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Dokumentenidentifikation DE102005061830B3 28.06.2007
Titel Backup Schaltung mit Ladungsspeicher
Anmelder Siemens AG Österreich, Wien, AT
Erfinder Hoerist, Gerald, Wien, AT;
Hofmüller, Wilfried, Stockerau, AT
Vertreter Berg, P., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80339 München
DE-Anmeldedatum 23.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005061830
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.06.2007
IPC-Hauptklasse H02J 9/06(2006.01)A, F, I, 20051223, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02J 1/00(2006.01)A, L, I, 20051223, B, H, DE   H02J 15/00(2006.01)A, L, I, 20051223, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Backup-Schaltung, wenigstens einen Ladungsspeicher (5, 7) umfassend, der mit einem ersten Anschluss in ein Bezugspotenzial angeschlossen ist und mit einem zweiten Anschluss an einen Verbindungspunkt (4) zwischen einer Stromversorgung (1) und einer Verbrauchereinheit (2) angeschaltet ist, wobei zwischen der Stromversorgung (1) und dem Verbindungspunkt (4) ein Transistor (3) vorgesehen ist und dass Basis und Emitter des Transistors (3) miteinander verbunden sind. Der Transistor (3) minimiert dabei in einer Backup-Phase einen Leckstrom in Richtung Stromversorgung (1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Backup-Schaltung, wenigstens einen Ladungsspeicher umfassend, der mit einem ersten Anschluss an ein Bezugspotenzial angeschlossen ist und mit einem zweiten Anschluss an einen Verbindungspunkt zwischen einer Stromversorgung und einer Verbrauchereinheit angeschaltet ist.

Backup-Schaltungen für Verbrauchereinheiten wie elektronische Speicherelemente, Zeitgeber und dergleichen sind allgemein bekannt und dienen als Überbrückungsversorgung bei Abschaltung oder bei Ausfällen der eigentlichen Stromversorgung. Derartige Schaltungen umfassen zumindest einen Ladungsspeicher, der als Batterien oder als Kondensatoren ausgebildet ist. Für Batterien sind solche Schaltungen bekannt, die eine Möglichkeit zur Wiederaufladung vorsehen, und solche, bei welchen nicht aufladbare Batterien zum Einsatz kommen.

Die Ladungsspeicher sind an einen Verbindungspunkt zwischen der Stromversorgung und den zu versorgenden Verbrauchereinheiten angeschaltet. Aufladbare Ladungsspeicher werden in der Regel von der Stromversorgung über Vorwiderstände aufgeladen. Die JP 10257691 A beschreibt beispielsweise eine solche Schaltung, bei der ein Ladungsspeicher über einen Vorwiderstand von einer Stromversorgung oder einer Batterie aufgeladen wird. Fallen die Stromversorgung und die Batterie aus, versorgt der Ladungsspeicher die Verbrauchereinheit über eine parallel zum Vorwiderstand angeordnete Diode.

Ebenso beschreibt die JP 2004159451 A eine Backup-Schaltung mit einem Kondensator als Ladungsspeicher, der über einen Vorwiderstand von einer Stromversorgung aufgeladen wird. Bei abgeschalteter Stromversorgung entlädt sich der Kondensator über eine parallel zum Vorwiderstand angeordnete Diode und versorgt so eine Verbrauchereinheit.

Nicht aufladbare Batterien sind über eine Diode an den Verbindungspunkt angeschaltet, wobei die Anode der Diode mit der Batterie verbunden ist. Der Stromfluss ist damit nur von der Batterie zum Verbindungspunkt möglich. Zwischen Verbindungspunkt und Stromversorgung ist in der Regel eine weitere Diode vorgesehen, die einen Stromfluss in Richtung Stromversorgung verhindert. Der JP10032941 A1 ist eine solche Backup Schaltung zu entnehmen, bei der eine Batterie als Ladungsträger zum Einsatz kommt.

