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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer leitungsgeführten
Kommunikation, insbesondere über Versorgungsleitungen.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein endseitiges Versorgungsnetz, das
auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zurückgreifen
kann.
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Versorgungsstromnetze
sind in der Regel weit verzweigte Netze mit einer Vielzahl von Energiequellen, die
insbesondere Wechselspannungsversorgungen für Endverbrauchernetze
zur Verfügung stellen. Trotz hoher Netzsicherheit gibt
es immer wieder Zustände, bei denen im Endverbrauchernetz
nicht die ausreichende Energie aus der Netzwechselspannung geliefert
werden kann. In der Regel ist die Netzwechselspannung eine Sinuswechselspannung
bzw. eine Wechselspannung, die sinusförmig, harmonisch
und monofrequent ist. Um die Energieversorgung im endseitigen Verbrauchernetz
sicherzustellen, sind zahlreiche Rückfalllösungen
bekannt, die mit Gleichspannungen, sowohl gepulsten als auch Dauergleichspannungen
bzw. Strichgleichspannungen, im Falle eines Netzausfalles oder einer
Netzenergieversorgungsreduzierung unterstützend eingreifen.
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Insbesondere
bei Beleuchtungsanlagen in öffentlich zugänglichen
Gebäuden ist es wichtig, dass im Notfall oder bei Ausfall
bzw. Reduzierung der zentralen Versorgungsenergie eine ausreichende
Notsicht- bzw. Notlichtbeleuchtung zur sicheren Evakuierung einzelner
Gebäudebereiche, Gebäudeabschnitte oder sogar des
gesamten Gebäudes vorgehalten wird. Hierzu ist es weithin
bekannt, besondere Beleuchtungsmittel bzw. Beleuchtungskörper
vorzuhalten, die im Falle eines detektierten besonderen Betriebszustandes
verlässlich und gezielt bewusst eingeschaltet werden können.
So ist das selektive Ein- und Ausschalten von Beleuchtungsnetzen
ohne Nutzung weiterer Steuerleitungen, d. h. also über
die Versorgungsleitungen, nach einem Rundsteuerverfahren aus dem
Buch „Betriebsgeräte und Schaltungen für
elektrische Lampen" der Autoren Sturm und Klein, ISBN 3-8009-1586-3 bekannt.
Das Buch lehrt unter Anderem, wie Vorschaltgeräte für
besondere Beleuchtungskörper prinzipiell zu gestalten sind,
wobei die Vorschaltgeräte mit Rundsteuerempfängern ausgestattet
werden können. Um die Erfindung in Bezug auf das Kommunikationsverfahren
komprimierter darstellen zu können, wird der Offenbarungsgehalt
des Buches in Bezug auf geeignete Schaltungsvarianten von Vorschaltgeräten
durch ihre Referenz voll inhaltlich als Offenbarungsumfang der vorliegenden
Erfindung inkorporiert.
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Das
Buch differenziert nicht ausdrücklich zwischen der Gebäudeinstallationstechnik
und einer Straßeninstallationstechnik. In größeren
Gebäuden, vielleicht sogar mit Außenanlagen, werden
häufig nicht nur ein Zentralverteiler sondern wenigstens
ein Hauptverteiler und mehrere Unterverteiler aufgebaut, wobei zum
Beispiel einzelne Unterverteiler für die abschnittsweise
Beleuchtungstechnik in einem Bauwerk oder einer Gebäudegruppe
zuständig sind. Einer (oder mehrere) der Unterverteiler
ist (sind) ggf. mit einer Konstantenergie- bzw. Gleichspannungsquelle,
wie zum Beispiel einer Gleichspannungsquelle mit Akkumulatoren oder
auch einer Brennstoffzellenquelle schaltungstechnisch ausgestattet,
um bei einem Versorgungsausfall des Unterverteilers auf die Konstantenergiequelle
zurückgreifen zu können. Die Konstantenergiequellen
können wahlweise als Gruppenbatterieanlagen oder Zentralbatterieanlagen
aufgebaut sein. Durch eine selbstständig funktionierende
Steuerungseinheit, die Teil einer Gebäudeleittechnik sein
kann, insbesondere Teil einer Zentral- oder Gruppenbatterieanlage
sein kann, lässt sich die Energiequelle des Unterverteilernetzes
oder sogar eines Hauptverteilernetzes wechselweise zwischen der
zentralen Wechselspannungsversorgung aus dem Versorgungsstromnetz
und einer Rückfallenergieversorgung hin- und herschalten.
Um unter Anderem die Gefahr von Kurzschlüssen im Brandfall
durch Reduktion der Leiteranzahl zu verringern, ist es üblich,
Beleuchtungskörper nicht mit zusätzlichen Steuerungsleitungen
auszustatten, sondern die als Endstromkreise arbeitenden Lampen,
Leuchtstoffröhren und sonstige Licht ausstrahlenden Verbraucher
mit Schaltungen anzusteuern, so dass aufgrund zum Beispiel der Versorgungsspannung
ein selbsttätiges Ein- und Ausschalten der Beleuchtungskörper
ermöglicht wird.
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Sehr
detaillierte Ausführungen lassen sich in der DIN
VDE 0108, insbesondere Teil 1, von 1989 finden, die zwischenzeitlich
Revisionsbearbeitungen unterzogen worden ist. Die zuvor erörterten
Systembeschreibungen und schaltungstechnischen Bezeichnungen lassen
sich aus der DIN VDE 0108 in ihren zahlreichen
Revisionen entnehmen, die das normenrechtliche Korsett für
sicherheitsrelevante Endstromkreise wie Beleuchtungskörper
bildet. Der Inhalt der Norm wird zur Bestimmung der Begrifflichkeiten
und der geforderten Ablaufdiagramme voll inhaltlich durch ihre Referenzierung
in den Offenbarungsumfang der vorliegenden Erfindung inkorporiert.
Insbesondere Bereitschaftslichtleuchten und Dauerlichtleuchten,
die gemischt in einem Endstromkreis eines Gebäudes zusammengefasst
sind, müssen normenkonform ansteuer- und betreibbar sein. Hierzu
wird ein Sender- und Empfängersystem genommen, das leitungsgebunden
anhand der Versorgungsleitungen die endseitigen Verbraucher ein-
und ausschalten kann bzw. die endseitigen Verbraucher ggf. Informationen
an zentrale Steuereinrichtungen zurückschicken können.
Im einfachsten Falle ist es ausreichend, dass die Beleuchtungskörper
steuerbar sind, ohne dass die Beleuchtungskörper Informationen
zurücksenden. In einphasigen Gebäudeinstallationen
sind somit wenigstens drei Leitungen vorgesehen, nämlich
eine Leitung, über die in der Regel eine Wechselspannungsphase übertragen
wird, eine Leitung, die als Nullleiter dient, und eine Leitung,
die als Schutzleiter dient. Bei einem Betriebszustandswechsel, zum
Beispiel in einem Notfall, stellen die gleichen Leitungen die Verbindung
zwischen Sender und Empfänger her, jedoch werden wenigstens
in einem dritten Betriebszustand zwei der drei Leitungen mit einer
Gleichspannung beaufschlagt, so dass in diesem Betriebszustand die
Bezeichnungen der Leitungen, obwohl sie die gleichen Leitungen bleiben,
anzupassen wären. Um nicht permanent zwischen den Bezeichnungen
für ein und die gleiche Leitung wechseln zu müssen,
wird im Folgenden zur Förderung des leichteren Verständnisses
der Erfindung von Phasenleiter, Nullleiter und Erdleiter bzw. geerdetem Leiter
gesprochen, auch wenn in dem gerade betrachteten Betriebszustand
keine ausschließliche oder reine Wechselspannungsversorgung
der Endstromkreise gegeben sein sollte. In einem zweiten Betriebszustand
können je nach Schaltungsrealisierung auf den Leitungen
eine Wechselspannung, eine gepulste Gleichspannung oder eine Dauergleichspannung
bzw. entsprechende Mischformen aufgeprägt worden sein.
