DE102005044615A1

DE102005044615A1 - Fernbedienbare Schaltung mit extrem niedrigem Standby-Stromverbrauch im Mikrowatt Bereich

Info

Publication number: DE102005044615A1
Application number: DE102005044615A
Authority: DE
Inventors: Thanh Tu Duong
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-19
Filing date: 2005-09-19
Publication date: 2007-03-29

Abstract

Der Standby-Stromverbrauch heutiger Elektrogeräte liegt größtenteils in einem Bereich von 1-10 Watt pro Gerät. In einem typisch deutschen Haushalt mit Fernseher, HiFi-Anlage, Anrufbeantworter, ISDN-/DSL-Routern etc. summiert sich der Standby-Stromverbrauch auf über 45 Watt. Nimmt man den Durchschnittspreis einer Kilowattstunde von Euro 0,15/h an, so werden pro Haushalt ca. Euro 60 im Jahr unnötig ausgegeben. Bei ungefähr 40 Mio. Haushalten alleine in Deutschland ergäbe sich ein Einsparpotential von über 2 Mrd. Euro oder 14 Mio. Tonnen CO¶2¶. DOLLAR A Es wird im Folgenden eine fernbedienbare Schaltung vorgestellt, mit deren Hilfe es möglich ist, den Standby-Stromverbrauch von stromnetzbetriebenen Geräten bzw. Verbrauchern auf nur wenige zehn Mikrowatt zu reduzieren. Dieser Wert wird erreicht durch die Verwendung von leistungslos ansteuerbaren Feldeffekttransistoren (FET) mit extrem geringem Leckstrom bei "zero gate voltage" und der Energieübertragung per Funk, Licht oder Schall. Die an eine/n Antenne/Transducer übertragene Energie reicht dabei aus, um einen ultra low power Mikrocontroller zu versorgen, der den o. g. Feldeffekttransistor einer Relaistreiberstufe steuert und einen elektrischen Verbraucher über ein Relais an das Stromnetz anschließt.

Description

Einleitung:
Die Anzahl elektrischer Geräte in einem Haushalt hat seit der Erfindung des elektrischen Stroms stetig zugenommen. Der ursprüngliche Gedanke, dass elektrische Geräte im Haushalt den Menschen Arbeit abnehmen und das Leben einfacher gestalten sollten, hat sich grundlegend geändert. Heute dominieren elektrische Geräte, die hauptsächlich der Unterhaltung und Kommunikation dienen. Damit diese Geräte ständig in der Lage sind, ihren Dienst auf einen Fernbedienungsbefehl hin auszuführen, verweilen sie die meiste Zeit des Tages im sog. Bereitschafts- bzw. Standby-Modus. Diese ständige Fernbedienbarkeit führte sogar dazu, dass einige Hersteller ganz auf mechanische Ausschalter (komplette Netztrennung ohne Standby Verbrauch) verzichteten, um die Herstellungskosten weiter zu senken. Auf politischen Druck hin ist dies heute zum Glück nicht mehr der Regelfall. Doch bei unscheinbaren Geräten wie z.B. WLAN-, ISDN-, DSL-Router, Anrufbeantwortern etc. fehlt weiterhin ein Schalter zur Trennung vom 230V Stromnetz, um sie ständig im Bereitschaftsmodus verweilen zu lassen. Doch gerade bei Routern und Anrufbeantwortern ist bekannt, dass deren Netzteile auch bei Nichtgebrauch viel Strom verbrauchen. Eine einfache, aber noch nicht optimale Methode den Stromverbrauch während der Bereitschaftsphase zu senken, wäre die Verwendung von stromsparenden Transformatoren. Aufgrund von Leitungs- sowie Ummagnetisierungsverlusten des Trafo-Kerns wäre eine vollständige Trennung des Transformators von der Stromquelle wünschenswert, jedoch ist dieses bisher nicht möglich gewesen, da die Empfangselektronik zum „ferngesteuerten Aufwecken" selbst mit einer kleinen Menge Energie versorgt werden musste.
Die Standby-Leistung heutiger Elektrogeräte beläuft sich auf ca. 1-10 Watt, wobei auch Geräte mit Standby-Leistungen von mehreren zehn Watt im Umlauf sind, was aus heutiger Sicht eine „ökologische Katastrophe" darstellt.