Nach dem Stand der Technik sind auch Backup-Schaltungen bekannt, die sowohl einen Kondensator als auch eine Batterie beinhalten. Die JP 10051978 A1 beschreibt eine solche Schaltung, wobei mittels dreier Dioden verhindert wird, dass Strom aus den Ladungsspeichern zurück zur Stromversorgung fließt.

Diese aus dem Stand der Technik bekannten Backup-Schaltungen sind meist für Verbrauchereinheiten mit sehr geringer Stromaufnahme vorgesehen, so dass in der Regel die Kapazität eines Kondensators ausreicht, um die Verbrauchereinheiten über längere Zeit hinweg zu versorgen. Bei abgeschalteter oder ausgefallener Stromversorgung wird ein Stromfluss vom Ladungsspeicher zurück in die Stromversorgung nach dem Stand der Technik durch eine Diode verhindert. Die Funktion einer Diode kann gemäß Elektor, Heft Nov./Dez. 1970, S. 450, „Transistor als Diode" auch ein Transistor übernehmen, bei welchem Basis und Kollektor verbunden sind. Die Verwendung eines Transistors mit Basis-Kollektor-Verbindung als Diode ist auch aus der DE 196 40 272 C2 bekannt.

Aber auch in Sperrrichtung fließt ein Leckstrom durch die Diode oder einen als Transistor verwendete Diode, wodurch die für die Verbrauchereinheiten zur Verfügung stehende Ladung im Ladungsspeicher reduziert wird. Die Versorgungszeit der Backup Schaltung wird dadurch beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Backup-Schaltung anzugeben.

Erfindungsgemäß geschieht dies durch eine Backup-Schaltung der eingangs genannten Art, wobei zwischen der Stromversorgung und dem Verbindungspunkt ein Transistor vorgesehen ist und wobei Basis und Emitter des Transistors miteinander verbunden sind.

Durch den so geschalteten Transistor wird verhindert, dass sich der Ladungsspeicher in die Stromversorgung entlädt. Der Vorteil dieser Lösung gegenüber einer bekannten Lösung mit einer Diode besteht darin, dass keine Mehrkosten entstehen und der Leckstrom, der in einer Backup-Phase zurück in die Stromversorgung fließt, auf etwa ein Zehntel eines Dioden-Leckstroms reduziert wird. Damit steht im Ladungsspeicher mehr elektrische Energie zur Versorgung einer Verbrauchereinheit zur Verfügung. Das verlängert entweder die Backup-Dauer oder schafft die Möglichkeit, den Ladungsspeicher kleiner zu dimensionieren.

Vorteilhaft ist die Ausbildung des wenigstens einen Ladungsspeichers als Kondensator, wobei vorzugsweise so genannte Supercap-Kondensatoren zum Einsatz kommen. Es handelt sich dabei um zuverlässige Bauteile mit hohen Kapazitäten.

Dabei ist es günstig, wenn dem Kondensator ein Widerstand vorgeschaltet ist. Damit kann in einfacher Weise der Kondensatorstrom begrenzt werden.

Für Verbrauchereinheiten mit höherer Stromaufnahme oder längeren Backupzeiten ist es vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Ladungsspeicher als Batterie ausgebildet ist. Diese sind in der Regel billiger als Kondensatoren mit hohen Kapazitäten.

Auch bei Batterien ist es günstig, diesen einen Widerstand vorzuschalten und so den Strom zu begrenzen.

Für nicht aufladbare Batterien ist es zudem günstig, wenn der Batterie eine Diode vorgeschaltet ist und wenn die Anode der Diode mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist. Damit wird verhindert, dass von der Stromversorgung Strom zur Batterie fließt.

