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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungseinrichtung für ein (elektrisches
oder elektronisches) Installationsgerät in 2-Draht-Technik gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise bei Bewegungsmeldern und
(beispielsweise über
Infrarotsignale) fernsteuerbaren Schaltern, Tastern sowie Dimmern
verwendet werden.
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Das
Prinzip der Stromversorgung von elektrischen und elektronischen
Installationsgeräten
in 2-Draht Technik über
die angeschlossene Last ist allgemein bekannt. Gerade im Bereich
der Nachrüstung
kommt es häufig
vor, dass der Nullleiter in der Schalterdose (Unterputzdose) fehlt
und trotzdem der elektromechanische Schalter durch ein elektronisches
Schaltgerät,
beispielsweise einen UP(Unterputz)-Bewegungsmelder oder einen Infrarotempfänger ersetzt
werden soll. Diese Installations-Schaltgeräte beziehen dabei ihre Hilfsenergie
(Kleinspannung) für
die Elektronik über
die angeschlossene Last. Als Netzteile werden dabei kapazitive (oder auch
resistive) Netzteile eingesetzt. Konventionelle Netzteile oder Schaltnetzteile
scheiden wegen des fehlenden Nullleiters aus.
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In 4 ist eine Stromversorgungseinrichtung
für ein
Installationsgerät
in 2-Draht-Technik nach
dem Stand der Technik gezeigt. Es ist ein elektronisches Schaltgerät 3 (Unterputz-Bewegungsmelder,
Infrarotempfänger)
mit einem ersten Anschluss 1 für den Anschluss der Phase L
(230 V) und einem zweiten Anschluss 2 für den Anschluss einer Last 4, beispielsweise
einer 40-Watt-Glühlampe,
zu erkennen. Die Last 4 ist andererseits mit dem Nullleiter
N verbunden. Zwischen den Anschlüssen 1 und 2 liegen
eine Sicherung 6 sowie ein Halbleiterschalter 5 (Triac,
IGBT, Power-MOSFET) – nachfolgend
auch allgemein als Schaltgerät
bezeichnet – in
Reihe.
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Zur
Stromversorgung der Elektronik des elektronischen Schaltgerätes 3 ist
ein kapazitives Netzteil vorgesehen, bestehend aus einem Netzkondensator
CNetz, welcher über die Sicherung 6 an
der Phase L liegt und über
eine Diode D1 einen Ladekondensator CLade versorgt, dem zur Spannungsstabilisierung
eine Zenerdiode D3 parallel liegt. Zenerdiode D3, Ladekondensator CLade sowie
eine weitere Diode D2 sind mit dem Anschluss 2 verbunden.
Die weitere Diode D2 liegt andererseits
am Verbindungspunkt von D1 und CNetz.
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Bezüglich der
Stromversorgung für
die Elektronik des elektronischen Schaltgerätes 3 müssen zwei
Fälle unterschieden
werden, nämlich
das geöffnete
und das geschlossene Schaltgerät 5:
Im
Fall des geöffneten
Schaltergerätes 5 fließt ein relativ
kleiner Strom über
den als hochohmiger Vorwiderstand fungierenden Netzkondensator CNetz in den Ladekondensator (Elektrolyt-Kondensator)
CLade und die daran angeschlossene Elektronik.
Der Netzkondensator CNetz wird eingesetzt,
um die Verlustleistung der Anordnung in engen Grenzen zu halten.
Man sieht, dass dieser Strom im mA-Bereich durch die angeschlossene
Last 4, z.B. eine 230V-Glühlampe und den Nullleiter N
zurückfließt. Der
Strom ist dabei so klein, dass die Lampe noch nicht leuchtet.
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Im
Falle des geschlossenen Schaltergerätes 5 steht bei Einsatz
eines idealen Schaltgerätes
kein Spannungsabfall über
dem Schaltgerät
mehr an. Das Netzteil arbeitet folglich nicht mehr. Gemäß dem Stand
der Technik wird deshalb das Schaltgerät 5 periodisch während einer
kleinen Zeitspanne der Netzperiode (beispielsweise 20ms) geöffnet und
das Netzteil für
die Versorgung der Elektronik damit aufrecht erhalten. Die Ansteuerung
des Schaltgerätes 5 erfolgt über die
Elektronik des elektronischen Schaltgerätes 3. Das Öffnen des
Schaltgerätes 5 erfolgt
dabei so kurzzeitig und schnell, dass die angeschlossene Last 4 trotz
dieser Unterbrechungen praktisch eingeschaltet wirkt und die kurzfristigen
Unterbrechungen nicht bemerkt werden. Wegen dieser speziellen Anforderungen
an das Schaltgerät 5 kommt
nur ein Halbleiterschalter, z.B. Triac, IGBT oder Power-MOSFET in
Frage.
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Nachteile
des gemäß Fig. skizzierten
Standes der Technik resultieren aus der erläuterten Tatsache, dass bei
2-Draht-Schaltgeräten
nahezu ausschließlich
Halbleiterschalter eingesetzt werden müssen. Zwar sind diese (weitgehend)
geräuschlos, haben
aber für
die Installationstechnik gravierende Nachteile:
- 1)
Der Halbleiterschalter muss durch die Sicherung (Schmelzsicherung) 6 vor
Zerstörung
im Falle der Überlast
und des Kurzschlusses geschützt werden.
Diese Sicherung 6 führt
im Falle des Ansprechens für
den Endkunden zu einem „defekten" Gerät, auch
nachdem der Fehlerfall (Kurzschluss o.ä.) beseitigt worden ist.
- 2) In manchen Fällen
muss der Halbleiterschalter gekühlt,
in nahezu allen Fällen
zusätzlich
entstört werden – wegen
der vorstehend beschriebenen periodischen Unterbrechungen. Die dazu
erforderlichen Bauelemente sind (wie die Sicherung 6) relativ
voluminös
und teuer.
- 3) Der wohl gravierendste Nachteil: Die Schaltleistung des Halbleiterschalters
ist aus thermischen Gründen
auf ca. 500 VA, entsprechend etwa einem Strom von 2-3 A bei 230
Volt, beschränkt.
Dies liegt an der Tatsache, dass über den Spannungsabfall über dem
Halbleiterschalter, in der Regel ca. 1 V bei einem Laststrom von 3
A (ca. 700 W Last), bereits eine Verlustleistung von 3 W auftritt.
Dies führt,
insbesondere bei Unterputz-Schaltgeräten zu enormen Temperaturwerten
von bis zu 100°C
und darüber.
Es ist leicht einzusehen, dass diese hohen Temperaturen in vielerlei
Hinsicht von Nachteil sind.
- 4) Durch die Einschränkungen
bezüglich
des Schaltvermögens
muss der Elektro-Installateur häufig
den in der Installationstechnik üblichen 16-A-Leitungsschutzschalter
(Schutz im Kurzschlussfall) gegen ein anderes Sicherungselement
mit geringerer Stromauslösung
austauschen. Dies führt
nicht nur zu Mehraufwand für den
Elektriker, son dern auch zu Einschränkungen in diesem Stromkreis
für den
Endkunden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung
für ein
(elektrisches oder elektronisches) Installationsgerät in 2-Draht-Technik
der eingangs genannten Art anzugeben, welche den Einsatz eines Halbleiterschalters
als Schaltgerät
nicht zwingend erfordert.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass es ermöglicht
wird, ein monostabiles Relais mit Schließerkontakt oder ein monostabiles
Relais mit Öffnerkontakt
oder ein bistabiles Relais als Schaltgerät bei einem Installationsgerät in 2-Draht-Technik
einzusetzen. Relais stellen äußerst robuste,
praxiserprobte und in hohen Stückzahlen
eingesetzte Schaltgeräte
dar und weisen die vorstehend für
Halbleiterschalter beschriebenen Nachteile – zusätzlich erforderliche Schmelzsicherung,
zusätzliche
Kühlung,
zusätzliche
Entstörung,
stark begrenzte Schaltleistung, Einsatz eines Leitungsschutzschalters
mit relativ geringer Stromauslösung – nicht
auf. Ein derartiges Relais bietet ein Schaltvermögen von 16 A und ist für beliebige
ohmsche, kapazitive, induktive und Glühlampenlasten zugelassen. Der
Schutz im Kurzschlussfall erfolgt über den aus der Installationstechnik üblichen 16-A-Leitungsschutzschalter.
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Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1, 2, 3 unterschiedliche
Ausführungsvarianten
von Stromversorgungseinrichtungen für ein Installationsgerät in 2-Draht-Technik,
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2 eine Stromversorgungseinrichtung
für ein
Installationsgerät
in 2-Draht-Technik
gemäß dem Stand
der Technik.
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In
den 1, 2, 3 sind
unterschiedliche Ausführungsvarianten
von Stromversorgungseinrichtungen für ein Installationsgerät in 2-Draht-Technik
dargestellt. Allen Ausführungsvarianten
ist es gemeinsam, dass ein Relais an Stelle eines Halbleiterschalters
als Schaltgerät
eingesetzt ist, und zwar
- • ein monostabiles Relais 8 mit
Schließerkontakt bei
der Variante gemäß 1: bei unerregtem Relais
(Ruhestellung) ist der Relaiskontakt geöffnet,
- • ein
monostabiles Relais 9 mit Öffnerkontakt bei der Variante
gemäß 2: bei unerregtem Relais (Ruhestellung)
ist der Relaiskontakt geschlossen, und
- • ein
bistabiles Relais 10 bei der Variante gemäß 3.
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Die
Ansteuerung des Spulenkreises des Relais 8, 9, 10 erfolgt
jeweils über
die Elektronik des elektronischen Schaltgerätes 3. Es ist wiederum
ein kapazitives Netzteil mit Netzkondensator CNetz,
Ladekondensator CLade und den Dioden D1, D2, D3 vorgesehen,
wie unter 4 beschrieben.
Bei allen drei Varianten gemäß den 1, 2 und 3 ist
jedoch ein Stromwandler 7 zwischen Anschluss 1 und
dem Relais angeordnet. Beispielsweise liegt die Primärwicklung
n1 des Stromwandlers 7 zwischen
Anschluss 1 und dem Relais. Die Sekundärwicklung n2 des
Stromwandlers 7 liegt einerseits am Verbindungspunkt des Ladekondensators
CLade mit dem Anschluss 2, der
Diode D2 und der Zenerdiode D3 sowie
andererseits über
einer Diode D4 am Verbindungspunkt von Diode D1, Ladekondensator CLade und
Zenerdiode D3. Die Konfiguration CNetz / CLade / Diode
D1 / Diode D2 /
Zenerdiode D3 + Stromwandler 7 /
Diode D4 kann somit als "kombiniert induktives und kapazitives
Netzteil" bezeichnet
werden.
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Bei
den Stromversorgungseinrichtungen gemäß den 1, 2, 3 wird vom Grundgedanken
ausgegangen, dass bei geschlossenem Relaiskontakt zwar kein mit
Hilfe des kapazitiven Netzteils verwertbarer Spannungsabfall über dem
Schaltgerät
mehr anliegt, dass aber ein Strom durch das Schaltgerät fließt, der über den
Stromwandler 7 die Stromversorgung für die Elektronik des elektronischen
Schaltgerätes 3 übernimmt.
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Der
Stromwandler 7 ist dabei primärseitig sehr niederohmig zu
dimensionieren, damit die eingangs beschriebene Verlustleistungsproblematik (Wärmeentwicklung)
vermieden wird. Dazu sind primärseitig
entsprechende relativ "dicke" Drähte mit hoher
Stromtragfähigkeit
erforderlich. Zusätzlich
darf die Windungszahl der Primärwicklung
n1 (Laststromwicklung) nicht hoch gewählt werden,
um die Drahtlänge
möglichst
gering zu halten (entsprechend einem möglichst geringen ohmschen Widerstand).
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Im
einfachsten Fall wird der Laststrom durch einen (Ring-) Kern mit
hochpermeablem Material, ähnlich
dem Funktionsprinzip einer Strommesszange geführt, d. h. der Stromwandler 7 weist
einen Kern aus hochpermeablem Material auf, der den elektrischen
Leiter zwischen Schaltgerät
(8, 9, 10) und einem Anschluss (1, 2)
umfasst und welcher eine Sekundärwicklung
n2 trägt.
Bei dieser Ausführungsform ist
also überhaupt
keine galvanisch mit dem Anschluss 1 bzw. dem Schaltgerät zu verbindende
Primärwicklung
erforderlich.
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Bei
geöffnetem
Schaltgerät,
d. h. geöffnetem Relaiskontakt
wird die Elektronik dem Stand der Technik entsprechend aus dem kapazitiven
oder resistiven Netzteil versorgt. Bei geschlossenem Schaltgerät, d. h.
Relaiskontakt übernimmt
der Stromwandler 7 mit der als Gleichrichtereinheit fungierenden
Diode D4 die Energieversorgung. Dabei ist
für eine
korrekte Funktionsweise des kapazitiven oder resistiven Netzteils
sowohl im induktiven, als auch im kapazitiven Betriebsfall eine
Grundlast, z.B. eine 40-Watt-Glühlampenlast
erforderlich.
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Die
Dimensionierung des Stromwandlers 7 orientiert sich am
vorgesehenen Einsatzbereich. Als günstige Dimensionierung hat
sich gezeigt, bei minimalem Strom (d.h. Betrieb mit der Grundlast)
einen gerade noch linearen Betrieb des Stromwandlers 7 zu
gewährleisten.
Bei größeren Strömen gelangt
der Kern dann zunehmend in Sättigung,
was im vorliegenden Anwendungsfall nicht stört. Im Gegenteil, durch die
Kernsättigung
bleibt die übertragene
Leistung auf einen gewissen Wert beschränkt und die Anordnung schützt sich
sozusagen selbst.
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Bei
der Primärwicklung
n1 muss der DC-Widerstand auf etwa 10mΩ beschränkt bleiben,
da bei einem Maximalstrom von 16 A dann bereits eine Verlustleistung
von etwa 2,5 W erzeugt wird. Niedriger DC-Widerstand bedeutet eine
geringe Anzahl von Windungen, verbunden mit entsprechend großem Drahtquerschnitt.
Dimensionierungen haben gezeigt, dass mit einem Kerndurchmesser
von 20 mm und einer primären
Windungszahl von 12 etwa 10 bis 20 mW Leistung übertragen werden können. Dies
reicht bei stromsparender Auslegung völlig aus, um die Elektronik
zu versorgen. Allerdings ist es mit dieser relativ geringen Leistung
gegebenenfalls nicht mehr möglich,
ein in 1 gezeigtes monostabiles
Relais 8 mit Schließerkontakt
angezogen zu halten. Um dennoch mit einem Relais als Schaltgerät arbeiten
zu können
bieten sich folgende beiden Möglichkeiten an:
- • Verwendung
eines bistabilen Relais 10 als Schaltgerät, wie in 3 gezeigt. Das bistabile Relais 10 verbleibt
nach Abschalten der Erregungsgröße im erreichten
Schaltzustand. Zur Rückkehr
ist ein weiterer geeigneter Erregungsvorgang bzw. Stromimpuls (beispielsweise
Ansteuern der Rückwerfspule)
notwendig. Nachteil: Bistabile Relais sind teurer als monostabile
Relais.
- • Verwendung
eines monostabilen Relais 9 mit Öffnerkontakt als Schaltgerät, wie in 2 gezeigt. Bei unerregtem
Relais (Ruhestellung) ist der Relaiskontakt geschlossen, bei geöffnetem Kontakt
(= Relais angezogen) wird das monostabile Relais 9 aus
dem leistungsfähigeren
kapazitivem Netzteil (Kondensatornetzteil) versorgt. Bei geschlossenem
Kontakt (= Relais abgefallen) übernimmt
der Stromwandler 7 die Versorgung.
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Selbstverständlich kann
bei allen Ausführungsvarianten
ein resistives Netzteil an Stelle eines kapazitiven Netzteils eingesetzt
werden, wobei der Netzkondensator CNetz durch
einen ohmschen Widerstand ersetzt ist. Selbstverständlich kann
der Stromwandler 7 bei allen Ausführungsvarianten auch zwischen
Schaltgerät
und Anschluss 2 angeordnet sein.
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- CLade
- Ladekondensator
- CNetz
- Netzkondensator
- D1
- Diode
- D2
- Diode
- D3
- Zenerdiode
- D4
- Diode
- L
- Phase
- N
- Nullleiter
- n1
- Primärwicklung
- n2
- Sekundärwicklung
- 1
- erster
Anschluss
- 2
- zweiter
Anschluss
- 3
- elektronisches
Schaltgerät
- 4
- Last
- 5
- Halbleiterschalter
- 6
- Sicherung
- 7
- Stromwandler
- 8
- Monostabiles
Relais mit Schließerkontakt
- 9
- Monostabiles
Relais mit Öffnerkontakt
- 10
- Bistabiles
Relais