Für Reduzierung des Standby-Stromverbrauchs werden verschiedene Methoden herangezogen, die hier allerdings nicht alle beschrieben werden können. Die gebräuchlichsten Methoden und der aktuelle Stand der Technik sollen kurz dargelegt werden:

i) Triacs, Thyristoren oder Halbleiterrelais steuern den Wechselstrom zuvor einem Transformator. Der Leckstrom von mehreren mA führt zu einem Standby Verbrauch von ca. 0.3-1 W.
ii) Schaltungsanordnung aus min. 2 Transformatoren, wobei einer (effizienter Kleinleistungstrafo) nur für den IR-Sensor und die dazugehörige Auswertelogik zum „aufwecken" des Haupttrafos/-verbrauchers verwendet wird [ EP 0 803 966 A2 , DE 103 32 742 A1 ].
iii) Blindstromkompensation zur Reduzierung des Standby-Stromverbrauchs [ DE 100 55794 A1 ]. Hierbei handelt es sich um eine indirekte Methode, bei der ein geringer Strom für die Standby-Einheit entzogen und anschließend eine Blindstromkompensation vorgenommen wird. Dabei wird der Phasenwinkel φ zwischen U und I so verschoben, dass φ = 90° beträgt und die effektiv entnommene Leistung nahezu P = U·I·cos(φ) = 0 beträgt. Diese Blindleistung wird jedoch indirekt verbraucht, da seitens der Elektrizitätswerke dieser Anteil trotzdem zusätzlich ins Netz eingespeist werden muss.
iv) Bei der letzten Methode handelt es sich um eine stromarme IR-Schaltung [ EP 0 817 353 A2 , DE 296 15 618 U1 , G 93 09 814.6 oder 93 G 1399 DE], die auf ein beliebiges IR-Signal reagiert und ein Relais freischaltet. Anschließend wertet eine Elektronik dieses IR-Signal aus und schaltet den Hauptverbraucher zu. Zwar kann auf diese Art und Weise der Standby-Stromverbrauch gegenüber den o.g. Methoden um ca. 3 Größenordnungen auf ca. 3 Mikro-Ampere, d.h. ~1mW, gesenkt werden, benötigt aber eine äußerst aufwendige Schaltung zur Kompensation äußerer Störeinflüsse wie z.B. Sonnen- /Umgebungslicht, Gewitter etc. und eignet sich daher nur bedingt zur Lösung des Standby-Stromverbrauchs.

Die Bedeutung des geringen Standby-Stromverbrauchs wird durch die zu diesem Thema jährlich stattfindenden internationalen Konferenzen [Action on 1 Watt – International Standby Conferences, 08.-10.03.2005 in Kopenhagen, 02.-03.11.2005 in Seoul] und Workshops untermauert, aus denen ein Buch [International Energy Agency (IEA), „Things That Go Blip in the Night: Standby Power and How to Limit It", ISBN 9 789264 185579, http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2000/blipinthenight01.pdf, 2005] hervorgegangen ist, welches sich mit dieser Problematik beschäftigt. Weltweit bestehen Bemühungen, den Standby-Stromverbrauch bis 2010 auf knapp unter 1 W zu drücken. Beispielsweise hat 2001/2002 der US-Amerikanische Präsident G.W. Bush in einer Verordnung [G. W. Bush, „Executive Order 13221 of July 31, 2001: Energy Efficient Standby Power Devices", Federal Register 66:149, 2001] den Staat als größten einzelnen Bezieher für elektronische Geräte aller Art angeordnet, nur Geräte zu beschaffen, die einen maximalen Standby-Stromverbrauch nach der „U.S. Department of Energy" „Federal Energy Management Program (FEMP)" Empfehlung [A. Thomas, J. Glickman, J. Harris and A. Meier, „Federal Purchasing: Leading the Market for Low Standby Products", IEEE, http://www.iea.org/textbase/papers/2004/am femp.pdf, 2004] nicht überschreitet.

Die dort festgelegte Grenze von 1W wäre heute bereits möglich, jedoch sind die Kosten der Umstellung zu hoch. Wünschenswert wäre es schon, was folgendes Beispiel zeigt: Alleine in Deutschland mit ihren grob geschätzt 40 Mio. Haushalten und ca. 5-10 Geräten (Fernsehen, DVD-/Video-Rekorder, CD-Player, Radio-Tuner, HiFi-Anlage, Anrufbeantworter, Fax, Mikrowelle, Drucker, DSL-Router, Klingeltrafo etc.) pro Haushalt, die ständig im Bereitschaftsmodus laufen, summiert sich die „kleine Menge" von 1W-10W pro Gerät (Gesamtdurchschnitt für Deutschland bei ca. 45 W pro Haushalt) auf eine enorme Energiemenge, die einer äquivalenten Leistung eines Atomkraftwerks und einem CO₂ Ausstoß von 14 Mio. Tonnen pro Jahr entspricht [Reducing Standby Power Waste to less than 1 Watt: A Relevant Global Strategy that Delivers, http://www.iea.org/textbase/papers/2002/globe02.pdf, 2005]. Jedoch besteht selbst bei Erreichen der Zielsetzung von 1W Standby-Verbrauch noch eine Menge an Einsparpotential. Eine Reduzierung um 4-5 Größenordnungen, d.h. eine Verringerung auf 10-100μW(!), ist machbar und soll mit diesem (provisorischen) Patent abgedeckt werden.

