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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsanzeiger zum Liefern eines
Anzeigesignals, um anzuzeigen, dass eine Spannung einer Batterie einen
festgelegten Wert durchläuft,
mit einer Batterieklemme für
die Verbindung zu der Batterie, einer Referenzspannungsquelle zum
Liefern einer Referenzspannung und einem Komparator zum Vergleichen der
Referenzspannung mit einer Spannung an der Batterieklemme, wobei
der Komparator eine erste, an die Referenzspannungsquelle gekoppelte
Eingangsklemme, eine zweite, an die Batterieklemme gekoppelte Eingangsklemme
und einen Ausgang zum Liefern des Anzeigesignals als Antwort auf
den Vergleich hat.
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Ein
derartiger Spannungsanzeiger ist aus dem US-Patent Nr. 5.705.913,
besonders
2, bekannt und wird verwendet,
um anzuzeigen, ob eine wiederaufladbare Batterie fast leer ist.
Zu diesem Zweck vergleicht der Komparator des bekannten Spannungsanzeigers
einen Bruchteil der Batteriespannung mit einer Referenzspannung,
und die Ausgangsspannung des Komparators wechselt zu einem anderen
Extremwert, wenn die Batteriespannung die Referenzspannung durchläuft. In
der Entwicklung von elektrischen und elektronischen Geräten mit
wiederaufladbaren Batterien ist die Art der wiederaufladbaren Batterie
wie auch die Anzahl der Zellen der wiederaufladbaren Batterie keine
im voraus festgelegte Tatsache. Zusätzlich offenbart
EP 0653826 A eine batteriebetriebene
elektronische Anwendung, wo ein Batteriespannungsmonitor verwendet
wird, um das Nahen des Austauschens oder die Wiederaufladezeit der
Batterie zu bestimmen. Der Spannungsmonitor umfasst Mittel zur Erzeugung
von zwei unterschiedlichen Schwellenspannungswerten, von denen einer
in Abhängigkeit
von dem Betriebsmodus ausgewählt
wird. Die Spannungsniveaus, an denen die Zellen fast leer sind,
sind für
verschiedene Zellen wie NiCd (Nickel-Cadmium), NiMH (Nickel-Metall-Hydrid)
und ähnliche
nicht die gleichen. Außerdem ändert sich
das Niveau dieser Spannung als ein Ergebnis der Entwicklungen in
der Zellenrezeptur. Überdies
gibt es Geräte,
die eine, zwei oder mehr wiederaufladbare Zellen in Serie verwenden.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist, einen Spannungsanzeiger zu schaffen,
mit dem das Spannungsniveau, das einen fast leeren Zustand einer
Batterie mit einer oder mehr Zellen in Serie anzeigt, mit Hilfe zweier
Widerstände
eingestellt werden kann. Um diese Aufgabe zu lösen, ist der Spannungsanzeiger
der eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, dass er darüber hinaus
Folgendes umfasst:
- – eine weitere Referenzspannungsquelle
zum Liefern einer weiteren Referenzspannung;
- – einen
ersten Widerstand;
- – einen
zwischen der Batterieklemme und der zweiten Eingangsklemme des Komparators
angeschlossenen zweiten Widerstand;
- – einen
Spannungs-Strom-Wandler mit einem ersten Stromausgang und einem
zweiten Stromausgang zum Liefern eines ersten Stroms beziehungsweise
eines zweiten Stroms, wobei die Ströme Stromstärken haben, die proportional
zu der weiteren Referenzspannung und umgekehrt proportional zu dem
Wert des ersten Widerstands sind, und der zweite Stromausgang an
die zweite Eingangsklemme des Komparators gekoppelt ist;
- – an
den ersten Stromausgang gekoppelte Mittel zum Liefern eines Schaltsignals
als Antwort auf den ersten Strom; und
- – Mittel
zum Umschalten der Referenzspannung von der zuerst genannten Referenzspannungsquelle
zwischen zwei verschiedenen Werten als Antwort auf das Schaltsignal.
