DE102007060201A1

DE102007060201A1 - Versorgungsanordnung, Versorgungseinheit und Verfahren zur Versorgung einer elektronischen Einheit

Info

Publication number: DE102007060201A1
Application number: DE200710060201
Authority: DE
Inventors: Holger Alfons Eggert
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009077011A1; US8604645B2; US20100283328A1; EP2232688A1

Abstract

Die beschriebene Erfindung betrifft eine Versorgungsanordnung, eine Versorgungseinheit sowie ein Verfahren, bei dem ein Schaltelement in Reihe mit einer Betriebsspannung und einer elektrischen Last verbunden ist, wobei eine Versorgungseinheit eine elektronische Einheit unabhänig vom Schaltzustand des Schaltelements mit Energie versorgt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Versorgungsanordnung, eine Versorgungseinheit sowie ein Verfahren, bei dem eine elektronische Einheit unabhängig vom Schaltzustand eines Schaltelements mit Energie versorgt wird.
Zum Schalten von elektrischen Lasten wird eine Betriebsspannung mit zwei Potenzialen an eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Schaltelement und der elektrischen Last, angelegt. Das elektrische Schaltelement, das zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltzustand aufweist, ist herkömmlich zumeist mechanisch ausgestaltet. Als Schaltzustände werden hier der Schaltzustand „EIN" und der Schaltzustand „AUS" verstanden, wobei bei einem Schaltzustand „EIN" die Last mit dem Betriebsspannungspotenzial elektrisch leitend verbunden ist und beim Schaltzustand „AUS" die Last von diesem Betriebsspannungspotenzial elektrisch getrennt ist. Im folgenden wird der Schaltzustand „AUS" mit dem ersten Schaltzustand I und der Schaltzustand „EIN" mit dem zweiten Schaltzustand II gleichgesetzt. Als Betriebsspannung ist hierbei entweder eine Gleichspannung oder aber auch eine Wechselspannung zu verstehen. Vorrangig wird in dieser Erfindung der Begriff Betriebsspannung mit dem Begriff Netzspannung gleichgesetzt. Als Netzspannung werden heutzutage im europäischen Raum 230 V mit einer 50 Hz sinusförmigen Wechselspannung von den jeweiligen Netzbetreibern angeboten.
Beispielsweise in der Gebäudetechnik werden Schaltelemente zum Schalten elektrischer Lasten eingesetzt. Zumeist schaltet das Schaltelement nur einen Spannung bzw. einen Strom führenden Leiter. Dies ist vorrangig der so genannte L Leiter. L steht hierbei für line oder live wire. Wie in 1 dargestellt, wird hier ein zumeist mechanisch ausgestaltetes Schaltelement 8 zum Schalten von elektrischen Lasten 3 verwendet. Der Strom führende Leiter L wird hierbei entweder zur Last geschaltet oder von der Last getrennt.
Heutzutage werden immer häufiger elektronische Einheiten vorgesehen. Die elektronischen Einheiten können in eine Schalteranordnung integriert sein. So kann beispielsweise eine elektronische Einheit zum stufenweise oder stufenlosen Zuführen eines Potenzials zu einer elektrischen Last, beispielsweise zum Dimmen von Licht, zusätzlich in das Schaltelement integriert sein. Eine elektronische Einheit kann auch ein Funkempfänger sein, der zum Schalten des Schaltelements ein Funksignal oder allgemein elektromagnetische Strahlung empfängt. Entsprechend dem Funksignal werden vom Funkempfänger Schaltsignale erzeugt, welche das Schaltelement von einem ersten in einen zweiten Schaltzustand des Schaltelements oder umgekehrt versetzen. Weitere Funktionen elektronischer Einheiten in einem Schaltelement sind ebenfalls denkbar. Eine elektronische Einheit kann zudem mehrere Einheiten beinhalten, beispielsweise einen Funkempfänger, eine Dimm- bzw. Regeleinheit und/oder eine Zeitschaltung. Als eine elektronische Einheit wird im Folgenden beispielsweise auch die elektronische Ansteuereinheit eines Relais, welche die mechanischen Teil des Relais ansteuert, angesehen.
Bislang benötigen die elektronischen Einheiten einen so genannten Neutralleiter, auch N-Leiter genannt, um ihre Funktionen ausüben zu können. Dieser N-Leiter dient als Rückleiter und als Bezugspotenzial der elektronischen Einheiten in einem Schaltelement.
Werden elektrische Lasten mit einem in 1 beschriebenen Aufbau beschaltet, ist es bislang nicht möglich, die elektronischen Einheiten mit Energie zu versorgen. Darüber hinaus ist es bislang nicht möglich, elektronische Einheiten außerhalb eines Schaltelements unabhängig vom Schaltzustand des Schaltelements 8 mit Energie zu versorgen, wenn zur Energieversorgung nur ein Spannung bzw. Strom zu- und abführender Leiter zur Verfügung steht. Entweder ist das Schaltelement 8 gemäß einem ersten Schaltzustand I offen, dann befindet sich über dem Schaltelement 8 eine Spannungsdifferenz, die beispielsweise genutzt werden könnte, um eine Energieversorgung für die elektronischen Einheiten bereitzustellen. Wird das Schaltelement 8 gemäß eines zweiten Schaltzustand II geschlossen, wird eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Schaltanschlüssen 801, 802 des mechanischen Schaltelements 8 erzeugt und der Spannungsabfall über dem Schaltelement 8 gleich null. Ein parallel zum Schalelement 8 geschaltetes Spannungsversorgungselement würde somit überbrückt sein und keine Energie für die elektronischen Einheiten liefern, um beispielsweise das Schaltelement 8 wieder in den ersten Schaltzustand I zu versetzen.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Versorgungsanordnung, eine Versorgungseinheit bzw. ein Verfahren zur Versorgung einer elektronischen Einheit mit Energie aufzuzeigen, wobei zur Energieversorgung nur ein Spannung bzw. Strom zu- und abführender Leiter und ein Schaltelement vorhanden ist.
Die Aufgabe wird in allen nebengeordneten Patentansprüchen gelöst.
Dadurch, dass eine Versorgungsanordnung mit einem, zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltzustand aufweisenden Schaltelement, einer, ein erstes und ein zweites Potenzial aufweisenden Betriebsspannung, wobei das Schaltelement mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung verbunden ist, einer elektrischen Last, wobei die Last mit einem ersten Anschluss mit dem ersten Potenzial verbunden ist und einer Versorgungseinheit mit einem ersten, mit dem zweiten Potential verbundenen Eingang, einem zweiten, mit einem Anschluss des Schaltelements verbundenen Eingang, einem, mit einem zweiten Anschluss der Last verbundenen Ausgang und einem, mit einer elektronischen Einheit verbundenen Versorgungsausgang, wobei die Versorgungseinheit die elektronischen Einheit unabhängig vom jeweiligen Schaltzustand mit Energie versorgt, aufgezeigt ist, wird die Aufgabe gelöst.
Dadurch, dass die Versorgungseinheit die elektronische Einheit unabhängig vom jeweiligen Schaltzustand mit Energie versorgt wird, wird die elektronische Einheit stetig mit Energie versorgt. Zusätzlich wird durch das Wechseln des Schaltzustands des Schaltelements die Energieversorgung der elektronischen Einheit nicht unterbrochen. Die elektronischen Einheiten können nunmehr völlig autonome Funktionen ausüben. Beispielsweise kann eine elektronische Einheit ein Sensorelement sein, was stetig durch die Versorgungsanordnung mit Energie versorgt wird und Alarmsignale, Meldesignal und/oder Steuersignale generiert. Ist die elektronische Einheit ein Bewegungsmelder, beispielsweise ein Infrarotsensor, so ist durch die stetige Energieversorgung sichergestellt, dass eine Bewegung innerhalb des Wirkungsbereiches des Bewegungsmelders erkannt wird, unabhängig vom Schaltzustand des Schaltelements. Der Begriff elektronische Einheit ist hierbei nicht auf eine einzelne Einheit beschränkt, sie kann mehrere Einheiten, beispielsweise eine Steuerschaltung, Zeitschaltung und/oder Funkempfängerschaltung enthalten. Die elektronische Einheit kann teilweise das Schaltelement in einen anderen Schaltzustand versetzen und weiterhin andere elektronische Einheiten beinhalten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Patentansprüchen der Erfindung angegeben.
Dadurch, dass die Versorgungseinheit eine Parallelspannungsversorgung aufweist und die Parallelspannungsversorgung die elektronische Einheit mit Energie versorgt, sobald das Schaltelement den ersten Schaltzustand I aufweist, sprich das Schaltelement geöffnet ist, ist gewährleistet, dass eine Spannungsversorgung durch die Parallelspannungsversorgungseinheit ermöglicht ist. Eine durch den ersten Schaltzustand vorherrschende Spannungsdifferenz zwischen beiden Schaltelementanschlüssen ist eine Generierung einer Versorgungsspannung ermöglicht.
Dadurch, dass die Versorgungseinheit weiterhin eine Serienspannungsversorgungseinheit aufweist, versorgt die Serienspannungsversorgungseinheit die elektronische Einheit mit Energie, sobald das Schaltelement in einem zweiten Schaltzustand II, sprich das Schaltelement geschlossen, ist. Die Serienspannungsversorgungseinheit, welches sich in vorteilhafter Weise in Reihe zwischen dem Schaltelement und der elektrischen Last befindet, wird einen durch den Betrieb der aktiven Last auftretenden Stromfluss in einen Spannungsabfall umsetzen. Vorzugsweise ist direkt im Stromfluss ein Shunt-Widerstand, antiparallel geschaltete Dioden, Transistoren oder ein Transformator vorgesehen, wobei all diese Elemente Teile des Stromflusses in einen Spannungsabfall umsetzen. Mittels insbesondere eines linearen Spannungsreglers kann die derart gewonnene Spannung auf ein niedrigeres Spannungsniveau umgesetzt werden, sodass am Ausgang des linearen Spannungsreglers eine geglättete Versorgungsspannung zur Versorgung des Schaltelements und der weiteren Einheiten erzeugt ist.
Dadurch, dass zusätzlich Dioden die beiden Spannungsversorgungseinheit voneinander entkoppeln, ist gewährleistet, dass kein Rückwärtsstrom oder keine Rückwärtsspannung von der jeweils aktiven Spannungsversorgungseinheit zur jeweils anderen passiven Spannungsversorgungseinheit fließt und dementsprechend die andere Spannungsversorgungseinheit zerstört wird.
In vorteilhafter Weise erzeugt die Versorgungseinheit eine Versorgungsspannung, wobei die Versorgungsspannung auf ein autonomes Bezugspotenzial definiert ist. Dieses autonome Bezugspotenzial befindet sich innerhalb der Versorgungseinheit und wird auch nur da und im Schaltelement verwendet. Da nur ein Strom bzw. Spannung zu- und abführender Leiter beschaltet ist, wird durch dieses autonome Bezugspotenzial unabhängig von der Netzspannung eine Versorgungsspannung erzeugt.
In vorteilhafter Weise ist die Parallelspannungsversorgungseinheit ein Buck-Converter, ein Step-Down-Converter oder ein Transformator. Diese sind durch einen sehr effektiven Wirkungsgrad ausgezeichnet. Dieser Wirkungsgrad ist insbesondere dann wichtig, wenn im ersten Schaltzustand I des Schaltelements eine Spannung für die Versorgungseinheit erzeugt wird und die elektrische Last nicht betrieben werden soll.
Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn die aktive Last beispielsweise eine Leuchtstoffröhre oder eine Energiespar lampe ist, die einen bestimmten Zündstrom benötigt, um angeschaltet zu werden. Ist das Parallelspannungsversorgungselement nicht effektiv bzw. nicht effizient genug, reicht der erzeugte Strom aus, um auch im ausgeschalteten Schaltzustand I, die elektrische Last zu zünden.
In alternativen Ausgestaltungen ist die elektronische Einheit ein Funkempfänger oder eine Dimm- bzw. Regeleinheit. Ist die elektronische Einheit ein Funkempfänger wird beispielsweise mittels Fernbedienung ein Funksignal zum Funkempfänger gesendet. Der Funkempfänger generiert ein entsprechendes Schaltsignal, welches das Schaltelement veranlasst, vom ersten in den zweiten Schaltzustand zu wechseln, oder umgekehrt. Der Funkempfänger kann aber auch völlig autonome Signale erzeugen, die losgelöst von der Versorgungsanordnung sind. In einer weiteren Ausgestaltung sind weitere Regeleinheiten in der Anordnung vorgesehen. Insbesondere durch Dimmschalteinheiten als elektronische Einheiten, die nicht nur ein Ein- und Ausschalten des Schaltelements bewirken, sondern stufenlos bzw. in definierten Stufen das Netzpotenzial zur elektrischen Last schalten, werden viele Schaltzustände des Schaltelements erreicht.
Das Schaltelement kann hierbei verschieden ausgestaltet sein. Es kann zum einen ein mechanischer Schalter sein. Ebenfalls möglich ist die Ausgestaltung als Transistor, TRIAC, Relais oder ein anderes bekanntes Schaltelement.
Zusätzlich kann neben dem bevorzugt mit elektrischen Schaltsignalen betriebenen Schaltelement ein so genannter Service Switch angeordnet sein. Dieser Service Switch ist vorzugsweise mechanisch ausgestaltet und dient vorrangig einer zusätzlichen Bedienmöglichkeit eines Anwenders, um den Spannungs- bzw. Stromführenden Leiter aktiv von der elektrischen Last zu trennen. Dieser Service Switch wird bevorzugt seriell zwischen dem Betriebsspannungspotenzial L und der Versorgungsanordnung angeordnet. Dieser Service Switch kann in einigen Anwendung gesetzlich bzw. zur Erfüllung einer speziellen Norm vorgeschrieben sein. Er erfüllt zudem Sicherheitsaspekte.
Die elektronische Einheit ist in vorteilhafter Weise eine Zeitschaltung. Das Schaltelement ist hierbei in Form eines Tasters ausgestaltet. Wird der Taster einmal betätigt, wird der Schaltzustand II des Schaltelements eingestellt. Nach Ablauf einer eingestellten Zeitspanne in der Zeitschaltung wird der Schaltzustand I automatisch im Schaltelement eingestellt. Hier ist, wie in allen Ausgestaltungen vorteilhaft, dass nur ein Spannung- bzw. Strom zu- und abführender Leiter in der Anordnung vorgesehen ist. Auf das Parallelspannungsversorgungselement kann gegebenenfalls verzichtet werden.
Weiterhin ist ein Verfahren vorgesehen, in welchem eine Versorgungsanordnung wie oben beschrieben betrieben wird. Hierbei wird ein Netzspannungspotenzial angelegt. Dieses Netzspannungspotenzial kann zum einen eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein.
Die Erfindung ist durch keine netzübliche Spannungshöhe oder eine bestimmte Art von Netzspannung begrenzt. Beispielsweise bei Anwendung im KFZ Bereich, wo Schaltelemente ebenfalls zur Schaltung von elektrischen Lasten eingesetzt sind und als Betriebsspannung eine Gleichspannung zur Verfügung steht, ist eine solche Versorgungsanordnung ebenfalls denkbar.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein. Es zeigen:
1 ein herkömmliche Schaltelementanordnung zum Beschalten einer elektrischen Last nach Stand der Technik,
2a ein erstes Ausführungsbeispiel zur Versorgung einer elektronischen Einheit mit Energie,
2b ein alternatives Ausführungsbeispiel der in 2a aufgezeigten Versorgungsanordnung,
3a eine Weiterbildung des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels,
3b eine Weiterbildung des in 2b gezeigten Ausführungsbeispiels,
4 eine Weiterbildung des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels,
5 einen ersten Betriebsfall I des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels,
6 einen zweiten Betriebsfall II des in 4 aufgezeigten Ausführungsbeispiels,
7 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Serienspannungsversorgungseinheit aus den 1 bis 6,
8 einen Spannungsverlauf über die Zeit der Ein- und Ausgangsspannung eines nachgeschalteten linearen Spannungsreglers zur Spannungsglättung aus 7,
9 einen Spannungsverlauf über die Zeit des Spannungsabfalls über dem TRIAC aus 7,
10 eine Weiterbildung zur Entstörung des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel,
11 ein alternatives Ausführungsbeispiel der in 1 bis 6 dargestellten Serienspannungsversorgungseinheit,
12 bis 19 Spannungsverläufe über die Zeit zu unterschiedlichen Last- bzw. Beschaltungssituationen der in 11 dargestellten Serienspannungsversorgungseinheit,
20 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Serienspannungsversorgungseinheit aus den 1 bis 6,
21 ein Spannungsverlauf über die Zeit der Ein- und Ausgangsspannung eines linearen Spannungsreglers aus 21,
22 einen Spannungsverlauf über die Zeit mit angezeigtem zweifachen Phasenanschnitt,
23 einen Spannungsverlauf über die Zeit mit angezeigtem einfachen Phasenanschnitt,
24 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Serienspannungsversorgungseinheit aus der 11.
1 wurde bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung beschrieben.
In 2a ist eine Betriebsspannung 2 mit einem ersten Potenzial 201, N und dem zweiten Potenzial 202, L an eine Versorgungsanordnung zur Versorgung einer elektronischen Einheit 7 mit Energie unabhängig vom Schaltzustand eines Schaltelements 1 angelegt. Das mechanische Schaltelement 8 ist hier lediglich gestrichelt dargestellt. In der Versorgungsanordnung ist das mechanische Schaltelement 8 nicht vorgesehen.
Weiterhin dargestellt ist eine Versorgungseinheit 4 mit zwei Eingängen 401 und 402, einem Versorgungsausgang 403 und einem Ausgang 404. Ein Schaltelement 1 ist mit einem ersten Anschluss 101 und einem zweiten Anschluss 102 dargestellt. Eine elektronische Einheit 7 ist mit dem Versorgungsausgang 403 der Versorgungseinheit 4 elektrisch leitend verbunden. Der zweite Anschluss 102 des Schaltelements 1 ist mit dem zweiten Eingang 402 der Versorgungseinheit 4 elektrisch leitend verbunden. Der erste Anschluss 101 des Schaltelements 1 ist mit dem ersten Eingang 401 der Versorgungseinheit 4 elektrisch leitend verbunden. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem zweiten Potenzial 202 der Betriebsspannung 2 und dem ersten Eingang 401 der Versorgungseinheit 4 sowie eine elektrisch leitende Verbindung vom Ausgang 404 der Versorgungseinheit 4 zum zweiten Anschluss 302 der elektrischen Last 3 ist ebenfalls gegeben. Die elektrische Last 3 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss 301 mit dem ersten Potenzial 201 der Betriebsspannung 2 verbunden.
Die Erfindung nicht auf die Form, Frequenz oder Höhe einer Betriebsspannung 2 begrenzt. Bevorzugt ist die Betriebsspannung 2 eine sinusförmige Wechselspannung, insbesondere mit der Höhe einer Netzspannung.
Zur Funktionsbeschreibung der 2a seien zunächst ein paar allgemeine Bemerkungen gemacht, die in der gesamten Beschreibung Gültigkeit haben, sofern an den jeweiligen anderen Stellen keine anders lautenden Bemerkungen gemacht werden.
Das mechanische Schaltelement 8 ist nicht vorgesehen und zur Versorgungsanordnung nicht dazugehörig. Das mechanische Schaltelement ist demnach zu ersetzen oder als Schaltelement 1 in die Versorgungsanordnung einzubringen. Das Schaltelement 1 weist zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltzustand I, II auf. Darüber hinaus wird mit dem Fall 1 stets verstanden, dass das Schaltelement 1 im ersten Schaltzustand und geöffnet ist und mit dem Fall 2 verstanden, dass das Schaltelement 1 im zweiten Schaltzustand und geschlossen ist.
Eine elektronische Einheit 7 ist eine Einheit verstanden, welche unabhängig vom Schaltzustand eines Schaltelements und bei Vorhandensein lediglich eines Strom bzw. Spannung zu- und abführenden Leiters mit Energie versorgt werden soll. Eine elektronische Einheit kann mehrere elektronische Einheiten beinhalten. Als elektronische Einheit sind Sensoren, Steuereinheiten und/oder Alarmeinheiten vorsehbar. Eine elektronische Einheit 7 ist durch ihre Funktion oder ihre Art grundsätzlich für die gesamte Erfindung nicht begrenzt. Ebenfalls ist die Art der Energieversorgung für die elektronische Ein heit 7 nicht begrenzt. Die elektronische Einheit 7 kann die Schaltzustände I, II des Schaltelements 1 wechseln.
Für den Fall 1 erfolgt die Versorgung der elektronischen Einheit 7 mit Energie über das zweite Potenzial 202, welches am ersten Eingang 401 der Versorgungseinheit 4 anliegt. Über den Ausgang 404 wird der elektrische Schaltkreis über die elektrische Last 3 geschlossen. Durch den Spannungsunterschied zwischen dem Eingang 401 und dem Ausgang 404 der Versorgungseinheit 4 wird ein Versorgungssignal über den Versorgungsausgang 403 der elektronischen Einheit 7 zur Verfügung gestellt.
Für den Fall 2 wird in der Versorgungseinheit 4 der Strom, der zwischen dem zweiten Anschluss 102 des Schaltelements 1 und der elektrischen Last 3 fließt, genutzt. Dieser Strom wird in der Versorgungseinheit 4 in einen Spannungsabfall umgesetzt und am Versorgungsausgang 403 der Versorgungseinheit 4 der elektronischen Einheit 7 zur Verfügung gestellt.
Durch diese Anordnung ist es möglich, unabhängig vom Fall 1 oder 2, der elektronische Einheit 7 eine Versorgungsspannung stets bereitzustellen.
In 2b ist ein alternatives Ausführungsbeispiel zur dargestellten Versorgungsanordnung aus 2a dargestellt. Da sich beide Ausführungsbeispiele stark ähneln wird hier nur auf die Unterschiede zwischen 2a und 2b eingegangen.
Das Schaltelement 1 weist zusätzlich einen Versorgungseingang 103, der mit dem Versorgungsausgang 403 der Versorgungseinheit 4 elektrisch leitend verbunden ist. Die elektronische Einheit 7 befindet sich innerhalb des Schaltelements 1. Insbesondere wird bei dem Schaltelement 1 von einem mittels e lektrischen Signalen angesteuertes und durch elektrische Signale den Schaltzustand I, II wechselndes Schaltelement 1 verstanden. Die Energieversorgung der elektronischen Einheiten 7 wird durch die Versorgungseinheit 4 unabhängig des Schaltzustandes des Schaltelements 1 bereitgestellt.
Beispielsweise erzeugt die elektronische Einheit 7 ein Schaltsignal 104, mit dem das Schaltelement 1 einen Schaltzustand wechselt. Diese elektronische Einheit 7 ist beispielsweise eine Lampendimmschaltungen, Steuerschaltungen zur Lichtsteuerung oder Zeitschaltung, ein Funkempfänger für Fernbedienung des Schaltelements 1, die Elektronik eines Relais oder vieles mehr sein. Das Schaltelement 1 weist beispielsweise mehr als zwei Zustände aufweisen, wobei ein elektrisches Schaltsignal 104 die unterschiedlichen Schaltzustände im Schaltelement 1 einstellt.
Grundsätzlich entspricht das Schaltelement 1 lediglich der Mechanik eines Schaltelements. Eine Steuerelektronik oder der gleichen entspricht bereits einer elektronischen Einheit 7. Die mechanischen Schaltelemente eines bistabilen Relais in der Versorgungsanordnung entsprechen beispielsweise der Mechanik des Schaltelement 1. Die elektrische bzw. elektronische Ansteuerung, sowie die Elektrik im Relais ist als eine elektronische Einheit 7 anzusehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist zumindest ein Teil einer elektronischen Einheit 7 vorgesehen, der die Schaltzustände I, II des Schaltelements mittels Schaltsignal 104 wechselt. Andere Teile der elektronischen Einheit 7 können wiederum wie unter 2a beschrieben ausgestaltet sein.
Alle Teile dieser elektronischen Einheiten 7 können beliebig kombiniert sein. Auch eine Kombination mehrerer Teile einer elektronischen Einheit 7 wird in dieser Beschreibung als eine elektronische Einheit 7 bezeichnet.
Optional ist weiterhin ein gestrichelt dargestellter Service Switch 11 eingebracht. Dieser Service Switch ist mit einem ersten Anschluss 110 mit dem Stromknoten A und mit einem zweiten Anschluss 111 mit dem Stromknoten B verbunden. Die durchgezogene elektrisch leitende Verbindung zwischen Stromknoten A und B entfällt beim Einbringen des Service Switches 11.
Der Service Switch 11 ermöglicht eine zusätzliche Schaltmöglichkeit der elektrischen Last 3. Unabhängig vom Schaltzustand I, II des Schaltelements 1 ist mittels des Service Switches 11, der insbesondere mechanisch ausgestaltet ist, ein Abschalten des zweiten Potenzials 202 der Betriebsspannung 2 jederzeit möglich. In einigen Anwendungen ist ein solcher Service Switch 11 aus Sicherheitsgründen vorgeschrieben bzw. aus bedienerfreundlichen Gründen vorzusehen. Der Service Switch 11 kann in allen Ausführungsbeispielen optional eingebracht sein.
In 3a ist eine Weiterbildung der in 2a dargestellten Versorgungsanordnung aufgezeigt. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen 2a und 3a eingegangen. Im Unterschied zu 2a ist die Versorgungseinheit 4 in dieser und in den folgenden Figuren gestrichelt und detaillierter dargestellt. Die Versorgungseinheit 4 ist in 3a mit einer Parallelspannungsversorgungseinheit 5 und einer Serienspannungsversorgungseinheit 6 ausgestaltet.
Eine ausführliche Funktionsbeschreibung der 3a erfolgt in der Figurenbeschreibung 5 und 6.
In 3b ist eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels aus 2b. Die Unterschiede zwischen 2b und 3b entsprechen den Unterschiede zwischen den 2a und 3a, wodurch eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle entfällt.
In den folgenden Figuren ist die elektronische Einheit 7 wie in 2b und 3b eingebracht. Die elektronische Einheit 7 weist bevorzugt ein autonomes Bezugspotenzial 10 auf. In allen folgenden Weiterbildungen und alternativen Ausführungsbeispielen kann die elektronische Einheit 7 ebenfalls wie in 2a und 3b eingebracht sein. Auf eine Darstellung diesbezüglich wurde hier verzichtet.
In 4 ist eine Weiterbildung des in 3b dargestellten Ausführungsbeispiels zur Versorgung eines Schaltelements 1 mit Energie dargestellt. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen 3b und 4 eingegangen. Im Unterschied zu 3b sind zwei Dioden 9 dargestellt. Diese dienen der Entkopplung der beiden Spannungsversorgungseinheiten 5 und 6 und schützen diese vor Rückwärtsstrom oder Rückwärtsspannungen. Beide Dioden weisen einen ersten Diodenanschluss 901, der auch als Kathode bezeichnet wird, und einen zweiten Diodenanschluss 902, der auch als Anode bezeichnet wird, auf. Beide Anodenanschlüsse 902 sind der jeweiligen zu schützenden Spannungsversorgungseinheit 5 oder 6 zugewandt.
Zusätzlich ist aufgezeigt, dass ein autonomes Bezugspotenzial 10 an den Spannungsversorgungseinheiten 5 und 6 generiert und im Schaltelement 1 sowie der elektronischen Einheit 7 zur Verfügung steht. Mit autonom wird hier verstanden, dass das Bezugspotenzial 10 bezüglich der Betriebsspannung 2 unabhän gig und nicht auf diese Betriebsspannung 2 bzw. deren Potenziale 201 und 202 bezogen ist.
Eine ausführliche Funktionsbeschreibung der 4 erfolgt in der Figurenbeschreibung 5 und 6.
In den 5 und 6 ist das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel erneut skizziert. Es werden in beiden Figuren die zumindest zwei Schaltzustände I und II des Schaltelements 1 dargestellt. Abhängig vom jeweiligen Schaltzustand I oder II ist der für den jeweilige Schaltzustand aktive Teil der Versorgungsanordnung durchgezogen, der für den jeweiligen Schaltzustand inaktive Teil der Versorgungsanordnung als gestrichelt gezeichnet. Im Folgenden wird nun eine Fallunterscheidung bezüglich der beiden Schaltzustände I und II durchgeführt.
Im Fall 1, der in 5 aufgezeigt ist, ist die Serienspannungsversorgungseinheit 6 sowie deren Zu- und Ableitungen 402, 404, 902 und 10 gestrichelt dargestellt. Das Schaltelement 1 ist geöffnet und wird in diesem Fall mittels der Parallelspannungsversorgungseinheit 5 versorgt. Ein optional integrierter Service Switch 11 muss geschlossen bleiben, um einen Stromfluss zu ermöglichen.
Da das Schaltelement 1 geöffnet ist, ist kein Stromfluss zwischen den beiden Schaltanschlüssen 101 und 102 gegeben. Da die elektrische Last 3 nicht betrieben wird, liegt zunächst am zweiten Anschluss der Last 302 und dementsprechend am Ausgang 404 der Parallelspannungsversorgung 5 ein Potenzial, welches verschieden vom zweiten Potenzial 202 der Betriebsspannung 2 ist. Diese Potenzialdifferenz zwischen 202 und 302 wird in der Parallelspannungsversorgungseinheit 5 genutzt, um eine Versorgungsspannung am Versorgungsausgang 403 der Versorgungseinheit 4 bereitzustellen.
Speziell bei der Verwendung von nicht rein ohmschen Lasten 3, beispielsweise einer Energiesparlampe oder einer Leuchtstoffröhre weist die Parallelspannungsversorgungseinheit einen sehr hohen Wirkungsgrad auf. Dies wird speziell durch ein hocheffizientes Netzteil erreicht. Solche Netzteile sind beispielsweise Buck-Converter, Step-Down-Converter oder Transformatoren.
Da speziell Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren durch einen Zündstrom oder eine Zündspannung gezündet und somit „angeschaltet" werden, ist bei solchen Anwendungen darauf zu achten, dass der Strom durch die Last 3 geringer als der Zündstrom bzw. die abfallende Spannung über der Parallelspannungsversorgungseinheit 5 hoch genug ist, sodass über der Last 3 eine erforderliche Zündspannung unterschritten bleibt, wobei beide Situationen zum Zünden der Last 3 führen würden. Dies entspräche einem Fehlerfall, da die elektrische Last 3 trotz ausgeschaltetem Schaltelement 1 betrieben werden würde.
Beispielhaft erwähnt sei hier eine so genannte Warmstartlampe, wie sie in Europa verwendet und betrieben wird. Eine Glimmlampe mit einer Zündspannung von etwa 80 V im Inneren des Starters erhitzt durch den durchgehenden Stromfluss einen Bimetallstreifen, der dann den Stromfluss durch die Heizwendeln unterbricht und über eine Drossel den Zündimpuls erzeugt. Dieser Stromfluss durch diese Glimmlampe ist bei Verwendung einer Parallelspannungseinheit 5 auch in der elektrischen Last 3 existent und verursacht sowohl in der Parallelspannungseinheit als auch in der aktiven Last 3 einen Spannungsabfall. Ist der Strom durch die Parallelspannungseinheit 5 zu hoch so wird die Warmstartlampe gezündet. Ist die Spannung an der Glimmlampe nicht größer als die Zündspannung, fließt kein Strom durch das Parallelnetzteil. Die Parallelspannungsversorgungseinheit 5 besitzt im europäischen Netz nunmehr einen nutzbaren Bereich von 230 V – 80 V = 150 V. Wird die gleiche Versorgungsanordnung nun in den USA betrieben, steht der Parallelspannungsversorgungseinheit 5 nur eine Spannungsdifferenz von 110 V – 80 V = 30 V zur Verfügung, wodurch wesentlich höhere Anforderungen an die Effektivität der Parallelspannungsversorgungseinheit 5 gesetzt werden. Da es als Ultra-Low-Cost-Varianten auch Kaltstartlampen gibt, könnte eine geringerer Strom durch das Parallelnetzteil ausreichen, um eine Lampe zu zünden. Im Erfindungsgedanken ist enthalten, dass dieser Fall ebenfalls berücksichtigt ist. Zusätzlich ist es erwünscht den Stromfluss im Fall 1 stets so gering zu möglich zu halten, sodass einer solchen Last keine zusätzliche „künstliche" Alterung auferlegt wird und die Last 3 eine längere Lebensdauer aufweist.
In 6 ist der Fall 2 der Fallunterscheidung dargestellt, in dem das Schaltelement 1 geschlossen ist. Hier ist darauf zu achten, das ein optional eingefügter Service Switch 11 weiterhin geschlossen bleibt. Ist dies nicht berücksichtigt, öffnet der Service Switch 11 den Schaltkreis und die Versorgungsanordnung kann nicht betrieben werden.
Im Fall II erfolgt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen 101 und 102 des Schaltelements 1. Hierbei ist das Parallel-Power-Supply deaktiviert und die serielle Spannungsversorgungseinheit 6 aktiviert. In der Serienspannungsversorgungseinheit 6 wird ein Stromfluss zwischen dem Eingang 402 und dem Ausgang 404 genutzt und in einen Spannungsabfall umgesetzt. Dazu wird insbesondere ein Se rienelement verwendet. Dieses Serienelement, auch als Shunt bezeichnet, kann unterschiedlich ausgestaltet sein. An dieser Stelle sei auf nachfolgende Figuren verwiesen, in denen das Serienspannungsversorgungseinheit 6 ausführlich beschrieben ist. Die Serienspannungsversorgungseinheit 6 liefert nun den umgesetzten Spannungsabfall als Versorgungsspannung an den Versorgungseingang 103 des Schaltelements 1 über den Versorgungsausgang 403.
Da die Spannung aus einem Serienelement gewonnen wird, ist es nötig, hohe Verlustleistungen bei unterschiedlichen, insbesondere hohen elektrischen Lasten 3 zu vermeiden. Hohe Verlustleistungen verursachen in der Versorgungsanordnung und speziell in der Versorgungseinheit 4 eine zu hohe Wärmestrahlung, die möglicherweise zum Funktionsverlust, zur Zerstörung oder zumindest zu einer kritischen Erwärmung der Versorgungseinheit 4 führt. Hierfür stehen prinzipiell mehrere Ausführungsvarianten zur Verfügung. Bei Verwendung einer sinusförmigen Wechselspannung als Betriebsspannung 2 können beispielsweise zwei antiparallel geschaltete Dioden bzw. ein NMOS-Leistungstransistor mit der hier genutzten Reverse-Substat-Diode einen Spannungsabfall erzeugen. Mittels eines linearen Spannungsreglers kann der Spannungsabfall geglättet werden.
In einer anderen Ausführungsvariante wird ein TRIAC oder ein Transformator verwendet. In 7, 10, 11 und 21 werden diese Ausführungsbeispiele der Serienspannungsversorgungseinheit 6 beschrieben. Die Lösungen mit TRIAC oder antiparallelen NMOS-Leistungstransistor erzeugen prinzipiell einen zweiseitigen Phasenanschnitt der Betriebsspannung 2, wie in 22 aufgezeigt. Hierbei ist die Betriebsspannung ebenfalls eine sinusförmige Wechselspannung.
Ein TRIAC wird erst gezündet, wenn die Sinusspannung auf einige Volt angestiegen ist. Mit Zünden wird das Leitend werden verstanden. Nach der Zündung verbleibt eine Restspannung und damit Verlustleistung. Der zweiseitige Sinusausschnitt X1, dargestellt in 22, bis zum Zünden des TRIAC oder bei Verwendung eines einzigen NMOS Leistungstransistors einseitigen Phasenanschnitt nach 23 wird beispielsweise über Dioden abgeleitet und auf Kondensatoren geladen.
Wenn die Betriebsspannung 2 in der Halbwelle einen Spannungswert übersteigt, wird der Transistor bzw. der TRIAC durchgeschaltet und der Spannungsabfall am Transistor wird minimal.
In 7 ist eine einfache, ungeregelte Ausführungsvariante der Serienspannungsversorgungseinheit 6 näher dargestellt. Hier wird die erwähnte TRIAC Variante aufgezeigt. Die Anschlüsse 402, 403, 404 sowie 10 dienen der Orientierung aus den vorangegangenen Figurenbeschreibungen. Zwischen dem Eingang 402 der Serienspannungsversorgungseinheit 6 und deren Ausgang 404 ist ein TRIAC U1 angeordnet. Zur Funktion des TRIAC U1 sei hier auf Figurenbeschreibung 6 und 22 verwiesen.
Der TRIAC U1, beispielsweise ein TRIAC Q408L4, ist in Reihe mit der elektrischen Last 3 verschaltet. Die Dioden D1 bis D4 leiten die Spannung auf einen mit Bezugspotenzial 10 verbundenen Kondensator C3. Dieser wird mit der weitergeleiteten Spannung aufgeladen. Die aufgeladene Spannung in C3 wird weiterhin einem linearer Spannungsregler U2, beispielsweise ein LT1584 als Eingangsspannung U21 zur Verfügung gestellt. Dieser Spannungsregler U2 erzeugt aus der Eingangsspannung U21 eine Versorgungsspannung U22, die über den Versorgungsspannungsausgang 403 einer elektronischen Einheit 7 zur Verfügung gestellt wird. Symbolisch wird hier eine ohmsche Ersatzlast R1 der elektronischen Einheit 7 an den Versorgungsausgang 403 angekoppelt.
Dieses Ausführungsbeispiel weist einen geringe Bauteilaufwand und geringe Fertigungskosten auf. Der Widerstand R2 sowie die Dioden D5 und D6 dienen hierbei der Einstellung der Zündspannung des TRIAC U1.
In 8 ist der Spannungsverlauf über die Zeit des Eingangs U21 und des Ausgangs U22 des linearen Spannungsreglers U2 aufgezeigt. Deutlich zu erkennen ist, dass die Ausgangsspannung U22, die als Versorgungsspannung der elektronischen Einheit 7 zugeführt werden, sehr stabil und geglättet ist. Die Schaltung ist bei einer elektrischen Last 3 von 1100 W bei 110 V betrieben worden, die einen Strom von 10 Ampere verlangt. Der Widerstand R1 weist 94 Ohm auf.
In 9 ist der Spannungsverlauf über die Zeit des Spannungsabfalls des TRIAC U1 aufgezeigt. Die Überspitzen im Spannungsverlauf zeigen den Spannungsabfall des zu diesem Zeitpunkt nicht gezündeten TRIAC U1 an. Diese Überspitzen werden über die Dioden D1 bis D4 an den Kondensator C3 geleitet und laden diesen auf. Hier wird ebenfalls eine Last 3 betrieben, die einen Strom von 10 Ampere verlangt. Der Widerstand R1 weist 94 Ohm auf.
Zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit des Ausführungsbeispiels aus 9 ist in 10 eine Weiterbildung der in 9 dargestellten Serienspannungsversorgungseinheit 6 aufgezeigt. Die Spulen L1 und L2 sowie die Entstörkapazität C1 sind hier zusätzlich eingesetzt, um die Schaltflanken des Spannungsabfall von +/– 2 V effektiv bei einer 10 A Last 3 zu verzögern.
In 11 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Serienspannungsversorgungseinheit 6 aufgezeigt. Als Serienelement ist ein NMOS Leistungstransistor M1 zwischen den Anschlüssen 402 und 404 eingesetzt. Verwendung findet hier ein Transistors M1 mit einem sehr geringeren RDS ON, beispielsweise ein IRF6635. Ähnlich dem TRIAC Ausführungsbeispiel aus 7 und 10 wird ein Phasenanschnitt X1 der sinusförmigen Betriebsspannung 2 zur Erzeugung der Versorgungsspannung benutzt. Der Transistor M1 ist aufgrund der internen Substratdiode ebenfalls in der Lage, beide Halbwellen der sinusförmigen Betriebsspannung 2 zu verarbeiten, siehe 23.
Solange das Gate M11 des Leistungstransistors M1 positiv ist, ist ein geringer Spannungsabfall zwischen Drain und Source Anschluss des Transistors M1 zu verzeichnen. Sobald das Gate M11 negativer wird, sprich die Spannung am Gate M11 bezogen auf Bezugspotenzial 10 gegen Null Volt geht, steigt die Spannung am Drain 402 von M1 stark an, d. h. der Transistor sperrt. Das Gate M11 wird durch den Transistor Q2 wieder auf positives Spannungsniveau gehoben, sobald der Kondensator C5 aufgeladen ist. Durch das positive Spannungsniveau an Gate M11 ist der Transistor erneut eingeschaltet, sprich leitend, und der Spannungsabfall am Drain Anschluss 402 nahe null Volt. Die Dioden D1 und D6 schützen den Transistor M1 bevorzugt vor Überspannung und können gegebenenfalls entfallen.
Der bipolare Transistor Q1 wiederum entlädt das Gate M11 zu Beginn einer neuen Periode der Betriebsspannung 2. Dadurch wird M1 gesperrt und der Spannungsabfall am Drain 402 maximal. Ein maximaler Spannungsabfall beträgt beispielsweise 5 V. Wird unter Extrembedingungen ein höherer Spannungsabfall er zeugt, so begrenzt die Zener Diode D8 die Spannung auf beispielsweise 20 V.
Dieses alternative Ausführungsbeispiel einer Serienspannungsversorgungseinheit 6 benötigt wenige Komponenten, die zusätzlich kostengünstig sind. Grundsätzlich wird deutlich weniger Energie in Wärme umgesetzt, als beispielsweise der Verwendung von TRIAC, antiparallel verschalteten Dioden oder Shunt-Widerständen als Serienelement.
Nachfolgend werden verschiedene Last und Beschaltungssituationen mittels Spannungsverläufen über die Zeit beschrieben. Die variierten Komponenten entsprechen stets den in 11 bezeichneten Komponenten.
In 12 ist eine elektrische Last 3 vorgesehen, die 110 Ohm beträgt. Die Betriebsspannung beträgt 110 V effektiv und verursacht so einen Strom von 1 A im Stromkreislauf. Der Widerstand R1 ist 94 Ohm. Dargestellt sind die Spannungen zwischen Drain und Source 402 des Transistors M1 und die Versorgungsausgangsspannung 403 am Kondensator C5, wie auch die Sinusspannung 201 zu 202. Beide Spannungen sind auf das autonome Potenzial 10 bezogen. Zusätzlich ist die inverse Betriebsspannung 2 dargestellt. Das zustande kommen der Signalverläufe ist in 11 ausreichend beschrieben.
In 13 ist eine elektrische Last 3 vorgesehen, die 1100 Ohm beträgt. Dies ist eine vergleichsweise geringe Last von 11 W. Die Betriebsspannung beträgt ebenfalls 110 V effektiv und verursacht so einen Strom von 0,1 A im Stromkreislauf. Es sind die gleichen Spannungsverläufe 402, 403 und 2 wie in 12 dargestellt, jedoch mit entsprechend längeren Sperrzeiten des Transistors M1. Es ist zu erkennen, dass der maxi male Spannungsabfall am Drain 402 des M1 zeitlich länger pro Periode der Betriebsspannung ist. Dies ist nötig, da der Kondensator C5 durch die geringere Last länger benötigt um auf dem gewünschten Spannungsniveau aufgeladen zu sein. Es gilt: Versorgungsspannung 403 entspricht dem Quotienten aus Ladung Q und Kapazität C5. Da die Versorgungsspannung 403 und die Kapazität C5 konstant sein sollen, muss die Ladung zur Erfüllung der Gleichung ebenfalls konstant sein. Da Ladung das Produkt aus Strom I und Zeit t ist, der Strom durch die geringe Last 3 niedrig ist, muss eine längere Zeit t aufgebracht werden, um die gleiche Ladung in den Kondensator C5 zu bekommen.
Die 14 ist eine elektrische Last 3 vorgesehen, die 11 Ohm beträgt. Dies ist eine vergleichsweise große Last von 1100 W bei 110 V. Die Betriebsspannung beträgt ebenfalls 110 V effektiv und verursacht so einen Strom von 10 A im Stromkreislauf. Es sind die gleichen Spannungsverläufe 402, 403 und 2 wie in 12 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der maximale Spannungsabfall am Drain 402 des M1 zeitlich wesentlich kürzer pro Periode der Betriebsspannung ist als im Vergleich zu 12 und 13. Da ähnlich wie in 13 die Versorgungsspannung 403 und die Kapazität C5 konstant sein sollen, muss die Ladung ebenfalls konstant sein. Da Ladung wiederum das Produkt aus Strom I und Zeit t ist, der Strom durch die hohe Last 3 vergleichsweise hoch ist, muss eine kürzere Zeit t nötig, um die gleiche Ladung in den Kondensator C5 zu transportieren. Die Folge sind die kurzen Spannungsspitzen des Spannungsverlaufs 402. Die Verlustleistung ist entsteht im durchgeschalteten Zustand des Transistors und ist entsprechend dem R_DS-ON gering.
In 15 ist eine elektrische Last 3 vorgesehen, die 110 Ohm beträgt. Die Betriebsspannung beträgt 110 V effektiv und verursacht so einen Strom von 1 A im Stromkreislauf. Der Widerstand R1 ist auf 50 Ohm reduziert. Aufgrund dieser größeren Last der elektronischen Einheit 7 ist der Spannungsabfall der Versorgungsspannung am Versorgungsspannungsausgang 403 innerhalb einer Periode der Betriebsspannung 2 stärker, weshalb der Kondensator C5 vergrößert werden sollte, als vergleichsweise in 12. Darüber hinaus ist auch eine höhere Versorgungsausgangsspannung denkbar, die mittels der Zener-Diode U3 einstellbar ist. Das Oszillogramm zeigt die größere Last in der verlängerten 402 Aus-Phase des Transistors M1.
In 16 ist eine elektrische Last 3 vorgesehen, die 110 Ohm beträgt. Die Betriebsspannung beträgt 110 V effektiv und verursacht so einen Strom von 1 A im Stromkreislauf. Der Widerstand R1 ist nunmehr auf 200 Ohm erhöht. Aufgrund dieser geringeren Last der elektronischen Einheit 7 ist der Spannungsabfall der Versorgungsspannung am Versorgungsspannungsausgang 403 innerhalb einer Periode der Betriebsspannung 2 geringer, weshalb der Kondensator C5 kleiner sein kann, als vergleichsweise in 12. Darüber hinaus ist auch eine geringere Versorgungsausgangsspannung denkbar, die wiederum mit der Zener- Diode U3 einstellbar ist. Das Oszillogramm zeigt die geringere Last in einer schmaleren 402 Aus-Phase des Transistors M1.
In 17 ist eine elektrische Last 3 vorgesehen, die 11 Ohm beträgt. Dies ist eine vergleichsweise große Last von 1100 W. Die Betriebsspannung beträgt ebenfalls 110 V effektiv und verursacht so einen Strom von 10 A im Stromkreislauf. Der Widerstand R1 ist 94 Ohm. Dies entspricht einer typischen Last von 35 mA bei einer Versorgungsspannung U22 von 3,3 V. Zur Verdeutlichung der Verlustleistung unter diesen Extrembedingungen ist der Ausschnitt des Spannungsabfalls zwischen 402 und 404 am Drain des Leistungstransistors M1 und der Betriebsspannung 2 vergrößert dargestellt. Der Wärmeverlustleistung beträgt in diesem Fall weniger als 2 W.
In 18 ist der Spannungsverlauf über die Zeit am Ausgangskondensator C5 dargestellt. Zur weiteren Stabilisierung der Versorgungsspannung ist ein linearer Spannungsregler U2, ähnlich wie in 7 und 10 dargestellt, in der Serienspannungsversorgungseinheit 6 vorzusehen. Auf eine Darstellung des linearen Spannungsreglers wird hier verzichtet. Die Ausgangsspannung U22 des linearen Spannungsreglers U2 wird am Versorgungsausgang 403 einer elektronischen Einheit 7 zugeführt. Sollte insbesondere die Eingangsspannung U21 des linearen Spannungsreglers U2 zu gering sein, ist diese mittels der Zener- Diode U3 zusätzlich einstellbar.
In 19 ist eine Eingangsspannung U21 und eine Ausgangsspannung U22 eines nicht dargestellten linearen Spannungsreglers U2 aufgezeigt. Die zusätzliche Stabilisierung ermöglicht eine geringere Restwelligkeit der Versorgungsspannung am Versorgungsspannungsausgang 403.
In 20 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Serienspannungsversorgungseinheit 6 dargestellt. Hier wird ein Transformator bestehend aus den Spulen L3 und L4 verwendet. Der Transformator induziert eine Spannung über die Dioden D1 bis D4, die wiederum einem linearen Spannungsregler U2 zugeführt wird. Am Ausgang U22 des linearen Spannungsreglers U2 ist wiederum eine weitere Einheit 7 angeordnet. Eine elektrische Last 3 ist durch den ohmschen Widerstand R9 dargestellt.
In 21 ist ein Spannungsverlauf über die Zeit der Eingangsspannung U21 und der Ausgangsspannung U22 dargestellt. Die elektrische Last 3 beträgt hierbei 500 Ohm. Der Transformator wird mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 verwendet. Hierbei ist aufgezeigt, dass der Transformator in Sättigung arbeitet, sobald der Strom durch die Last 3 ansteigt. In dieser Ausführungsvariante ist ein sehr geringer Anzahl von Komponenten nötig.
In 22 und 23 sind die jeweils verwendeten prinzipiellen Sinusanteile X1 bei Phasenanschnitt dargestellt. Man erkennt, dass bei der Benutzung eines Transistors, wie in 23, nur eine Halbwelle der Sinuswelle benutzt wird.
In 24 ist eine alternative Ausführungsform der in 11 dargestellten Serienspannungsversorgungseinheit 6 aufgezeigt. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen den 11 und 24 eingegangen. Zusätzlich zu den Transistoren Q1 bis Q3 ist ein weiterer bipolarer Transistor Q4 eingefügt. Der Transistor ist mittels der Widerstände R11, R12 und U4 in seinem Arbeitspunkt eingestellt. R13 ist als Kollektorwiderstand für den Transistor Q3 und als Basisvorwiderstand des Transistors Q1 hinzugefügt. An die Anschlüsse 402 und 404 ist eine sinusförmige Betriebsspannung 2 angelegt. Bei der positiven Halbwelle von 2 ist die Zenerdiode U3 durchgeschaltet, der Transistor Q3 sperrt, wodurch der Transistor Q1 leitend wird. Q1 zieht das Gate M11 des Transistors M1 auf das autonome Bezugspotenzial 10. Grundsätzlich ist der Transistor M1 bei einer Gatespannung von 0 V am Anschluss M11 gesperrt. Die Spannung zwischen Drain und Source des M1 wird über die Diode D9 dem linearen Spannungsregler U2 zugeführt. Am Ausgang U22 des Spannungsreglers U2 liefert die Serien spannungsversorgungseinheit 403 eine Versorgungsspannung an die Last R1.
Übersteigt die Spannungshöhe an 402 die Zenerdiodenspannung U4 wird der Transistor Q4 leitend, wodurch der Transistor Q2 ebenfalls leitend geschalten wird. Der Transistor Q2 zieht das Gate M11 auf ein positives Niveau größer als die Schwellspannung des Transistors M1. Dadurch wird der Transistor M1 leitend. Der Spannungsabfall zwischen Drain und Soruce von M1 ist nahezu null. Bei der negativen Halbwelle von 2 wird M1 ebenfalls leitend, nur ist er Spannungsabfall zwischen Drain und Source dem Spannungsabfall einer Diode.
Durch dieses Ausführungsbeispiel gemäß 24 werden die Schaltflanken sowie die Schaltzeitpunkte des Transistors M1 durch die Zener- Dioden U3 und U4 verbessert eingestellt. U3 und U4 weisen unterschiedliche Zenerspannungen auf, die Zenerspannung von U3 ist in diesem Fall 4,5 V und die Zenerspannung von U4 ist in diesem Fall ca. 6 V.
Die elektronische Einheit 7 in den dargestellten Figuren ist nicht nur zur Erzeugung eines elektrischen Schaltsignals 104 vorgesehen. Sie kann völlig autonome Funktionen für Elemente außerhalb der Versorgungsanordnung erzeugen oder bereitstellen. Sie ist in Art und Funktion nicht beschränkt. Für die Verwendung eines Funkschaltelements ist die elektronische Einheit 7 beispielsweise ein Funkempfänger. Mittels der empfangenen elektromagnetischen Strahlung, sprich einem Funksignal, wird ein elektrisches Schaltsignal 104 in der weiteren Einheit 7 erzeugt, welches den Schaltzustand I, II des Schaltelements 1 wechselt oder auch eine Dimmfunktion erfüllen kann.

1: Schaltelement
101: Erster Anschluss des Schaltelements
102: Zweiter Anschluss des Schaltelements
103: Versorgungseingang
104: Schaltsignal
2: Betriebsspannung
201: erstes Potential der Betriebsspannung, N
202: Zweites Potenzial der Betriebsspannung, L
3: Elektrische Last
301: Erster Anschluss der Last
302: Zweiter Anschluss der Last
4: Versorgungseinheit
401: Erster Eingang
402: Zweiter Eingang
403: Versorgungsausgang
404: Ausgang
5: Parallelspannungsversorgungseinheit
6: Serienspannungsversorgungseinheit
7: Elektronische Einheit
8: Mechanischer Schalter,
801: Erster Anschluss des mechanischen Schalters
802: Zweiter Anschluss des mechanischen Schalters
9: Entkoppeldiode
901: Erster Diodenanschluss, Kathode
902: Zweiter Diodenanschluss, Anode
10: autonomes Bezugspotenzial
11: Service Switch
110: Erster Anschluss des Service Switches
111: Zweiter Anschluss des Service Switches
I: Fall 1, Erster Schaltzustand, Schalter offen
II: Fall 2, Zweiter Schaltzustand, Schalter geschlossen
A, B: Stromknoten aus 2 bis 6
C, D: Stromknoten aus 7 und 10
C1: Entstörkapazität
C2, C3: Stabilisierungskapazität für Linearen Spannungsregler U2
C4, C5, C6: Kapazitäten
D1–D4: Gleichrichtdioden
D5, D6, D8: Z-Dioden
D7: Überspannungsschutzdiode
D9: Diode
L1, L2: Entstörinduktivitäten
L3, L4: Transformatorinduktivitäten
M1: NMOS Leistungstransistor
M11: Gateanschluss des NMOS Leistungstransistors
Q1, Q2, Q3: Bipolartransistoren
R1: Ersatzlastwiderstand der weiteren Einheiten 7
R2: Einstellwiderstand für M1 bzw. U1
R3: Emitterwiderstand für Q1
R4: Basisvorwiderstand für Q1
R5, R6: Basisvorwiderstände für Q2
R7, R8: Basisvorwiderstände Q3
R9: Ersatzlastwiderstand für elektrische Last 3
R10: Gatevorwiderstand für M1
R11, R12: Basisvorwiderstände für Q4
R13: Kollektorwiderstand für Q3
U1: Triac
U2: Linearer Spannungsregler,
U21: Eingang Linearer Spannungsregler
U22: Ausgang Linearer Spannungsregler
U3, U4: Z-Diode
X1: verwendeter Sinusanteil bei Phasenanschnitt

Claims

Versorgungsanordnung mit: – einem, zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltzustand (I, II) aufweisenden Schaltelement (1), – einer, ein erstes und ein zweites Potenzial (201, 202) aufweisenden Betriebsspannung (2), wobei das Schaltelement (1) mit einem ersten Anschluss (101) mit dem zweiten Potenzial (202) der Betriebsspannung (2) verbunden ist, – einer elektrischen Last (3), wobei die Last (3) mit einem ersten Anschluss (301) mit dem ersten Potenzial (201) verbunden ist und – einer Versorgungseinheit (4) mit: – einem ersten, mit dem zweiten Potential (202) verbundenen Eingang (401), – einem zweiten, mit einem zweiten Anschluss (102) des Schaltelements (1) verbundenen Eingang (402), – einem, mit einem zweiten Anschluss (302) der Last (3) verbundenen Ausgang (404) und – einem, mit einer elektronischen Einheit (7) verbundenen Versorgungsausgang (403), wobei die Versorgungseinheit (4) die elektronischen Einheit (7) unabhängig vom jeweiligen Schaltzustand (I, II) mit Energie versorgt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Versorgungseinheit (4) eine Parallelspannungsversorgungseinheit (5) aufweist, und die Parallelspannungsversorgungseinheit (5) die elektronische Einheit (7) mit Energie versorgt, sobald das Schaltelement (1) den ersten Schaltzustand (I) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Versorgungseinheit (4) eine Serienspannungsversorgungseinheit (6) aufweist, und die Serienspannungsversorgungseinheit (6) die e lektronische Einheit (7) mit Energie versorgt, sobald das Schaltelement (1) den zweiten Schaltzustand (II) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die beiden Spannungsversorgungseinheiten (5, 6) durch Dioden (9) voneinander entkoppelt sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versorgungseinheit (4) eine Versorgungsspannung erzeugt und die Versorgungsspannung auf ein autonomes, in der Versorgungseinheit (4) definiertes Potenzial (10) bezogen ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Parallelspannungsversorgungseinheit (5) ein Step Down Converter ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Serienspannungsversorgungseinheit (6) mittels Shuntwiderstand, zweier antiparalleler Dioden, einem NMOS-Transistor (M1), einem TRIAC (U1) oder Transformator (L1, L2) in Shuntfunktion realisiert ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Einheit (7) ein Schaltsignal (104) erzeugt, wodurch das Schaltelement (1) zumindest vom ersten in den zweiten Schaltzustand (I, II) bzw. vom zweiten in den ersten Schaltzustand (II, I) versetzt wird.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei die elektronische Einheit (7) ein Funkempfänger ist, der Funkempfänger Funksignale empfängt und zumindest ein Schaltsignal (104) generiert, die das Schaltelement (1) zumindest vom ersten in den zweiten Schaltzustand (I, II) bzw. vom zweiten in den ersten Schaltzustand (II, I) versetzen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektronische Einheit (7) eine Regeleinheit ist und die Regeleinheit das zweite Potenzial (202) stufenweise oder stufenlos an die Last (3) regelt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Einheit (7) Elemente außerhalb der Versorgungsanordnung steuert.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei die elektronische Einheit ein Sensor, eine Steuereinheit oder eine Alarmeinheit ist.
Versorgungseinheit mit: – einem ersten, mit einem zweiten Potenzial verbindbaren Eingang, – einem zweiten, mit einem Anschluss eines Schaltelements verbindbarem Eingang, – einem, mit einer elektrischen Last verbindbarem Ausgang und – einem, eine elektronische Einheit mit Energie versorgbaren Versorgungsausgang, wobei: – eine Versorgungsspannung durch die Versorgungseinheit generierbar ist und die Versorgungsspannung auf ein autonomes Bezugspotenzial innerhalb der Versorgungseinheit bezogen ist.
Versorgungseinheit nach Anspruch 13, wobei die Versorgungseinheit eine Serienspannungsversorgungseinheit und eine Parallelspannungsversorgungseinheit aufweist und wobei beide Spannungsversorgungseinheiten mittels Dioden entkoppelt sind.
Versorgungseinheit nach Anspruch 14, wobei die Parallelspannungsversorgungseinheit ein Step Down Converter ist.
Versorgungseinheit nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Serienspannungsversorgungseinheit mittels einer Shuntfunktion durch zwei antiparalleler Dioden, einem Transistor, einem TRIAC oder einem Transformator realisiert ist.
Versorgungsanordnung mit: – einem Schaltelement, wobei das Schaltelement: – zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltzustand aufweist, wobei das Schaltelement einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist und – einer Versorgungseinheit, wobei die Versorgungseinheit: – einen ersten, mit dem ersten Anschluss des Schaltelements verbundenen Eingang aufweist, – einen zweiten, mit dem zweiten Anschluss des Schaltelements verbundenen Eingang aufweist, – einen Ausgang aufweist, – einen, mit einer elektronischen Einheit verbundenen Versorgungsausgang aufweist und – die elektronische Einheit unabhängig vom Schaltzustand des Schaltelements mit Energie versorgbar ist.
Versorgungsanordnung nach Anspruch 17, wobei die elektronische Einheit ein Schaltsignal erzeugt, wodurch das Schaltelement zumindest vom ersten in den zweiten Schaltzustand bzw. vom zweiten in den ersten Schaltzustand versetzt wird.
Versorgungsanordnung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die elektronische Einheit ein Funkempfänger und/oder eine Regeleinheit sind.
Versorgungsanordnung nach Anspruch 17 bis 19, wobei die Versorgungseinheit eine Serienspannungsversorgungseinheit und eine Parallelspannungsversorgungseinheit aufweist und wobei beide Spannungsversorgungseinheiten mittels Dioden entkoppelt sind.
Versorgungsanordnung nach Anspruch 20, wobei die Parallelspannungsversorgungseinheit z. B. ein Step down converter ist.
Versorgungsanordnung nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Serienspannungsversorgungseinheit mittels eines Shuntwiderstand, zweier antiparalleler Dioden, eines Transistor, eines TRIAC oder eines Transformator ist.
Verfahren zur Versorgung einer elektronischen Einheit mit Energie mit den Verfahrensschritten: – Anordnen einer Versorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22 und einer elektrischen Last in Reihe, – Anlegen einer, ein erstes und ein zweites Potenzial aufweisender Betriebsspannung an die Reihenschaltung und – Generieren einer Versorgungsspannung mit einem autonomen Bezugspotenzial in der Versorgungseinheit unabhängig vom Schaltzustand des Schaltelements.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die elektronischen Einheiten ein Schaltsignal erzeugen, wodurch die Schaltzustände des Schaltelements gewechselt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die elektronische Einheit ein Funkempfänger ist, der Funkempfänger Funksignale empfängt und Schaltsignale zum Wechseln der Schaltzustände generiert.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die elektronische Einheit eine Regeleinheit ist und die Regeleinheit das zweite Potenzial stufenweise oder stufenlos an die Last regelt.