DE3908324A1 - Schaltungsanordnung zur batteriepufferung des versorgungsstromes von elektrischen baugruppen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Batterie­ pufferung des Versorgungsstromes von elektrischen Baugruppen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Schaltungs­ anordnungen, die aus der DE-OS 34 16 780 und der DE-PS 34 41 761 bekannt sind, dienen dazu, in Automatisierungsgeräten oder anderen Datenverarbeitungsanlagen enthaltene Speicherbaugruppen im Falle eines Ausfalls der Netzspannung mit Strom zu versorgen und dadurch einen Datenverlust zu verhindern. Es sind zwei Batterien, eine Haupt- und eine Reservebatterie, vorgesehen, von denen nach einem Netzausfall zunächst die Hauptbatterie die Stromversorgung übernimmt. Ist diese erschöpft, wird auf die Reservebatterie umgeschaltet. Zwischen dem Stromversorgungsein­ gang der elektronischen Baugruppe und den beiden Batterien sowie der aus dem Netz gespeisten Stromversorgungseinheit liegt je eine Entkopplungsdiode, so daß jeweils auf den Stromversor­ ger mit der höchsten Spannung umgeschaltet wird. Die der Reser­ vebatterie zugeordnete Entkopplungsdiode der bekannten Schal­ tungen hat eine höhere Durchlaßspannung als die der Hauptbatte­ rie, damit bei Ausfall der Netzspannung zunächst die Haupt­ batterie und dann, wenn deren Spannung um die Differenz der Durchlaßspannungen der Entkopplungsdioden abgefallen ist, die Reservebatterie den Versorgungsstrom liefert. Ein Nachteil einer solchen Schaltung ist, daß die Versorgungsspannung der Baugruppe je nach Spannungsquelle unterschiedlich ist, so daß die Gefahr besteht, daß die Toleranz der Baugruppe für die Ver­ sorgungsspannung nicht eingehalten wird. Die bekannten Schal­ tungsanordnungen enthalten Meldeschaltungen, die bei Erschöp­ fung der Hauptbatterie ein Meldesignal abgeben. Bei Wiederkehr der Netzspannung verschwindet das Meldesignal, so daß dann die Erschöpfung der Hauptbatterie nicht erkannt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angege­ benen Art zu schaffen, die trotz ihrer Einfachheit eine hohe Sicherheit gegen Fehlfunktionen aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

In der neuen Schaltungsanordnung können gleichartige Entkopp­ lungsdioden mit niedriger Durchlaßspannung eingesetzt werden. Zwar fließt der Strom aus der Reservebatterie noch zusätzlich über den Schalter, an dem ein weiterer Spannungsabfall auf­ tritt; dieser kann aber durch Verwendung geeigneter Transisto­ ren, z. B. Feldeffekttransistoren, geringgehalten werden. Die Speicherwirkung des Komparators bewirkt, daß auch nach Wieder­ kehr der Netzspannung oder nach Erholung der Hauptbatterie das Meldesignal aufrechterhalten und die Erschöpfung der Hauptbat­ terie erkannt wird. Beim Austausch der Hauptbatterie entsteht ein Impuls, der vorteilhaft als Rücksetzimpuls für den Kompa­ rator verwendet wird.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbei­ spiels,

Fig. 2 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist mit NT ein Netzteil bezeichnet, das die Netz­ spannung in eine Gleichspannung U 1 umsetzt, mit der über eine erste Entkopplungsdiode V 1 ein Halbleiterspeicher RAM versorgt wird. Zur Sicherung der in dem Speicher RAM enthaltenen Daten im Falle eines Stromausfalles ist eine Hauptbatterie HB 1 vor­ gesehen, die über eine zweite Entkopplungsdiode V 2 ebenfalls mit dem Versorgungsspannungseingang des Halbleiterspeichers RAM verbunden ist. Die Spannung der Hauptbatterie HB 1 ist etwas niedriger als die vom Netzteil NT abgegebene Spannung U 1, damit die Hauptbatterie HB 1 im Normalbetrieb nicht belastet ist. Erst im Falle eines Stromausfalls versorgt sie über die Entkopp­ lungsdiode V 2 den Halbleiterspeicher RAM.

Zur Erhöhung der Sicherheit gegen Datenverlust im Speicher RAM ist eine Reservebatterie RB 1 vorhanden, die im Falle der Er­ schöpfung der Hauptbatterie HB 1 durch Schließen eines Schal­ ters S die Stromversorgung des Speichers RAM übernimmt. Die beiden Batterien HB 1, RB 1 haben gleiche Spannung und stimmen zweckmäßig auch in den übrigen Merkmalen überein, damit nur ein Batterietyp erforderlich ist. Die Entkopplungsdioden V 1, V 2, V 3 sind ebenfalls von einem Typ, vorteilhaft sind es Schottky- Dioden, damit die Spannungsabfälle an ihnen klein sind. Der Schalter S wird von einem Komparator KMP gesteuert, der eine Referenzspannung U _Ref mit der mittels eines Spannungsteilers R 1, R 2 von der Spannung am Versorgungseingang des Speichers RAM abgeleiteten Spannung vergleicht.

Im Normalbetrieb, wenn beide Batterien HB 1, RB 1 ihre Nennspan­ nung abgeben, die Netzspannung vorhanden ist und das Netzteil NT die Spannung U 1 abgibt, wird der Speicher RAM vom Netzteil NT über die Entkopplungsdiode V 1 versorgt. Fällt die Netzspan­ nung aus, fließt der Versorgungsstrom von der Hauptbatterie HB 1 über die Entkopplungsdiode V 2. Dabei entlädt sich die Haupt­ batterie HB 1, bis gegen Ende der Entladezeit ihre Spannung und damit auch die am Abgriff des Spannungsteilers R 1, R 2 absinkt. Unterschreitet diese die Referenzspannung U _Ref, schließt der Komparator KMP den Schalter S, so daß nunmehr die noch frische Reservebatterie RB 1 den Versorgungsstrom für den Speicher RAM liefert. Gleichzeitig steuert der Komparator KMP eine Melde­ schaltung MS an, die über eine Leitung ML 1, die zu einer Zen­ tralen führt, ein Meldesignal abgibt. Der Komparator KMP spei­ chert diesen Schaltzustand, so daß auch dann, wenn die Netz­ spannung wiederkommt, der Schalter S geschlossen bleibt und das Meldesignal weiterhin abgegeben wird. Gleiches gilt für den Fall, daß sich die Hauptbatterie HB 1 erholt und ihre Nennspan­ nung wieder erreicht. Erst wenn die Hauptbatterie ersetzt wird, gibt eine Rücksetzschaltung RS einen Rücksetzimpuls auf den Komparator KMP, der diesen in den Ausgangszustand zurücksetzt, in dem der Schalter S geöffnet ist und das Meldesignal zurück­ genommen wird.

Vor allem, wenn für die beiden Batterien HB 1, RB 1 Lithium-Bat­ terien verwendet werden, die eine definierte Entladekennlinie haben, kann der Spannungsteiler R 1, R 2 und die Referenzspan­ nung U _Ref so eingestellt werden, daß erst dann umgeschaltet wird, wenn die Hauptbatterie HB 1 nahezu leer ist. Die Umschal­ tung arbeitet unterbrechungsfrei, da die Reservebatterie RB 1 zugeschaltet wird und die Hauptbatterie erst dann durch Sperren der Entkopplungsdiode V 2 abgeschaltet wird. Sobald das Netzteil NT wieder die Versorgungsspannung U ₁ liefert, übernimmt dieses wieder die Versorgung des Speichers RAM und der Umschaltein­ richtung mit dem Komparator KMP und dem Spannungsteiler R 1, R 2 sowie der Meldeschaltung MS.

Die Schaltung nach Fig. 2 enthält wie die nach Fig. 1 eine Hauptbatterie HB 2 und eine Reservebatterie RB 2, die über je eine Entkopplungsdiode an den Versorgungseingang einer Halb­ leiterschaltung anschließbar sind, die normalerweise über eine weitere Entkopplungsdiode aus einem Netzteil versorgt wird. In Reihe zur Reservebatterie RB 2 liegt ein Transistorschalter TS 1, der von einem Operationsverstärker OP 2 gesteuert ist. Mit einer Zenerdiode ZD, die über einen Vorwiderstand R 5 an der Span­ nungsquelle liegt, wird eine Referenzspannung erzeugt, die dem invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers OP 1 zugeführt ist. Dessen nichtinvertierender Eingang liegt am Abgriff eines Spannungsteilers R 3, R 4, der zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers OP 1 und Masse geschaltet ist. Diese Rückführung der Ausgangsspannung auf den nichtinvertierenden Eingang bewirkt ein Kipp- und Speicherverhalten des Operations­ verstärkers OP 1, dessen Ausgangsspannung wegen der geringen Belastung und des Kippverhaltens etwa gleich der positiven bzw. negativen Versorgungsspannung ist. Der Operationsverstärker OP 1 vergleicht daher in seinem ersten Schaltzustand, wenn die Aus­ gangsspannung gleich der positiven Versorgungsspannung ist, die mit der Zenerdiode ZD erzeugte Referenzspannung mit einer von der Versorgungsspannung abgeleiteten Spannung. Sinkt die Ver­ sorgungsspannung der Halbleiterschaltung nach längerem Netz­ spannungsausfall wegen Erschöpfung der Hauptbatterie HB 2 unter einen Wert, bei dem die Spannung am Abgriff des Spannungstei­ lers R 3, R 4 die Referenzspannung an der Zenerdiode ZD unter­ schreitet, kippt der Operationsverstärker OP 1 in einen zweiten Schaltzustand und seine Ausgangsspannung wird etwa gleich sei­ ner negativen Versorgungsspannung. Der nachgeschaltete Opera­ tionsverstärker OP 2 invertiert dieses Signal und steuert den Transistor TS 1 in den leitfähigen Zustand. Damit ist die Reser­ vebatterie RB 2 an den Versorgungsspannungseingang der Halblei­ terschaltung angeschlossen. Gleichzeitig wird ein Transistor TS 2 in den leitfähigen Zustand gesteuert, so daß eine mit diesem in Reihe geschaltete Lumineszenzdiode LD aufleuchtet und über eine Leitung ML 2 ein Meldesignal abgegeben wird. Das Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 2 ist so ausgestaltet, daß nur bei vorhandener Netzspannung die Lumineszenzdiode LD aufleuchtet und das Meldesignal abgegeben wird, damit die Reservebatterie nicht mit dem Strom durch den Transistor TS 2 belastet wird. Kehrt die Netzspannung wieder, wird die Halbleiterschaltung aus dem Netz versorgt, wobei die den Batterien HB 2, RB 2 zugeordne­ ten Entkopplungsdioden in Sperrichtung betrieben sind. Der Operationsverstärker OP 1 ändert jedoch seinen Schaltzustand nicht, auch dann nicht, wenn sich die Hauptbatterie HB 2 erholt und ihre Spannung daher langsam ansteigt. Wird dagegen die Hauptbatterie ausgewechselt, entsteht beim Einsetzen der neuen Batterie ein Impuls, der von einem Differenzierglied C 1, R 6 differenziert wird. Eine Diode V 4 leitet den positiven Teil des differenzierten Impulses auf den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 2. Die dort entstehende Spannung überschreitet kurzzeitig die Referenzspannung der Zenerdiode ZD, der Operationsverstärker OP 1 kippt in den ersten Schalt­ zustand zurück und die Transistoren TS 1, TS 2 werden in den Sperrzustand gesteuert, so daß die Lumineszenzdiode LD erlischt und das Meldesignal auf der Leitung ML 2 zurückgenommen wird.

Ein der Hauptbatterie HB 2 parallelgeschalteter Widerstand R 7 dient einerseits dazu, den Sperrstrom der vorgeschalteten Entkopplungsdiode von der Hauptbatterie HB 2 abzuleiten. Ande­ rerseits kann er bei geeigneter Dimensionierung bewirken, daß die Hauptbatterie HB 2 langsam entladen wird. Dadurch wird verhindert, daß beide Batterien in gleichem Maße unerkannt altern und im Falle eines Netzausfalls beide Batterien rasch erschöpft sind.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Batteriepufferung der Versorgungs­ spannung von elektrischen Baugruppen mit einer Hauptbatterie (HB 1), die im Falle eines Netzspannungsausfalls zunächst die Stromversorgung der elektrischen Baugruppe übernimmt, und mit einer Reservebatterie (RB 1), die nach Absinken der Spannung der Hauptbatterie unter einen vorgegebenen Wert die elektrische Baugruppe mit Strom versorgt und mit einer Meldeeinheit (MS), die ein Meldesignal abgibt, wenn die Reservebatterie den Versorgungsstrom liefert, und mit Entkopplungsdioden (V 1, V 2, V 3), von denen je eine zwischen den Versorgungsspannungseingang der elektrischen Baugruppe und ein Netzteil (NT), die Haupt- und die Reservebatterie geschaltet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Komparator (KMP) mit Spei­ cherverhalten, der die Spannung der Hauptbatterie (HB 1) oder eine davon abgeleitete Spannung mit einer Referenzspannung ver­ gleicht, in einem ersten Schaltzustand einen zwischen die Re­ servebatterie (RB 1) und den Stromversorgungseingang der elek­ trischen Baugruppe liegenden Schalter (S) öffnet, und, wenn die Spannung der Hauptbatterie (HB 1) einen vorgegebenen Wert unter­ schreitet, einen zweiten Schaltzustand einnimmt, in dem der Schalter (S) geschlossen ist und von der Meldeeinheit das Mel­ designal abgegeben wird und der bis zum Austausch der Haupt­ batterie gespeichert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Komparator (KMP) mit dem beim Austausch der Hauptbatterie (HB 1) entstehenden Impuls rückgesetzt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rücksetzeingang des Komparators (KMP) über ein Rücksetzglied (RS) mit der Haupt­ batterie verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompa­ rator einen Operationsverstärker (OP 1) enthält, dessen inver­ tierender Eingang an eine Zenerdiode (ZD) angeschlossen ist, die über einen Widerstand (R 5) an die Versorgungsspannung der elektrischen Baugruppe angeschlossen ist und daß das Ausgangs­ signal des Operationsverstärkers (OP 1) auf den nichtinvertie­ renden Eingang rückgekoppelt ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem nicht­ invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der beim Aus­ tausch der Hauptbatterie (HB 2) entstehende Impuls zugeführt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator einen zwei­ ten Operationsverstärker (OP 2) enthält, der mit dem einen Ein­ gang an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP 1) und mit den zweiten Eingang an die Zenerdiode (ZD) angeschlossen ist und der den Schalter (TS 1) sowie die Meldeeinheit (TS 2, LD) ansteuert.