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Der
erste Widerstand definiert die Anzahl der Zellen in Serie, zum Beispiel
eine oder zwei. Zu diesem Zweck wird der erste Strom des Spannungs-Strom-Wandlers
mit einem Schwellenwert verglichen. Beim Durchlaufen des Schwellenwertes wird
die Referenzspannung, mit der die Batteriespannung verglichen wird,
auf einen Wert geändert,
der ein Vielfaches der genannten Referenzspannung ist, wobei das
Vielfache der Anzahl der Zellen der Batterie entspricht. Der zweite
Strom des Spannungs-Strom-Wandlers fließt durch den zweiten Widerstand,
der in Serie mit der zweiten Eingangsklemme des an die Batterie
angeschlossenen Komparators angeordnet ist. So wird eine Korrekturspannung zu
der Batteriespannung addiert, um zu ermöglichen, die Fast-Leer-Anzeige
an die Zellenart anzupassen, wobei die Korrekturspannung durch die
geeignete Wahl des Wertes des zweiten Widerstands einstellbar ist.
Wenn angenommen wird, dass der Spannungsanzeiger, vor allem die
Referenzspannungsquelle dieses Anzeigers, als integrierte Schaltung aufgebaut
ist, bietet der erfindungsgemäße Spannungsanzeiger
die Möglichkeit,
die Fast-Leer-Anzeigespannung
mit zwei externen Widerständen
zu definieren.
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Wenn
die Auswahl nur zwischen einer Batterie mit einer oder zwei Zellen
in Serie besteht, ist ein Spannungsanzeiger mit den kennzeichnenden
Merkmalen nach Anspruch 3 ausreichend. Abhängig von dem Wert des ersten
Widerstands nimmt das Ausgangssignal des weiteren Komparators einen
von zwei Werten an. Für
den einen Wert wird die Referenzspannung auf einen Referenzwert
entsprechend einer einzelnen Zelle geschaltet. Für den anderen Wert wird die
Referenzspannung auf einen doppelten Referenzwert entsprechend zweier
Zellen in Serie geschaltet. Alternativ ist es möglich, von der vollen Referenzspannung
zur halben Referenzspannung umzuschalten.
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Wenn
eine Unterscheidung zwischen drei oder mehr Zellen in Serie zu machen
ist, wird der erste Strom des Spannungs-Strom-Wandlers mit einer Vielzahl
von Schwellenwerten verglichen und die Referenzspannung wird zwischen
drei oder mehr Werten, die Vielfache voneinander sind, umgeschaltet.
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Das
Umschalten der Referenzspannung kann durch die Auswahl aus einer
Vielzahl von Referenzspannungen mit einem Selektor als Antwort auf das
Schaltsignal beeinflusst werden. Alternativ kann die Referenzspannung
durch Abschwächen
einer Referenzspannung um einem Faktor von zwei, drei oder mehr
mit einem Spannungsteiler mit einem schaltbaren Spannungsteilungsfaktor
umgeschaltet werden.
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Der
zweite Widerstand, der die Korrekturspannung definiert, hat weiterhin
den Vorteil, dass er in Kombination mit einem Kondensator als Glättungsfilter
für mögliche Brummspannungen
auf der zu messenden Batteriespannung dienen kann.
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Die
Erfindung kann in Geräten
mit wiederaufladbaren Batterien oder mit nicht wiederaufladbaren (Primär-) Batterien
verwendet werden, in denen es gewünscht ist, eine Anzeige zu
haben, oder um zu zeigen, dass die Batterien fast leer sind. Der
Spannungsanzeiger kann ein visuelles oder akustisches Signal aktivieren,
das den Benutzer warnt, dass die Batterien fast leer sind. Der Spannungsanzeiger kann
auch einen Teil eines komplexen Batterie-Managementsystems bilden,
welches den Lade- und Entladeprozess steuert und überwacht
und welches beispielsweise weiteres Entladen der Batterie unterbindet,
wenn die Batterie fast leer ist. Beispiele für Geräte dieser Art gibt es auf den
Gebieten der Körperpflege
wie Rasierer und Zahnbürsten,
der Telekommunikation wie tragbare Telefone, der Computer wie Laptops
und Organizer, und der tragbaren Audio- und Video-Ausrüstung.
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Die
Erfindung ist detaillierter in der Zeichnung dargestellt und wird
im Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Spannungsanzeigers;
und
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2 ein
Blockschaltbild eines Rasierers mit einer wiederaufladbaren Batterie
und einem erfindungsgemäßen Spannungsanzeiger.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Spannungsanzeigers,
der ein Anzeigesignals IS als Anzeige, dass die Spannung einer wiederaufladbaren
Batterie einen festgelegten Wert durchläuft, liefert. Die wiederaufladbare
Batterie 2 ist mit ihrer positiven Klemme an eine Batterieklemme 4 angeschlossen,
die über
einen Widerstand 6 mit einem Wert R2 an die eine Klemme 8 eines
Komparators 10 angeschlossen ist, wobei das Anzeigesignal
IS durch einen Ausgang des genannten Komparators geliefert wird.
Die Batterie 2 ist mit ihrer negativen Klemme an Masse
angeschlossen. Ein optionaler Kondensator 12 ist zwischen
der Eingangsklemme 8 und Masse angeschlossen. Der Komparator 10 ist
mit seiner anderen Eingangsklemme an eine der Referenzspannungsquellen 16A und 16B,
welche eine Referenzspannung Uref1A beziehungsweise Uref1B liefern,
gekoppelt. Die Referenzspannung wird unter der Kontrolle eines Schaltsignals,
das vom Ausgang 20 eines weiteren Komparators 22 geliefert wird,
mit einem Selektor 18 ausgewählt. Der Spannungsanzeiger
umfasst weiterhin einen Spannungs-Strom-Wandler 24, der
die Referenzspannung Uref2 aus einer weiteren Referenzspannungsquelle 26 in
einen ersten Strom I1 und einen zweiten Strom I2 umwandelt, die
an einem ersten Stromausgang 28 beziehungsweise einem zweiten
Stromausgang 30 verfügbar
sind. Der Umwandlungsfaktor des Spannungs-Strom-Wandlers 24 ist
durch einen Widerstand 32 mit einem Wert R1 bestimmt, wobei
der Widerstand zwischen Masse und einer Anschlussklemme 34 des
Spannungs-Strom-Wandlers 24 angeschlossen ist. Ein erster
Transistor 36 ist mit seinem Hauptstrompfad zwischen dem
ersten Stromausgang 28 und der Anschlussklemme 34 angeschlossen
und ein zweiter Transistor 38 ist mit seinem Hauptstrompfad
zwischen dem zweiten Stromausgang 30 und der Anschlussklemme 34 angeschlossen.
Als Beispiel sind unipolare (MOS) Transistoren gezeigt, aber es
ist auch möglich,
bipolare Transistoren zu verwenden. Die Steuerelektroden, in dem
vorliegenden Fall die Gates, der Transistoren 36 und 38 sind
an einen Ausgang 40 eines Differenzverstärkers 42 gekoppelt,
dessen invertierender Eingang 44 an die Anschlussklemme 34 gekoppelt
ist und dessen nichtinvertierender Eingang 46 an die weitere
Referenzspannungsquelle 26 angeschlossen ist. Der erste
Ausgang 28 ist über
eine Last an eine positive Versorgungsspannung gekoppelt. Die Last
ist eine Stromquelle 48, die einen Strom Ic liefert, aber
eine Last in Form eines Widerstands ist auch möglich. Der Knoten zwischen
der ersten Stromklemme 28 und der Stromquelle 48 ist
an den einen Eingang 50 des weiteren Komparators 22 angeschlossen,
dessen anderer Eingang 52 an eine Vorspannungsquelle 54 angeschlossen
ist. Die Dimensionen (W/L) der Transistoren 36 und 38 stehen
im Verhältnis
von 1 : 9, aber andere Verhältnisse
sind auch möglich.