Im ersten Betriebszustand liegt in dem entsprechenden Unterverteilernetz
oder Hauptverteilernetz die Wechselspannung aus dem Versorgungsstromnetz
an.
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Aus
der
EP 0 939 476 D2 (Patentinhaberin:
Inotec Sicherheitstechnik GmbH; Prioritätstag: 25.02.1998)
ist es bekannt, den Wechsel der Spannung im Unterverteilernetz gemäß den
2a–
2c von
einer reinen Sinusspannung über eine gepulste Gleichspannung
zu einer Dauergleichspannung dahingehend zu nutzen, den Beleuchtungskörpern
den Betriebszustandswechsel zu signalisieren. Hierzu wird mit Vollweggleichrichtern
gearbeitet. Verfahren, die insbesondere mit einem Schwellwertschalter
auf das Herabsenken oder Ausblenden von einzelnen Sinushalbwellen
für angeschlossene Leuchtstofflampen reagieren, sind den Druckschriften
DE 29 04 875 62 (Anmelder:
Friemann und Wolf GmbH; Anmeldetag: 09.02.1979),
DE 29 33 506 C2 (Patentinhaberin:
Friemann und Wolf GmbH; Anmeldetag: 18.08.1979) und
DE 29 47 008 A1 (Anmelderin:
Friemann und Wolf GmbH; Anmeldetag: 22.11.1979) zu entnehmen. Drei
weitere mögliche Verfahren, die sich auf die Spannung auf
der Energieversorgungsleitung konzentrieren, sind in der
DE 28 35 549 A1 (Anmelder:
Rasmusen; Prioritätstag: 15.08.1977) beschrieben. Ebenfalls
drei verschiedene Arten, die Wechselspannung zu beeinflussen und
damit ein Steuersignal über die Versorgungsenergie an die
Beleuchtungskörper zu senden, ist der
EP 1 066 690 B1 (Patentinhaberin:
Ceag Sicherheitstechnik GmbH; Prioritätstag: 31.01.1998)
zu entnehmen.
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Aus
der Tatsache, dass die zitierten Druckschriften sämtlich
deutsche Anmelderinnen aufweisen, lässt sich die unausgesprochene
Annahme mutmaßen, von einer hohen Versorgungsqualität,
insbesondere im Bezug auf die Spannungsgüte, aus dem Versorgungsstromnetz
ausgehen zu können. Sicherheitsbeleuchtungskörper
werden aber in zunehmendem Maße auch in Gebieten eingesetzt,
in denen die Energieversorgungsqualität nicht mehr in der
gewohnten Art wie in bundesdeutschen Großstädten
vorzufinden ist. Es konnte schon gelegentlich beobachtet werden,
dass einige der dargelegten spannungsabhängigen Übertragungsverfahren bei
geringerer Versorgungsspannungsqualität Beleuchtungskörper
einschalten, die noch gar nicht einzuschalten sind, weil der abzufangende
Notfall, z. B. eine zentrale Stromunterbrechung, eigentlich noch
nicht eingetreten ist. Im Extremfall kann eine Belastung der als
Rückfallgleichstromenergiequelle arbeitende Konstantenergiequelle
auftreten, die zu einer Verkürzung der Sicherheitsbeleuchtungszeit
für den tatsächlichen Notfall führt.
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Eine
weitere steuerungstechnische Alternative aus dem Sicherheitsbereich
ist der
DE 197 25
710 A1 (Anmelder: Larcher et al.; Prioritätstag:
01.07.1996) zu entnehmen, die aber unter Anderem vorschlägt,
einen Betriebsübertragungswechsel, also Umschaltvorgang
in den Versorgungsleitungen, durchzuführen.
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In
den Steuerabschnitt wird aufgrund der Hochohmigkeit des Senders
unnötig Energie des Versorgungsstromnetzes umgewandelt.
Ein weiteres Problem lässt sich aus der
DE 38 28 5271 A1 (Anmelderin:
Siemens AG; Anmeldetag: 19.08.1988) entnehmen, nämlich Übertragungsfehler
aufgrund von Laufzeiteigenschaften auf den Leitungen. Es ist weltweit
die Tendenz zu beobachten, dass in Metropolen immer größere Gebäudeeinheiten
gebaut werden, so dass die Versorgungsleitungslängen kontinuierlich
zunehmen. Vorteilhaft sind der Druckschrift Spulenwicklungsanordnungen
mit weiteren Bauteilen, wie zum Beispiel Kondensatoren, zu entnehmen,
die bei Gleichspannungsnetzen funktionstüchtig sein sollen.
Der Offenbarungsumfang in Bezug auf die Schaltungsvarianten wird
voll inhaltlich durch diese Referenz aus Lesbarkeitsgründen
in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung inkorporiert.
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Parallel
zur Signalkodierung durch die Energieversorgungsübertragung
gibt es schon seit Jahren die Entwicklung von sogenannten Powerline-Modulen,
für die zum Beispiel typische Halbleiter der ST7537 bzw. der
ST7538 sind, deren normungstechnischen Grundlagen unter Anderem
der EN 50065-1 zu entnehmen ist. In den von der
Domologic Home Automation GmbH publizierten Fachartikeln in Bezug
auf die Powerline-Kommunikation wird ein sich abzeichnendes Problem
angesprochen, in dem auf den freigegebenen Frequenzbändern
ohne Genehmigung durch eine zentrale Autorisierungsbehörde
immer mehr Geräteanbieter, zum Beispiel für Waschmaschinen
und Kühlschränke, irgendwelche Informationen auf
dem endstromseitigen Versorgungsnetz übertragen und sich
somit die Steuerinformationen gegenseitig beeinflussen und stören.
Für sicherheitskritische Netze, auf die weitere Verbraucher – ohne
Einflussnahme des Notlichtbeleuchtungsmittelherstellers – aufgeschaltet
werden, sind unsichere Verbindungen nicht akzeptabel.
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Es
ist also der Bedarf gegeben, bei zusehends komplexeren Energieversorgungsnetzen
im Endstrombereich mit einer größeren Anzahl Verteilern
ein Kommunikationsverfahren anbieten zu können, das selbst
sicherheitskritische Energieverbraucher wie Bereitschaftslichtleuchten
betreibbar machen kann. Das Kommunikationsverfahren die ein Netz
auf Basis des Kommunikationsverfahrens soll eine hohe Zuverlässigkeit
aufweisen. Erschwerend kommt hinzu, dass Sender- und Empfangsmodule
von einem Hersteller produziert werden, der häufig nicht
genau bestimmen kann, was Elektroinstallateure und Verbraucher mit
seinen Geräten unternehmen, insbesondere welche Verbraucher
angeschlossen werden. Tritt ein Schadensfall ein, vielleicht sogar mit
Personenschäden, wird trotzdem versucht, auf den Hersteller
einzelner Komponenten für Sicherheitslichtbeleuchtungsanlagen
zurückzugreifen, weil Produkthaftungsüberlegungen
gerne weithin praktiziert werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren
nach Anspruch 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes
Kommunikationssystem wird in Anspruch 8 vorgestellt. Vorteilhafte
Ausgestaltungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen
entnehmen.