Eine vorteilhafte Ausprägung der Erfindung sieht des Weiteren vor, dass ein Ladungsspeicher als Kondensator und ein Ladungsspeicher als Batterie ausgebildet ist. Dabei können dem Kondensator und der Batterie jeweils ein Widerstand vorgeschaltet und eine nicht aufladbare Batterie mit einer Diode geschützt sein. Eine derartige Schaltung ist für Anwendungen günstig, die in der Regel kurze Ausfallszeiten aufweisen, wobei aber auch lange Ausfalls- oder Abschaltzeiten nicht ausgeschlossen werden können. Während kurzer Ausfallszeiten wird dann die Stromversorgung der Verbrauchereinheiten über den Kondensator abgedeckt, ohne die Batterie zu belasten. Nur bei langen Ausfallszeiten entlädt sich auch die Batterie zur Versorgung der Verbrauchereinheiten. Der Kondensator kann dabei kleiner und somit kostengünstiger als bei einer reinen Kondensator-Lösung dimensioniert werden. Gegenüber der reinen Batterie-Lösung verlängert sich die Lebensdauer der Batterie, da diese nicht durch oftmalige kurze Backup-Zeiten belastet wird.

Eine derartige Schaltung ist aber auch dann vorteilhaft, wenn bei einer Anwendung lange Backup-Zeiten den Einsatz einer leistungsstarken Batterie erforderlich machen und wenn die Versorgung der Verbrauchereinheiten während eines Batteriewechsels mittels Kondensator aufrecht bleiben soll.

Günstig sind solche Backup Schaltungen für Verbrauchereinheiten, die einen Speicher und/oder einen Zeitgeber umfassen, da derartige Bauelemente in der Regel geringe Stromaufnahmen aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

1: Backup Schaltung mit Kondensator

2: Backup Schaltung mit Batterie

3: Backup Schaltung mit Kondensator und Batterie

Die in 1 dargestellte Anordnung umfasst eine Stromversorgung 1, die über einen bipolaren Transistor 3 mit einer Verbrauchereinheit 2 verbunden ist. Der bipolare Transistor 3 ist dabei beispielhaft als NPN-Transistor ausgebildet, wobei der Emitter mit der Stromversorgung 1 und der Kollektor mit der Verbrauchereinheit 2 verbunden ist. Die Basis des NPN-Transistors ist mit dem Emitter verbunden.

Zwischen dem Transistor 3 und der Verbrauchereinheit 2 ist am Verbindungspunkt 4 ein Kondensator 5 mit einem Widerstand 6 angeschaltet. Der vor dem Kondensator 5 angeordnete Widerstand 6 ist dabei optional und dient zur Begrenzung des Kondensatorstromes. Der zweite Anschluss des Kondensators 5 ist mit einem Bezugspotenzial verbunden, an das auch die Stromversorgung 1 und die Verbrauchereinheit 2 angeschaltet sind. Der Kondensator 5 ist beispielsweise ein so genannter Supercap-Kondensator mit hoher Kapazität (z.B. 1Farad).

In einer Einspeisephase ist die Stromversorgung 1 mit beispielsweise 5V eingeschaltet. Diese Spannung liegt an der Basis des Transistors 3 an, sodass dieser leitend wird. Es fließt Strom von der Stromversorgung 1 über den Transistor 3 zur Verbrauchereinheit 2 und über den optionalen Widerstand 6 in den Kondensator 5, der somit aufgeladen wird.

Bei einem Ausfall der Stromversorgung beginnt die Backup-Phase. An der Basis des Transistors 3 liegt keine Spannung mehr an und der Transistor 3 sperrt, sodass bis auf einen minimalen Leckstrom kein Strom vom Kondensator 5 in Richtung Stromversorgung 1 und sonstiger mit der Stromversorgung 1 verbundener Schaltungseinheiten fließen kann. Die Verbrauchereinheit 2 wird vom Kondensator 5 versorgt.

Der Kondensator 5 kann bei dieser Schaltung auch durch eine aufladbare Batterie ersetzt werden. Der Widerstand 6 ist dann so dimensioniert, dass der maximal zulässige Ladestrom der Batterie nicht überschritten wird.

Die in 2 dargestellte Schaltung entspricht im Wesentlichen jener in 1. Anstelle eines NPN-Transistors ist hier ein wirkungsgleicher PNP-Transistor angeordnet und anstelle eines Kondensators ist eine nicht aufladbare Batterie 7 an den Verbindungspunkt 4 angeschaltet. Beim PNP-Transistor ist der Kollektor mit der Stromversorgung 1 und der Emitter mit der Verbrauchereinheit 2 verbunden. Die Basis ist wieder mit dem Emitter verbunden. Zwischen dem Verbindungspunkt 4 und der Batterie 7 ist eine Diode 8 angeordnet, wobei die Anode der Diode 8 mit der Batterie 7 verbunden ist.

Die Stromversorgung 1 versorgt im eingeschalteten Zustand über den leitenden Transistor 3 die Verbrauchereinheit 2. Die Diode 8 verhindert, dass Strom zur Batterie 7 fließt. In einer Backup-Phase sperrt der Transistor 3 und die Batterie 7 versorgt die Verbrauchereinheit 2 in Durchlassrichtung der Diode 8.

In 3 ist eine Schaltung mit einer Batterie 7 und einem Kondensator 5 als Ladungsspeicher dargestellt. Dabei sind beide Ladungsspeicher 5, 7 an Verbindungspunkte 4 zwischen der Stromversorgung 1 und der Verbrauchereinheit 2 angeschaltet. Vor dem Kondensator 5 ist günstigerweise ein Widerstand 6 und vor der Batterie 7 eine Diode 8 angeordnet. Für eine aufladbare Batterie 7 ist statt der Diode 8 ein Widerstand zur Ladestrombegrenzung vorzusehen. Am Ausgang der Stromversorgung 1 ist wieder ein Transistor 3 (beispielhaft als bipolarer NPN-Transistor ausgebildet) angeordnet, der bei abgeschalteter oder ausgefallener Stromversorgung sperrt.

Der Kondensator 5 kann entweder von der Stromversorgung 1 und der Batterie 7 oder nur von der Stromversorgung 1 aufgeladen werden. Im letzteren Fall ist zwischen den beiden Verbindungspunkten 4, an denen die Ladungsspeicher 5 und 7 angeschaltet sind, eine zusätzliche Diode 9 angeordnet, die eine Entladung der Batterie 7 in den Kondensator 8 verhindert.

Als Verbrauchereinheit 2 können ein oder mehrere Bauelemente vorgesehen sein, beispielsweise Speicherelemente (RAM) oder ein Zeitgeber, auch Real Time Clock (RTC) genannt.


Anspruch[de]
Backup-Schaltung, wenigstens einen Ladungsspeicher (5, 7) umfassend, der mit einem ersten Anschluss an ein Bezugspotenzial angeschlossen ist und mit einem zweiten Anschluss an einen Verbindungspunkt (4) zwischen einer Stromversorgung (1) und einer Verbrauchereinheit (2) angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stromversorgung (1) und dem Verbindungspunkt (4) ein Transistor (3) vorgesehen ist und dass Basis und Emitter des Transistors (3) miteinander verbunden sind. Backup-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ladungsspeicher als Kondensator (5) ausgebildet ist. Backup-Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator (5) ein Widerstand (6) vorgeschaltet ist. Backup Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ladungsspeicher als Batterie (7) ausgebildet ist. Backup Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie (7) ein Widerstand (6) vorgeschaltet ist. Backup Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie (10) eine Diode (8) vorgeschaltet ist und dass die Anode der Diode (8) mit dem Pluspol der Batterie (7) verbunden ist. Backup-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladungsspeicher als Kondensator (5) und ein Ladungsspeicher als Batterie (10) ausgebildet ist. Backup Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrauchereinheit (2) einen Speicher und/oder einen Zeitgeber umfasst.






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