Spannungsadapter

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsadapter zur energietechnischen Kopplung von elektrischen Einrichtungen (10,12), die mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden mit einem zugehörigen Verfahren. Es wird ein Spannungsadapter vorgeschlagen, der es ermöglicht, ein Kleingerät dahingehend zu ertüchtigen, dass es aus unterschiedlichen Energiequellen, insbesondere elektrischen Energiespeichern wie Akkumulatoren, Batterien und dergleichen mit elektrischer Energie versorgt werden kann, ohne dass nutzerseitig Typanforderungen hinsichtlich der Energiespeicher beachtet werden müssen. Der Spannungsadapter hat elektrische Anschlüsse (14,16) für jede zu koppelnde Einrichtung, einen bidirektionalen Spannungswandler (18), elektrische Schaltmittel (20,22), mittels welchen der elektrische Anschluss wenigstens einer der zu koppelnden Einrichtungen (10,12) elektrisch mit dem Spannungswandler verbindbar ist, eine Auswerte- und Steuereinheit (24) und Mittel (26,28), mit denen das elektrische Potential und/oder die elektrische Spannung des zu verbindenden Anschlusses ermittelbar ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsadapter zur energietechnischen Kopplung von elektrischen Einrichtungen, die mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum energietechnischen Koppeln von elektrischen Einrichtungen, die mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden.

[0002] Spannungsadapter der gattungsgemäßen Art dienen dazu, elektrische Energie einer bestimmten vorgegebenen Form in eine bestimmte weitere vorgegebene Form umzuwandeln, um so eine energietechnische Anpassung zu erreichen, mit der erreicht wird, dass die elektrische Energie von der einen Einrichtung zur anderen Einrichtung gelangen kann. Demzufolge soll unter Koppeln im Sinne dieser Erfindung ein energietechnisches Koppeln verstanden werden, beispielsweise zum Zwecke einer Energieversorgung, dem Herstellen einer energietechnischen Redundanz oder dergleichen mehr. Derartige Einrichtungen sind beispielsweise elektrische Netzteile, mit denen elektrische Energie aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz wie dem 230 Volt Wechselspannungsnetz, entnommen wird, und mittels elektronischer Einheiten in eine elektrische Gleichspannung von vorgegebener Höhe umgewandelt wird. Derartige Netzteile sind im Stand der Technik in vielfältiger Weise bekannt, wobei ihre Größe unter anderem durch äußere Umgebungsbedingungen und die umzusetzende Leistung bestimmt sind.

[0003] Mittlerweile sind darüber hinaus eine Vielzahl von Einrichtungen in Form von elektronischen Kleingeräten im Einsatz, die ihre Energieversorgung zum Teil aus elektrischen Energiespeichern wie Akkumulatoren, Batterien und dergleichen beziehen oder auch aus Netzteilen, wobei hier insbesondere die Steckernetzteile zu nennen sind. Solche Kleingeräte können beispielsweise Mobilfunkendgeräte, PDA's, mobile Rechner wie Laptop's oder dergleichen, elektronisches Spielzeug und weitere sein. Auch Haushaltsgeräte wie Netzwerkrouter, separate Empfänger für Fernsehgeräte, Fernsteuerungen und dergleichen sollen im Sinne dieser Anmeldung unter Kleingeräte verstanden werden. Sämtlichen Kleingeräten gemeinsam ist, dass sie als elektrische Einrichtung mit einer fest vorgegebenen Versorgungsspannung, in der Regel eine Gleichspannung, mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, um ihre bestimmungsgemäße Funktion gewährleisten zu können. Aus diesem Grund sind eine Vielzahl von Netzteilen, Akkumulatoren und Batterien im Einsatz, um die unterschiedlichsten Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Spannung solcher Einrichtungen realisieren zu können. So wird es nicht nur als störend empfunden, dass für jedes Kleingerät ein eigenes, oftmals einrichtungsspezifisches Netzteil bereitzustellen ist, welches die entsprechende, fest vorgegebene Spannung liefert, sondern es ist darüber hinaus beim Einsatz von Batterien und Akkumulatoren nachteilig, dass die bestimmungsgemäße Funktion der Einrichtung beziehungsweise des Kleingerätes an Größen und elektrische Eigenschaften der Energiespeicher angepasst ist. Bereits geringfügige Abweichungen können den bestimmungsgemäßen Betrieb beeinträchtigen. Dies erfordert eine hohe Logistik, da die unterschiedlichsten Einrichtungen für die Energieversorgung der Vielzahl der Einrichtungen beziehungsweise Kleingeräte bereitzustellen sind. Wünschenswert wäre es, hier eine Verbesserung bewirken.

[0004] Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Adapter zu schaffen, der es ermöglicht, Einrichtungen miteinander zu koppeln, die für eine gegenseitige Kopplung nicht vorgesehen sind, beispielsweise weil sie für den Betrieb mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen vorgesehen sind.

[0005] Als Lösung wird mit der vorliegenden Erfindung ein Spannungsadapter zur energietechnischen Kopplung von elektrischen Einrichtungen, die mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden, vorgeschlagen, mit einem elektrischen Anschluss für jede zu koppelnde Einrichtung, einem bidirektionalen Spannungswandler, einem elektrischen Schaltmittel, mittels welchem der elektrische Anschluss wenigstens einer der zu koppelnden Einrichtungen elektrisch mit dem Spannungswandler verbindbar ist, einer Auswerte- und Steuereinheit und mit Mitteln, mit denen das elektrische Potential und/oder die elektrische Spannung des zu verbindenden Anschlusses ermittelbar ist.

[0006] Erstmals schlägt die Erfindung somit vor, durch Zuschaltung eines Spannungsadapters eine Kopplung zwischen den Einrichtungen wie elektronische Kleingeräte und dergleichen sowie weiteren elektronischen Einrichtungen, wie elektrische Energiespeicher, beispielsweise in Form von Akkumulatoren oder Batterien oder dergleichen bereitzustellen. Als Nutzer des Kleingerätes ist es demnach nicht mehr erforderlich, genaue Batteriespezifikationen einzuhalten. Der Spannungsadapter schafft hier eine Abhilfe, indem er es ermöglicht, die Spannungen der jeweiligen angeschlossenen Einrichtungen in beliebiger Weise zu erfassen und eine insbesondere automatisch einstellbare entsprechende Spannungsanpassung vorzunehmen. Auf diese Weise kann ein Energiefluss erreicht werden, der eine bestimmungsgemäße Funktion beispielsweise des Kleingerätes oder dergleichen erlaubt, obwohl die mit diesem zu verbindende elektrische Einrichtung in Form eines Energiespeichers oder dergleichen für den bestimmungsgemäßen Betrieb ohne den Spannungsadapter, das heißt, eine direkte Kopplung, ungeeignet ist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Akkumulator eines Mobilfunkendgerätes durch einen anderen Akkumulator ersetzt wird, der hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften von dem des ursprünglich im Mobilfunkgerät eingesetzten Akkumulators abweicht. Der Spannungsadapter wird zwischen die zu koppelnden elektrische Einrichtungen zwischengeschaltet, in dem er für jede anzukoppelnde Einrichtung einen eigenen elektrischen Anschluss bereitstellt. In der Regel weist ein elektrischer Anschluss zwei Kontakte auf, einen für ein positives Potential und einen für ein negatives elektrisches Potential beziehungsweise einen für ein Nullpotential und einen für ein Phasenpotential. Derartige Anschlüsse können beispielsweise in Form von Steckkontakten, Federkontakten, Steckverbindungen, Schraubverbindungen oder dergleichen gebildet sein. Natürlich können auch zusätzliche Kontakte bei einem elektrischen Anschluss vorgesehen sein, so beispielsweise wenn statt einer elektrischen Spannung zwei oder mehrere Spannungen anzuschließen sind.

[0007] Der Spannungsadapter weist einen bidirektionalen Spannungswandler auf, mit dem ein Energiefluss zwischen den zu koppelnden Einrichtungen in beiden Richtungen möglich ist. Der Spannungswandler ist hierzu mit den elektrischen Anschlüssen des Spannungsadapters elektrisch verbunden beziehungsweise verbindbar. Der Spannungswandler ist bidirektional ausgebildet, das heißt, er erlaubt einen Energiefluss in jede Richtung, wobei in der Regel zwei Richtungen vorgesehen sind. Natürlich kann ein Energiefluss bei mehr als zwei angeschlossenen Einrichtungen auch mehrere Richtungen der Energieströme insbesondere in unterschiedliche Richtungen aufweisen. Vorteilhaft ist dies beispielsweise, wenn eine Energieversorgung mehrerer Kleingeräte vorgesehen ist. Die Bidirektionalität kann zum Beispiel durch zwei elektrisch voneinander entkoppelte unidirektionale Spannungswandler in Parallelschaltung erreicht werden, wobei die Spannungswandler einen Energiefluss in entgegengesetzte Richtungen erlauben. Die Spannungswandler können hierzu entsprechende Steuermittel aufweisen, so dass eine Richtung des Energieflusses vorgebbar steuerbar ist. Die Steuermittel können in einer elektronischen Steuerung bestehen.

[0008] Um einen sicheren Betrieb des Spannungsadapters zu gewährleisten, sind vorzugsweise elektrische Schaltmittel in Form von elektrischen Schaltkontakten oder elektronischen Schaltern wie Transistoren oder dergleichen vorgesehen, mit denen wenigstens ein elektrischer Anschluss vom bidirektionalen Spannungswandler abschaltbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise bei einem Kleingerät eine Batterie gewechselt werden soll und eine andere Batterie zum Einsatz kommen soll, die hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften von der vorhergehenden beziehungsweise gerätespezifischen Batterie abweicht. Durch die elektrischen Schaltmittel kann erreicht werden, dass beim Anschließen des Spannungsadapters an die neue Batterie diese zunächst vom Spannungswandler getrennt ist, damit dieser auf die neue Spannung eingestellt werden kann. Hierzu weist der Spannungsadapter Messmittel auf, mit denen das elektrische Potential und/oder die elektrische Spannung des zu verbindenden Anschlusses ermittelbar ist. Die Messmittel stehen mit der Auswerte- und Steuereinheit in signaltechnischer Verbindung, so dass die Auswerte- und Steuereinheit die an den Anschlüssen vorhandenen Spannungen und elektrischen Potentiale ermitteln und entsprechende Steuerbefehle unter anderem an den Spannungswandler beispielsweise über eine steuertechnische Verbindung oder dergleichen ausgibt. Natürlich können darüber hinaus auch Kontrollfunktionen, zum Beispiel für Messmittel, den Spannungswandler oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso können Diagnosefunktionen, insbesondere Selbstdiagnosefunktionen vorgesehen sein. Im vorgenannten Beispiel der ausgetauschten Batterie wird also zunächst mittels des Messmittels deren elektrische Spannung erfasst und der Spannungswandler auf diese Spannung mittels der Auswerte- und Steuereinheit eingestellt. Hierzu übermitteln die Messmittel das ermittelte elektrische Potential und/oder die elektrische Spannung in Form von Messwerten an die Auswerte- und Steuereinheit. Die Auswerte- und Steuereinheit kann in Form von einer analogen und/oder digitalen Steuerung ausgebildet sein. Diese liefert entsprechende Steuerbefehle an den Spannungswandler, der daraufhin die entsprechenden Einstellungen vornimmt. Die Messmittel können beispielsweise konventionelle Spannungsmessmittel oder dergleichen sein. In Frage kommen beispielsweise Spannungsmessbrücken, Spannungsmessteiler, Feldstärkesensoren oder dergleichen.

[0009] Der Spannungsadapter kann darüber hinaus dazu ausgerüstet sein, auch elektrische Potentialdifferenzen zwischen den zu koppelnden Einrichtungen zu überbrücken. Dies ist beispielsweise dann zweckmäßig, wenn eine elektrische Einrichtung mit ihrem Bezugspotential auf einer Phase eines öffentlichen Netzes angeschlossen ist, wohingegen eine andere elektrische Einrichtung, die mit der ersteren zu koppeln ist, auf einem Nullpotential liegt. Auf diese Weise kann ein weites Anwendungsfeld erschlossen werden, wodurch die Benutzerfreundlichkeit erheblich verbessert werden kann. Insbesondere zu erwähnen sind hierbei die vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten von elektrischen Einrichtungen insbesondere im Bereiche der elektrischen Energieversorgung von Geräten, vorzugsweise von Kleingeräten. So kann erreicht werden, dass für unterschiedliche Kleingeräte lediglich noch eine einzige Energieversorgungsquelle erforderlich ist. Dies ist unter anderem auch deshalb besonders benutzerfreundlich, weil der Nutzer eines derartigen Gerätes nicht mehr darauf achten muss, welche Energieversorgungsquelle er zur Energieversorgung seines Gerätes verwendet. Vorzugsweise kann ein Verpolungsschutz vorgesehen sein. Insbesondere die häufig auftretenden Gefahrenquellen hinsichtlich des verpolten Anschlusses und dergleichen können auf diese Weise vermieden werden. Für den Einsatz bei Wechselspannung kann eine Synchronisationseinheit vorgesehen sein, mit der ein sicheres Verbinden des Spannungsadapters mit der Einrichtung erreicht werden kann. Die Betriebssicherheit der Einrichtungen kann erheblich verbessert werden.

[0010] Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Spannungswandler einen DC/DC-Wandler. Mittels des DC/DC-Wandlers ist eine einfache Spannungswandlung möglich. Der DC/DC-Wandler erlaubt es, mit geringen Mitteln, bei hohem Wirkungsgrad und geringen Kosten eine effektive Wandlung der Spannungen zu erreichen. DC/DC-Wandler zeichnen sich im Übrigen dadurch aus, dass sie bei einer vorgebbaren Ausgangsspannung einen weiten Eingangsspannungsbereich erlauben. Auf diese Weise kann eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden, weil primärseitige Spannungsschwankungen durch entsprechende Steuerung des DC/DC-Wandlers ausgeglichen werden können. Sekundärseitig, dass heißt ausgangsseitig, steht demnach eine weitgehend konstant haltbare Spannung für die angeschlossene Einrichtung zur Verfügung. Dies erlaubt es natürlich darüber hinaus auch, einrichtungsseitig an Energieversorgungseinrichtungen höhere Ansprüche zu stellen, sodass Entstörmaßnahmen einfacher und kostengünstiger ausgebildet werden können.

[0011] Nach einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Spannungswandler einen Hochsetzsteller, einen Tiefsetzsteller und/oder einen Spannungsvervielfacher aufweist. Auf diese Weise können einfache und bewährte Schaltungskonzepte zum Einsatz kommen, die einen kostengünstigen Spannungsadapter erlauben.

[0012] Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Spannungsadapter eine galvanische Trenneinheit aufweist. Diese Ausgestaltungerlaubt eine weitgehende Unabhängigkeit von Bezugspotentialen der zu koppelnden elektrischen Einrichtungen. Die galvanische Trenneinheit kann beispielsweise durch einen Transformator, Kondensatoren, Widerstandskombinationen oder auch Kombinationen hiervon gebildet sein. Auf besonders kostengünstige Weise lassen sich demnach auch Sicherheitskleinspannungen erreichen, bei denen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit besonders hohe Anforderungen gestellt werden. Vorzugsweise ist die galvanische Trenneinheit zumindest teilweise Bestandteil des Spannungswandlers.

[0013] Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass eine Richtung des Energieflusses einstellbar ist. So kann vorgesehen sein, dass der Energiefluss lediglich in eine einzige vorgegebene Richtung erfolgt. Darüber hinaus kann eine Einstellmöglichkeit gegeben sein, sodass die Energieflussrichtung umgekehrt werden kann. Von Vorteil ist dies beispielsweise bei einem Anschluss eines Akkumulators an ein Kleingerät, der in regelmäßigen Abständen über das Kleingerät elektrisch geladen werden soll. Die Einstellung kann beispielsweise manuell erfolgen. Dazu kann ein entsprechender Schalter vorgesehen sein, mit dem die Richtung des Energieflusses vorgegeben werden kann. Natürlich kann die Richtung des Energieflusses auch von anderen äußeren Bedingungen abhängig eingestellt werden. So kann vorgesehen sein, dass ein Einstecken eines Ladegerätes an die zu koppelnde Einrichtung eine Umschaltung der Richtung des Energieflusses bewirkt, indem zum Beispiel ein mechanischer Kontakt beim Einstecken betätigt wird. Der Nutzer hat also die Kontrolle darüber, in welche Richtung der Energiefluss erfolgt. Insbesondere kann eine Polarität der angeschlossenen elektrischen Einrichtungen unterschiedlich sein. In diesem Fall nimmt der Spannungsadapter eine entsprechende Wandlung bei der energietechnischen Kopplung vor. Der Spannungsadapter kann Messmittel aufweisen, mit denen neben einer Spannungsmessung auch eine Polaritätsmessung erfolgen kann. Der Spannungsadapter wird ferner hinsichtlich der Polarität eingestellt.

[0014] Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Schaltmittel einen Transistor, insbesondere einen bipolaren Transistor, einen Feldeffekttransistor wie einen FET, einen MOSFET und/oder einen IGBT aufweisen. Den vorgenannten Schaltmitteln gemeinsam ist es, dass sie einerseits mit geringem Energieaufwand steuerbar sind und andererseits für einen Einsatz bei hohen Taktfrequenzen geeignet sind. Die Verwendung hoher Taktfrequenzen erlaubt es nämlich bekanntermaßen, die Bauelemente klein auszubilden. Trotz hoher Taktfrequenzen kann mit den vorgenannten Schaltmitteln ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Dies erweist sich nicht nur hinsichtlich des Energieverbrauchs an sich als vorteilhaft, sondern auch hinsichtlich der erzeugten Verlustwärme, sodass ein hoher Einsatztemperaturbereich der Vorrichtung bei geringer Baugröße erreicht werden kann.

[0015] Besonders vorteilhaft weist der Spannungsadapter eine Stromregelung und/oder eine Strombegrenzung auf. Dies ermöglicht es, auch bei Störungen bei einer der zu koppelnden Einrichtungen eine Überlastung der anderen zu koppelnden Einrichtung weitgehend zu vermeiden. Dies kann durch eine Strombegrenzung erreicht werden, wobei zusätzlich zur Stromerfassung auch eine Temperaturerfassung vorgesehen sein kann. So lassen sich zudem Überlastzustände aufgrund thermischer Überlastung berücksichtigen. Eine Stromregelung erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn beispielsweise eine der zu koppelnden Einrichtungen durch einen Akkumulator gebildet ist. Bekanntermaßen ist es bei Akkumulatoren vorteilhaft, diese nach einer vorgegebenen Ladekennlinie zu laden, um deren Betriebsbereitschaft möglichst lange aufrecht zu erhalten und einen hohen Ladewirkungsgrad zu erreichen. So kann für derartige Einrichtungen eine entsprechende geeignete Stromregelung vorgesehen sein. Die Stromregelung und/oder die Strombegrenzung können einstellbar ausgebildet sein. Die Einstellung kann vorzugsweise durch die Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen sein.

[0016] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Adapter ein Filtermittel aufweist. Das Filtermittel kann nicht nur dazu dienen, die Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit zu erfüllen, sondern es kann darüber hinaus eine weitgehende störungstechnische Entkopplung der Einrichtungen sowie des Spannungsadapters untereinander bewirken. Die Zuverlässigkeit des Betriebs der Einrichtungen kann weiter verbessert werden.

[0017] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Spannungsadapter eine Anzeigeeinheit aufweist. Die Anzeigeeinheit kann dazu dienen, die unterschiedlichen Betriebszustände des Adapters anzuzeigen. So können beispielsweise die Funktionsbereitschaft, die Energieflussrichtung, die Spannungen, der Strom oder dergleichen angezeigt werde. Auch weitere für den Betrieb des Adapters oder einer der Einrichtungen vorteilhafte Größen können angezeigt werden. Vorzugsweise weist der Spannungsadapter eine Eingabeeinheit auf. Die Eingabeeinheit kann beispielsweise lediglich in Form eines Schalters oder auch in Form einer Tastatur ausgebildet sein. Die Eingabeeinheit kann dazu dienen, beispielsweise die Energieflussrichtung vorzugeben oder auch bestimmte Spannungswerte der Einrichtungen, wie im Folgenden noch erläutert werden wird, einzustellen. Die Flexibilität des Spannungsadapters kann weiter verbessert werden.

[0018] Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Kopplung kapazitive, induktive und/oder resistive Mittel aufweist. Die Kopplung kann beispielsweise durch Kondensatoren, Induktivitäten, insbesondere Transformatoren oder dergleichen gebildet sein. Natürlich kommen alternativ oder zusätzlich auch elektrische Widerstände als resistive Mittel in Betracht, mit denen sich ein Kopplung erreichen lässt. Die induktiven Mittel können gerade bei Hochsetzstellern und bei Tiefsetzstellern auch lediglich durch eine einzelne Induktivität gebildet sein, wodurch eine konstruktiv einfache Schaltung erreicht werden kann. Transformatoren erweisen sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn neben der Anpassung auch eine galvanische Trennung erwünscht ist.

[0019] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Spannungsadapter ein tragbares Gehäuse aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, den Adapter mitzuführen und bedarfsgerecht mit den zu koppelnden Einrichtungen zu verbinden. Vorzugsweise ist das Gehäuse kompakt und von geringem Gewicht, wodurch eine einhändige Bedienung erreicht werden kann. Der Adapter kann in kleinen Taschen, insbesondere von Kleidungsstücken mitgeführt werden, so dass er jederzeit bei Bedarf zur Verfügung steht. Dies erlaubt es, eine hohe Flexibilität des Adapters zu erreichen. Der Spannungsadapter kann deshalb nicht nur für eine einzige Kombination von zu koppelnden Einrichtungen vorgesehen sein, sondern er kann bedarfsweise auch mit anderen zu koppelnden Einrichtungen verbunden werden, um eine entsprechende Energiekopplung zu erreichen. Vorzugsweise weist das Gehäuse dafür kleine Abmessungen auf. Die Abmessungen können beispielsweise denen einer Knopfzelle, eines Dongels oder dergleichen vergleichbar sein. Das hat den Vorteil, dass der Spannungsadapter leicht mitgeführt werden kann und jederzeit bedarfsweise mit den zu koppelnden Einrichtungen verbunden werden kann. Der Spannungsadapter kann Multifunktionssteckerverbinder aufweisen, mit denen er mit unterschiedlichen elektrischen Einrichtungen verbindbar ist. Die Flexibilität kann weiter verbessert werden. Darüber hinaus erlaubt ein kompakter und kleiner Aufbau, dass die Kosten für den Spannungsadapter weiter reduziert werden können. Aber auch der Flexibilität hinsichtlich des Einsatzes des Spannungsadapters sind kleine Abmessungen von Vorteil. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei akkumulatorbetriebenen Kleingeräten der Spannungsadapter zusätzlich in das Batteriefach eingebaut wird, so dass ein Betrieb des Kleingeräts mit unterschiedlichen Akkumulatoren beziehungsweise sogar mit Batterien ermöglicht wird. Vorteilhaft ist dies insbesondere auch auf Reisen, wenn entsprechende typspezifische Akkumulatoren und Batterien nicht verfügbar sind. Die Abmessungen können beispielsweise im Bereich von wenigen Zentimetern und je nach Leistung sogar im Bereich von wenigen Millimetern liegen. Dies erlaubt es zudem, dass der Spannungsadapter in wenigstens einer der zu koppelnden Einrichtungen integriert werden kann. Separate Gehäuse können auf diese Weise vereinfacht ausgestaltet werden. Daneben kann natürlich auch bei entsprechender Integrationsmöglichkeit das Gehäuse des Spannungsadapters gänzlich entfallen.

[0020] Vorzugsweise weist das Gehäuse eine Handhabe auf, mit der es manuell mit den entsprechenden zu koppelnden Einrichtungen betätigbar ist. So kann eine einfache Handhabung durch Nutzer erreicht werden.

[0021] Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum energietechnischen Koppeln von elektrischen Einrichtungen, die mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden, vorgeschlagen, wobei ein an die zu koppelnden Einrichtungen angeschlossener Spannungsadapter verwendet wird, mit dem einer Einrichtung elektrische Energie entnommen, gewandelt und einer weiteren Einrichtung zugeführt wird, wobei die Spannungen und/oder die elektrischen Potentiale der angeschlossenen Einrichtungen ermittelt werden, der Spannungsadapter auf die Spannungen und/oder die elektrischen Potentiale eingestellt wird und ein Energiefluss zwischen den Einrichtungen hergestellt wird.

[0022] Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, zu koppelnde Einrichtungen spannungs- und/oder potentialmäßig anzupassen, so dass ein Energieaustausch zwischen den Einrichtungen ermöglicht wird. Dabei erlaubt das Verfahren einen Energiefluss sowohl in die eine Richtung als auch in die Gegenrichtung. Zunächst werden die Spannungen und/oder die elektrischen Potentiale der angeschlossenen Einrichtungen ermittelt, beispielsweise, in dem die elektrischen Spannungen mittels geeigneter Sensorik gemessen werden. Die Messwerte dienen dazu, den Spannungsadapter auf die Spannungen der zu koppelnden Einrichtungen einzustellen, so dass ein störungsfreier, bestimmungsgemäßer Betrieb erreicht werden kann. Sodann wird die elektrische Verbindung zwischen den zu koppelnden Einrichtungen über den angeschlossenen Spannungsadapter hergestellt und ein Energiefluss ermöglicht.

[0023] Vorzugsweise erfolgt der Energiefluss in eine vorgebbare Richtung. Vorteilhaft ist dies beispielsweise bei der Verwendung von Batterien als eine der zu koppelnden Einrichtungen, bei denen ein Energiefluss in Richtung Batterie vermieden werden soll, um gefährliche Zustände zu vermeiden. Die vorgebbare Richtung kann beispielsweise manuell oder auch fest vorgebbar eingestellt sein.

[0024] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass sich die Richtung des Energieflusses automatisch einstellt. Diese Ausgestaltung erweist sich unter anderem dann als vorteilhaft, wenn beispielsweise eine der zu koppelnden Einrichtungen durch einen Akkumulator gebildet ist. Die Variabilität hinsichtlich des Richtung des Energieflusses erlaubt es dann nämlich, dass dem Akkumulator sowohl Energie entnommen als auch zugeführt werden kann. Hierbei ist es natürlich zweckmäßig, wenn eine automatische Einstellung der Richtung des Energieflusses erfolgt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass geringfügige Spannungsschwankungen bei der Energieversorgung der zu koppelnden Einrichtung in Form eines Kleingerätes detektiert werden, beispielsweise um den Anschluss eines Ladegerätes zu ermitteln. Wird ein im Betrieb befindliches Ladegerät detektiert, wird die Energieflussrichtung durch Umkehrung des Stroms im Spannungsadapter in Richtung Akkumulator umgekehrt. Auf diese Weise kann der Akkumulator automatisch geladen werden, sobald ein Ladegerät an das Kleingerät angeschlossen ist. Daneben kann auch eine elektromechanische Detektion eines Ladegerätes vorgesehen sein, beispielsweise mittels Schalter, Relais oder dergleichen.

[0025] Nach einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das elektrische Potential und/oder die Spannung automatisch ermittelt wird. Auf diese Weise sind nutzerseitig keine weiteren Aktivitäten erforderlich, um eine bestimmungsgemäße Funktion des Spannungsadapters mit den zu koppelnden elektrischen Einrichtungen zu gewährleisten. Es müssen lediglich die elektrischen Verbindungen der zu koppelnden elektrischen Einrichtungen mit dem Spannungsadapter hergestellt werden. Dieser ermittelt dann automatisch die entsprechenden Parameter und stellt seinen Spannungswandler darauf ein.

[0026] Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Ermitteln des elektrischen Potentials und/oder der elektrischen Spannung wiederholt wird. Auf diese Weise kann eine erhöhte Zuverlässigkeit gewährleistet werden, und zwar insbesondere auch dann, wenn eine der zu koppelnden elektrischen Einrichtungen ausgetauscht wird gegen eine, die gegebenenfalls andere elektrische Parameter aufweist. Das Ermitteln kann in fest vorgegebenen oder auch vorgebbaren Zeitintervallen erfolgen.

[0027] Besonders vorteilhaft eignet sich das Verfahren dann, wenn eine Gleichspannung verwendet wird. Hierdurch kann mit besonders einfachen Mitteln eine entsprechende Wandlung erreicht werden.

[0028] Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Gleichspannung geglättet und/oder gefiltert wird. Die Glättung kann beispielsweise mittels Drosseln, Kondensatoren, oder Netzwerken hiervon gebildet sein, die darüber hinaus auch elektrische Widerstände enthalten können. Durch eine gut geglättete Gleichspannung kann eine zuverlässige Funktion der zu koppelnden elektrischen Einrichtungen erreicht werden. Gleiches gilt im Übrigen auch für eine Filterung, die neben den vorgenannten Bauelementen auch konstruktive Maßnahmen, beispielsweise Schirmungen, metallische Gehäuse und dergleichen umfassen kann. Die Filterung erlaubt es, Anforderungen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit zu erreichen, beziehungsweise zu verbessern. Die Zuverlässigkeit der Funktion kann weiter verbessert werden.

[0029] Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn eine DC/DC-Wandlung verwendet wird. Moderne DC/DC-Wandler zeichnen sich durch große Kompaktheit bei geringen Kosten und hohen Wirkungsgrad aus. Besonders vorteilhaft erweist sich ihr Einsatz bei der Verwendung von Gleichspannungen, so dass keine weiteren Umrichter oder dergleichen benötigt werden.

[0030] Um Störungen der zu koppelnden Einrichtungen und des Spannungsadapters untereinander sowie auch nach außen zu reduzieren, kann vorgesehen sein, dass eine variable Taktfrequenz verwendet wird. Die Taktfrequenz ist eine Frequenz eines Steuersignals für getaktete Spannungswandler, mit dem Schaltmittel zum Zwecke der Spannungswandlung betätigt werden. Die Taktfrequenz kann variabel sein. Die Taktfrequenz für den Spannungswandler kann beispielsweise einstellbar gewählt sein. So können entsprechende Stellmittel vorgesehen sein, mit denen die Taktfrequenz kontinuierlich eingestellt werden kann. Natürlich können auch unterschiedliche diskrete Werte für die Taktfrequenz vorgesehen sein, die es erlauben, mit vereinfachten Einstellmöglichkeiten eine Variation der Taktfrequenz zu ermöglichen. Zur Verbesserung des Störverhaltens kann ferner vorgesehen sein, dass die Taktfrequenz zudem mit einer Modulation versehen ist, um beispielsweise Störspektren und dergleichen zu reduzieren. Die elektromagnetische Verträglichkeit kann weiter verbessert werden.

[0031] Nach einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein Testsignal auf die zu koppelnde elektrische Einrichtung gegeben wird. So können beispielsweise elektrische Parameter der Einrichtung ermittelt werden, die es erlauben, den Spannungsadapter optimal hinsichtlich der elektrischen Einrichtung einzustellen. Das Testsignal kann beispielsweise durch einen Spannungsimpuls, durch Aufschaltung eines Widerstands oder dergleichen gebildet sein.

[0032] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass ein elektrisches Potential und/oder eine Spannung einer weiteren elektrischen Einrichtung fest eingestellt wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Spannungsadapter auf die elektrische Spannung eines mit ihm verbundenen Akkumulators eingestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Akkumulator mit dem Spannungsadapter zugleich überwacht werden kann. Alternativ kann natürlich vorgesehen sein, dass die elektrische Spannung der weiteren zu koppelnden Einrichtung fest eingestellt wird, beispielsweise der elektrischen Spannung eines Kleingerätes. Dies erlaubt es, dass ein Energiefluss zwischen den zu koppelnden Einrichtungen über den Spannungsadapter automatisch ermittelt werden kann.

[0033] Ferner wird vorgeschlagen, dass die Richtung des Energieflusses gewechselt wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine der angeschlossenen zu koppelnden Einrichtungen durch einen Akkumulator gebildet ist und zwischen einem Ladezustand und einem Entladezustand automatisch gewechselt werden soll. Dies ist beispielsweise der bestimmungsgemäße Betrieb bei akkumulatorbetriebenen Kleingeräten, wodurch die Anwendung des Spannungsadapters weiter verbessert werden kann. Vorzugsweise erfolgt das Wechseln der Richtung des Energieflusses automatisch, so dass nutzerseitig keine Eingriffe in den Energiewechsel erforderlich sind. Gerade bei dem vorgesehenen weiten Anwendungsfeld im Kleingerätebereich erweist sich dies als vorteilhaft, sodass nutzerseitig keine umfangreichen Kenntnisse hinsichtlich verwendbarer Akkumulatoren erforderlich sind.

[0034] In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass im Spannungsadapter Kenndaten wenigstens einer zu koppelnden Einrichtung gespeichert werden. Dies erlaubt es, dass der Spannungsadapter auf die zu koppelnde Einrichtung optimal angepasst werden kann, ohne dass manuelle Eingaben beziehungsweise Einstellungen erforderlich wären. Der bestimmungsgemäße Betrieb kann weiter verbessert werden.

[0035] Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Spannungsadapter eine elektronisch detektierbare Identifikation wenigstens einer zu koppelnden Einrichtung erfasst. So kann nicht nur das Vorhandensein einer identifizierbaren Einrichtung erkannt werden, sondern der Spannungsadapter kann auch ohne manuelle Eingriffe die entsprechenden Einstellungen vornehmen, so dass ein unmittelbarer Betrieb der zu koppelnden Einrichtung erreicht werden kann, ohne dass weitere Messungen oder dergleichen erforderlich wären.

[0036] Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Identifikation Betriebsparameter der zu koppelnden Einrichtung umfasst. Dies vereinfacht die Einstellung des Spannungsadapters, wobei im Spannungsadapter selbst keinerlei Informationen über Betriebsparameter der Einrichtung vorhanden sein müssen. Er kann diese automatisch aus der Identifikation der zu koppelnden Einrichtung entnehmen und entsprechende Einstellungen vornehmen. Die Flexibilität des Spannungsadapters kann weiter verbessert werden.

[0037] Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Im Wesentlichen gleichbleibende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner wird bezüglich gleicher Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel in Figur 1 verwiesen. Die Zeichnungen sind Schemazeichnungen und dienen lediglich der Erläuterung des folgenden Ausführungsbeispiels.

[0038] Es zeigen:

Fig.1

ein Prinzipschaltbild eines Spannungsadapter gemäß der Erfindung,

Fig.2

schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters,

Fig.3

eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler in einem schematischen Prinzipschaltbild,

Fig.4

ein schematisches Prinzipschaltbild für eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters mit einem DC/DC-Wandler im Gegentaktbetrieb und

Fig.5

ein schematisches Prinzipschaltbild für eine Abwandlung des Spannungsadapters nach Fig. 4.

[0039] Figur 1 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters mit einem ersten Anschluss 16 sowie einem zweiten Anschluss 14, wobei am ersten Anschluss 16 ein Akkumulator 10 angeschlossen ist und am zweiten Anschluss 14 die Energieversorgung eines Mobilfunkendgeräts 12. Vorliegend dient der Spannungsadapter zum Koppeln zweier Einrichtungen, die für Gleichspannung vorgesehen sind. Vorliegend soll das Mobilfunkendgerät 12 an Stelle des üblicherweise verwendeten Lithium-Ionen-Akkumulators mittels eines Blei-Säure-Akkumulators betrieben werden. Vorliegend ist der Blei-Säure-Akkumulator 10 für eine Nennspannung von 6 Volt ausgelegt, wohin gegen das Mobilfunkendgerät für eine Betriebsspannung von 3,6 Volt vorgesehen ist. Die Anpassung wird nunmehr mittels eines Spannungsadapters 50 gemäß der Erfindung vorgenommen, der die Spannung des Akkumulators erkennt und auf die gewünschte Spannung des Mobilfunkendgerätes 12 herabsetzt. Hierzu weist der Spannungsadapter 50 einen Spannungswandler 18 auf. Der Spannungswandler 18 seinerseits weist einen Hochsetzsteller 32 sowie einen Tiefsetzsteller 34 auf. Der Hochsetzsteller 32 sowie der Tiefsetzsteller 34 kommen alternativ für eine geeignete Spannungswandlung zum Einsatz und werden durch eine Auswerte- und Steuereinheit 24 entsprechend angesteuert. Parallel geschaltet zum Spannungswandler 18, der hier als unidirektionaler Spannungswandler ausgebildet ist, ist ein zweiter, nicht näher dargestellter im wesentlichen identischer Spannungswandler vorgesehen, der für einen Energiefluss in umgekehrter Richtung vorgesehen ist. Die folgenden Ausführungen gelten für beide Spannungswandler gleichermaßen, wobei lediglich zu berücksichtigen ist, dass der Energiefluss jeweils in umgekehrter Richtung erfolgt. Durch geeignete Mittel, hier im Wesentlichen Endkopplungsdioden 52, 54, 56, 58 sind die Spannungswandler voneinander elektrisch endkoppelt.

[0040] Die Anschlüsse 14, 16 sind elektrisch zunächst auf Relais 20, 22 geschaltet, mit denen die Anschlüsse 14, 16 vom Spannungswandler 18 elektrisch getrennt werden können. Hierzu werden die Relais 20, 22 durch die Auswerte- und Steuereinheit 24 entsprechend angesteuert. Alternativ könnten anstelle der Relais auch elektronische Schaltmittel zum Einsatz kommen. Natürlich kann auch der Spannungswandler einen hohen Betriebsspannungsbereich aufweisen, so dass die Trennfunktion der Relais 20, 22 eingespart werden kann. Zu Beginn einer Inbetriebnahme sind die Relais 20, 22 im unterbrochenen Zustand, so dass die Anschlüsse 14, 16 nicht mit dem Spannungswandler 18 verbunden sind. Der Spannungswandler 18 ist in diesem Zustand deaktiviert.

[0041] Sowohl zwischen dem Relais 20 und dem Anschluss 16 als auch zwischen dem Relais 22 und dem Anschluss 14 ist jeweils ein Spannungsabgriff vorgesehen, der mit Spannungssensoren 26, 28 gekoppelt ist. Diese messen die jeweilige Spannung an den Anschlüssen 14, 16 und leiten ein entsprechendes Signal an die Auswerte- und Steuereinheit 24 weiter. Auf dieser Weise erhält die Auswerte- und Steuereinheit 24 Informationen bezüglich der an den Anschlüssen 14, 16 anstehenden elektrischen Spannungen.

[0042] Der Hochsetzsteller 32 besteht unter anderem aus dem NPN-Transistor 68 sowie der Spule 42 in Verbindung mit der Diode 72. Durch Ansteuerung des Transistors 68 über eine Leitung 66 durch die Auswerte- und Steuereinheit 24 wird mit einem Taktsignal der Transistor periodisch ein- und ausgeschaltet, und zwar mit einer Taktfrequenz von vorliegend im Bereich von etwa 48 kHz. Hierdurch ist das bekannte Hochsetzstellprinzip realisiert. Eingeschaltet wird der Hochsetzsteller über einen durch die Auswerte- und Steuereinheit 24 ansteuerbaren Transistor 76. Der Hochsetzsteller 32 erzeugt eine größere Ausgangsspannung als die Eingangsspannung.

[0043] Parallel zum Hochsetzsteller 32 ist ein Tiefsetzsteller 34 angeordnet, der alternativ vorgesehen ist, um kleinere Spannungen als die Eingangsspannung am Anschluss 16 zu erzeugen. Hierzu ist ein PNP-Transistor 70 vorgesehen, der in Reihe mit einer Spule 44 sowie einer Freilaufdiode 74 verschaltet ist. Der Transistor 70 wird von der Auswerte- und Steuereinheit 24 über eine Leitung 64 entsprechend dem Transistor 68 angesteuert. Im Falle des Tiefsetzstellens ist der Tiefsetzsteller 34 durch die Auswerte- und Steuereinheit 24 aktiviert, wohingegen der Hochsetzsteller 32 deaktiviert ist, indem nämlich die Transistoren 68, 76 abgeschaltet sind. Im umgekehrten Fall ist der Transistor 76 permanent eingeschaltet und der Transistor 68 durch die Auswerte- und Steuereinheit 24 getaktet angesteuert, wohingegen der Transistor 70 permanent ausgeschaltet ist. Auf diese Weise kann bedarfsgerecht zwischen Hochsetzstellen und Tiefsetzstellen durch die Auswerte- und Steuereinheit 24 geschaltet werden.

[0044] Im vorliegenden Fall ist ein Tiefsetzstellen erforderlich, weil die elektrische Spannung des Akkumulators 10 höher als die zulässige Versorgungsspannung des Mobilfunkendgerätes 12 ist. Die Transistoren 76 und 68 sind deshalb ausgeschaltet. Es wird lediglich der Transistor 70 getaktet angesteuert, sodass ein Energiefluss von Akkumulator 10 durch den Spannungsadapter 50 zum Mobilfunkendgerät 12 ermöglicht wird. Sekundärseitig ist ein Filter 36 vorgesehen, welcher vorliegend aus zwei Kondensatoren sowie einem Widerstand in π-Schaltungstechnik gebildet ist. Der Filter dient zur Glättung der gewandelten Spannung und zur Unterdrückung von Störungen. Vom Filter 36 wird die Energie über das Relais 22 und den Anschluss 14 an das Mobilfunkendgerät 12 bereitgestellt.

[0045] Wird nun das Mobilfunkendgerät 12 an ein Ladegerät (nicht dargestellt) angeschlossen, so wird der Spannungsanstieg am Anschluss 14, der hierdurch verursacht wird, durch den Spannungssensor 28 detektiert und an die Auswerte- und Steuereinheit 24 gemeldet. Diese deaktiviert nunmehr den Tiefsetzsteller 34, sodass der Energiefluss vom Akkumulator 10 zum Mobilfunkendgerät 12 unterbrochen ist. Es wird nunmehr der nicht mehr dargestellte zweite Spannungswandler aktiviert, und zwar dessen Hochsetzsteller, der dem Hochsetzsteller 32 des Spannungswandlers 18 entspricht. Auf diese Weise wird ein umgekehrter Energiefluss erreicht, so dass elektrische Energie vom Mobilfunkendgerät 12 über den Anschluss 14 und das Relais 32 zum Hochsetzsteller gelangt und von dort in eine Ladespannung für den Akkumulator 10 umgewandelt wird, die vom Hochsetzsteller über das Relais 20 und den Anschluss 16 bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann der Akkumulator 10 geladen werden. Wird am Anschluss 14 wieder ein Rückgang der Spannung detektiert, weil das Ladegerät vom Mobilfunkendgerät 12 abgeschaltet wird, so wird der Hochsetzsteller deaktiviert und es erfolgt durch Aktivierung des Tiefsetzstellers 34 eine Energieversorgung des Mobilfunkendgerätes 12 aus dem Akkumulator 10 in der oben beschriebenen Weise. Der Energiefluss ist damit wiederum umgekehrt.

[0046] Wird nun der Akkumulator 10 durch einen anderen Akkumulator ersetzt, beispielsweise einen Akkumulator mit einer Nennspannung von 3 Volt, so wird dieser Wechsel durch den Spannungssensor 26 detektiert und entsprechend an die Auswerte- und Steuereinheit 24 gemeldet. Die Auswerte- und Steuereinheit 24 stellt zunächst das Abklemmen des Akkumulators 10 fest und schaltet das Relais 20 ab, sodass der Anschluss 16 vom Spannungswandler 18 abgeklemmt ist. Zugleich wird der Spannungswandler 18 abgeschaltet, wie oben beschrieben. Nachdem nun der neue Akkumulator mit dem Anschluss 16 verbunden ist, wird die Spannung durch den Spannungssensor 26 detektiert und entsprechend an die Auswerte- und Steuereinheit 24 gemeldet. Diese stellt Taktzeiten und Steuerkurven entsprechend ein, so dass der Spannungswandler 18 bestimmungsgemäß betrieben werden kann. Danach wird das Relais 20 eingeschaltet und der Wandlungsbetrieb kann beginnen, indem der Spannungswandler 18 aktiviert wird. Da hier nun die Spannung des Akkumulators kleiner ist als die für das Mobilfunkendgerät 12 erforderliche Versorgungsspannung, wird der Hochsetzsteller 32 wie oben beschrieben, aktiviert. Der Ladevorgang des Akkumulators erfolgt im Wesentlichen, wie oben bereits für den Akkumulator 10 beschrieben, jedoch wird statt des Hochsetzstellers ein Tiefsetzsteller aktiviert, da die Spannung des Mobilfunkendgerätes 12 kleiner als die des Akkumulators ist. Im Wesentlichen wird auf die vorangehenden Beschreibungsteile verwiesen.

[0047] Die Auswerte- und Steuereinheit 24 ist ferner elektrisch verbunden mit einer alphanummerischen Anzeige 40 sowie einer Eingabetastatur 38. Über die Eingabetastatur 38 ist es möglich, die Energieflussrichtung fest vorgegeben einzustellen. Darüber hinaus kann für einen der Anschlüsse 14, 16 eine Spannung fest eingestellt werden. Vorliegend ist dies die Spannung des Mobilfunkendgerätes am Anschluss 14. Auf dieser Weise ist es möglich, dass die Auswerte- und Steuereinheit 24 automatisch erkennt, wann das Mobilfunkendgerät 12 im Ladebetrieb ist. So kann die Auswerte- und Steuereinheit 24 die Ladung des Akkumulators 10, wie oben beschrieben, automatisch veranlassen. Natürlich kann auch vorgegeben sein, dass sich die Auswerte- und Steuereinheit 24 automatisch bei einer ersten Inbetriebnahme initialisiert, das heißt am Anschluss 14 eine Nennspannung ermittelt und darauf basierend ihre Steuerung und Regelung ausrichtet. Die Initialisierungsphase kann entweder manuell oder bei einem ersten Einschalten aktiviert werden. Die manuelle Aktivierung kann beispielsweise durch Betätigen einer Taste der Eingabetastatur 38 erfolgen.

[0048] Nicht dargestellt ist ferner eine Strombegrenzung, mit der sichergestellt wird, dass sowohl der Spannungsadapter 50 als auch die angeschlossenen Einrichtungen in Form des Akkumulators 10 sowie des Mobilfunkendgerätes 12 nicht überlastet werden können. Die Strombegrenzung dient darüber hinaus zugleich als Verpolungsschutz, in dem sichergestellt wird, dass ein maximal zulässiger Strom nicht überschritten werden kann. Daneben kann natürlich auch eine separate Strombegrenzung vorgesehen sein, die bei Überschreiten eines maximal zulässigen Stroms eine Abschaltung der Spannungswandler 18 zur Folge hat und eine entsprechende Meldung auf der alphanummerischen Anzeige 40 wiedergibt. Durch Betätigen einer Taste kann ein erneuter Start der Auswerte- und Steuereinheit 24 veranlasst werden. Dies erfolgt vorzugsweise nach Beheben der Verpolung.

[0049] Figur 2 zeigt nun eine mechanische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spannungsadapters 50. Vorliegend weist der Spannungsadapter 50 ein Gehäuse 46 auf, welches eine zungenförmige Verlängerung 76 aufweist, die an einem Ende am Gehäuse 46 angeformt ist und an ihrem gegenüberliegenden Ende eine rechtwinklig umgebogene Lasche 78 aufweist. Gehäuse 46, Verlängerung 76 in Verbindung mit Lasche 78 bilden einen Aufnahmeraum für den Akkumulator 10. An der Lasche 76 sowie am Gehäuse 46 sind Kontakte des Anschlusses 16 ausgebildet, die vorliegend durch Federkontakte gebildet sind. Gegenüberliegend zu den Kontakten des Anschlusses 16 sind an der Lasche 78 sowie am Gehäuse 46 Kontakte des Anschlusses 14 ausgebildet, die ebenfalls als Federkontakte ausgebildet sind. Das Gehäuse in Verbindung mit der Verlängerung 76 und der Lasche 78 ist von seinen Abmessungen her derart ausgebildet, dass es in das Akkumulatorfach des Mobilfunkendgerätes 12 (nicht dargestellt) eingesetzt werden kann. Die Elektronik des Spannungsadapters 50 ist in hochintegrierter Weise in Dickfilmtechnik ausgebildet, wobei die Halbleiterchips der Halbleiter direkt auf einem Substrat aufgebracht sind. Vorliegend sind die Drosseln als SMD-Bauelemente auf dem Substrat ebenfalls aufgebracht. Die gesamte Elektronik befindet sich vorliegend auf einer Fläche von etwa 1 cm². An der Vorderseite sowie auch an der Rückseite sind am Gehäuse 46 Griffbereiche 48 ausgebildet, die es erlauben, das Gehäuse 46 sicher zu ergreifen und zu platzieren. Die äußeren Abmessungen des Gehäuses 46 liegen bei etwa 1cm x 1cm x 5cm. Sie können je nach Anwendung variieren

[0050] Auf diese Weise ist der Spannungsadapter 50 einfach nachrüstbar. Seine kompakte Bauform erlaubt es darüber hinaus, den Spannungsadapter 50 permanent mitzuführen, so beispielsweise auf Reisen und dergleichen. Auf diese Weise kann eine Unabhängigkeit von spezifischen Energieträgern und dergleichen erreicht werden. Sollte ein Akkumulator im Mobilfunkendgerät defekt werden, besteht mittels des Spannungsadapters 50 die Möglichkeit, das Mobilfunkendgerät 12 mit einem alternativen Akkumulator zu verbinden, um die Funktionsbereitschaft wiederherzustellen. Vorteilhaft ist dies vor allen Dingen dann, wenn herstellerseitig vorgeschriebene Ersatzteile nicht verfügbar sind.

[0051] Natürlich bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, den Spannungsadapter 50 in eine der zu koppelnden Einrichtungen zu integrieren. Gegebenenfalls kann dadurch ein Gehäuse vereinfacht oder sogar eingespart werden.

[0052] In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler dargestellt. Figur 3 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild, in dem lediglich die die bestimmungsgemäße Funktion bereitstellenden, wesentlichen Elemente dargestellt sind. Der gestrichelte Bereich umfasst die Elemente eines Spannungsadapters 112, der zur energietechnischen Kopplung eines Akkumulators 80 als erste elektrische Einrichtung und einer elektrischen Einrichtung 108 als zweite elektrische Einrichtung vorgesehen ist. Der Spannungsadapter 112 weist ein Anschlussklemmenpaar 114 auf, an dem der Akkumulator 80 mit seinen zwei Anschlüssen angeschlossen ist. Darüber hinaus weist der Spannungsadapter 112 ein Anschlussklemmenpaar 116 auf, um zwei Anschlüsse der elektrischen Einrichtung 108 kontaktieren zu können. Vorliegend ist der Spannungsadapter 112 dafür ausgelegt, zwei elektrische Einrichtungen 80, 108 gleicher Polarität energietechnisch zu koppeln.

[0053] Sowohl das Anschlussklemmenpaar 114 als auch das Anschlussklemmenpaar 116 sind jeweils über nicht näher bezeichnete Leitungen mit Spannungsmesssensoren 92, 94 verbunden, mit denen die elektrische Spannung des jeweiligen Anschlussklemmenpaars 114, 116 ermittelt werden kann. Über Signalleitungen 98, 100 sind die Spannungsmesssensoren 92, 94 in signaltechnischer Verbindung mit einer Steuerung 96, die die Signale der Spannungsmesssensoren 92, 94 vorliegend kontinuierlich auswertet und für Steuerungszwecke verwendet.

[0054] Mit den Anschlussklemmenpaaren 114, 116 sind 2-polige Schalter 82, 110 verbunden, die eine galvanische Trennung des jeweiligen Anschlussklemmenpaars 114, 116 von der weiteren elektronischen Schaltung des Spannungsadapters 112 erlauben. Die 2-poligen Schalter 82, 110 sind durch die Steuerung 96 gesteuert, so dass die Steuerung 96 vor Aktivieren der 2-poligen Schalter 82, 110 die jeweiligen Klemmenspannungen an den Anschlussklemmenpaaren 114, 116 ermitteln kann, um festzustellen, dass diese in einem zulässigen Betriebsbereich für den Spannungsadapter 112 liegen. Auf diese Weise können gefährliche Zustände, Verpolungen und dergleichen ermittelt werden. Liegt eine entsprechende Fehlerdetektion durch Auswertung der Signale der Spannungsmesssensoren 92, 94 vor, wird der entsprechende 2-polige Schalter 82, 110 nicht eingeschaltet und eine Störungsmeldung über eine nicht näher dargestellte optische Anzeige ausgegeben.

[0055] Liegen dagegen die ermittelten Werte für die elektrischen Spannungen an den Anschlussklemmenpaaren 114, 116 in den jeweiligen zulässigen Betriebsbereichen, wird durch die Steuerung 96 das Einschalten der jeweiligen 2-poligen Schalter 82, 110 veranlasst. Auf diese Weise ist dann die Elektronik des Spannungsadapters 112 mit den jeweiligen elektrischen Einrichtungen 80, 108 elektrisch verbunden.

[0056] In der vorliegenden, vereinfachten Darstellung gemäß Figur 3 ist eine Elektronik zwischen den 2-poligen Schaltern 82, 110 vorgesehen, die die energietechnische Kopplung bewirkt. Vorliegend gehören hierzu eine Induktivität 84, ein bipolarer Transistor 86 sowie eine Freilaufdiode 88, ein MOSFET-Schalttransistor 90, zwei Kondensatoren 102, 104 sowie ein elektrischer Widerstand 106. Sowohl der bipolare Schalttransistor 86 als auch der MOSFET-Schalttransistor 90 sind über Steuerleitungen 118, 120 durch die Steuerung 96 gesteuert. Vorliegend arbeiten die Transistoren 86, 90 im Schaltbetrieb und werden durch die Steuerung 96 entsprechend getaktet ein- beziehungsweise ausgeschaltet. Durch das Tastverhältnis wird der Energiefluss hinsichtlich der Richtung sowie der Energiemenge beziehungsweise der Leistung gesteuert. Im Einzelnen läuft die energietechnische Kopplung wie folgt ab:

[0057] In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die elektrische Klemmenspannung des Akkumulators 80 kleiner ist als die elektrische Betriebsspannung der elektrischen Einrichtung 108. Um nun Energie vom Akkumulator 80 zur elektrischen Einrichtung 108 zu fördern, arbeitet der Spannungsadapter 112 als DC/DC-Wandler im Hochsetzstellmodus. Hierzu wird der bipolare Schalttransistor 86 über die Steuerleitung 118 von der Steuerung 96 getaktet angesteuert. Der Emitter des bipolaren Schalttransistors 86 ist durch die Steuerung 96 geführt, so dass dessen Strom überwacht werden kann. Dagegen wird der MOSFET-Schalttransistor 90 über die Steuerleitung 120 im ausgeschalteten Zustand gehalten.

[0058] Die vorliegende Schaltung macht sich eine Eigenschaft des MOSFET-Schalttransistors 90 zu Nutze, nämlich eine parasitäre Inversdiode, die üblicher Weise aufgrund des Herstellungsprinzips des MOSFET-Schalttransistors 90 vorhanden ist. Diese Diode wird zur Gleichrichtung in der vorliegenden Ausgestaltung verwendet. Mit dem bipolaren Schalttransistor 86 wird im eingeschalteten Zustand die Induktivität 84 im Wesentlichen parallel zum Akkumulator 80 geschaltet, woraufhin ein linear ansteigender Stromfluss die Folge ist. Wird der bipolare Schalttransistor 86 abgeschaltet, wird der Stromfluss durch die Induktivität 84 aufrechterhalten und durch die parasitäre Diode des MOSFET-Schalttransistors 90 in den Kondensator 102 erzwungen. Hierdurch wird der Kondensator 102 entsprechend geladen. Der weitere Kondensator 104 sowie der mit diesem verbundene Widerstand 106 bilden zusammen mit dem Kondensator 102 ein π-Filter, welches die auf diese Weise gewonnene elektrische Spannung glättet. Diese wird dann aus dem Kondensator 104 über den 2-poligen Schalter 110 und die Anschlussklemmen 116 der elektrischen Einrichtung 108 zugeführt. Zwei an dem Widerstand 106 angeschlossene Messleitungen 122, 124 dienen zur Erfassung des elektrischen Stromes, der vom Spannungsadapter 112 an die elektrische Einrichtung 108 geliefert wird. Hierzu wird die Differenzspannung der beiden Messleitungen 122, 124 entsprechend ausgewertet und über das ohmische Gesetz der elektrische Strom ermittelt. Der Strom ist kein reiner Gleichstrom, sondern von Schwingungen aufgrund des Wandlers überlagert.Vorliegend ist eine Mittelwertbildung vorgesehen. Natürlich kann daneben auch eine Effektivwertmessung sowie eine reine Polaritätsmessung in Verbindung mit der Effektivwertmessung vorgesehen sein. Natürlich wird auch mit dem Widerstand 106 der maximal zulässige Stromfluss überwacht, so dass gefährliche Zustände aufgrund von Überlastung vermieden werden können.

[0059] Im Falle des Energietransports von der elektrischen Einrichtung 108 zum Akkumulator 80 arbeitet die Schaltung wie folgt:

[0060] Der bipolare Schalttransistor 86 wird über die Steuerleitung 118 im gesperrten Zustand gehalten. Stattdessen wird über die Steuerleitung 120 der MOSFET-Schalttransistor 90 entsprechend im Schaltbetrieb getaktet. Im eingeschalteten Zustand fließt ein Strom vom Kondensator 102 über den MOSFET-Schalttransistor 90 sowie die Induktivität 84 in den Akkumulator 80. Wird nun der MOSFET-Schalttransistor 90 über die Steuerleitung 120 abgeschaltet, so wird der Stromfluss durch die Induktivität 84 in den Akkumulator 80 aufrechterhalten, wobei der Stromkreis über die Freilaufdiode 88 geschlossen wird. Der Strom fließt solange, bis der Energieinhalt der Induktivität 84 aufgebraucht ist. Danach wird der MOSFET-Schalttransistor 90 erneut eingeschaltet. Auf diese Weise kann der Akkumulator 80 durch Energie aus der elektrischen Einrichtung 108 geladen werden, obwohl die energieliefernde Spannung größer ist als die Akkumulatorspannung.

[0061] Im letztgenannten Fall arbeitet der Spannungsadapter 112 als Tiefsetzsteller. An den Anschlussklemmen 114 ist somit die elektrische Spannung niedriger als an den Anschlussklemmen 116. Zur Überwachung des Stromflusses des MOSFET-Schalttransistors 90 sind Messleitungen 126, 128 vorgesehen, die mit der Steuerung 96 verbunden sind. Dabei wird ein Effekt des MOSFET-Schalttransistors 90 genutzt, nämlich dass dieser im eingeschalteten Zustand sich wie ein niederohmiger Widerstand verhält. Aus dem Spannungsabfall am MOSFET-Schalttransistor 90 kann deshalb der momentane Stromfluss ermittelt werden. Hierzu wird die Differenzspannung der Messleitungen 126, 128 von der Steuerung 96 ausgewertet.

[0062] Durch Wahl des Tastverhältnisses zwischen eingeschalteter Zeit und ausgeschalteter Zeit des bipolaren Schalttransistors 86 als auch des MOSFET-Schalttransistors 90 kann der jeweilige mittlere Stromfluss eingestellt werden. Dies erlaubt es, den Akkumulator 80 hinsichtlich seiner charakteristischen Daten optimal zu steuern.

[0063] Die Steuerung 96 ist in der Lage, auf Veränderungen an der elektrischen Einrichtung 108 beziehungsweise an dem Akkumulator 80 zu reagieren. Steigt beispielsweise die elektrische Spannung an der elektrischen Einrichtung 108 an, beispielsweise weil diese an ein netzgeführtes Versorgungsgerät angeschlossen wird, kann dieser Spannungsanstieg detektiert werden und die Steuerung 96 kehrt automatisch die Energieförderrichtung um, so dass nunmehr der Akkumulator 80 mit Strom aus der elektrischen Einrichtung 108 zur Ladung versorgt wird.

[0064] Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines bidirektionalen Wandlers, der in dieser Ausgestaltung auf dem Gegentaktprinzip beruht. Funktionell arbeitet diese Schaltung jedoch im Wesentlichen wie die zu den Figuren 1 und 3 beschriebenen Wandler. Diese Ausgestaltung sieht eine Festinstallation vor, bei der ein Akkumulator 132 energietechnisch mit einer aus mehreren einzelnen seriell miteinander verschalteten Akkumulatoren bestehenden Akkumulatoranordnung 134 gekoppelt werden soll. Auf der energietechnischen Seite liegt eine galvanische Trennung durch einen Transformator 130 vor. Dieser weist primärseitig Wicklungen 144, 146 und sekundärseitig Wicklungen 148, 150 auf, die jeweils in Serie geschaltet sind. Der Wickelsinn ist in der Zeichnung Figur 4 durch einen Punkt jeweils gekennzeichnet. Jede Wicklung wird einzeln über einen MOSFET-Schalttransistor 136, 138, 140, 142 gesteuert. Die in den vorhergehenden Beispielen angegebenen Überwachungsmittel sind hier der Übersichtlichkeit und der Vermeidung von Wiederholungen weggelassen. Im Einzelnen arbeitet diese Schaltung wie folgt:

[0065] Um vom Akkumulator 132 Energie zu der Akkumulatoranordnung 134 zu fördern, werden die MOSFET-Schalttransistoren 136, 138 durch die Steuerung 152 wechselweise, und zwar im Gegentakt, angesteuert. Entsprechend werden die Wicklungen 144, 146 mit Spannung beaufschlagt. Diese stellt sich entsprechend transformiert an den Wicklungen 148, 150 ein und wird über die parasitären Dioden (siehe Beschreibung zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3) der MOSFET-Schalttransistoren 140, 142 gleichgerichtet. Über eine Drossel 154 erfolgt sodann ein Stromfluss zur Akkumulatoranordnung 134. Die Akkumulatoranordnung 134 wird somit vom Akkukulator 132 geladen. Hierzu sind die MOSFET-Schalttransistoren 140, 142 durch die Steuerung 152 im ausgeschalteten Zustand gehalten. Wird nun ein parallel zu der Akkumulatoranordnung 134 geschaltetes Netzgerät 156 eingeschaltet, und Energie in die Akkumulatorenanordnung 134 eingespeist, so erhöht sich dessen elektrische Spannung geringfügig, was durch die Steuerung 152 detektiert wird. Diese deaktiviert die bislang im Gegentaktbetrieb arbeitenden MOSFET-Schalttransistoren 136, 138 und aktiviert stattdessen die MOSFET-Schalttransistoren 140, 142 ebenfalls im Gegentaktbetrieb. Diese schalten die Spannung auf die entsprechenden Sekundärwicklungen 148, 150 des Transformators 130, wodurch sich auf der Primärseite des Transformators 130 an den Wicklungen 144, 146 entsprechende Spannungen einstellen, die über die parasitären Dioden der MOSFET-Schalttransistoren 136, 138 gleichgerichtet werden und dem Akkumulator 132 zugeführt werden. Auf diese Weise wird der Akkumulator 132 geladen.

[0066] Natürlich wird auch in dieser Schaltung der jeweilige Zustand der einzelnen Schalttransistoren 136, 138, 140, 142 kontinuierlich durch die Steuerung 152 überwacht. Im Übrigen wird auf die entsprechenden Ausführungen der vorangehenden Ausführungsbeispiele verwiesen.

[0067] Figur 5 zeigt eine Abwandlung der Schaltung gemäß Figur 4, bei der die sekundäre Spannung des Transformators 130 in Reihe zur Eingangsspannung auf der Primärseite mit den Wicklungen 144, 146 geschaltet ist. Hierdurch ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad.

[0068] Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. So können der schaltungsmäßige Aufbau als auch die Abmessungen des Spannungsadapters nach Bedarf variieren, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung bietet sich nicht nur bei Mobilfunkendgeräten an, sondern darüber hinaus auch bei einer Vielzahl von weiteren elektronischen Kleingeräten, die mit energiespeichern wie Akkumulatoren, Batterien und dergleichen verbindbar sind. Auch eine Adaption von Netzteilen kann mit dem Spannungsadapter 50 erreicht werden, in dem beispielsweise das Netzteil eine der zu koppelnden Einrichtungen bildet und das Gerät eine zweite.

Bezugszeichenliste

[0069] 

10

Akkumulator

12

Mobilfunkendgerät

14

Zweiter Anschluss

16

Erster Anschluss

18

Spannungswandler

20

Relais

22

Relais

24

Auswerte- und Steuereinrichtung

26

Spannungssensor

28

Spannungssensor

30

DC/DC-Wandler

32

Hochsetzsteller

34

Tiefsetzsteller

36

Filter

38

Eingabetastatur

40

Alphanumerische Anzeige

42

Spule

44

Spule

46

Gehäuse

48

Griffbereich

50

Spannungsadapter

52

Diode

54

Diode

56

Diode

58

Diode

60

Leitungen

62

Leitungen

64

Leitungen

66

Leitungen

68

NPN-Transitor

70

PNP-Transitor

72

Diode

74

Diode

76

Transistor

78

Lasche

80

Akkumulator

82

2-poliger Schalter

84

Induktivität

86

bipolarer Schalttransistor

88

Freilaufdiode

90

MOSFET-Schalttransistor

92

Spannungsmesssensor

94

Spannungsmessensor

96

Steuerung

98

Signalleitung

100

Signalleitung

102

Kondensator

104

Kondensator

106

Widerstand

108

elektrische Einrichtung

110

2-poliger Schalter

112

Spannungsadapter

114

Anschlussklemmenpaar

116

Anschlussklemmenpaar

118

Steuerleitung

120

Steuerleitung

122

Messleitung

124

Messleitung

126

Messleitung

128

Messleitung

130

Transformator

132

Akkumulator

134

Akkumulatoranordnung

136

MOSFET-Schalttransistor

138

MOSFET-Schalttransistor

140

MOSFET-Schalttransistor

142

MOSFET-Schalttransistor

144

Wicklung

146

Wicklung

148

Wicklung

150

Wicklung

152

Steuerung

154

Drossel

156

Netzgerät

Ansprüche

1. Spannungsadapter zur energietechnischen Kopplung von elektrischen Einrichtungen (10, 12), die mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden, mit einem elektrischen Anschluss (14, 16) für jede zu koppelnde Einrichtung (10, 12), mit einem bidirektionalen Spannungswandler (18), mit einem elektrischen Schaltmittel (20, 22), mittels welchem der elektrische Anschluss (14, 16) wenigstens einer der zu koppelnden Einrichtungen (10, 12) elektrisch mit dem Spannungswandler (18) verbindbar ist, mit einer Auswerte- und Steuereinheit (24) und mit Messmitteln (26, 28), mit denen das elektrische Potential und/oder die elektrische Spannung des zu verbindenden Anschlusses (14, 16) ermittelbar ist.

2. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (24) einen DC/DC-Wandler (30) umfasst.

3. Adapter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (24) einen Hochsetzsteller (32), einen Tiefsetzsteller (34) und/oder einen Spannungsvervielfacher aufweist.

4. Adapter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine galvanische Trenneinheit.

5. Adapter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Richtung des Energieflusses einstellbar ist.

6. Adapter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Stromregelung und/oder Strombegrenzung.

7. Adapter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Eingabeeinheit (38).

8. Adapter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein tragbares Gehäuse (46).

9. Verfahren zum energietechnischen Koppeln von elektrischen Einrichtungen, die mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden, wobei ein an die zu koppelnden Einrichtungen angeschlossener Spannungsadapter verwendet wird, mit dem einer Einrichtung elektrische Energie entnommen, gewandelt und einer weiteren Einrichtung zugeführt wird, wobei die Spannungen und/oder die elektrischen Potentiale der angeschlossenen Einrichtungen ermittelt werden, der Spannungsadapter auf die Spannungen und/oder die elektrischen Potentiale eingestellt wird und ein Energiefluss zwischen den Einrichtungen hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiefluss in eine vorgebbare Richtung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Richtung des Energieflusses automatisch einstellt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Testsignal auf die zu koppelnde Einrichtung gegeben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Potential und/oder eine Spannung einer weiteren zu koppelnden Einrichtung fest eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Energieflusses gewechselt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsadapter eine elektronisch detektierbare Identifikation wenigstens einer zu koppelnden Einrichtung erfasst.

Zeichnung