DE10147924B4 - Verfahren und Einrichtung zur übertragerlosen Spannungsversorgung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur übertragerlosen Spannungsversorgung eines Busgerätes (G₁) eines eine Busspannung (U_BUS) führenden Kommunikationsbusses (1) über ein Schaltnetzteil (14), dem eine Eingangsspannung (U_E) und ein Eingangsstrom (I_E) zugeführt werden,
– wobei vom Schaltnetzteil (14) die am Busgerät (G₁) anliegende Gerätespannung (U_G) kleiner als die Eingangsspannung (U_E) eingestellt wird, und
– wobei während eines Sendeimpulses (SI) die Busspannung (U_BUS) auf eine reduzierte Spannung (U₂) herabgesetzt und der Eingangsstrom (I_E) unter Umgehung des Schaltnetzteils (14) zum Busgerät (G₁) geführt wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur übertragerlosen Spannungsversorgung eines Busgerätes eines Kommunikationsbusses, insbesondere der Gebäudesystemtechnik, über ein Schaltnetzteil. Sie bezieht sich weiter auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Aus der EP 1 124 299 A1 ist ein Netzteil mit einer Einrichtung für eine dezentrale Spannungsversorgung für einen Bus bekannt, der Information und Energie für Bordnetze von Busankopplern und Busgeräten führt, wobei jeweils zwischen zwei Sendeimpulsen ein Ausgleichsimpuls im Sinne der Erzielung eines in der Summe möglichst konstanten Gleichspannungspotentials generiert wird und wobei an Schnittstellen von Busankopplern Busgeräte für Anwenderfunktionen anschließbar sind und wobei das Netzteil für aktive Strombegrenzung und für Entkopplung, um eine parallele Anordnung mehrerer Netzteile zu ermöglichen, eingerichtet ist und wobei ein Energiespeicher zur Speicherung von Energie zwischen zwei Sendeimpulsen ausgebildet ist; hierbei ist vorgesehen, dass die Einrichtung für dezentrale Spannungsversorgung jeweils in einer Spannungsversorgungseinheit angeordnet ist, die für aktive Strombegrenzung eingerichtet ist und dass ein für mehrere Spannungsversorgungseinheiten gemeinsames Übertragungsmodul für die Generierung von Ausgleichsimpulsen eingerichtet ist und dass es mit dem Energiespeicher versehen ist.
• In der DE 100 01 368 A1 ist eine Datenübertragungsvorrichtung offenbart, die über eine Übertragungsleitung ein zu übertragendes Ausgangssignal erzeugt, welches sich aus einem Sendesignal und einer DC-Speisespannung zusammensetzt. Mit Hilfe eines Regelkreises, der die ausgangsseitige DC-Speisespannung der Sendeeinrichtung derart nachführt, dass der Pegel der DC-Speisespannung nicht abnimmt, kann sichergestellt werden, dass sowohl vorgegebene Anforderungen an den maximal zulässigen ausgangsseitigen DC-Spannungsabfall als auch vorgegebene Anforderungen an die Reflexionsdämpfung erfüllt werden können.
• Aus der DE 198 50 125 A1 ist ein Netzteil für die Spannungsversorgung eines Busses bekannt, der Information und Energie für die Bordnetze von Busankopplern und Busgeräten führt, wobei an einer Schnittstelle eines Busankopplers Busgeräte für Anwenderfunktionen anschließbar sind; hierbei ist vorgesehen, dass eine erste aktive Strombegrenzungseinrichtung eine Stromentnahme aus dem Netzteil begrenzt, und dass eine zweite Strombegrenzungseinrichtung mit vergleichsweise höherem Innenwiderstand zur Entkopplung parallel geschalteter Netzteile und unter übertragungstechnischen Belangen ausgeführt ist, wobei zwischen beiden Strombegrenzungseinrichtungen eine energiespeichernde Pufferschaltung angeordnet ist, die zur Speicherung von Energie zwischen zwei Sendeimpulsen der Informationsübertragung ausgelegt ist.
• Ein Bus der Gebäudesystemtechnik, insbesondere der Europäische Installationsbus EIB der European Installation Bus Association (EIBA), weist in der Regel ein Leitungssystem mit zwei Drähten auf, die zur Vermeidung von Störeinstrahlung verdrillt sind (twisted pair). Eine Spannungsversorgung des Busses ist üblicherweise von einem Energieversorgungsnetz, z. B. einem 230 V/50 Hz-Netz, galvanisch entkoppelt. Ebenso sind an den Bus oder Kommunikationsbus angekoppelte Busgeräte, die über den Bus sowohl mit Energie versorgt werden als auch Informationen übertragen, vom Bus üblicherweise galvanisch entkoppelt. Eine galvanische Entkoppelung kann mit einem Übertrager oder, wie z. B. aus der DE 199 01 196 A1 bekannt, mit einer Schaltung, die in ihrem Verhalten einen übertrager nachbildet, realisiert werden. Eine solche übertragerlose Schaltung lässt sich raumsparend bauen, da der Raumbedarf für einen Übertrager entfällt.
• Der Kommunikationsbus führt in der Regel Gleichspannung für die Bordnetzversorgung der angeschlossenen Busgeräte und Wechselspannung für Informationen, insbesondere in Form von Impulsen. Beispielsweise kann eine logische Null durch eine im Wesentlichen rechteckförmige Spannungsabsenkung dargestellt werden. Für die permanente Spannungsversorgung der Busgeräte oder Busteilnehmer steht daher nur das abgesenkte Spannungsniveau zur Verfügung. Ein erheblicher Teil der elektrischen Leistung des auch als Bussystem bezeichneten Kommunikationsbusses kann daher nicht für die Busteilnehmer genutzt werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur übertragerlosen Spannungsversorgung für ein Busgerät eines Kommunikationsbusses, insbesondere der Gebäudesystemtechnik, anzugeben. Des Weiteren soll eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
• Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hierbei wird ein Busgerät an den Ausgang eines Schaltnetzteils angeschlossen, wobei die Spannung am Eingang des Schaltnetzteils größer ist als die Spannung am Ausgang des Schaltnetzteils. Während der Spannungsherabsetzung beim Senden eines Signals wird mit einer sogenannten Abzweigschaltung ein Strom am Schaltnetzteil vorbei zum Busgerät geleitet. Zusätzlich ist vorteilhafterweise eine Zwischenspeicherung der dem Busgerät vom Bus oder Kommunikationsbus zugeführten Energie vorgesehen. Mit diesem Verfahren steht dem Busgerät auch bei der Absenkung der Busspannung während eines Sendeimpulses eine ausreichende Spannung zur Verfügung. Auch wird die Stromzuführung aus dem Bus zum Busgerät während eines Sendeimpulses nicht oder zumindest nur unwesentlich eingeschränkt.
• In besonders vorteilhafter Weise wird für die Eingangsspannung des Schaltnetzteils oder interne Spannung ein Wert zwischen der nicht abgesenkten und der abgesenkten Busspannung gewählt. Auf diese Weise kann der Energiespeicher in Zeitabschnitten ohne Spannungsabsenkung geladen und in Zeitabschnitten mit Spannungsabsenkung entladen werden. Damit – und aufgrund der Abzweigschaltung – wird ein im Vergleich zu herkömmlichen Bussystemen hoher Wirkungsgrad des Bussystems erzielt. Ein besonders hoher Wirkungsgrad wird dadurch erreicht, dass die interne Spannung auf einen Wert nur geringfügig unterhalb der Busspannung gelegt wird. Aufgrund der in jedem Betriebszustand ausreichenden Energieversorgung des Busgerätes wird eine ungewünschte Signaldämpfung vermieden und damit eine hohe Signalreichweite gewährleistet.
• Des Weiteren ist es vorteilhaft, die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes, der dem Schaltnetzteil zugeführt wird, schaltungstechnisch zu begrenzen, z. B. durch entsprechende Steuerung einer Stromquelle.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der durch das Busgerät fließende Strom begrenzt, wobei bei unzulässigem Stromanstieg die das Schaltnetzteil umgehende Abzweigschaltung unterbrochen wird. Anstelle oder zusätzlich zu einer Strombegrenzung kann auch eine Spannungsbegrenzung am Busgerät vorgesehen werden.
• Bezüglich der Einrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 schematisch ein bekanntes Bussystem,
• 2 den Strom- und Spannungsverlauf während der Übertragung eines Signals bei einem bekannten Bussystem sowie – in vereinfachter Weise – bei der erfindungsgemäßen übertragerlosen Spannungsversorgung,
• 3 schematisch das Schaltungskonzept der übertragerlosen Spannungsversorgung, und
• 4 eine prinzipielle Schaltung des in 3 dargestellten Schaltungskonzeptes.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist ein Kommunikationsbus oder Bussystem 1 mit einer Busspannungsversorgung 2, einer Busleitung 3 und Busgeräten G₁ bis G_n dargestellt. Die Busspannungsversorgung 2 wird mit Wechselspannung W (230 V, 50 Hz) versorgt und erzeugt eine Gleichspannung U_BUS von 21 V bis 30 V, die an Adern 4, 5 der Busleitung 3 anliegt. Die Busgeräte G₁ bis G_n sind jeweils über eine Spannungsversorgung 6 mit der Busleitung 3 verbunden.
