzeugung der Signale FST und SLW hat den Vorteil, dass das Tastverhältnis nicht von der Versorgungsspannung Vdd abhängig ist und dass die verwendeten Komponenten nicht viel Strom verbrauchen.

Die Wahl unter den Signalen SLW und FST erfolgt mit Hilfe eines D-Flipflops vom Typ HEF4013 und eines UND-Gatters vom Typ HEF4081. Das D-Flipflop wird durch das Signal SLW rückgesetzt und mit dem Signal STS getaktet, wobei der D-Eingang mit der Versorgungsspannung Vdd verbunden ist und der Setz-Eingang mit Erde verbunden ist. Der Ausgang QN des D-Flipflops und das Signal FST werden dem UND-Gatter zugeführt, das dem SMPS-IC ICA das Enable-Signal EN liefert. In 5 sind die Signalformen der Signale FST, SLW, STS, QN und EN dargestellt.

Das Statussignal wird mit Hilfe der Komponenten um den sechsten Inverter des Hex-Schmitt-Triggers und einem UND-Gatter vom Typ HEF4081 erkannt. Die während der Pausen in dem Rasierer erzeugten Spannungsimpulse erscheinen an der zweiten Sekundärwicklung Ls2 und werden an dem Knotenpunkt zwischen der Sekundärwicklung Ls2 und der Diode D5 gemessen. Die Impulse stehen an einem Widerstand R9 zur Verfügung, der über einen Kondensator C10 mit dem Knotenpunkt verbunden ist. Die Spannung an R9 wird durch die Zener-Dioden D8 und D9 begrenzt. Die Spannungsimpulse an dem Widerstand R9 werden einem ersten Eingang des UND-Gatters zugeführt. Ein zweiter Eingang des UND-Gatters empfängt ein invertiertes FST-Signal, dessen abfallende Flanke durch einen Widerstand R8, eine Diode D6 und einen Kondensator C9 verzögert wird, um unerwünschte Effekte von irgendwelchen zusätzlichen Schwingungszyklen zu unterdrücken, die eventuell auftreten, nachdem das Enable-Signal EN Null geworden ist. Wenn das Signal FST niedrig wird, d. h. zu Beginn einer Pause, wird sich der Kondensator C9 relativ langsam über den Widerstand R8 entladen. Am Ende der Pause geht das Signal FST auf Hoch und wird der Kondensator C9 relativ schnell über die Diode D6 geladen.

In 6 ist der Schaltplan des Rasierers SVR dargestellt. Der Akku B, der einen Motor M über einen Schalter SW versorgt, ist in Reihe mit einem Strommesswiederstand R5 und einer Gleichrichterdiode D4 über die Anschlüsse SVA und SVB mit der ersten Sekundärwicklung Ls1 der Stromversorgung PSU verbunden, wobei der Knotenpunkt zwischen dem Widerstand R5 und der Kathode der Diode D4 die Signalerde des Rasierers SVR bildet. Parallel zu der Diode D4 ist ein NMOS-Transistor T2 geschaltet, dessen Gate-Elektrode durch das Statussignal STS angesteuert wird. Der Kein-Strom-Detektor NCD aus 2 ist als retriggerbarer One-Shot U1A vom Typ HEF4538 ausgeführt, der durch eine abfallende Flanke am Eingang – T getriggert wird. Das Triggersignal wird von der Spannung am Anschluss SVB zwischen der Kathode der Diode D4 und der ersten Sekundärwicklung Ls1 abgeleitet. Diese Spannung pulsiert, wenn der Sperrwandler in Funktion ist, und entspricht der Spannung des Akkus B, wenn der Sperrwandler im Leerlauf ist. Die pulsierende Spannung wird durch einen Reihenwiderstand R1, eine Zener-Diode D2 und einen Kondensator C1 parallel zu der Zener-Diode D2 begrenzt. Die Spannung an der Parallelanordnung der Zener-Diode D2 und des Kondensators C1 wird durch einen NPN-Transistor T1 gepuffert, dessen Kollektor über eine Diode D1 mit dem Anschluss SVB verbunden ist, dessen Basis mit der Zener-Diode D2 verbunden ist und dessen Emitter mit einem Pufferkondensator C2 verbunden ist. Die Spannung am Kondensator C2 fungiert als lokale Versorgungsspannung Vdd des Rasierers SVR. Bei einer abfallenden Flanke geht der Ausgang Q des One-Shot U1A auf Hoch und der Ausgang QN auf Niedrig, und zwar für eine Zeitdauer T (ca. 80 &mgr;s), die durch den Widerstand R2 und den Kondensator C3 bestimmt wird, die mit den Eingängen RC und CX des One-Shot verbunden sind.

Der mittlere Ladestrom wird mit einem integrierenden Verstärker U2A und einen Komparator U2B, beide vom Typ TLC252, überwacht. Die Spannung am Strommesswiderstand RS wird mit einem Tiefpassfilter R6/C6 gefiltert und durch den Verstärker U2A verstärkt, wobei der Verstärkungsfaktor mit einem Rückkopplungswiderstand R14 auf einen Wert eingestellt werden kann, der dem Akkutyp angepasst ist. Der Komparator U2B vergleicht die Ausgangsspannung des Verstärkers U2A mit einer Referenzspannung, welche durch eine Zener-Diode D5 erzeugt wurde, die über einen Widerstand R9 einen Vorstrom von der Spannungsversorgung Vdd erhält. Der Ausgang des Komparators ist hoch, wenn die zugeführte Spannung höher ist als die Referenzspannung. In diesem Fall wird der Rücksetz-Eingang R eines zweiten retriggerbaren One-Shot U1B vom Typ HEF4538 über eine Schottky-Diode D7 auf Hoch gezogen. Die Akkuspannung des Akkus B wird durch die Akku-Management-Einheit BMU überwacht, die einen vollständig geladenen Akku mit einem niedrigen Signal signalisiert, das durch einen NMOS-Transistor T3 und einen Widerstand R1 1 in Reihe mit der Drain-Elektrode des Transistors T3 invertiert wird. Das Signal an der Drain-Elektrode des Transistors T3 wird über eine Schottky-Diode D6 auch dem Rücksetz-Eingang des One-Shot U1B zugeführt. Der Ausgang Q des One-Shot U1B steuert die Gate-Elektrode des Transistors T2 an, wodurch die Diode D4 vorübergehend in den Pausen kurzgeschlossen wird, wenn der Stromversorgungseinheit ein Spannungsimpuls zugeführt werden soll. Die Dauer des Spannungsimpulses wird durch einen Widerstand R3 und einen Kondensator C4 bestimmt, die mit den Anschlüssen RC und CX des One-Shot U1B verbunden sind. Es wird nur dann ein Spannungsimpuls erzeugt, wenn der Rücksetz-Eingang R des One-Shot U1B hoch ist, d. h. wenn der mittlere Strom zu groß ist oder wenn der Akku vollständig geladen ist.

In 7 ist der Rasierer SVR aus 1 mit dem Motor M dargestellt, der die Scherköpfe SH ansteuert. Der Motor M wird mit dem Schalter SW gestartet, der den Motor M mit dem wiederaufladbaren Akku B verbindet, die zusammen mit den übrigen elektronischen Bauteilen, zum Beispiel denen der Schaltung aus 6, auf einer Leiterplatte PCB im Rasierer SVR untergebracht sind. 7 zeigt außerdem die Stromversorgungseinheit PSU aus 2, die mit einem integrierten Netzstecker PLG und dem zweiadrigen Anschlusskabel CRD versehen ist, dessen Ausgang OTL mit einem Eingang (nicht abgebildet) des Rasierers SVR verbunden werden kann.


Anspruch[de]
  1. Stromversorgungssystem, das Folgendes umfasst: ein Gerät (SVR) mit einem wiederaufladbaren Akku (B) und eine Stromversorgungseinheit (PSU), die mit dem Gerät (SVR) gekoppelt werden kann, um das Gerät (SVR) mit Strom zu versorgen, wobei die Stromversorgungseinheit (PSU) Mittel (ICA, EN) enthält, um die Stromversorgungseinheit (PSU) während Pausen zu stoppen, in denen dem Gerät (SVR) kein Strom zugeführt wird; wobei das Gerät (SVR) Mittel (T, CTL) umfasst, um während der Pausen ein Statussignal (STS) an die Stromversorgungseinheit (PSU) zu übertragen; und wobei die Stromversorgungseinheit (PSU) Mittel (STD) umfasst, um das Statussignal (STS) während der Pausen zu erkennen, und Mittel (ICA), um die Stromstärke in Reaktion auf das Statussignal zu ändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit (PSU) ein Schaltnetzteil (DCC) umfasst, das während der Pausen gestoppt wird, und dass das Gerät (SVR) Mittel (NCD) zum Erkennen der Pausen in der Stromzuführung umfasst.
  2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil einen Sperrwandler (ICA) mit einem Transformator (TR) umfasst, dessen Sekundärwicklung (Ls1) über eine Gleichrichterdiode (D5) mit mindestens dem wiederaufladbaren Akku (B) verbunden werden kann.
  3. Stromversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (SVR) einen elektronischen Schalter (T) zum Kurzschließen der Gleichrichterdiode (D5) während der Pausen umfasst, um über das Statussignal einen Impuls zu erzeugen.
  4. Stromversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler angepasst ist, um nach der Erkennung des Impulses einen relativ kleinen Strom (SLW) zu liefern und bei Abwesenheit des Impulses einen relativ großen Strom (FST) zu liefern.
  5. Stromversorgungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (SVR) Mittel (CMP, REF) zum Messen eines mittleren Stroms zum Akku (B) und Mittel (CTL) zum Aktivieren des elektronischen Schalters (T), wenn der mittlere Wert einen Schwellwert überschreitet, umfasst.
  6. Stromversorgungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (SVR) Mittel (BMU) zum Messen eines Ladezustands des Akkus (B) und Mittel (CTL) zum Aktivieren des elektronischen Schalters (T) bei Erreichen eines vorgegebener Werts des Ladezustands umfasst.
  7. Stromversorgungssystem nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der relativ kleine Strom zur Erhaltungsladung des Akkus (B) geeignet ist.
  8. Elektrorasierer (SVR), der Folgendes umfasst: einen wiederaufladbaren Akku (B), einen Elektromotor (M), einen Schalter (SW) zum Verbinden des Motors (M) mit dem Akku (B), und ein Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, um den Akku (B) zu laden und/oder zumindest den Motor (M) mit Strom zu versorgen.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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