Das oben genannte Einsparungspotential von 4-5 Größenordnungen wird durch die nahezu leistungslose Ansteuerbarkeit eines Feldeffekttransistors (FET) realisiert. Nahezu leistungslose Ansteuerung bedeutet, dass bei einem Strom von I~100nA und einer Spannung von U > 2V eine Leistung von ca. P > 200nW zum Durchschalten eines FET's benötigt wird. Diese Mindestenergie wird bei dieser Erfindung ähnlich wie bei passiven RFID-Transpondern (Radio Frequenz Identifikation) mittels Radiofrequenz (LF, HF, UHF, Mikrowelle, d.h. kHz-MHz-GHz) übertragen, wobei auch andere Methoden der Energieübertragung wie z.B. die Übertragung mittels (Ultra-)Schall oder elektromagnetischer Wellen in Form von (Infrarot-) Licht denkbar sind.
Die RFID-Technik hat ihren Ursprung in den 60'ern des 20. Jahrhunderts und wird heute hauptsächlich für logistische Aufgaben verwendet. Beispiele hierfür wären die Tieridentifikation, Lagerverwaltung, Eintrittskarten der Fußball-WM2006 und der zukünftige Reisepass [G. Lütge: „Reisepass mit Nebenwirkung", Die Zeit, Nr.25, 16.06.2005; R. Sietmann „Der Biometrie-Pass kommt", c't, 13:44, 2005]. Für die verschiedenen Anforderungen werden unterschiedliche Frequenzen des elektromagnetischen Feldes verwendet:

– 120-135kHz (Tieridentifikation, elektronische Schlüssel)
– 13.56 MHz (Logistik, Warenkennzeichnung, Fussball-WM-Tickets)
– 868 (900) MHz (Palomar), zukünftig 2.45 GHz

Aufgrund physikalischer und gesetzlicher Beschränkung ergeben sich für die verwendeten Frequenzen Reichweiten für die mögliche Energieübertragung per Funk. Beispielsweise erreicht das Palomar-Projekt [U. Karthaus, M. Fischer, „Fully Integrated Passive UHF RFID Transponder IC With 16, 7-μW Minimum RF Input Power", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 38(10):1602-1608, 2003] eine Reichweite von 4-8m für 868MHz bei 500mW-2W Senderleistung. Maßgebend für die Reichweite sind hierbei die Freiraumdämpfung a_F(v,G,r) = –147.6 + 20log(v) + 20log(v) – 10log(G) (v-Frequenz, G-Antennengewinn, r-Abstand) und die Energieaufnahme des Mikrochips von typischerweise P_μC< 50μW.
Die benötigte Mindestenergie zum Ansteuern des FETs der Relaistreiberstufe ist wie oben beschrieben zwar um einiges geringer, jedoch muss wie bei der RFID-Technik auch eine Auswerteelektronik mitversorgt werden. Der Mikrocontroller bzw. die Auswertelektronik dient dazu, verschiedene Befehle, die der Radiofrequenz überlagert sind, zu unterscheiden. Der Mikrocontroller leitet die Mindestenergie an den FET, das mit dem Stromnetz verbunden ist und als Relaistreiberstufe bzw. schaltbarer Widerstand dient, weiter und schaltet diesen durch. Dadurch wird der Stromkreis der Relaistreiberstufe geschlossen und ein in Reihe geschaltetes Relais schließt wiederum den Stromkreis eines elektrischen Verbrauchers. Als Relais kommen dabei alle Arten elektrisch schaltbarer Bauteile in Frage: Halbleiterrelais, Diac, Triac, Thyristor, (Feldeffekt-)Transistor und natürlich auch das klassische elektromagnetische Relais.
Aufgrund der extrem geringen benötigten Energie zur Ansteuerung der Relaistreiberstufe lassen sich auch drahtgebundene Geräte wie z.B. die o.g. Router, Anrufbeantworter etc., über eine nahezu leistungslose Steuerleitung ein- und ausschalten. Mit der Möglichkeit der leistungslosen Ansteuerung des FET in Kombination mit dessen hohen Gleichstrom-Sperrwiderstands, lässt sich eine energiesparende Standby-Schaltung realisieren, die nun im Detail näher erläutert werden soll:
Die 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Schaltung.
Über die Antenne (oder Energiewandler bzw. Transducer wie z.B. ein Piezo für Schall und eine Fotozelle/-diode für Licht) wird das modulierte (Hochfrequenz)-Signal in eine Spannung umgewandelt und anschließend mit Villard-Schaltungen n-mal Verstärkt (bis ca. U~5V) und dem Mikrocontroller μC als Energie zur Verfügung gestellt. Die Modulation des Feldes wird anschließend ausgewertet. Bei richtiger Codierung wird der FET durch den Mikrochip durchgeschaltet, woraufhin das elektromagnetische Relais den Stromkreis für den Verbraucher schließt. Die Selbsthalteschaltung SH sorgt dafür, dass der FET durchgeschaltet bleibt, wobei nur SH1 oder SH2 benötigt wird. Der Diodengleichrichter (low leakage high voltage Diode mit I_R < 500nA) sorgt dafür, dass der extrem hohe Gleichstrom-Sperrwiderstand des FET ausgenutzt werden kann.
2 zeigt eine weitere schematische Möglichkeit des Schaltungsaufbaus. Hier sind jedoch der Auswerte-Mikrochip sowie die Selbsthaltung zur Vereinfachung weggelassen. Anstelle des elektromagnetischen Relais ist ein Halbleiterrelais HLR bestehend aus zwei Hochleistungs-FET eingesetzt. Im Unterschied zur Variante der 1 wird nur eine Leitung des Netzes durch das Relais getrennt. Zur Trennung der zweiten Leitung muss die Schaltung entsprechend doppelt ausgelegt werden.
Die 3 zeigt den Schaltplan eines funktionierenden Prototypen der 1 mit minimal benötigten Bauelementen, wobei der für die Decodierung zuständige Part weggelassen wurde. Zudem wurde die Antenne sowie die Spannungsverstärkung hier durch eine ein- und ausschaltbare Spannungsquelle V2 vereinfacht dargestellt. Zunächst ist der FET Q1 gesperrt und die gesamte Schaltung ist stromlos. Wird für wenige Millisekunden der FET Q1 durchgeschaltet, so schließen die Relaiskontakte R3/R4 und die Selbsthaltungsschaltung erhält Strom, der den FET Q1 weiter durchgeschaltet lässt. Gleichzeitig wird mit dem Schließen der Relaiskontakte R3/R4 auch der Stromkreis des Verbrauchers R7 geschlossen. In dieser Beispielschaltung wurde ein 4013 FlipFlop zur Selbsthaltung verwendet, wobei andere Varianten der Selbsthaltung möglich sind und hier deshalb nicht gesondert beschrieben wird. Alternativ kann auch ein bistabiles Relais verwendet werden, das sich selbst hält. Die Dioden D1/D2 entsprechen dem Gleichrichter in 1. Der Vorwiderstand R1 ist so gewählt, dass am Relais die richtige Betriebsspannung des Relais abfällt. C1 und D3 dienen der Stabilisierung des Relais und dem Schutz von FET Q1 vor der (induktiven) Spannungsspitze, die beim Ausschalten des Relais entsteht. R2 verhindert, dass FET Q1 aufgrund eigener parasitärer Kapazitäten und Überladung des Gates zerstört wird.
Mittels der vorgestellten Schaltungen ist es möglich, den Standby-Stromverbrauch auf I < 100nA zu reduzieren, was einer Leistung von ca. 30μW entspricht und damit den Stand der Technik deutlich übertrifft. Eine Umstellung der sog. „consumer electronic" auf die RF-Technik wäre auf dem ersten Blick mit hohen Kosten verbunden, da die heute verwendeten Infrarot-Fernbedienungen nur eingeschränkt kompatibel mit dem hier vorgestellten System ist. Die Fernbedienung müsste zusätzlich mit einem Hochfrequenzsender ausgestattet werden, was unpraktikabel und teuer wäre. Ein Ausweg wäre die Nutzung von Mobiltelefonen als Fernbedienungsersatz, was in neueren Publikationen diskutiert wird. Dabei soll die Kommunikation der Mobiltelefone mit anderen Geräten über den WLAN, Bluetooth oder ZigBee Standard (alle 2.4GHz, zukünftig andere Protokolle und andere Frequenzbänder, siehe 4) erfolgen. Für die übliche Kommunikation und das Ausschaltsignal kann mit verringerter Leistung gesendet werden, wobei hingegen für das Einschaltsignal ein entsprechend starkes Feld erzeugt werden muss, um den Mikroprozessor mit der Energie des Hochfrequenzfeldes zu speisen. Dabei ist auch denkbar, dass für das Einschaltsignal eine günstigere Frequenz bei 433, 868 oder 900MHz etc. gewählt werden kann. Die Wahl der Frequenz ist dabei abhängig von der o.g. Freiraumdämpfung und der erlaubten Sendeleistung. Bei Verwendung von Handys als Fernbedienungsersatz könnten die Hersteller von Elektrogeräten zukünftig die Kosten einer IR-Fernbedienung einsparen, was die Kosten dieser Standby-Schaltung aufwiegen würde. Damit wäre eine Umstellung der elektronischen Geräte auf diese neue Standby-Technik gegenüber existierenden Lösungen kostenneutral und schnell realisierbar.

Claims

Schutzanspruch für die Schaltungen nach 1 und 2, bei der ein logisches high Signal von SV (min. 2V) mit I~100nA ausreicht, um den FET (in 2 zwei FETs), der als Relaistreiberstufe dient, durchzuschalten. Das logische high Signal kann von der Selbsthalteschaltung, einer Signalleitung oder von einer Antenne/Piezo bzw. Fotozelle/-diode geliefert werden. Die Antenne/Piezo, Fotozelle/-diode etc., im Folgenden Transducer genannt, wandelt aus der elektromagnetischen Welle/Energie bzw. der Schallwelle elektrische Energie. Die so erzeugte Spannung wird durch mehrere Villard-Spannungsverstärker n·2U auf den logischen high Pegel verstärkt. Im Falle, dass das Einschaltsignal von einer nahezu leistungslosen Signalleitung oder der Selbsthalteschaltung kommt, kann auf die Spannungsverstärkung verzichtet werden.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die mit Hilfe des Transducers gewonnene Energie ausreicht, um einen ultra low power Mikroprozessor/-controller μC zu betreiben. Dieser überprüft das Einschalt-(Hochfrequenz)Signal auf richtige Codierung und schaltet ggf. den FET der Relaistreiberstufe sein, wodurch das in Reihe geschaltete Relais den/die Kontakte) schliesst, der den Verbraucher an das Stromnetz anschließt. Als Relais kommen alle Arten elektrisch schaltbarer Bauteile in Frage: Halbleiterrelais, Diac, Triac, Thyristor, (Feldeffekt-)Transistor und natürlich auch das klassische elektromagnetische Relais.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbsthaltung SH1/SH2 durch ein bistabiles Relais oder eine selbsthaltende Schaltung erreicht wird. Die selbsthaltende Schaltung hält dabei den FET durchgeschaltet.
Schaltung nach Anspruch 3 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der FET Q1 der Relaistreiberstufe einen möglichst geringen Leckstrom im Sperrzustand (I_leak< 100nA bei U_gate = 0V) aufweist. Der Transducer mit der dazugehörigen Villard-Spannungsverstärkung und dem Mikroprozessor zur Überprüfung des Einschaltbefehls wurden hier in 3 zur Vereinfachung durch eine einschaltbare Spannungsquelle ersetzt.
Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterdiode(n) D1/D2 einen geringen Leckstrom in Sperrichtung (low leakage high voltage, I_leak < 500nA, U > 100V)) aufweisen.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwiderstand so gewählt ist, dass am Relais bzw. an den Relais die richtige Betriebsspannung abfällt.
Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode D3, und der Kondensator C1 das/die Relais stabilisiert/stabilisieren und den FET Q1 vor dem induktiven Gegenstrom im Moment des Ausschaltens schützt.
Schaltung nach Anspruch 7 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mobiltelefon ein starkes Hochfrequenzfeld erzeugt, damit der Transducer genügend Energie aufnehmen kann, um den Mikrochip zu versorgen und den FET durchzuschalten oder zu sperren.
Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auch ein schwaches Hochfrequenzsignal ausreicht, um den FET zu sperren. Dieses erfolgt über die WLAN, Bluetooth oder ZigBee Schnittstelle (ca. 2.4GHz, zukünftig andere Protokolle bei anderen Frequenzen), die der Selbsthaltungsschaltung den Befehl gibt, den FET zu sperren.