• Solange keine Information übertragen wird, liegt an der Busleitung 3 des Bussystems 1 die konstante Gleichspannung oder Busspannung U_BUS an. Eine zu übertragende Information wird der Gleichspannung U_BUS derart überlagert, dass eine im Wesentlichen rechteckförmige Spannungsabsenkung einem Bit entspricht. Hierbei wird durch die Spannungsabsenkung eine logische Null dargestellt. Für das Senden einer logischen Eins wird die Busspannung U_BUS nicht verändert.
• In 2 ist die Abhängigkeit eines Stromes I sowie der Busspannung U_BUS von der Zeit t am Eingang der Spannungsversorgung 6 während der Sendung einer logischen Null dargestellt. Die Busspannung U_BUS wird während eines Sendeimpulses SI von der Normalspannung U₁ um eine Sendespannung U_S auf eine reduzierte Spannung U₂ herabgesetzt. Direkt an den rechteckförmigen Nachrichtenimpuls oder Sendeimpuls SI schließt sich ein Ausgleichsimpuls AI zur Erhöhung der Übertragungsweite des Sendeimpulses SI an. Während des Sendeimpulses SI wird der Strom I bei bekannten Verfahren abgesenkt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Strom I während des Sendeimpulses SI auf einem Niveau, höchstens – wie mit gestrichelter Linie eingezeichnet – unverändert auf dem Wert von I_BUS, gehalten.
• Diese Konstanthaltung des Stroms I_BUS ist durch die in 3 innerhalb der Spannungsversorgung 6 dargestellte Abzweigschaltung 7 ermöglicht. Die Abzweigschaltung 7 umfasst einen hier als Stromsensor ausgeführten Sensor 8 sowie einen Kompa rator 9 und zwei Wechselschalter 10, 11, mit denen ein Eingang 12 und ein Ausgang 13 eines Schaltnetzteils 14 verbunden werden können. Der Wechselschalter 10 am Eingang 12 des Schaltnetzteils 14 aktiviert die Abzweigschaltung 7, sobald die Busspannung U_BUS kleiner ist als eine Eingangsspannung U_E am Eingang 12 des Schaltnetzteils 14. Dies ist während der Sendung einer logischen Null durch eine gesteuerte Stromquelle I₁ der Fall, wobei die Stromänderung di/dt von einer (nicht dargestellten) Ansteuerschaltung gesteuert wird, wie diese z. B. aus der DE 44 24 907 bekannt ist.
• Von der Busleitung 3, an der die Busspannung U_BUS anliegt, fließt der Strom I_BUS zur Stromquelle I₁, von der aus ein Eingangsstrom I_E – sofern die Abzweigschaltung 7 nicht aktiviert ist – zum Eingang 12 beziehungsweise – sofern die Abzweigschaltung 7 aktiviert ist – zum Ausgang 13 des Schaltnetzteils 14 fließt. Der Eingangsstrom I_E kann hierbei höchstens den Wert von I_BUS erreichen. Die Spannungsversorgung 6 ist über zwei Anschlüsse A, B mit der Busleitung 3 verbunden. Beispielsweise liegt an dem Anschluss A positives Potential und an dem Anschluss B negatives Potential oder Erde.
• Am Ausgang 13 des Schaltnetzteils 14 fließt ein Gerätestrom I_G durch das an die Spannungsversorgung 6 angeschlossene Busgerät G₁, an dem eine Gerätespannung U_G anliegt, die kleiner als die Eingangsspannung U_E und die Busspannung U_BUS ist. Mit dem Sensor 8 wird der Gerätestrom I_G am Ausgang 13 des Schaltnetzteils 14 überwacht. Eine Spannungsüberwachung ist ebenfalls realisierbar. Bei Anstieg des Gerätestromes I_G oder der Gerätespannung U_G über einen Stromschwellwert I_max beziehungsweise einen Spannungsschwellwert U_max wird durch den Komparator 9 die Umschaltung des Wechselschalters 11 und damit die Deaktivierung der Abzweigschaltung 7 ausgelöst.
• Über die Busleitung 3 der Spannungsversorgung 6 zugeführte Energie kann in Energiespeichern 15, 16, die am Eingang 12 beziehungsweise am Ausgang 13 des Schaltnetzteils 14 ange schlossen, und z. B. als Kondensatoren ausgeführt sind, zwischengespeichert werden. Die Energiespeicher 15, 16 stellen zusammen mit der Abzweigschaltung 7 eine stets ausreichende Energieversorgung des Busgerätes G₁ auch bei Absenkung der Busspannung U_BUS während eines Sendeimpulses SI sicher.
• Die 4 zeigt eine prinzipielle Schaltung des in der 3 dargestellten Schaltungskonzeptes. Die gesteuerte Stromquelle I₁ ist hierbei in an sich bekannter Weise aufgebaut. Der Wechselschalter 10 am Eingang 12 des Schaltnetzteils 14 ist durch zwei Transistoren 17, 18 realisiert.
• Die in den 3 und 4 wiedergegebenen Schaltungen mit den darin enthaltenen konkreten Bauelementen können hinsichtlich deren Funktionsweise oder Wirkung in einem integrierten Schaltkreis realisiert sein.

Claims (11)

1. Verfahren zur übertragerlosen Spannungsversorgung eines Busgerätes (G₁) eines eine Busspannung (U_BUS) führenden Kommunikationsbusses (1) über ein Schaltnetzteil (14), dem eine Eingangsspannung (U_E) und ein Eingangsstrom (I_E) zugeführt werden, – wobei vom Schaltnetzteil (14) die am Busgerät (G₁) anliegende Gerätespannung (U_G) kleiner als die Eingangsspannung (U_E) eingestellt wird, und – wobei während eines Sendeimpulses (SI) die Busspannung (U_BUS) auf eine reduzierte Spannung (U₂) herabgesetzt und der Eingangsstrom (I_E) unter Umgehung des Schaltnetzteils (14) zum Busgerät (G₁) geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kommunikationsbus (1) zum Busgerät (G₁) geleitete Energie gespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Sendeimpulses (SI) die reduzierte Spannung (U₂) kleiner als die Eingangsspannung (U_E) gesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstiegsgeschwindigkeit des Eingangsstroms (I_E) während des Sendeimpulses (SI) begrenzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch das Busgerät (G₁) fließender Gerätestrom (I_G) überwacht wird, wobei bei Anstieg des Gerätestroms (I_G) über einen Stromschwellwert (I_max) während des Sendeimpulses (SI) die Umgehung des Schaltnetzteils (14) abgeschaltet und der Eingangsstrom (I_E) zumindest annähernd konstant gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerätespannung (U_G) überwacht wird, wobei bei Anstieg der Gerätespannung (U_G) über einen Spannungsschwellwert (U_max) während des Sendeimpulses (SI) die Umgehung des Schaltnetzteils (14) abgeschaltet und der Eingangsstrom (I_E) zumindest annähernd konstant gehalten wird.
7. Einrichtung zur übertragerlosen Spannungsversorgung eines Busgerätes (G₁) eines eine Busspannung (U_BUS) führenden Kommunikationsbusses (1), mit einer mit diesem verbundenen Stromquelle (I₁) und einem daran angeschlossenen Schaltnetzteil (14), dessen Eingangsspannung (U_E) größer als eine Gerätespannung (U_G) des Busgerätes (G₁) ist, wobei ein Sendeimpuls (SI) durch eine Herabsetzung der Busspannung (U_BUS) von einer Normalspannung (U₁) auf eine reduzierte Spannung (U₂) dargestellt ist, gekennzeichnet durch eine zum Schaltnetzteil (14) parallel geschaltete Abzweigschaltung (7), die während des Sendeimpulses (SI) die Stromquelle (I₁) mit dem Busgerät (G₁) unter Umgehung des Schaltnetzteils (14) verbindet.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang (12) und/oder Ausgang (13) des Schaltnetzteils (14) ein Energiespeicher (15, 16) vorgesehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierte Spannung (U₂) geringer als die Eingangsspannung (U_E) ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der Normalspannung (U₁) und der Eingangsspannung (U_E) geringer ist als die Differenz zwischen der Eingangsspannung (U_E) und der reduzierten Spannung (U₂).
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch einen Sensor (8) zur Überwachung des Gerätestroms (I_G) und/oder der Gerätespannung (U_G) am Ausgang (13) des Schaltnetzteils (14).