Als Ergebnis davon stehen die Ströme I1 und I2 auch im Verhältnis von
1 zu 9. Die Summe der Ströme
I1 und I2 fließt
durch den Widerstand 32. In dem Fall einer ausreichenden
Verstärkung
des Differenzverstärkers 42 ist
der Spannungsabfall über
den Widerstand 32 nahezu gleich der Referenzspannung Vref2
aus der weiteren Referenzspannungsquelle 26. Der Strom
I1 ist dann gleich 0,1·Uref2/R1
und der Strom I2 ist gleich 0,9·Uref2/R1. Wenn der Strom
I1 größer ist
als der Strom Ic oder, in anderen Worten, wenn der Widerstandswert
R1 des Widerstands 32 kleiner als 0,1·Uref2/Ic ist, wird das Vorzeichen
des Spannungsunterschieds zwischen den Eingängen 50 und 52 des weiteren
Komparators 22 umgekehrt, und als Ergebnis davon nimmt
das Schaltsignal an dem Ausgang 20 einen anderen Wert an.
Als Ergebnis davon wird die Referenzspannung von dem Wert Uref1A
der Referenzspannungsquelle 16A auf den Wert Uref1B der Referenzspannungsquelle 16B umgeschaltet.
Der Wert Uref1B ist beispielsweise zweimal so groß wie der
Wert Uref1A. Also wird die Referenzspannung an der Eingangsklemme 14 des
Komparators 10 um einen Faktor von zwei geändert. Alternativ
ist es möglich,
eine einzelne Referenzspannungsquelle 16 zu verwenden und
deren Referenzspannung mit dem Spannungsteiler 56, 58,
der mit einem Schalttransistor 60 unter der Kontrolle des
Schaltsignals umgeschaltet wird, abzuschwächen.
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Die
Referenzspannung an der einen Eingangsklemme 14 des Komparators 10 wird
mit der Batteriespannung an der anderen Eingangsklemme 8 verglichen.
Der Strom I2 fließt
von der Batterie 2 über
den Widerstand 6 zu der zweiten Stromklemme 30 und
erzeugt einen Spannungsabfall gleich I2·R2 über dem Widerstand 6.
Dieser Spannungsabfall kann verwendet werden, um den Umschaltpunkt
des Komparators 10 auf den richtigen Wert zu setzen. Dieser
Umschaltpunkt ist erreicht, wenn die Batteriespannung einen Wert
Ubat durchläuft,
der gleich ist zu: Ubat = k·Uref1A + 0,9·Uref2·(R2/R1),wobei
k das Verhältnis
zwischen den Referenzspannungen Uref1B und Uref1A ist. Mit R1 wird
der Spannungsanzeiger angepasst, um in Verbindung mit einer oder
zwei Zellen in Serie zu operieren, und mit R2 wird der Umschaltpunkt
des Komparators 10 genau auf den richtigen Wert gesetzt.
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Mit
der hier gezeigten Schaltung ist es möglich, aus zwei Referenzspannungen,
die im Verhältnis
1:2 stehen, auszuwählen
und eine Unterscheidung zwischen Batterien mit einer oder zwei Zellen
in Serie zu ermöglichen.
Aber es ist auch möglich,
zwischen Batterien mit drei oder mehr Zellen durch Vergleichen des
Stroms 11 mit einer Vielzahl von Schwellenwerten zu unterscheiden.
Das erfordert drei Referenzspannungsquellen mit zunehmenden Referenzspannungen.
Alternativ kann eine einzelne Referenzspannungsquelle verwendet
werden, deren Referenzspannung durch einen Faktor drei oder mehr
geteilt wird, wenn der Strom I1 mit der genannten Vielzahl von Schwellenwerten
verglichen wird.
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Der
Kondensator 12 und der Widerstand 6 wirken als
ein Filter gegen mögliche
Brummspannungen auf der Spannung der Batterie 2, als Ergebnis davon
ist die Spannungsanzeige weniger empfindlich für falsche Signale. Die Referenzspannungsquellen 16A und 16B haben
beispielsweise die Form von Bandgap-Referenzquellen mit einer Spannung
von einmal beziehungsweise zweimal 1080 mV. In Kombination mit dem
Spannungsabfall über
dem Widerstand 6 kann ein Anzeigesignal IS im Bereich von 1110
mV bis 1180 mV, in dem die Zellenspannung einer fast leeren NiCd-
und NiMH-Batterie liegt, erreicht werden.
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Die
Verwendung einer genauen Referenzspannung in der Nähe der Fast- Leer-Anzeigespannung
einer, zweier oder mehr Batteriezellen und die Addition einer vergleichsweise
kleinen, aber weniger genauen Spannung zu der genannten genauer Spannung
resultiert trotzdem in einer Gesamtgenauigkeit, die nicht viel von
der Genauigkeit der Referenzspannungsquelle oder -quellen abweicht.
Die weniger genaue Spannung ist die Spannung über dem Widerstand 6,
und wie aus der oben genannten Formel offensichtlich ist, ist die
Genauigkeit dieser Spannung bestimmt durch die Toleranz der Widerstandwerte
R1 und R2, die Toleranz des Verhältnisses
der Ströme
I1 und I2, und der Toleranz der Referenzspannung Uref2. Externe
1 %-Widerstände,
eine Genauigkeit von 2,3 % für
den Skalierungsfaktor in den Dimensionen der Transistoren T1 und
T2 und eine 1 %-Genauigkeit für
die Referenzspannung Uref2 ergeben eine Genauigkeit von annähernd 5
% für die
Spannung über
dem Widerstand 6. Eine 5 %-Genauigkeit für eine Spannung
von annähernd 100
mV über
dem Widerstand 6 und eine 1 %-Genauigkeit für eine Referenzspannung
von 1080 mV resultieren in einer Gesamtgenauigkeit von annähernd 1,5 %.
Also macht es der erfindungsgemäße Spannungsanzeiger
mit Hilfe einer genauen Referenzspannungsquelle möglich, eine
Fast-Leer-Anzeigespannung mit zwei externen Widerständen ohne eine übermäßige Reduktion
der Gesamtgenauigkeit zu definieren.
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2 zeigt
eine Anwendung des Spannungsanzeigers in einem Rasierer mit einer
wiederaufladbaren Batterie. Die wiederaufladbare Batterie 2 des
Rasierers wird durch ein Batterieladegerät BCH aufgeladen. Die Batterie 2 treibt
den Elektromotor M an, der den Rasiermechanismus treibt. Der Motor
M kann mit einem Schalter SW ein- und ausgeschaltet werden. Der
mit BVI bezeichnete Spannungsanzeiger von 1 ist an
die Batterie 2 angeschlossen. Das Anzeigesignal IS von
dem Spannungsanzeiger BVI wird an ein Batterie-Managementsystem
BMS angelegt, das den Lade- und Entladeprozess der Batterie 2 steuert
und überwacht,
und beispielsweise eine weitere Entladung der Batterie 2 unterbindet, wenn
die Batterie fast leer ist. Das Batterie-Managementsystem BMS steuert
unter anderem ein Anzeigemittel DSP an, das eine visuelle und, wenn
gewünscht,
auch eine akustische Anzeige, dass die Batterie 2 fast
leer ist, gibt.
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Es
ist offensichtlich, dass der Spannungsanzeiger nicht nur für wiederaufladbare,
sonder auch für Primärbatterien
verwendet werden kann.