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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Stromversorgungsschaltkreise
und insbesondere auf einen Schaltkreis zur automatischen Einschaltung
eines batteriebetriebenen Spannungsmessgeräts.
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Herkömmliche
batteriebetriebene Spannungsmessinstrumente, wie beispielsweise
Voltmeter und dergleichen, haben typischerweise Stromschalter, die
interne Batterien an Messverarbeitungs-Schaltkreise anschließen und
sie davon trennen, damit sie arbeiten und die Messung anzeigen. Mit
diesem Instrumententyp ist typischerweise ein Paar Testleitungen
verbunden, eine zum Bereitstellen einer gemeinsamen Referenz wie
beispielsweise Erde und die andere zum Empfangen der zu messenden
Spannung. Ein Bediener muss zuerst den Strom einschalten und dann
die Testleitungen in Berührung mit
gewünschten
Punkten im gemessenen elektrischen Schaltkreis bringen. Selbstverständlich leeren sich
die Batterien immer, wenn das Instrument eingeschaltet ist. Wenn
das Instrument während
eines längeren
Zeitraums eingeschaltet bleibt, ohne Messungen vorzunehmen oder
wenn das Instrument versehentlich eingeschaltet bleibt, verkürzt sich
die Lebensdauer der Batterie beträchtlich.
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Durchgangsprüfer, die
durch einen getesteten Schaltkreis mit Strom versorgt werden und
die lediglich eine Kontrollleuchte unter Spannung setzen, sind dem
Fachmann bekannt. Ein weiterer Ansatz des bisherigen Stands der
Technik entspricht dem Typ, der in der US-Patentschrift 3,919,631
gelehrt wird, die einen batteriebetrieben leitungslosen Messfühler offenbart,
der mittels eines Sensors oder einer mit einem elektronischen Schalter
verbundenen leitenden Spitze, die eine Batterie mit einer Glühlampe verbindet,
die Präsenz
von Spannung ermittelt. Diese Vorrichtungen des bisherigen Stands
der Technik zeigen lediglich an, dass eine Spannung vorhanden ist und
werden abgeschaltet, sobald sie vom Spannungsfeld entfernt werden.
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Es
wäre wünschenswert,
eine batteriebetriebene Vorrichtung bereitzustellen, die imstande
ist, sich automatisch einzuschalten, um eine Messung oder Anzeige
von einer Anzahl von unterschiedlichen Spannungen über einen
vorbestimmten Spannungsbereich bereitzustellen. Des Weiteren wäre es wünschenswert,
eine batteriebetriebene Vorrichtung bereitzustellen, die für einen
vorbestimmten, einer Spannungsmessung folgenden Zeitraum in einem eingeschalteten
Zustand bleibt, derart, dass eine Reihe von Messungen vorgenommen
werden könnte,
ohne die Vorrichtung für
jede Messung ein- und auszuschalten.
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US-A-4
006 409 betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Erdschlusses.
Eine Leuchtdiode ist in einem Schaltkreis mit einer Batterie und
einem Eingangstransistor verbunden. Ein Widerstand ist zwischen
einem Messfühler
und der Basis des Eingangstransistors verbunden. Wenn eine Spannung
auf den Messfühler
angewendet wird, hat die Basis des Transistors eine Vorspannung,
die den Transistor einschaltet und das Fließen eines Stroms im Schaltkreis
verursacht, derart, dass die Leuchtdiode ein Signal ausgibt.
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FR-A-2
564 595 bezieht sich auf einen Tester von elektrischen Signalen,
der eine interne Batteriestromversorgung hat.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Aspekte
der Erfindung sind in den begleitenden Ansprüchen festgelegt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltkreis zur automatischen
Einschaltung für
ein batteriebetriebenes Messinstrument bereitgestellt. Der Instrumentenstrom
ist normalerweise ausgeschaltet, um den Strom einer internen Batterie
zu erhalten. Wenn die Eingangsleitungen des Instruments mit einem
zu messenden oder zu prüfenden
Spannungspotential verbunden sind, oder sogar, wenn die Eingangsleitungen
sich berühren,
aktiviert das Spannungspotential, das dadurch erfasst wird, einen
elektronischen Schalter, der wiederum den Batteriestrom mit den
verarbeitungs- und Anzeigeschaltkreisen des Instruments verbindet. Der
Spannungserfassungs-Schaltkreis umfasst Schaltkreise zum Erfassen
von Potentialen mit entweder einer positiven oder einer negativen
Polarität oder
Erde und das Vorspannen eines Treibertransistors in Leitungsvermögen. Der
Treibertransistor aktiviert wiederum den Schalter, um die Batteriespannung
mit einem Stromversorgungs-Ausgangsknoten zu verbinden. Ein RC-Netz
hält den
Schalter für
einen kurzen Zeitraum in „An-Position", nachdem das zu messende
oder zu prüfende
Spannungspotential von den Eingängen
des Instruments entfernt wird.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltkreis
zur automatischen Einschaltung eines batteriebetriebenen Messinstruments
bereitzustellen.
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Eine
andere Aufgabe ist es, ein Messinstrument bereitzustellen, das sich
automatisch einschaltet, wenn seine Eingänge mit einem zu messenden oder
zu prüfenden
Spannungspotential verbunden werden.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
für Durchschnittsfachleute
beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
ersichtlich werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Messinstruments, das einen Schaltkreis
zur automatischen Einschaltung gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung umfasst;
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines Schaltkreises zur automatischen
Einschaltung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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3 ist
eine alternative Eingangsimpedanz für den Schaltkreis von 2.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun
Bezug nehmend auf 1 der Zeichnungen wird allgemein
in einer gestrichelten Linie eingeschlossen ein Messinstrument 10 gezeigt,
das einen Schaltkreis zur automatischen Einschaltung 12 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst. Ebenfalls innerhalb des Instruments 10 enthalten
ist ein Mess- und Anzeigesystem 14, das seinen Betriebsstrom
vom automatischen Stromschaltkreis 12 erhält, um Spannungen
zu messen und anzuzeigen, die durch ein Paar von Eingangsanschlüssen 16 und 18 geschaltet
werden. Das Mess- und Anzeigesystem 14 kann für eine Anzahl
von Spannungsmessungs-Schaltkreisen geeignet sein, die auf dem Fachgebiet
der digitalen Multimeter gut bekannt sind. Die Eingangsanschlüsse 16 und 18 können in
dieser Reihenfolge eine herkömmliche Eingangsbuchse
und ein gemeinsamer oder Erde-Eingangssteckverbinder sein, mit denen
Testleitungen oder Messfühler
verbunden werden können.
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Der
Schaltkreis zur automatischen Einschaltung 12 wird in 2 im
Detail gezeigt. Eine Batterie 40 ist mit der Quelle eines
Insulated-Gate-MOSFET (Metalloxidsilizium-Feldeffekttransistor) 42 verbunden,
der als ein Schalter und ein Reihenpasselement zum Verbinden oder
Trennen der Spannung der Batterie 40 mit/von einem Stromausgang
(PWR) funktioniert. Der Abfluss des MOSFET 42 wird in diesem Schaltkreis
zu Erörterungszwecken
als mit einer durch einen Belastungswiderstand 44 dargestellten Belastung
verbunden gezeigt; der Belastungswiderstand 44 kann praktisch
indes geeignet das Mess- und Anzeigesystem 14 von 1 sein.
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Normalerweise
wird der MOSFET 42 ausgeschaltet und ist nicht leitend,
so dass die Batterie 40 von der Belastung 44 getrennt
wird. Ein Widerstand 48 ist quer über den Gate-Source-Übergang
des MOSFET 42 und in Reihe mit dem Kollektor eines Treibertransistors 50 verbunden.
Der MOSFET 42 ist immer dann eingeschaltet, wenn eine positive
Spannung durch einen Widerstand 52 und daher über den Basis-Emitter-Übergang
des Transistors 50 entwickelt wird, wobei der Transistor 50 vorgespannt
wird und verursacht wird, dass er Strom durch den Widerstand 48 leitet,
wodurch wiederum der MOSFET 42 vorgespannt wird.
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Es
bestehen zwei Arten, auf die eine positive Spannung durch den Widerstand 52 entwickelt
werden können
und beide beziehen die entweder positive oder negative Polarität der auf
einen Eingangsanschluss 60 in Bezug auf die Batteriespannung
VBAT der Batterie 40 angewendeten
Eingangsspannung ein.
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In
einem ersten Beispiel wird davon ausgegangen, dass der Eingangsanschluss 60 mit
einem Spannungspotential verbunden ist, das in Bezug auf die Batteriespannung
VBaT positiv ist und dass der Eingangsanschluss 66 mit
der Erde verbunden ist. Die Quelle der gemessenen Spannung wird
durch eine Spannungsquelle 62 und ihre zwischen dem Eingangsanschluss 60 und
dem gemeinsamen Anschluss 66 verbundene interne Impedanz 64 dargestellt.
Das Basispotential eines Transistors 70 wird bei der Batteriespannung
VBAT und der positiven Spannung am Eingangsanschluss 60,
die größer ist als
die Spannung VBAT, gehalten, wodurch das
Fließen
von Strom durch den Widerstand 72 in die Vorspannungswiderstände 74, 76 und 78 und
den Emitter von Transistor 70 verursacht wird, wodurch
der Transistor 70 eingeschaltet wird. Der Transistor 70 arbeitet
als ein Verstärker
in Basisschaltung, der Kollektorstrom in den Widerstand 52 sendet,
wodurch eine positive Spannung hierdurch zum Vorspannungstransistor 50 entwickelt
wird, wodurch der MOSFET 42 eingeschaltet wird, wie vorhergehend beschrieben.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass die Vorspannungswiderstände 74, 76 und 78 durch einen
einzelnen Widerstand ersetzt werden könnten. In dieser Ausführungsform
ist der Widerstand 78 indes ein Thermistor, um Temperaturausgleich
bereitzustellen. Es kann ebenfalls eine Zenerdiode 80 durch
die Batterie 40 angeordnet werden, um den Schaltkreis zu
schützen,
wenn die Batterie rückwärts eingerichtet
wird und die Zenerdiode 80 schützt die Batterie ebenfalls
vor durch hohe Spannung verursachten Schäden.
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In
einem zweiten Beispiel wird davon ausgegangen, dass der Eingangsanschluss 60 in
Bezug auf die Batteriespannung VBAT negativ
ist. Es ist anzumerken, dass diese Spannung null Volt betragen könnte, wie
sich aus der Berührung
der Eingangsleitungen ergeben würde,
wodurch die Anschlüsse 60 und 66 effektiv
zusammen kurzgeschlossen werden, oder die Spannung könnte ein
Spannungspotential von negativer Polarität sein. Das Emitterpotential
des Transistors 82 wird bei der Batteriespannung VBAT und der negativen Spannung am Eingangsanschluss 60 gehalten,
die in Bezug auf die Spannung VBAT negativ
ist, wodurch das Fließen
von Strom durch den Widerstand 72 in die Vorspannungswiderstände 74, 76 und 78 und
den Basis-Emitter-Übergang
des Transistors 82 verursacht wird, wodurch der Transistor 82 eingeschaltet
wird. Der Transistor 82 arbeitet als Verstärker in
Emitterschaltung, der Kollektorstrom durch den Belastungswiderstand 84 in
den Widerstand 52 sendet, wodurch eine positive Spannung hierdurch
zum Vorspannungswiderstand 50 entwickelt wird, die den
MOSFET 42 wie vorhergehend beschrieben einschaltet.
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Daher
kann erkannt werden, dass der MOSFET 42 als ein Schalter
funktioniert, der eingeschaltet wird, sobald ein Spannungspotential
durch die Eingangsanschlüsse 60 und 66 angewendet
wird, um dadurch Betriebsspannung für die verbundenen Messungsverarbeitungs-Schaltkreise
des Messinstruments bereitzustellen.
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In
der bisher beschriebenen Ausführungsform
von 2, verliert der Transistor 50, sobald
eine Spannungsquelle 62 von den Eingangsanschlüssen entfernt
wird, seine Vorspannungsquelle und wird ausgeschaltet, wodurch ebenfalls
der MOSFET 42 ausgeschaltet wird. Um zu verhindern, dass
das Messinstrument ein- und ausgeschaltet wird, während der
Bediener mehrere Messungen, wie beispielsweise das Prüfen verschiedener
Kontakte eines Anschlussblocks, zum Beispiel einen RC-Schaltkreis,
der einen Kondensator 86 und einen Widerstand 88 umfasst,
die in Reihe durch den Kollektor und den Emitter des Transistors 50 verbunden
sind, vornimmt. Anfangs lädt
der Kondensator 86, wenn der Transistor 50 nicht
leitend und somit ausgeschaltet ist, zur Batteriespannung VBAT. Wenn der Transistor 50 eingeschaltet
wird, wird die Ladung auf dem Kondensator 86 durch den
Widerstand 88 und den Transistor 50 entfernt.
Nach fünf
RC-Zeitkonstanten ist der Kondensator 86 vollständig entladen
und hat auf beiden Seiten davon Erdpotential. Wenn die Spannungsquelle 62 entfernt
wird und der Transistor 50 ausgeschaltet wird, bleibt sein
Kollektor vorübergehend
auf Erdpotential, da der Kondensator 86 nicht augenblicklich
laden kann. Wenn der Kondensator 86 sich in Richtung Batteriespannung
VBAT lädt,
verringert sich der Spannungsabfall durch den Widerstand 48 indes
letztendlich bis zu dem Punkt, an dem der MOSFET 42 ausgeschaltet
wird.
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Als
vorgeschlagene kommerzielle Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat der Kondensator 86 einen
Wert von 68 Mikrofarad, der Widerstand 88 einen Wert von
100 Ohm und der Widerstand 48 einen Wert von drei Megaohm.
Somit kann gesehen werden, dass die Kombination von Kondensator 86 und
Widerstand 88 ein stufenloses Einschalten des MOSFET 42 bereitstellt,
wenn eine Spannung auf die Eingänge 60 und 66 angewendet
wird und die Kombination von Kondensator 86 und den Widerständen 48 und 88 hält den MOSFET 42 nach dem
Entfernen der Eingangsspannung während
einiger Minuten eingeschaltet.
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Ebenfalls
werden in der vorgeschlagenen kommerziellen Ausführungsform die Werte der Widerstände 72 und 52 als
ein Megaohm gewählt.
Andere Werte können
durch Schaltkreiskonstrukteure in Abhängigkeit von der beabsichtigten
Betriebsumgebung ohne übermäßiges Experimentieren
gewählt werden.
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Es
sollte ebenfalls hervorgehoben werden, dass die Eingangsimpedanz
wie hierin gezeigt und beschrieben im Hinblick auf die Anschlüsse 60 und 66 relativ
hoch ist. Andererseits ist der Leckstrom der Batterie 40 minimal
gehalten. Wenn eine unterschiedliche Eingangsimpedanz, wie beispielsweise ein
Megaohm, wie in vielen Messinstrumenten üblich, gewünscht wird, wird das Anordnen
eines parallelen Eingangswiderstands durch die Anschlüsse 60 und 66 den
unerwünschten
Effekt des Bereitstellens eines Stromabflusses durch die Widerstände 76, 74, 72 und
den parallelen Eingangswiderstand zur Erde ergeben, wodurch die
Lebensdauer der Batterie wesentlich verkürzt wird. Eine Lösung für dieses
Problem wird in 3 gezeigt.
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3 zeigt
eine wahlfreie parallele Eingangsimpedanz in der Form des Widerstands 100,
der durch die Eingangsanschlüsse 60 und 66 verbunden ist.
Ein MOSFET 102 ist in Reihe mit dem Widerstand 100 zwischengeschaltet
und wird eingeschaltet, um Erdpotential mit dem unteren Ende des
Widerstands 100 zu verbinden, wenn der MOSFET 42 eingeschaltet
wird, wodurch PWR auf das Gatter des MOSFET 102 angewendet
wird. Wenn der MOSFET 102 ausgeschaltet wird, wird der
Batterieabfluss-Leckweg zur Erde blockiert.
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Während die
bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung gezeigt und beschrieben worden ist, wird es für Fachleute
offensichtlich sein, dass viele Änderungen
und Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne von der Erfindung in ihren breiteren Aspekten abzuweichen.
Es wird daher beabsichtigt, dass die angefügten Ansprüche alle diese Änderungen
und Veränderungen
abdecken, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen.