AT511125B1 - Intelligentes Schaltgerät zum Sparen von Standby-Energie sowie Verfahren zur Steuerung des Schaltgerätes - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein intelligentes Schaltgerät zur Verringerung des Stromverbrauches von elektrischen Geräten im Standby-Zustand durch einen elektronischen Schalter [101] zum Trennen bzw. Verbinden eines Endgerätes [110] mit dem Netz [100], dadurch gekennzeichnet, dass eine programmierbare Einrichtung [106] den elektronischen Schalter [101] steuert, abhängig davon, ob ein Nutzer das Gerät benötigt oder nicht benötigt, wofür verschiedene Sensoren [104] gleichzeitig vorhanden sind, insbesondere ein genauer Stromsensor [102] mit Möglichkeit der Phasenmessung zur Ermittlung der Endgeräteeigenschaften und eine Uhr oder ein Zeitgeber zur Ermittlung des Nutzerverhaltens und dass eine oder mehrere Einheiten zur Speicherung von Endgeräteeigenschaften und Nutzerverhalten vorgesehen sind.

Description

Beschreibung INTELLIGENTE EINRICHTUNG ZUM SPAREN VON STANDBY-ENERGIE: [0001] Die Erfindung betrifft ein intelligentes Schaltgerät, sowie ein Verfahren das Schaltgerätzu steuern, zur Verringerung des Stromverbrauches von elektrischen Geräten sowie ein Verfah¬ren zur Steuerung dieses Schaltgerätes. Das Schaltgerät beinhaltet eine intelligente, selbstler¬nende Einrichtung zur automatischen Abschaltung und Wiedereinschaltung von elektrischenLasten, die im Standby-Betrieb Energie verbrauchen. Der Standby-Verbrauch von Geräten wirddadurch auf einen Bruchteil des normalen Standby-Verbrauches gesenkt.

[0002] Es sind verschiedene Einrichtungen bekannt, die ein Abschalten eines im Standby-Zustand befindlichen Gerätes vornehmen können, im einfachsten Fall eine Steckerleiste miteinem eingebauten Schalter.

[0003] Alle diese Einrichtungen verlangen jedoch zusätzliche Bedienhandlungen am Standby-Schalter oder externe Aktionen wie Bewegung im Raum zumindest beim Wiedereinschalten.

[0004] Die Erfindung zielt darauf ab, Standby-Geräte mit Hilfe einer völlig bedien- und war¬tungsfreien Einrichtung so zu steuern, dass sie im Standby-Zustand möglichst überhaupt keineEnergie verbrauchen und damit einen Beitrag zum Schutze der Umwelt zu leisten.

[0005] Dieses Ziel wird durch die Verwendung eines Stromsensors in Kombination mit weiterenSensoren und einer programmierbaren Einrichtung mit Speicherfunktion erreicht, die einenelektrischen Schalter zwischen Netz und Last (angeschlossenem Endgerät) steuert.

[0006] Die intelligente Einrichtung erkennt automatisch dass der Verbraucher nicht mehr ge¬nutzt wird und erkennt ebenso automatisch, dass der Nutzer das Gerät wieder mit dem Netzverbinden will. Fehlentscheidungen werden durch Speicherung von Geräteeigenschaften undBewertung des Nutzerverhaltens minimiert. STAND DER TECHNIK: [0007] In GB 2425225 A wird eine Standby - Spareinrichtung dargestellt, die mit Hilfe einesLicht- und Geräuschsensors die an die Spareinrichtung angeschlossenen Geräte ein- undausschaltet und damit den Standby- Verbrauch vermindert. Wesentlicher Nachteil dieser Ein¬richtung ist es, dass diese Sensoren keine zuverlässige Aussage darüber bieten, ob ein ange¬schlossenes Gerät vom Nutzer verwendet wird oder ob es abgeschaltet werden kann. Bei¬spielsweise wird dieses Gerät bei Tageslicht alle Standby-Geräte immer mit dem Netz verbin¬den, egal ob der Nutzer diese nun benötigt oder nicht. Auch Lärm durch Verkehr usw. vermin¬dert die Sparleistung. Die Ersparnis vermindert sich dadurch erheblich.

[0008] In GB 2443454 A wird eine Standby-Spareinrichtung dargestellt, die aus einem Sender(Transmitter) mit eingebautem Bewegungssensor und einem Empfänger besteht, der dasStandby-Gerät abschaltet oder über ein Bedienelement überbrückt.

[0009] Über den Bewegungssensor im Transmitter wird das Endgerät ausgeschaltet bzw. beiBewegung in den Standby-Betrieb geschaltet. Diese Lösung arbeitet unzuverlässig, da sie nichtauf die Anforderung des Nutzers reagiert, sondern nur auf Bewegung im Raum. Dadurch wirddas Einsparungspotential nicht voll genutzt. Bei jeder Bewegung im Raum wird in den Standby-Betrieb geschaltet und Energie ohne Nutzen verbraucht.

[0010] In DE 102008016799A1 wird eine automatisierte Standby-Spareinrichtung dargestellt.Die Entscheidung, wann das Endgerät wieder mit dem Netz verbunden wird und damit dieStandby-Funktion des Endgerätes wieder aktiviert wird, erfolgt einzig durch die Messung desStromes in gewissen Intervallen. Diese Methode ist nur bei einfachen Verbrauchern, wie einerHalogenlampe, anwendbar. Bei vielen Standby-Geräten wie Ladegeräten, Stereoanlagen, TV-Sets usw. ist diese Methode nicht funktionsfähig, da die Strommessung alleine während einerkurzen Zeit nicht ausreicht, um eine sichere Entscheidung über das Wiedereinschalten zu tref- fen. Insbesondere bei Stromversorgungen, die ein Schaltnetzteil verwenden, ist diese Methodikoft nicht funktionsfähig und daher für eine breite Anwendung ungeeignet.

[0011] In EP 1819027 A2 wird ein von einem Mikrocontroller gesteuerter Ausschalter beschrie¬ben, der bei Überschreiten einer fix eingestellten Leistung länger als eine fix eingestellte Zeitden Verbraucher vom Netz trennt. Das Wiedereinschalten wird durch ein Infrarotsignal bewirkt.

[0012] In WO 200024109 A1 findet man die Beschreibung einer Stromsparvorrichtung miteinem Stromgenerator, der überprüft, ob das angeschlossenen Gerät eingeschaltet wurde.

[0013] In WO 2005/076416 A1 wird das Wiedereinschalten des Schalters durch körpererken¬nende Sensoren und durch Lichtsensoren bewerkstelligt.

[0014] Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen den Standby-Strom abzuschalten, ergibtsich bei der vorgelegten Erfindung der Vorteil, dass eine zusätzliche Bedienung oder Aktionnicht notwendig ist. Das Wiedereinschalten auch bei problematischen Endgeräten ist sichererund zuverlässiger erreichbar als mit den bekannten Lösungen. Dieses Ziel wird erfindungsge¬mäß dadurch erreicht, dass eine programmierbare Einrichtung mit Hilfe einer Messeinrichtungund Sensoren durch Vergleich der Messungen mit gespeicherten Nutzerverhaltensweisen undEndgeräteeigenschaften eine Entscheidung trifft, ob das angeschlossene Endgerät mit Stromversorgt wird oder vom Netz getrennt wird. KURZE FIGURENBESCHREIBUNG: [0015] Die folgenden Bilder sollen das Verständnis der Funktion erleichtern: [0016] Fig. 1 zeigt die beschriebenen Komponenten der Erfindung in einem Blockschalt¬ bild [0017] Fig. 2 zeigt ein Zustandsdiagramm der Abläufe beim automatischen Ein- und Aus¬ schalten des Endgerätes durch das intelligente Schaltgerät und bei der ers¬ten Inbetriebnahme [0018] Fig. 3 zeigt ein Detail zur Messung der elektrischen Parameter des angeschlosse¬ nen Gerätes [0019] Fig 4, 5, 6 verschiedene Arten, die Erfindung in einer Hausinstallation einzubauenBESCHREIBUNG IM DETAIL: [0020] Bezug nehmend auf Fig. 1 erkennt man folgende Baugruppen: [0021] [101] Schalteinrichtung: [0022] Die Schalteinrichtung trennt bzw. verbindet das Stromnetz [100] über die eingangsseiti¬ge elektrische Anschlusseinrichtung [107] mit dem Endgerät [110] über die ausgangsseitigeelektrische Anschlusseinrichtung [108]. Die elektrische Verbindung wird über einen elektroni¬schen Schalter [101], der beispielsweise ein TRIAC, ein IGBT, ein MOSFET oder ein Relaissein kann, hergestellt. Insbesondere ist die Schalteinrichtung [101] so beschaffen, dass dieseauch kurze, impulsartige Testeinschaltungen des Endgerätes vornehmen kann.

[0023] [107] [108] elektrische Anschlusseinrichtungen: [0024] Die elektrischen Anschlusseinrichtungen verbinden Netzspannung, intelligente Steckdo¬se und Endgerät miteinander. Diese können aus Klemmen aller Art genauso wie aus Steckver¬bindungen aller Art bestehen.

[0025] [103] Messeinrichtung: [0026] Die Messeinrichtung [103] erfasst alle relevanten Sensorwerte [102] [104], die für dieEntscheidungsfindung in der programmierbaren Einheit Verwendung finden. Dabei können derStrom in das Endgerät [102], die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung über dieSchalteinrichtung [102], die Helligkeit, der Geräuschpegel, die Uhrzeit, das Vorhandensein von IR Signalen, die Bewegung im Raum [alle 104], erfasst werden. Die Sensorerfassung geschiehtin stromsparender Weise.

[0027] Programmierbare Einrichtung [106] : [0028] Alle Sensorwerte werden von der programmierbaren Einrichtung [106] erfasst und be¬wertet und führen zusammen mit dem Vergleich mit den gespeicherten Endgeräteeigenschaftenund mit den gespeicherten Nutzerdaten zur Entscheidung, ob die eingangsseitige Anschluss¬einrichtung [107] mit der ausgangsseitigen Anschlusseinrichtung [108] über die Schalteinrich¬tung [101] verbunden wird.

[0029] Ein allfälliger Einschaltwunsch wird durch kurze Testeinschaltungen [213 in Fig. 2] undStrommessungen [301 in Fig. 3] in geeigneten Zeitabständen, durch die Aktivität der Sensoren[104], oder durch Berechnungen aufgrund der Uhr erkannt. Die in der Erfindung vorgeschlage¬ne Messung des Stromverlaufes über der Zeit [311 in Fig. 3] nach Phase [312] und Amplitudehat Vorteile gegenüber der Erkennung einer einfachen Schwellwertüberschreitung, da aus derPhasenlage des Stromes zur Spannung [312] auf die Eigenschaften der Last geschlossenwerden kann und demnach die Einschaltkriterien festgelegt werden können. Beispielsweise istbei einer induktiven Last nur ein langsames Ansteigen des Stromes messbar, welches überse¬hen werden könnte.

[0030] Schaltnetzteile stellen noch kompliziertere Lasten dar, die ebenfalls durch einen charak¬teristischen zeitlichen Verlauf des Stromes gekennzeichnet sind.

[0031] Für das Einschalten ist ein aus dem Spitzenwert und Verlauf des Kurzzeitstromes [311]ermittelter Stromwert zuständig, für das Ausschalten hingegen ist ein Wert unterhalb des ge¬ringsten gemittelten Stromwertes passend.

[0032] Zur Messung des Stromes mit gleichbleibender relativer Auflösung über den ganzenStrombereich kann ein nichtlineares Bauteil verwendet werden, die Ströme liegen bei wenigenmA im Standby-Betrieb und bis zu einigen Ampere im Normalbetrieb. Ein sonst zur Strommes¬sung üblicher Shunt würde zu große Verluste verursachen und wieder viel Energie verschwen¬den.

[0033] In [Fig. 2] ist der zeitliche Ablauf der Aktionen dargestellt.

200: Betriebszustand EIN 201: l>ISW202: EIN203: Warten 204: t<tw Geeignete Wartezeit wird abgewartet205: Geräteprofil und Nutzerprofil ergänzen

210: SPAREN 211: Nutzerprofil ergänzen 212: Geräteprofil ergänzen

213: TEST

214: AUS

220: LERNEN 221: Reset222: l=0223: Warten 224: Geräteprofil I, Standby-MW, Ausschaltschwelle225: Geräteprofil II, Standby-Spitzenwert, Einschaltschwelle [0034] Beim ersten Einschalten der intelligenten Einrichtung geht die Software in die BetriebsartLERNEN [220], es wird gewartet, bis ein Endgerät angeschlossen ist [221] [223]. Wird ein ein¬geschaltetes Gerät erkannt [222] werden alle relevanten Sensorwerte unter anderem mit Hilfevon versuchsweise durchgeführten Ein- und Ausschaltvorgängen gemessen[224] [225].

[0035] Geräteprofil I [224]: Die Ausschaltschwelle und Ausschaltphasenlage werden ermitteltund im Speicher für Endgeräteeigenschaften gespeichert. Sie werden ausreichend höher fest¬gelegt als der Standby-Mittelwert. Alle zusätzlichen Sensorwerte, wie IR Gerät usw. werdenebenfalls erfasst.

[0036] Geräteprofil II [225]: Die Standby-Testimpulswerte werden ermittelt. Dabei werden dieSensorwerte sowie Phasenlage und Spitzenstrom beim Testbetrieb (impulsartige Testeinschal¬tungen des Standby-Gerätes) ermittelt und gespeichert.

[0037] Nutzerprofil: Im Speicher für Nutzerverhalten werden alle Zeiten und Sensorwerte ge¬speichert, zu welchen der Nutzer das Gerät regelmäßig einschaltet [211] und ausschaltet [205].Aus dieser Funktion wird bei einer hohen Wahrscheinlichkeit der Anforderung durch den Nutzerdas Gerät auf Verdacht mit Strom versorgt. Erfolgt in angemessener Zeit keine Anforderung,wird wieder in den Betrieb SPAREN [210] geschaltet und das Nutzerprofil aktualisiert.

[0038] Die Betriebsart LERNEN [220] dient dazu, das angeschlossene Gerät und seine Eigen¬schaften vorab kennenzulernen und einzuordnen, um welches Gerät es sich handelt. Es wer¬den die Schwellwerte des Stromes zum Ein- [225] und Ausschalten [224] ermittelt. Beispiels¬weise werden ein Steckernetzteil und eine infrarotgesteuerte Audioanlage ganz unterschiedlichbehandelt, bei letzterer sind wegen der Infrarot-Informationen überhaupt keine Strommessim¬pulse nötig und es kann daher noch mehr Energie gespart werden.

[0039] Nach der LERNEN-Zeit geht die intelligente Steckdose in die Betriebsart SPAREN [210]und verharrt im AUS-Zustand [214], bis durch einen kurzen Test [213] ein Vergleich der Sen¬sorwerte mit den gespeicherten Geräteprofildaten erkennen lässt, dass der Nutzer das ange¬schlossene Endgerät einschaltet, worauf die Betriebsart EIN [200] aktiv wird und in den Zustand[202] geschaltet wird. Solange das Endgerät genutzt wird, bleibt diese Betriebsart aktiv.

[0040] Zeigt später ein Vergleich der Sensorwerte mit den gespeicherten Geräteprofildaten[201], dass der Nutzer das angeschlossene Gerät in den Standby-Betrieb geschaltet hat, schal¬tet die programmierbare Einrichtung mit einer Verzögerung tw [203] in den Betrieb SPAREN[210], [0041] Die in der Betriebsart LERNEN [210] und während des Betriebes [200] gemessenenEndgeräteeigenschaften werden in der zugehörigen Speichereinheit gespeichert [224] [225][212] [205] (Geräteprofil). Ebenso wird ein zeitliches Profil des Nutzerverhaltens im Speicher fürdas Nutzerverhalten gespeichert [211] [205]. Die Verwendung von Profilen bringt nicht nurprogrammiertechnische Vorteile sondern erlaubt es auch, verschiedene Gerätetypen besser zuidentifizieren.

[0042] Das Geräteprofil wird für das jedes neu angeschlossene Endgerät automatisch erstelltund enthält alle wesentlichen Sensorinformationen, mindesten Mittelwert und Phasenlage desStandby-Stromes sowie Spitzenwert und Phasenlage des Kurzzeiteinschaltstomes im Standby-Betrieb, weiter kann das Profil Sensorwerte wie Infraroterkennung, Funkerkennung usw., ent¬halten und aus den immer wieder aktualisierten Profilwerten [211] [212] [205] errechnet dieprogrammierbare Einrichtung die Schwellwerte, welche für die Umschaltung in die BetriebsartEIN [202] sowie in die Betriebsart SPAREN, benötigt werden.

[0043] Das Nutzerprofil ist dadurch gekennzeichnet, dass neben Geräusch, Bewegungs-, Licht-und anderen sensorisch erfassbaren Größen, mindestens die Uhrzeiten, der Aktivierungen desEndgerätes durch den oder die Nutzer gespeichert und laufend aktualisiert werden sowie, dass,ermittelt aus diesen Werten, bei hoher Wahrscheinlichkeit einer Nutzeranforderung das Endge¬rät rechtzeitig in die Betriebsart EIN geschaltet wird, sodass beispielsweise bei einer modernenKaffeemaschine diese aufgrund des bekannten Nutzerprofils so zeitgerecht mit dem Netz ver¬bunden wird, dass der Endnutzer mit hoher Wahrscheinlichkeit die Wartezeit für das Vorwär¬men der Kaffeemaschine nicht abwarten muss, da die Kaffeemaschine zeitgerecht in denStandby-Betrieb geschaltet wurde.

[0044] Um den erfolgreichen Einsatz dieser Erfindung zu verdeutlichen, kann die eingesparte

Energie auf anschauliche Weise visualisiert werden, da alle Messgrößen, wie Zeit, Strom,Spannung bereits vorhanden sind. Auch bekannte Schutzeinrichtungen, wie ein Überspan¬nungsschutz, könnten in diese Einrichtung eingebaut werden.

[0045] Die technische Ausführung der Erfindung kann auf vielerlei Art erfolgen: die intelligenteEinrichtung kann direkt in ein Endgerät integriert werden, sie kann in einer Schuko-Wandsteck¬dose [402 in Fig. 4] genauso verbaut werden [401] wie in einem Zwischenstecker [501 in Fig. 5],oder in Mehrfachsteckdosen [603 in Fig. 6], wo darüber hinaus auch noch Master-Slave-Funktionen [602] implementiert werden können.

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Intelligentes Schaltgerät zur Verringerung des Stromverbrauches von elektrischen Gerätenim Standby-Zustand durch einen elektronischen Schalter zum Trennen bzw. Verbinden ei¬nes Endgerätes (110) mit dem Netz (100), dadurch gekennzeichnet, dass eine program¬mierbare Einrichtung (106) den elektronischen Schalter steuert, abhängig davon, ob einNutzer das Gerät benötigt oder nicht benötigt, wofür verschiedene Sensoren gleichzeitigvorhanden sind, insbesondere ein genauer Stromsensor (102) mit Möglichkeit der Pha¬senmessung zur Ermittlung der Endgeräteeigenschaften und eine Uhr oder ein Zeitgeberzur Ermittlung des Nutzerverhaltens und dass eine oder mehrere Einheiten zur Speiche¬rung von Endgeräteeigenschaften und Nutzerverhalten vorgesehen sind.
2. 2. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (102, 104)und die Messeinrichtung ausreichende Eigenschaften bezüglich Taktrate, Abtastrate undFrequenzgang besitzen, um die elektrischen Parameter der Endgeräteeingenschaften min¬destens durch Messung von Mittelwert und Phasenlage des Standby-Stromes (Fig. 3) so¬wie Messung von Spitzenwert und Phasenlage des Kurzzeiteinschaltstomes im Standby-Betrieb feststellen zu können und im Speicher für Endgeräteeigenschaften abzulegen.
3. 3. Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Strommessung eineVorrichtung zur nicht linearen Umsetzung des Stromes in eine Messspannung, insbeson¬dere eine Halbleiterdiode, Verwendung findet.
4. 4. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend eine Vorrichtungzur Messung, Summierung, Speicherung, Anzeige und Ausgabe der eingesparten elektri¬schen Energie vorhanden ist.
5. 5. Verfahren ein Schaltgerät nach Anspruch 1 und 3 zu steuern, dadurch gekennzeichnet,dass zusätzlich zu den Endgeräteeigenschaften die Gewohnheiten des oder der Benutzer,insbesondere das tageszeitliche und wochentagsabhängige Verhalten des oder der Nut¬zers mithilfe der Uhr oder des Zeitgebers und weiterer Sensoren analysiert (Fig. 2, 211,224, 225) und im Speicher für Nutzerverhalten abgelegt werden.
6. 6. Verfahren ein Schaltgerät nach Anspruch 1 bis 3 zu steuern, gekennzeichnet dadurch,dass, vorzugsweise bei der Inbetriebnahme des Gerätes, eine Betriebsart LERNEN (Fig. 2,220) durchlaufen wird, in der das im Standby- Betrieb befindliche angeschlossene Endge¬rät mittels des elektronischen Schalters (101) automatisch mit Strom versorgt wird undwährend dieser Zeit mit Hilfe der Sensoren (102) zumindest Strom und Phasenlage desStromes für das angeschlossene Endgerät zur späteren Verwendung ermittelt und imSpeicher für Endgeräteeigenschaften abgelegt werden. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen