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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung und Energieversorgung
von mindestens einem elektrischen Verbraucher, wobei der mindestens
eine elektrische Verbraucher drahtgebunden elektrisch leitend mit
einer Energiequelle verbindbar ist.
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In
modernen Wohn-, Arbeits- und Freizeitbereichen wird eine ständig steigende
Anzahl von elektrischen Verbrauchern eingesetzt, um einem Benutzer
eine Vielzahl neuer Möglichkeiten
und Erleichterungen zu bieten. Gleichzeitig soll der Komfort bei
einer Inbetriebnahme und insbesondere bei einer Bedienung der einzelnen
elektrischen Verbraucher zunehmend verbessert werden.
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Als
Beispiel für
die zunehmenden Anforderungen an die Ansteuerung und Energieversorgung von
elektrischen Verbrauchern kann die Beleuchtungstechnik herangezogen
werden. Die Benutzer wünschen
sich mehrfarbige steuerbare Beleuchtungssysteme, die selektiv aktiviert
werden können. Gleichzeitig
sollen derartige Beleuchtungssysteme möglichst effizient, bzw. energiesparend
ausgelegt sein und eine kostengünstige
Realisierung sowie eine einfache Installation ermöglichen.
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Es
sind Beleuchtungssysteme aus der Praxis bekannt, welche für die Ansteuerung
und für
die Energieversorgung separate Leitungen oder sogar getrennte Kabel
verwenden. Bei einigen bekannten Systemen ist es zusätzlich erforderlich,
dass die Steuerungseinrichtung gesondert mit Energie versorgt werden,
und damit eine von den elektrischen Verbrauchern getrennte Energieversorgung
aufweisen.
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Aus
der Praxis sind auch Beleuchtungssysteme bekannt, bei welchen die
Energieversorgung drahtgebunden und die Ansteuerung drahtlos beispielsweise
durch Funkübermittlung,
Infrarot- oder Ultraschallübermittlung
erfolgt.
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Die
bekannten Verfahren zur Ansteuerung und Energieversorgung von elektrischen
Verbrauchern sind konstruktiv aufwändig und oftmals störungsempfindlich.
Aufgrund der jeweils gesonderten Ansteuerung der elektrischen Verbraucher
ist ein verhältnismäßig hoher
Aufwand bei der Installation und Inbetriebnahme der elektrischen
Verbraucher unvermeidlich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, ein Verfahren zur
Ansteuerung und Energieversorgung von mindestens einem elektrischen Verbraucher
so auszugestalten, dass die Ansteuerung der elektrischen Verbraucher
möglichst
kostengünstig
und störungsunempfindlich
verwirklicht werden kann. Sowohl die Installation als auch die Inbetriebnahme
und Ansteuerung einzelner elektrischer Verbraucher sollte möglichst
einfach sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass elektrische Energie mittels einer Wechselspannung und Steuerinformationen
zur Ansteuerung des mindestens einen elektrischen Verbrauchers mittels
einer Winkelmodulation der für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung an den elektrischen
Verbraucher übertragen
werden. Ein wesentlicher Vorteil bei der Übertragung von Steuerinformationen
durch eine Winkelmodulation der für die Energieversorgung verwendeten
Wechselspannung besteht darin, dass lediglich eine zwei-adrige ungepolte
Verbindungsleitung erforderlich ist, um den elektrischen Verbraucher
sowohl mit Energie als auch mit Steuerinformationen zu versorgen.
Getrennte Steuerleitungen oder aufwändige Bus-Systeme sind nicht
erforderlich.
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Die
Installation mehrerer, miteinander verbundener elektrischer Verbraucher
ist sehr einfach, da weder eine gesonderte Energie- und Steuerinformationsversorgung
erforderlich ist noch auf eine besondere Polung oder Anschlusstechnik
der ungepolten, zwei-adrigen Verbindungsleitung geachtet werden
muss.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Steuerinformationen mittels einer Frequenzmodulation der
für die
Energieversorgung verwendeten Wechselspannung übertragen werden. Es ist natürlich ebenfalls
denkbar, die Steuerinformationen mittels einer Phasenmodulation
der für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung bei einer konstanten Frequenz
der Wechselspannung zu übertragen.
Alternativ zu der vorangehend beschriebenen Möglichkeit einer Winkelmodulation
der für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung kann auch eine
Amplitudenmodulation dieser Wechselspannung zur Übertragung von Steuerinformationen
verwendet werden.
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Einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedanken zufolge
ist vorgesehen, dass die Steuerinformationen in binärer Form übermittelt
werden, wobei einzelne binäre
Werte durch eine jeweils zugeordnete, vorgegebene Frequenz der für die Energieversorgung
verwendeten Wechselspannung dargestellt und übermittelt werden. Eine unmittelbare
Umschaltung der Frequenz der für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung zwischen zwei
Frequenzen im Verhältnis
10:11 hat sich bei ersten Versuchen als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Eine binäre
1 kann beispielsweise durch eine höhere Frequenz und eine binäre 0 durch eine
niedrigere Frequenz der für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung dargestellt und übermittelt
werden.
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Auf
der Seite des elektrischen Verbrauchers muss lediglich die Frequenz
der für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung ermittelt, bzw.
zwischen den zwei vorgegebenen Frequenzen unterschieden werden,
um in Abhängigkeit
von der festgestellten Frequenz auf eine binäre Steuerinformation schließen zu können. Komplexe
Ansteuerungen können
dann durch ein sukzessives Ermitteln aufeinander folgende binärer Steuerinformationen und
deren Auswertung an einem elektrischen Verbraucher übertragen
und zu dessen Ansteuerung verwendet werden.
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Um
die Zuverlässigkeit
und Entstörungssicherheit
bei der Übertragung
von Steuerinformationen zu erhöhen
ist vorgesehen, dass jeder binäre Wert
durch mehrere Schwingungen der Wechselspannung übertragen wird. Eine einzelne
binäre Steuerinformation,
also ein einzelnes Bit, entspricht demzufolge jeweils mehreren aufeinander
folgenden Pulsen der Wechselspannung.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge
ist vorgesehen, dass die Anzahl der für einen binären Wert übertragenen Schwingungen umgekehrt
proportional zu der jeweils zugeordneten Frequenz der Wechselspannung
ist. Auf diese Weise kann eine konstante Länge jeder Informationseinheit,
bzw. eines jeden binären Wertes
für die
Steuerinformationen gewährleistet werden.
Die kleinste Einheit einer Steuerinformation, eine Bitzelle, weist
demzufolge immer dieselbe zeitliche Länge auf. Auf diese Weise kann
eine bei dem elektrischen Verbraucher vorgenommene Auswertung der
Steuerinformation mit handelsüblichen
taktgesteuerten Komponenten erfolgen.
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Zweckmäßigerweise
ist vorgesehen, dass bei Verwendung von zwei vorgegebenen Frequenzen
in einem Verhältnis
von 10:11 die Anzahl der für einen
binären
Wert verwendeten Schwingungen in dem umgekehrten Verhältnis, also
im Verhältnis
von 11:10 steht.
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In
vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die Frequenz der für die Energieversorgung
verwendeten Wechselspannung mindestens fünf kHz, vorzugsweise mindestens
zehn kHz und besonders vorzugsweise mehr als 20 kHz beträgt.
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Insbesondere
bei einer Verwendung einer Wechselspannung mit einer Frequenz von
mehr als 20 kHz ist ausgeschlossen, dass eine Beeinträchtigung
der Umgebung durch frequenzabhängige
Geräusche
oder dergleichen erfolgt. Die Verwendung einer Wechselspannung mit
einer Frequenz oberhalb der Hörgrenze
hat darüber
hinaus weitere Vorteile wie beispielsweise die Möglichkeit einer Verwendung kostengünstiger
handelsüblicher
Bauteile.
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Ausgehend
von einer Grundfrequenz von 8 MHz können durch geeignete Frequenzteilung
(Faktoren 240 und 264) in einfacher und kostengünstiger Weise die für eine Übertragung
der Energie und der Steuerinformationen geeigneten Frequenzen von 30,3
kHz und 33,3 kHz erzeugt werden. Deutlich höhere Frequenzen erscheinen
derzeit wegen der damit verbundenen Kabelverluste als wenig vorteilhaft.
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Um
eine Abschirmung der für
die Übertragung
der Wechselspannung verwendeten Kabel zu erleichtern und eine Wechselwirkung
mit anderen elektronischen Komponenten zu reduzieren, kann die Flankensteilheit
der für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung gegenüber einem kostengünstigen
Rechteck-Signal reduziert werden. Dabei kommt es insbesondere darauf
an, ungradzahlige Oberwellen der für die Wechselspannung maßgeblichen
Frequenzen zu vermeiden oder zu unterdrücken, um die Störungssicherheit
zu erhöhen
und Übertragungsverluste
zu reduzieren.
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Besonders
vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn die für die Energieversorgung
verwendete Wechselspannung eine geringe Flankensteilheit aufweist.
Mit einem sinusförmigen
Spannungsverlauf können
störende
hochfrequente Oberwellen nahezu vollständig vermieden werden, jedoch
lässt sich
ein in dieser Hinsicht sehr vorteilhafter sinusförmiger Spannungsverlauf oftmals
nicht kostengünstig
erzeugen.
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Um
im Falle einer ausschließlichen Übertragung
von Energie ohne zusätzliche
Steuerinformationen die Energieübertragung
und Energieversorgung zu erleichtern, bzw. zu verbessern ist vorgesehen, dass
ohne Übertragung
von Steuerinformationen eine möglichst
hohe Frequenz für
die für
die Energieversorgung verwendete Wechselspannung verwendet wird.
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Da
einige elektronische Bauteile im Ruhezustand vorteilhaft mit einem
binären
Eingangswert gespeist werden ist vorgesehen, dass ein binärer Wert von „1" mit einer möglichst
hohen Frequenz übertragen
wird. In dem zeitlich ganz überwiegenden
Fall einer reinen Energieübertragung
ohne zusätzliche Steuerinformationen
bei höheren
Frequenzen, die dem binären
Wert „1" zugeordnet sind,
können
dann die betreffenden elektronischen Bauteile ohne größeren Aufwand
bei den elektrischen Verbrauchern verschaltet werden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein System zur Ansteuerung und Energieversorgung
von mindestens einem elektrischen Verbraucher mit mindestens einem
elektrischen Verbraucher, der mittels eines Kabels elektrisch leitend
mit einer Energiequelle verbindbar ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das System eine Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung
aufweist, die zwischen der Energiequelle und dem mindestens einem
elektrischen Verbraucher angeordnet ist, dass das System eine Einrichtung
zur Winkelmodulation der Wechselspannung aufweist und dass der elektrische
Verbraucher einen Dekoder aufweist, der die Winkelmodulation der Wechselspannung erfassen
und in ein Steuersignal zur Ansteuerung des elektrischen Verbrauchers
umsetzen kann.
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Ein
geeigneter Dekoder kann in den meisten Fällen kostengünstig aus
handelsüblichen
elektronischen und elektrischen Bauteilen zusammengesetzt werden.
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Einer
vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist
vorgesehen, dass der Dekoder einen universellen asynchronen Empfänger und
Sender (UART) aufweist. Ein geeigneter UART kann beispielsweise
als Bestandteil eines handelsüblichen
Mikrokontrollers, bzw. Mikroprozessors oder softwaremäßig kostengünstig emuliert
werden. Eine zuverlässige
Decodierung der Steuersignale ist auf diese Weise einfach und kostengünstig möglich. Indem
die Frequenz oder Phase der für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung als Träger der
Steuerinformationen verwendet wird, ist die Störempfindlichkeit bei der Übertragung
der Steuerinformationen sehr gering.
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Um
die Störsicherheit
zusätzlich
zu erhöhen und
unerwünschte Übertragungsverluste
zu reduzieren ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Erzeugung
einer Wechselspannung ein Oberwellenfilter aufweist. Durch die Verwendung
eines geeigneten Oberwellenfilters können insbesondere störende Oberwellen
vor einer Übertragung
herausgefiltert werden, die bei der Verwendung von kostengünstigen
Rechteck-Signalen für
die Erzeugung der Wechselspannung auftreten und nicht vollständig unterdrückt werden
können.
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Sofern
erforderlich kann vorgesehen sein, dass das Kabel zwischen der Einrichtung
zur Erzeugung einer Wechselspannung und dem elektrischen Verbraucher
eine Abschirmung aufweist.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele für den Erfindungsgedanken
näher erläutert, die
in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Übertragung
von Steuerinformationen durch eine Frequenz- oder Phasenmodulation
eine für
die Energieversorgung verwendeten Wechselspannung, wobei die zeitliche
Länge einer
Informationseinheit konstant ist,
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2 eine
schematische Darstellung gemäß 1,
wobei die zeitliche Länge
der einzelnen Informationsinhalten in Abhängigkeit von dem jeweils zugeordneten
binären
Wert unterschiedlich ist,
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3 eine
schematische Ansicht eines Systems zur Ansteuerung und Energieversorgung
von mehreren elektrischen Verbrauchern und
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4 ein
vereinfachtes Schaltbild für
ein System zur Ansteuerung und Energieversorgung von einem elektrischen
Verbraucher.
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In
den beiden 1 und 2 wird jeweils in
der obersten Zeile eine Folge binärer Werte 1 dargestellt,
die in ihrer Gesamtheit eine Steuerinformation zur Ansteuerung eines
elektrischen Verbrauchers entspricht. Während in 1 jeder
binäre
Wert 1 eine identische zeitliche Länge aufweist, sind die in 2 schematisch
dargestellten binären
Werte 1 durch Bitzellen unterschiedlicher Länge repräsentiert.
Jeweils im Abstand darunter wird in den 1 und 2 eine
Abfolge frequenzmodulierter Schwingungen 2 einer für die Energieversorgung
verwendeten Wechselspannung 3 dargestellt.
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Um
jeweils eine übereinstimmende
Länge der
Bitzellen der einzelnen binären
Werte 1 zu erhalten, werden entweder eine Schwingung bei
einer ersten, niedrigen Frequenz oder aber zwei Schwingungen bei
einer doppelt so hohen Frequenz übertragen. Im
Gegensatz dazu zeigt 2 die Übertragung frequenzmodulierter
Steuerinformationen 2, wobei jeder binäre Wert 1 durch genau
eine Schwingung bei einer entweder niedrigeren oder aber bei einer
höheren Frequenz übermittelt
werden.
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Zur
Veranschaulichung ist in 1 auch schematisch eine phasenmodulierte
Abfolge einzelner Schwingungen 4 der Wechselspannung 3 dargestellt.
Anhand der unterschiedlichen Phasen zu Beginn einer jeden Informationseinheit,
bzw. Bitzelle kann auf den auf diese Weise übertragenen binären Wert 1 und
damit bei mehreren binären
Werten 1 auf eine gegebenenfalls komplexe Steuerinformation
zurück
geschlossen werden.
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In 3 ist
schematisch ein System zur Ansteuerung und Energieversorgung von
mehreren elektrischen Verbrauchern dargestellt. Jeder elektrische
Verbraucher 5 kann beispielsweise aus einer Leuchtvorrichtung 6 oder
einem beliebigen Aktor 7 bestehen. Geeignete Leuchtvorrichtungen 6 können aus
einen oder mehreren Licht emittierenden Dioden (LED's) oder anderen Leuchtmitteln
mit gegebenenfalls unterschiedlicher Farbe und Helligkeit bestehen. Aktoren 7 können beispielsweise
Betätigungselemente
für Jalousien,
Rolladen oder Türöffner sein und
aus verschiedenen Baugruppen und/oder Leiterplatten wie beispielsweise
aus Motoren, Relais, Magneten oder Ventilen sowie anderen geeigneten
Stellgliedern bestehen. Natürlich
können
Leuchtvorrichtungen 6 und Aktoren 7 auch eine
funktionelle Einheit bilden und gemeinsam einen elektrischen Verbraucher 5 darstellen.
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Die
elektrischen Verbraucher 5 sind über zweiadrige, ungepolte Verbindungsleitungen 8 elektrische
leitend mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung 9 verbunden.
Diese Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung 9 weist ihrerseits
eine Einrichtung zur Frequenzmodulation 10 der Wechselspannung
auf.
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Die
Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung 9 kann
entweder ihrerseits mit den üblichen
Wechselspannungen von 50 oder 60 Herz bei 220 Volt oder 110 Volt
versorgt werden, mit den in bestimmten Netzen bekannten Wechselspannungen von
16 Hz oder 400 Hz oder aber beispielsweise mit Gleichstromenergie
versorgt werden. Die Arbeitsspannung des Systems zur Ansteuerung
und Energieversorgung der elektrischen Verbraucher 5 liegt vorteilhafter
Weise zwischen effektiv 60 und 120 Volt.
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Die
Bedienung und Ansteuerung der Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung 9 bzw. der
Einrichtung zur Frequenzmodulation 10 der Wechselspannung
kann entweder direkt über
USB, Internet, W-Lan oder ähnliches
angesteuert werden, oder aber eine eigenständige, nicht konforme Busstruktur
aufweisen.
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Die
einzelnen elektrischen Verbraucher 5 können hintereinander, parallel
oder sternförmig
angeordnet werden. Beliebige Mischstrukturen sind möglich.
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Insbesondere
ist es auch ohne die Verwendung von Filtereinrichtungen oder Anpassglieder möglich, durch
die Verwendung geeigneter Verbindungselemente lineare Strukturen
aneinander gereihter elektrischer Verbraucher 5 zu erzeugen.
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Die
maximale Leistungsübertragung
des gesamten Systems und damit die maximale Anzahl der elektrischen
Verbraucher 5 ist lediglich durch den maximalen Querschnitt
der verwendeten Verbindungsleitungen 8 sowie die zwingend
notwendige elektrische Isolation der verwendeten Komponenten untereinander
und gegenüber
der Umgebung begrenzt.
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Die
Ansteuerung einzelner Funktionen der elektrischen Verbraucher 5 erfolgt über eine
vorgebbares Protokoll mit einer eindeutigen Identifikation des angewählten elektrischen
Verbrauchers 5 sowie anschließend übermittelten Daten, die beispielsweise
aus einem Befehlscode, einem Index und Prüfdaten bestehen können.
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Jedem
elektrischen Verbraucher 5 kann eine eindeutige Identifikationsnummer
zugeordnet werden. Diese Identifikationsnummer oder Adresse kann in
einer begleitenden Produktbeschreibung oder aber direkt, bzw. mittels
Aufkleber auf dem elektrischen Verbraucher 5 wiedergegeben
sein, um diesen beispielsweise während
der Installation zu identifizieren.
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Es
ist denkbar, dass der elektrische Verbraucher 5 zusätzlich beispielsweise
Statusinformationen drahtlos an eine zentrale Empfangseinheit übermittelt,
welche die einzelnen Statusinformationen auswerten und anzeigen
kann.
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In
der 4 sind eine Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung 9 sowie
ein elektrischer Verbraucher 5 mit einer jeweiligen elektrischen Schaltung
beispielhaft dargestellt. Die Einrichtung zur Erzeugung von Wechselspannung 9 wird über links
dargestellte Versorgungsleitungen 11 mit elektrischer Energie
versorgt.
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Nach
dem Durchlaufen eines Filters 12 eines Gleichrichters 13 und
eines Zwischenkreises 14 wird mittels eines Stellglieds 15 und
eines Transformators 16 eine für die Energieversorgung der
elektrischen Verbraucher 5 geeignete Wechselspannung erzeugt, die über einen
weiteren Filter 12 in die zweiadrige verdrillte Verbindungsleitung 8 eingespeist
wird. Durch das Stellglied 15 kann auch zwischen verschiedenen
Frequenzen der Wechselspannung gewechselt werden, um frequenzmoduliert
ein Steuersignal an den elektrischen Verbraucher 5 zu übertragen.
Die Verwendung eines Filters 12 oder eines Gleichrichters 13 ist
abhängig
von der über
die Versorgungsleitung 11 eingespeisten Energieform.
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Die
bei dem elektrischen Verbraucher 5 eingehende Wechselspannung
wird über
einen Filter 12 und einen Transformator 16 einem
Decoder 17 zugeführt,
der die Frequenzmodulation bzw. die vorgegebene Frequenz ermitteln
und an eine Steuereinrichtung 18 zur Ansteuerung des elektrischen
Verbrauchers 5 übertragen
kann. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ein geeignet konfigurierter
und programmierter Mikroprozessor. Sofern gewünscht kann die eingehende Wechselspannung
erneut durch einen Gleichrichter 13, einen Zwischenkreis 14 und
ein Stellglied 15, bzw. einen Filter 12 in eine
weitere Verbindungsleitung 8 zur Anbindung eines weiteren elektrischen
Verbrauchers 5 eingespeist werden.