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Die
Erfindung betrifft ein leitungsgeführtes Kommunikationsverfahren,
das innerhalb eines endseitigen Versorgungsstromnetzes eingesetzt
werden kann. Als endseitig werden die Versorgungsstromnetze bezeichnet,
die zur Elektrifizierung vorrangig eines abgeschlossenen Gebäudekomplexes
mit Verbrauchern ausgestattet sind. Ein endseitiges Versorgungsstromnetz
kann natürlich auch Stromgeneratoren für die Notstromversorgung
umfassen. Das Kommunikationsverfahren wird im Rahmen einer Haus-
und Gebäudeleittechnik verwendet, damit insbesondere sicherheitsbezogene
Beleuchtungskörper wie Lampen und Leuchtstoffröhren
geschaltet oder gedimmt werden können. Hierzu ist die leitungsgeführte
Kommunikation mit einem Sender und mit einem Empfänger
aufgebaut. In der Regel werden wenigstens mehrere Empfänger
verwendet, insbesondere jedem einzelnen Beleuchtungskörper
ein eigener Empfänger vorangestellt. Natürlich
können auch mehrere Sender in dem endseitigen Versorgungsstromnetz
vorhanden sein. Der Sender (bzw. auch die Sender) muss nicht zwangsweise
in einem Unterverteiler angeordnet sein, jedoch ist es vorteilhaft,
wenn der Sender auf kurzem Wege in kommunikativer Verbindung mit
dem Unterverteiler steht. Der Sender übernimmt die Aufgabe,
in Abhängigkeit von Betriebszuständen ein selektives
An- und Ausschalten einzelner Beleuchtungskörper, vorzugsweise
ohne individuelle Adressierung jedes einzelnen Beleuchtungskörpers,
zu veranlassen. Hierzu haben die Beleuchtungskörper keine
weiteren Steuerleitungen, sondern das Kommunikationsverfahren greift
auf die standardmäßige Elektrizitätsversorgung
zurück. Diese Art des Netzaufbaus reduziert die Anzahl der
Adern. Kabel gelten im Brandfall als erhöhte Gefahrenquellen.
Der Sender überträgt Daten, die wenigstens für
einen Endstromkreis bestimmt sind. Das Kommunikationsnetz kennt
wenigstens zwei unterschiedliche Betriebszustände, die
sich durch die Anzahl der eingeschalteten und ausgeschalteten Beleuchtungskörper
bestimmen lässt. Zwischen Sender und Empfänger
sind mehrere Energieversorgungsleitungen vorgesehen, von denen wenigstens
zwei für die Energieversorgung bestimmt sind und wenigstens
ein dritter als Schutzleiter dient. Über standardmäßige
Wechselspannungsnetze können variierende Spannungen, wie
zum Beispiel sinusförmige Wechselspannungen, aber auch
Dauergleichspannungen über wenigstens zwei der drei Leiter
geführt sein, damit wenigstens ein Beleuchtungskörper
elektrisch unter Rückgriff auf den zweiten, als Rückführungsleiter
gedachten Leiter energetisch versorgt ist. Eine auszuführende
Befehlsfolge kann darin bestehen, dass der Sender an den Empfänger
den Befehl ausgibt, einen Beleuchtungskörper einer bestimmten
Kategorie, wie zum Beispiel einer Bereitschaftslichtleuchte oder
einer Sicherheitslichtleuchte, an- oder auszuschalten. Zwei der
drei Verbindungsleitungen erfahren eine Potenzialverschiebung. Der
Schutzleiter, der zum Beispiel geerdet sein kann, wird dabei vorzugsweise
während der Befehlsfolge auf einem Konstantpotenzial, insbesondere
dem Erdpotenzial, gehalten. Der Verbraucher selber erfährt über
seine beiden Energieversorgungsleitungen keine Spannungsveränderung,
damit ihm der Start einer Befehlsfolge signalisiert wird. Die Potenzialverschiebung
wirkt sich insbesondere gegenüber dem dritten Leiter aus,
der vorrangig der Schutzleiter ist. Somit hat die überlagerte
Befehlsübertragung über zwei der wenigstens drei
vorhandenen Leitungen keinen Einfluss auf die Versorgungsqualität
der Versorgungsspannung. Der Isolationswiderstand gegenüber
dem Schutzleiter wird in der Regel bei den Schaltkreisen der Endstromkreise
so hoch ausgelegt, dass eine im Vergleich zur regulären
Wechselspannungsamplitude unbeachtliche Potenzialverschiebung auftritt.
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Nach
der Norm DIN EN 50065-1 bzw. VDE 0808 Teil
1 darf eine asymmetrische Einspeisung keine Störung
auf oder in Fehlerstrom-Schutzschaltern erzeugen. Durch die Potenzialverschiebung
bleiben die Fehlerstrom-Schutzschalter störungsfrei, ihre
Ansprechschwellen können weiterhin, selbst bei großen
Beleuchtungsnetzen, auf einem gleichbleibend niedrigen Niveau, wie
zum Beispiel 20 mA, verbleiben.
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Wird
die vorliegende Erfindung auf ein mehrphasiges Versorgungsnetz angewendet,
so lässt sich die Potenzialverschiebung verschiedenartig
realisieren. Es kann eine Potenzialverschiebung zwischen einer Phase
und dem Nullleiter genauso wie eine Potenzialverschiebung zwischen
allen Phasenleitern und dem Nullleiter als auch eine Potenzialverschiebung
zwischen allen Phasenleitern realisiert werden. Welche Art der Potenzialverschiebung
anzuwenden ist, hängt unter Anderem von der Nutzung und
der Verschaltung des Dreiphasen-Systems ab. So kann das Dreiphasen-System
als TT-, TI-, TN-Netz usw. realisiert sein.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nicht mehr eine Spannungsüberwachung
der Versorgungsleitungen, zum Beispiel mit einem Schwellwertdiskriminator,
durchgeführt, sondern es wird eine Abweichung gegenüber
dem Schutzleiter detektiert.
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Im
Falle eines Wechselspannungsversorgungsnetzes lässt sich
die eine Energieversorgungsleitung als Phasenleitung bezeichnen,
die zweite Energieversorgungsleitung als Nullleiter bezeichnen und
der Schutzleiter als Erdleiter oder geerdeter Leiter. Die Potenzialverschiebung
erfolgt auf den Energieleitern, d. h., dem Phasenleiter im gleichen
Maße wie auf dem Nullleiter. Im gleichen Maße
bedeutet, dass der Betrag der Spannungsveränderung auf
beiden Leitern bis auf einen Faktor identisch ist. Idealerweise
erfolgt die Potenzialverschiebung auf beiden Energieleitern gleichzeitig
und im gleichen Maße. Die Potenzialverschiebung kann vollkommen
symmetrisch sein, so dass im gleichen Maße dahingehend
zu verstehen ist, dass eine Spannungserhöhung auf dem Phasenleiter
genauso als Spannungserhöhung auf den Nullleiter bemerkbar
ist. Somit ist die relative Spannungsdifferenz zwischen Phasenleiter
und Nullleiter Null. Bei einem Umschalten, zum Beispiel in einem
Unterverteiler, von einer sinusförmigen Wechselspannung
auf eine Versorgungsspannung aus einer Sekundärquelle werden
die beiden Energieversorgungsleitungen nicht mehr im klassischen
Sinne als Phasenleiter und Nullleiter betrachtet. Weil das Kabel
selbst aber seine Eigenschaften nicht verändert, sondern nur
die aufgeprägte Spannung sich verändert, kann
etwas unpräzise auch im Folgenden von Phasenleiter und Nullleiter
bei jeder Art von Gleichspannung gesprochen werden.
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Die
Potenzialverschiebung auf dem Phasenleiter und auch auf dem Nullleiter
lässt sich durch eine induktive Spannungsaufprägung
realisieren. Je nach Art der Wicklungen der induktiven Kopplung
und des Arrangements der Wicklungen bestimmen sich die Zeitgleichheit
und die Vorzeichengleichheit der Potenzialverschiebung. Durch eine Überprüfung,
wie einer Spannungsmessung, gegenüber dem Erdleiter wird
der Übertragungsstart von Schaltinformationen detektiert.
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Die
Informationsübertragung, die nach dem Übertragungsstart
sich entfaltet, kann in einer Ausgestaltung paketweise durchgeführt
werden. Die Informationsübertragung erfolgt in einem günstigen
Fall durch eine periodisch auftretende Potenzialverschiebung. Sowohl
der Phasenleiter als auch der Nullleiter erfahren eine periodische
Potenzialverschiebung, während der Erdleiter keinerlei
Potenzial- oder Spannungsveränderung erfährt.
Insbesondere im sicherheitskritischen Bereich von Notbeleuchtungsanlagen
ist die zielgerichtete und korrekte Übertragung an ausgewählte
Beleuchtungskörper sicherzustellen. Hierzu ist ein Übertragungsprotokoll
zu wählen, das selbstkorrigierend fehlerhafte Beeinflussungen
einer Potenzialverschiebung, zum Beispiel durch Streuinduktivitäten,
ausblendet. Das Schaltsignal darf im Vergleich zur Übertragungsgeschwindigkeit deutlich
langsamer zusammengesetzt werden. Eine einzelne Schaltbefehlsfolge
kann mehrere Millisekunden umfassen. Somit hat das erfindungsgemäße
Kommunikationsverfahren in Bezug auf seine Schaltgeschwindigkeit
ausreichend Zeit, mehrfach, redundant die Schaltinformation im Rahmen
der Potenzialverschiebung zu übertragen. Die selbstkorrigierende
Prüfsumme setzt sich aus einer möglichen Wiederholung
der eigentlichen Schaltinformation zusammen. Alternativ lassen sich
natürlich auch andere zyklische Redundantsprüfungsverfahren
oder auch Quersummenverfahren einsetzen.
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Die
Schaltinformation kann durch eine unter dem Begriff Powerline-Kommunikation
bekannte Kommunikation aufgebaut werden, weil für die Powerline-Kommunikation
zahlreiche unterschiedliche, fertig integrierte Bausteine standardmäßig
angeboten werden. Es ist die Nutzung eines Frequenzbandes, das normungsmäßig für
die Datenübertragung freigegeben ist, auszuwählen.
Weil zur Zusammenstellung eines Sicherheitsbeleuchtungssystems keine
individuellen Abstimmungen mit Energieversorgungsunternehmen durchzuführen sind,
ist vorzugsweise ein Frequenzband aus dem Frequenzspektrum von 95
kHz bis 148,5 kHz, insbesondere zwischen 95 kHz und 125 kHz, zu
wählen. Läuft das Kommunikationsverfahren in dem
besagten Frequenzband ab, so setzt sich der Betreiber der oben dargelegten
Gefährdung der Informationsverstopfung nicht aus, obwohl
jeder Hersteller von Elektrogeräten unautorisierte endstromkreisseitige
Kommunikationen zu eigen machen kann, indem das Betreiben der Beleuchtungskörper
in Abhängigkeit von Potenzialverschiebungen vollständig
abgekoppelt von den übrigen Powerline-Kommunikationsverfahren
der üblichen Art und Weise arbeitet. Die Schaltinformationen
selber können darüber hinaus noch amplituden-,
frequenz- oder phasenmodelliert kodiert sein. Somit liegt eine mehrfach
ineinander verschachtelte Kodierung vor. Die Informationsübertragung
wird vorrangig durch die Potenzialverschiebung initiiert und dominiert,
wobei jedoch weitere Kodierungsverfahren ebenfalls Bestandteil des
erfindungsgemäßen Kommunikationsverfahren sein
können.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Kommunikationsverfahren
können selektiv einzelne Sicherheitsbeleuchtungsmittel,
wie zum Beispiel Bereitschaftslichtleuchten individuell, ausgewählt,
also selektiv, ein- und ausgeschaltet werden. An einem Phasenleiter,
einem Nullleiter und umschlossen von einem Erdleiter lassen sich
so Beleuchtungskörper unterschiedlicher Kategorien gleichzeitig
aufschalten. Es können Dauerlichtleuchten, Bereitschaftslichtleuchten,
geschaltete Bereitschaftslichtleuchten, Alarmleuchten und zusätzliche
Warnleuchten an ein und dem gleichen Netz für Sicherheitsbeleuchtungsmittel
elektrisch angeschlossen sein und alle Leuchten können
zueinander elektrisch parallel verschaltet sein. Der Verdrahtungsaufwand
ist reduziert. Es lassen sich trotzdem je nach Betriebszustand Leuchten,
die alle zu ein und der gleichen Kategorie gehören, gleichzeitig
ein- und ausschalten. Alternativ können auch Leuchten in
ihrer Lichtintensität bei besonderen Betriebszuständen
zurückgenommen werden. Ist es zum Beispiel bekannt, dass
längerfristig Alarmleuchten noch betrieben werden sollen,
während Dauerlichtleuchten vorzeitig ausgeschaltet werden
können, so lassen sich zur Anpassung der Beleuchtungsintensität
die Dauerlichtleuchten langsam reduzierend gedimmt betreiben, ohne dass
bei den sich im Gebäude aufhaltenden Personen eine Panik
zum Ende der zur Verfügung stehenden elektrischen Hilfsenergie
hin ausbricht.
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Im
Vergleich zum geerdeten Leiter können die Potenzialverschiebungen
ihrem Vorzeichen nach bestimmt werden. So lässt sich bei
einer Spannungsanhebung sowohl auf dem Phasenleiter als auch auf
dem Nullleiter gegenüber dem Erdleiter eine positive Potenzialverschiebung
feststellen. Einer Vorzeichen behafteten Potenzialverschiebung kann
dementsprechend ein gesetztes oder ein zurückgenommenes
Bit zugeordnet werden. Es steht im Belieben des Programmierers der
mit Mikrokontrollern betriebenen Sendereinheiten, ob invers, das
bedeutet eine positive Potenzialverschiebung entspricht einem rezessiven
Bit, oder direkt proportional, das bedeutet eine positive Potenzialverschiebung
entspricht einem gesetzten Bit, die Befehlsfolgenübertragung
digital kodiert übermittelt wird.
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Das
erfindungsgemäße Kommunikationssystem setzt sich
aus einem oder mehreren Sendern und wenigstens einem, oder auch
mehreren, Empfänger zusammen. In der Regel wird das Gebäude
aus dem zentralen Energieversorgungsstromnetz eines Energieversorgers
elektrisch versorgt. Der Empfänger wird vorzugsweise vor
den Endstromkreis einer Sicherheitslichtleuchte vorgeschaltet. In
einer Ausgestaltung können Empfänger und Vorschaltgerät
zu einem Stück integriert sein. In einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel
können Empfänger und Vorschaltgerät der
Sicherheitslichtleuchte zweiteilig, jeder in einem eigenen Gehäuse, ausgestaltet
sein. Zwischen einem Sender und einem Empfänger sind wenigstens
drei elektrische Leitungen vorgesehen. Zwei Leitungen dienen als
Leiter zur Energieübertragung. Ein Leiter ist ein Schutzleiter,
der zum Beispiel einen gewissen Berührungsschutz für die
Umwelt darstellen kann. Die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger
umfasst die Potenzialverschiebung auf zwei der drei zuvor benannten
Leitern. Das Kommunikationssystem ist mehrkomponentig aufgebaut.
Der Sender kann in einer Überwachungseinheit für
einen Unterverteiler integriert sein. Der Sender kann somit Teil
einer Notstromversorgungseinrichtung, die Teil des Unterverteilers
sein kann, angeordnet sein. Gleichartig kann anstelle des Unterverteilers
auch ein Zentralverteiler für die Anordnung eines Senders,
alleinstehend oder integriert in weiteren Bauteilen, gewählt
werden.
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Im
wechselspannungsführenden Betriebszustand ist einer der
Leiter der Phasenleiter. Im gleichspannungsführenden Betriebszustand
wäre der Phasenleiter eigentlich die positive Versorgungsleitung.
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Die
Potenzialverschiebung auf zweien der drei Leiter kann synchron und
spannungsgleich durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang
sei angemerkt, dass es hierbei auf die absoluten Spannungswerte nicht
ankommt. Wie zuvor angedeutet, kann das Kommunikationssystem eine
Konstantenergiequelle, das bedeutet eine Gleichspannungsquelle wie
eine Batterieanlage oder eine Brennstoffzellenanlage, umfassen.
Bei Wegfall der Wechselspannungsversorgung schreitet die Konstantenergiequelle
hilfsweise ein. Der Sender ist idealerweise im Nahbereich, das bedeutet
unmittelbar räumlich verwandt, eines Energieverteilers
wie Hauptverteiler oder Unterverteiler oder auch Zentralverteiler
angeordnet. Der Sender umfasst einen induktiven Übertrager.
Der induktive Übertrager stellt die galvanische Entkopplung
der für die Steuerungseinspeisung notwendigen Bauteile,
insbesondere integrierten Halbleiter, dar. Durch die galvanische
Entkopplung findet ein Überspannungsschutz für
die spannungsempfindlichen Halbleiter und die Trennung von Energie-
und Signalpfad statt. Die Wicklungen sind so ausgeführt,
dass die beiden Wicklungen für die Energieübertragungsleitungen gleichsinnig
gewickelt sind, während die Wicklung für die Signalaufprägung
gegensinnig gewickelt ist und so induktiv gekoppelt ist. Mit einem
einzigen induktivem Bauelement können auf allen Energieleitungen,
insbesondere auf bis zu drei Leitungen, die richtigen Potenziale
induktiv aufgebracht werden. Die gute galvanische Kopplung wird
durch einen oder mehrere Ferritkerne sichergestellt. Der Schutzleiter
wird nicht über den Übertrager geführt.
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Der
Empfänger ist über eine kapazitiv entkoppelte
Messimpedanz endstromseitig in dem Versorgungsnetz eingebunden,
wobei vorzugsweise der Empfänger die Versorgungsenergie
an ein Beleuchtungsmittel durchleitet.
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Das
erfindungsgemäße Kommunikationssystem steigert
die Sicherheit eines mit einer Notlichtbeleuchtungsanlage ausgestatteten
Gebäudes. Die Verbraucher können bei einer Störung,
wobei unter dem Begriff Störung auch Totalausfälle
verstanden werden, der Kommunikation zwischen Sender und Empfänger
einen sicheren Zustand einnehmen. Der sichere Zustand zeichnet sich
zum Beispiel durch ein Einschalten aller Sicherheitslichtleuchten
aus. Zwischen Sender und Empfänger wird hierzu ein Sicherheitssignal übertragen. Das
Sicherheitssignal kann in Form eines so genannten periodisch wiederkehrenden
charakteristischen Signals, im einfachsten Fall des Trägersignals
selbst, von dem Sender auf wenigstens einen Empfänger übertragen
werden. Fehlt das erwartete Sicherheitssignal, das auch in der eigentlichen
Powerline-Übertragung bestehen kann, so gelangen zum Beispiel
der oder die Zustandsfolger in einen Sicherheitszustand und schaltet/schalten
die an sie angeschlossenen Sicherheitslichtleuchten ein.
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Nach
einem weiteren Aspekt lässt sich das erfindungsgemäße
Kommunikationsverfahren für ein Kommunikationssystem dahingehend
beschreiben, dass das Kommunikationssystem zum Aufbau einer Notstrombeleuchtungsanlage
oder einer Notlichtbeleuchtungsanlage verwendbar ist. Die Notlichtbeleuchtungsanlage umfasst
eine erste Energieversorgung zur Einspeisung in einen Energieverteiler
und eine weitere Energiequelle als zweite Energieversorgung, ebenfalls
zur Einspeisung in den Energieverteiler wie Hauptverteiler oder
Unterverteiler. Wenigstens einen Endstromkreis. Der Endstromkreis
setzt sich unter Anderem aus wenigstens einer einschaltbaren Bereitschaftslichtleuchte
zusammen. Die Bereitschaftslichtleuchte wird häufig durch
ein Vorschaltgerät elektrisch betrieben. Als Teil des Vorschaltgeräts
oder als gesondert vorgesetztes Gerät ist ein Zustandsfolger
als Empfänger gestaltet. Im Bereich des Energieverteilers
ist eine Steuerungseinheit vorgesehen. Die Steuerungseinheit arbeitet
mit Daten oder Signalen aus einer Spannungsüberwachungseinheit.
Es können auch mehrere Spannungsüberwachungsgeräte
in dem Leitungsnetz des Gebäudes vorgesehen sein. In Abhängigkeit
eines Signals, das eine Schaltinformation darstellt, wird ein Sicherheitsbeleuchtungsmittel
eingeschaltet. Hierzu ist ein Empfänger als Zustandsfolger
vorgesehen. Der Zustandsfolger kann einzelne Zustände aufgrund
von Schaltinformationen einnehmen. In Abhängigkeit des
Zustandes des Zustandfolgers werden einzelne Beleuchtungsmittel
ein- und ausgeschaltet. Die Notlichtbeleuchtungsanlage ist als Mischbetriebsanlage
gestaltet. Die Notlichtbeleuchtungsanlage umfasst in einer Ausgestaltung
Dauerlichtleuchten, Bereitschaftslichtleuchten, ggf. geschaltete
Dauerlichtleuchten und geeignete weitere Leuchten wie zum Beispiel Warnleuchten.
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Eine
erfindungsgemäße Notstrombeleuchtungsanlage kann
eine Mischbetriebsanlage sein. Mischbetriebsanlagen sind häufig
mit Dauerlichtleuchten, Bereitschaftslichtleuchten sowie geschalteten
Dauerlichtleuchten ausgestattet. Bei dem Empfang einer validen Schaltinformation
schalten die Bereitschaftslichtleuchten, unabhängig von
ihrem Ort, also nicht einzeln adressierbar, nach einer recht kurzen
Verarbeitungsdauer ein. Eine kurze Verarbeitungsdauer ist kürzer
als 500 ms. Insbesondere kann eine Verarbeitungsdauer auch kürzer
als 100 ms sein. Bei einer länger andauernden Versorgungsspannungsunterbrechung
werden die Empfänger der Schaltinformationen in ihren Ausgangszustand
zurückgesetzt. Die Signalaufbereitung und die Signalverarbeitung
können in Schaltungsteilen erfolgen, die über
Optokoppler galvanisch von den Versorgungsleitungen getrennt sind.
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Somit
greift die Notstrombeleuchtungsanlage auf das zuvor dargestellte
leitungsgeführte Steuerungsverfahren zurück.
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Die
vorliegende Erfindung kann noch leichter verstanden werden, wenn
Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, wobei
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1 eine
erste Senderschaltung in Prinzipschaltungsdarstellung zeigt,
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2 eine
erste Empfängerschaltung in Prinzipschaltungsdarstellung
zeigt,
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3 einen
zweiten Empfänger in schematischer Prinzipdarstellung zeigt,
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4 einen
Schaltungsausschnitt einer zweiten Senderschaltung mit geeignetem
Halbleiter darstellt,
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5 einen
Schaltungsausschnitt einer dritten Empfängerschaltung mit
geeignetem Halbleiter darstellt,
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6 eine
Potenzial- und Spannungsverteilung auf Leitungen eines erfindungsgemäßen
Kommunikationssystems zeigt,
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7 ein Übertragungsprotokoll
darstellt,
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8 eine
erfindungsgemäße Gebäudeinstallation
zeigt und
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9 mögliche
Beleuchtungsmuster erfindungsgemäßer Mischbetriebsanlagen
zeigt.
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Im
Folgenden sind funktionell bzw. namensmäßig ähnliche
Komponenten und Bauteile mit den gleichen Bezugzeichen versehen
worden, obwohl in einigen Details Unterschiede vorliegen können,
um das mögliche, erfindungsgemäße Ausgestaltungsspektrum
aufzuzeigen.
-
Unabhängig
von den jeweiligen Ansprüchen offenbaren die Figuren und
die Figurenbeschreibungen zusätzliche erfinderische Aspekte,
die auch selbständig als schutzwürdig zu betrachten
sind.
-
1 zeigt
an Hand einer Schaltungsdarstellung mit elektronischen Symbolen
eine besonders einfache Ausführung eines Teils eines Senders 51,
der zur Übertragung eines erfindungsgemäßen
Kommunikationsverfahrens, insbesondere im Bereich eines Energieverteilers,
verwendet werden kann. Mit dem Großbuchstaben X werden
einzelne Anschlussstellen, zum Beispiel für Elektrizitätskabel,
bezeichnet. Die Schaltung lässt sich auf einer Platine
aufbauen, so dass die Platine nach 1 wenigstens
drei unterschiedliche Anschlüsse aufweist, nämlich
die Anschlüsse X1, die Anschlüsse X2 und den Anschluss
X3. An dem Anschluss X1-1 wird eine Versorgungsleitung L für
eine erste Leitung zur Energieversorgung angeschlossen. An dem Anschluss
X1-2 wird eine zweite Leitung N zur Energieversorgung angeschlossen. Über
die Versorgungsleitungen L, N kann die Energieversorgung aus einem
Versorgungsstromnetz 1 erfolgen. Gegenüber einem
vorzusehenden Erdleiter PE sind Erdleiterkapazitäten CY1,
CY2 zwischen der Energieleitung und dem als Schutzleiter dienendem
Erdleiter PE in die Schaltung eingebaut. In Anlehnung an die Hausinstallationstechnik
werden mit L, N und PE die Phasenleitung, der Nullleiter und ein
geerdeter Schutzleiter bezeichnet, über die auch eine Gleichspannungsversorgung
durchführbar ist. Über einen Übertrager
L1, der einseitig an einem lokalen Nullpotenzial GND liegen kann,
wird die Information gleichsinnig, gleich getaktet, mit dem gleichen
Vorzeichen auf die beiden Leitungen L und N aufgebracht. Hierzu
bietet der Übertrager L1 wenigstens einen Anschluss, an dem
eine Steuerungseinspeisung U stattfinden kann. Der Übertrager
L1 liegt in Stromflussrichtung in den Leitungen L und N. Der Übertrager
L1 hat für beide Leitungen L, N den gleichen Wicklungssinn.
Die wirksame magnetische Kopplung zwischen den einzelnen Spulen
des Übertragers L1 wird durch einen Ferritkern M gefördert.
Sollen einzelne Potenzialverschiebungen durchgeführt werden,
so wird eine Spannung über den Anschluss X3-1 auf den Übertrager
L1, genauer auf die Primärwicklung des Übertragers,
aufgebracht. An den Anschlüssen X2-1 und X2-2 lässt
sich von den Leitungen L' und N' die aufgeprägte Information,
wie eine Schaltinformation, in Form einer Potenzialverschiebung
abgreifen. An dem Anschluss X2 ist ein weiterer Pin, nämlich
der Anschluss X2-3, für den Schutzleiter PE' vorgesehen.
-
In 2 wird
ein Teil eines Empfängers 53 für die
Benutzung in einem erfindungsgemäßen Kommunikationsverfahren über
eine kommunikative Verbindung 101, die an einen Sender 51 der 1 angeschlossen
werden kann, dargestellt. Das eigentliche Informationssignal liegt
an dem Widerstand R1 an. Der Widerstand R1 als Messimpedanz misst
die Information in Form einer Spannung, die auch noch zusätzlich
moduliert sein kann, über die in Sternschaltung betriebene
Anschlussstelle zwischen den Entkopplungskapazitäten CX1 und
CX2 auf der einen Seite und den entkoppelten Erdleiter PE auf der
anderen Seite. Zur Entkopplung des Erdleiters PE ist wenigstens
eine Erdleiterkapazität CY1 vorgesehen. Der Sternpunkt
zwischen den einzelnen Entkopplungskapazitäten CX1, CX2
wird als lokales Nullpotenzial GND betrachtet. Ein Abgriff ist somit
an dem Anschluss X2-1 gegenüber dem lokalen Nullpotenzial
GND zu detektieren. Bei einem mehrphasigen Energieversorgungssystem
können entsprechend viele Entkopplungskapazitäten
CX1, CX2 vorgesehen werden, so zum Beispiel bei einem Dreiphasenleitersystem
insgesamt vier Entkopplungskapazitäten. Ein erfindungsgemäßes Übertragungssystem
aus Sender 51 (siehe z. B. 1 und 4)
und Empfänger 53 kann sowohl auf einem Einphasenleitersystem
als auch auf einem Dreiphasen- oder höherphasigen Leitersystem
unproblematisch angewendet werden. Es treten keine erhöhten
Spannungen zwischen den Phasenleitern L, L' und dem Nullleiter N,
N' auf. Die Strom- bzw. Spannungsversorgungsleitungen und die Schutzleiter
sind an den Anschlüssen X1-1, X1-2, X1-3 anzuschließen.
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Über
Verbindungsleitungen, wie zum Beispiel Stromleitungen, kann zwischen
einem Sender 51 und einem Empfänger 53 eine
kommunikative Verbindung 101 in Form einer leitungsgeführten
Verbindung aufgebaut werden, die jeweils mit einem einseitigen Anschluss
an dem jeweiligen Sender 51 bzw. Empfänger 53 in den 1, 2, 3, 4 und 5 dargestellt
ist. Das Kommunikationssystem umfasst wenigstens einen Sender 51 und
einen Empfänger 53.
-
3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Empfängers 53,
der sowohl mit diskreten als auch mit integrierten Bauteilen aufbaubar
ist. Der Empfänger 53 ist über Stromleitungen
in einer kommunikativen Verbindung 101 mit einem Sender,
der Teil eines Unterverteilers sein kann. Die Versorgungsspannung
wird über den Anschluss X1-1 und über die Leitung
L' sowohl für die Versorgung eines Endstromkreises 15 wie auch
zur Auskopplung von Schaltinformationen über einen Messwiderstand
oder eine Messimpedanz R1 verwendet. In dem Empfänger 53 sind
Schaltkreise U1, U2 vorgesehen, die unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen.
Der Schaltkreis U1, der als integrierter Schaltkreis aufzubauen
ist, übernimmt die Funktion eines Zustandfolgers. In Abhängigkeit
von der Schaltinformation an den Anschlüssen I und GND
gibt der Schaltkreis U1 ein Schaltsignal über den Ausgang
0 an weitere Schaltkreise, wie zum Beispiel an den Steuereingang
X des Schaltkreises U2, weiter. Der Schaltkreis U2 liefert in Abhängigkeit
eines Schaltpegels die Versorgungsspannung 3 an Beleuchtungsmittel 19,
die zum Beispiel Lampen 23 (symbolisiert durch die Lampenfassung
in 3) sein können. In die Lampenfassung
können eine oder mehrere Leuchtstoffröhren 27 eingelegt
werden. Der Schaltkreis erstreckt sich zwischen den Anschlüssen
X1 und X3. Für die Spannungsversorgung der Halbleiter ist
ein Spannungsteil aufgebaut, umfassend den Gleichrichter B1, Filterdrosseln
L5, L6, einen temperaturabhängigen Widerstand R3, eine
Sicherung F1 und einen Glättungskondensator C1, das die
notwendige Versorgungsspannung VCC für die weiteren Schaltkreise
und den Endstromkreis 15 zur Verfügung stellen kann.
Das aufgeprägte Informationssignal wird zwischen Kondensatoren
CX1, CX2 und CY1 über eine Messimpedanz R1 abgegriffen.
Der virtuelle Nullpunkt der Entkopplungskapazitäten CX1,
CX2 stellt den lokalen Ground des lokalen Potenzials GND dar. Über
Kondensatoren wird somit die Schaltinformation ausgekoppelt, während
die Versorgungsspannung, auf der die Schaltinformation lagert, sowohl
als Gleichspannung wie auch als Wechselspannung über Gleichrichtungskreise
für die weitere Energieversorgung zur Verfügung
stehen können. Der Gleichrichter B1 richtet die Wechselspannung
zwischen den Leitungen L und N bzw. N' gleich, während
die Information zwischen den Leitungen L' und PE abgegriffen wird.
Spezielle Anschlüsse X3-1, X3-2, X3-3 und X3-4 sind für
den Anschluss von Beleuchtungskörpern wie Leuchtstoffröhren 27 gestaltet.
-
Die
in den zuvor dargestellten 1 bis 3 eher
schematisch abgebildeten Sender 51 und Empfänger 53 sind
konkreter mit speziellen Powerline-Halbleitern als Sender in 4 und
als Empfänger in 5 dargestellt.
Der Sender 51 nach 4 ist zentral
um den Powerline-Halbleiter IC1, der zum Beispiel der TDA5051 sein
kann, aufgebaut. Der TDA5051 ist ein integrierter Schaltkreis IC1,
der viele Funktionen für eine Powerline-Kommunikation 103 schon
anbietet. Die Powerline-Kommunikation 103 wird über
einen Kondensator C1, gestützt durch eine Diode D1, auf
die Versorgungsleitungen ausgekoppelt. Zum näheren Verständnis des
Halbleiters wird auf die einschlägigen Datenblätter
und Applikationsschriften verwiesen, aus denen auch die IC-Pinbezeichnungen
zu entnehmen sind. Die Nummerierung um den IC1 entspricht der Nummerierung aus
gängigen Datenblättern und ist daher für
ein leichteres Verständnis, trotz anderweitiger Verwendung
der gleichen Bezugszeichen in den übrigen Figuren, beibehalten
worden. Von einer Datenquelle über den Anschluss X2, insbesondere
X2-3, können Daten an den Data_in Pin1 des IC1 gegeben
werden. Die Datenquelle kann ein Mikrokontroller sein. Die 5 Volt-Spannungsversorgung
aus dem PinX2-2 wird über geeignete Kondensatoren C2, C3
geglättet. Der Powerline-Halbleiter IC1 wird aus einem
Oszillator mit den Bauteilen Quarz Q6, Kondensator C31, Kondensator
C30, Widerstand R2 getaktet. Zur besseren Datenübertragung
bzw. zur Unterdrückung von Störsignalen sind auf
den Versorgungsleitungen L, N Entkopplungskondensatoren CY1, CY2 zum
geerdeten Schutzleiter PE' vorgesehen. Hinter den Entkopplungskapazitäten
wird über einen Übertrager L1, der die Spulen
L2, L3, L4 umfassen kann, das Datenprotokoll des Pins TX des IC1
auf die Versorgungsspannung aufgeschaltet, damit über die
kommunikative Verbindung 101 neben der im Unterverteiler
vorhandenen Versorgungsspannung auch eine Datenübertragung
zu den Endstromkreisen erfolgen kann. Der Übertrager L1
lässt sich mit einem Ferritkern M aufbauen. Die Schaltung
arbeitet mit einem virtuellen Potenzialnullpunkt. Der virtuelle
Potenzialnullpunkt GND stellt das Nullpotenzial für die
elektronischen Bauteile des Senders 51 dar. Wenn das Informationssignal
auf der Versorgungsleitung und auf dem Nullleiter aufgeprägt
ist, so wird zwischen Sender 51 und Empfänger 53 (5)
von den Verbindungsleitungen L' und N' gesprochen. Parallel zu den
Leitungen L' und N' gibt es einen geerdeten Schutzleiter PE'. Es
ist nur noch an den Sender 51 über die Klemmen
X3-1, X3-2, X3-3 ein normales NYM-Kabel zur kommunikativen Verbindung 101 anzuschließen. Für
die Einbindung des Senders 51 sind nur drei Anschlussklemmen
X1, X2, X3 vorzusehen.
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Ein ähnlich
aufgebauter Schaltkreis um den gleichen Halbleiter IC1, nämlich
einem TDA5051, kann zur Realisierung eines Empfängers 53 genutzt
werden, wobei der Spannungsabfall über eine Messimpedanz R1
an einen Lesepin RX des IC1 kapazitiv entkoppelt über die
Kapazität C1 durchgeleitet werden kann. Der TDA5051 dient
zur Powerline-Kommunikation 103. Zur Potenzialanhebung
gibt es sowohl im Sender 51 als auch im Empfänger 53 eine
Zehnerdiode D1. Die Zehnerdiode D1 kann zum Beispiel für
eine Spannung von 6,8 V ausgelegt sein. An dem Anschluss X1 eines
Empfängers nach 5 stehen hinter dem IC1 die
Daten, die dem Anschluss Data_Out abgegriffen werden können,
wieder unverfälscht und entkoppelt von der Versorgungsspannung
zur Verfügung. Mit einem einzigen, mehradrigen Kabel lässt
sich der Empfänger 53 in eine Gebäudeinstallation
einbinden. Für die übrigen Schaltzeichen und deren
schaltungsmäßige Anordung, die jedem Elektroniker
verständlich sind, wird auf die zuvor gemachten Ausführungen
zu den 1, 2, 3 und 4 und
auf die Bezugszeichenliste verwiesen.
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6 zeigt
ein mögliches Übertragungsprotokoll auf den Leitungen
L, N, L', N' und PE nach den 1 bis 5,
auf denen im Normalfall eine Wechselspanungsversorgung 5 vorliegt. 6 zeigt
ab dem Zeitschaltpunkt t0 die überlagerte
Powerline-Information der Powerline-Kommunikation 103 (siehe 4 und 5)
auf dem Erdleiter PE und der Versorgungsspannung 3. Erdleiter
PE verharrt auf einem Konstantpotenzial 105. Der Nullleiter
schwingt mit der gleichen Synchronizität 109 und
der gleichen Potenzialverschiebung 107 in die gleiche Spannungsrichtung
wie die Versorgungsspannung 3, auf die eine zusätzliche
Steuereinspeisung U aufgeprägt ist. Die zusätzliche
Steuereinspeisung U wird in dem Maße aufgeprägt,
dass eine ausreichende Bedämpfung 113 gegeben
ist. Somit bleibt die Spannung zwischen Nullleiter und dem entsprechenden Phasenleiter
unverändert und eine Informationsaufprägung kann über
einen Vergleich mit dem Erdleiter PE oder einem geerdeten Leiter
sichergestellt werden. Die Versorgungsspannung 3 erfährt
durch die Spannungsaufprägung U eine zusätzliche
Amplitude, so dass sich aus beiden Teilspannungen eine gesamte, überlagerte Spannungsamplitude 111 ergibt.
Wie in 6 dargestellt, kann die Schaltinformation zum
Beispiel über eine Amplitudenmodifikation bzw.- modulation
AM erfolgen. Alternativ bieten sich auch Frequenzmodulation oder Phasenmodulation
oder eine Kombination aus den diversen Modulationsarten an. Der
Start einer Informationsübertragung kann an Hand der Spannungsänderung 115 gegenüber
dem Erdleiter PE detektiert werden.
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7 zeigt
ein mögliches Frequenzband fB,
das sich aus zwei überlagerten Sinusschwingungen, einer Grundfrequenz
und einem amplitudenmodulierten Informationssignal, zusammensetzt.
Anhand der Amplitudenhöhe lässt sich ein gesetztes
Bit 79 oder ein nicht gesetztes Bit dementsprechend als
1 oder 0 (bzw. auch in rezessiver Codierung) identifizieren. Die
Amplitudenmodulation AM bestimmt den Übertragungsstart ÜS. Eine Schaltinformation SI setzt
sich aus der mehrfachen Wiederholung der einzelnen Informationspakete 69 zusammen.
Die Prüfsumme 71 (nicht eingezeichnet) bildet
sich durch die mehrfache Wiederholung der Informationspakete 69.
Die Informationsübertragung 67 (nicht eingezeichnet)
wird durch ein Informationspaketende 73 bestimmt. Mehrere
einzelne Informationswiederholungen 75 schaffen die einzelnen
Informationspakete 69. Beispielhaft ist eine digitale Datenübertragung 77 mit
gesetzten Bits 79 dargestellt. Wenn die Information vollständig übertragen
ist, wechselt der Empfänger, zum Beispiel U1 nach 3,
von einem ersten Zustand Z1 in einen zweiten Zustand Z2, um ein
Schalten S zu veranlassen. In der 7 ist die
Befehlsfolge 81 mit den Bits 0101100 dargestellt, die jeweils
ein Informationspaket 69 bildet. Der überlagerte
Sinus auf dem Frequenzband fB lässt
sich nur dadurch detektieren, dass eine Spannung gegenüber
dem Schutzleiter oder dem geerdeten Leiter durchgeführt
wird. Der sich z. B. durch den Schaltkreis U1 aufgebaute Zustandsfolger
kann noch weitere Zustände identifizieren, z. B. einen
dritten Zustand Z3 (nicht in 7 eingezeichnet,
der zum Beispiel in zeitlicher Abfolge auftreten würde).
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8 zeigt
in schematischer Darstellung ein Hausinstallationsnetz in einem
Gebäude 9, das an das Versorgungsstromnetz 1 mit
wenigstens zwei der drei hausinternen Leitungen so angeschlossen
ist, dass die Versorgungsenergie 7 in das gebäudeinterne
Stromnetz eingeleitet werden kann. Die Gebäudeinstallation 11 in
dem Gebäude 9 weist wenigstens einen Energieverteiler 55 auf,
der zum Beispiel ein Hauptverteiler 57 sein kann. Alternativ
können auch beliebig viele Unterverteiler 59 angeordnet
werden. Das Kommunikationssystem 49 bildet sich zwischen
einem Sender 51 und einem Empfänger 53 über
die Stromleitungen so aus, dass sich eine Gebäudeleittechnik 13 bilden
lässt. Der Sender 51 kann in dem Energieverteiler 55 angeordnet
werden. Der Empfänger 53 kann einzelnen Sicherheitslichtleuchten 29 vorgeschaltet
werden. Andere Leuchten wie Dauerlichtleuchten 33 sind
mit Schaltkreisen U2 wie Vorschaltgeräten ausgestattet. Über
die Leitungen L', N' gelangt die elektrische Energie von dem Sender 51 zu
den Licht ausstrahlenden Endverbrauchern 25, die geeignete
Empfänger 53 umfassen können. Durch die
Anordnung von einzelnen Empfängern 53 und gewöhnlichen
Vorschaltgeräten U2 lässt sich an ein und dem
gleichen Stromnetz eine Lichtbetriebsanlage im Sinne der einschlägigen
Normen innerhalb einer Gebäudeinstallation 11 realisieren.
Zwei bis drei Leitungen, so wie in 8 dargestellt,
sind ausreichend, ein selektives An- und Ausschalten in Abhängigkeit
eines Zustandes im Energieverteiler 55 für die
Leuchten 29, 33 sicherzustellen. Der Schutzleiter
bzw. der Erdleiter PE, auch alternativ ein geerdeter Leiter P'',
ist als Referenzleitung für die Verarbeitung der einzelnen
Zustandserkennungen im Empfänger 53 an die, vorzugsweise
an alle, Empfänger 53 herangeführt. Gleichzeitig übernimmt
der Erdleiter PE die Aufgabe, einen Schutz für die übrigen
Vorschaltgeräte U2 darzustellen. Wie in 8 zu
sehen ist, können neben den Hauptverteilern 57 auch
beliebig viele Unterverteiler 59 vorhanden sein, die eigene
Phasenleiter L'' und Nullleiter N'' für weitere Verbraucher 17 anbieten.
Wenigstens ein Energieverteiler 55, wie zum Beispiel ein
Unterverteiler 59, bezieht seine Notstromenergie aus einer
Konstantenergiequelle 61, die eine Batterieanlage 63 oder
auch eine Brennstoffzellenanlage 65 sein kann.
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9 zeigt
beispielhaft ein Beleuchtungsmuster, das an einem einzigen Energieversorgungskabel
mit unterschiedlichen Beleuchtungskörpern 21 wie
Lampen 23, lichtausstrahlende Endverbraucher 25,
Leuchtstoffröhren 29, Sicherheitslichtleuchte 29,
Sicherheitsbeleuchtungsmittel 31, Dauerlichtleuchte 33,
Bereitsschaftslichtleuchte 35, Alarmleuchte 37 sowie
Warnleuchte 39 ein- und ausschaltbar ist.
-
Wie
durch die Ausführungsbeispielen gezeigt ist, wird mit wenigen
Schaltungsergänzungen, die zum Beispiel in einem Gehäuse
eines Vorschaltgerätes U2 und in einem Unterverteiler angeordnet
werden können, aus einer regulären Spannungsversorgung
für Beleuchtungskörper eine sehr kompakte und
gleichzeitig zuverlässige Datenübertragung für
eine Gebäudeleittechnik realisiert. Eine Spannungsformveränderung
mit ihren zahlreichen Fehlereinflüssen ist nicht mehr notwendig,
um Sicherheitslichtleuchten zuverlässig betreiben zu können.
Eine Spannungserhöhung oder Spannungserniedrigung mit einhergehender
Alterung der Endstromverbraucher oder einer Verringerung der Lichtausbeute
tritt ebenfalls nicht mehr auf.
-
Obwohl
nur wenige Ausführungsbeispiele offenbart sind, versteht
jeder Fachmann, dass vorliegende Erfindung auch auf Energieverteilungsnetze
anzuwenden ist, die über einen klassischen Beleuchtungsmischbetrieb
hinaus mit weiteren Endstromkreisen aufgebaut sind. Die übertragbare
Schaltinformation kann sowohl Beleuchtungsmittel ein- und ausschalten
als auch deren Intensität und Beleuchtungsstärke
steuern. Das fehlerunanfällige Übertragungsprotokoll,
dass auch in Unterverteilernetzen mit beliebigen Sicherungsautomaten arbeiten
kann, baut eine in einem Empfänger auswertbare Beziehung
zwischen einem geerdeten Leiter, einem Erdleiter oder einem Schutzleiter
auf der einen Seite und einer Leitung für die normale Energieversorgung
auf der anderen Seite auf. Bezugszeichenliste
| Bezugszeichen | Bedeutung | Graphische
Wiedergabe |
| 1 | Versorgungsstromnetz | Fig.
1, Fig. 8 |
| 3 | Versorgungsspannung | Fig.
3, Fig. 4, Fig. 6 |
| 5 | Wechselspannungsversorgung | Fig.
6 |
| 7 | Versorgungsenergie | Fig.
8 |
| 9 | Gebäude | Fig.
8 |
| 11 | Gebäudeinstallation | Fig.
8 |
| 13 | Gebäudeleittechnik | Fig.
8 |
| 15 | Endstromkreis | Fig.
3 |
| 17 | Verbraucher | Fig.
8 |
| 19 | Beleuchtungsmittel | Fig.
3 |
| 21 | Beleuchtungskörper | Fig.
9 |
| 23 | Lampen | Fig.
3, Fig. 9 |
| 25 | Lichtaustrahlende
Endverbraucher | Fig.
8, Fig. 9 |
| 27 | Leuchtstoffröhren | Fig.
3, Fig. 9 |
| 29 | Sicherheitslichtleuchte | Fig.
8, Fig. 9 |
| 31 | Sicherheitsbeleuchtungsmittel | Fig.
9 |
| 33 | Dauerlichtleuchte | Fig.
8, Fig. 9 |
| 35 | Bereitschaftslichtleuchte | Fig.
9 |
| 37 | Alarmleuchte | Fig.
9 |
| 39 | Warnleuchte | Fig.
9 |
| 49 | Kommunkationssystem | Fig.
8 |
| 51 | Sender | Fig.
1, Fig. 4, Fig. 8 |
| 53 | Empfänger | Fig.
2, Fig. 3, Fig. 5, Fig. 8 |
| 55 | Energieverteiler | Fig.
8 |
| 57 | Hauptverteiler | Fig.
8 |
| 59 | Unterverteiler | Fig.
8 |
| 61 | Konstantenergiequelle | Fig.
8 |
| 63 | Batterieanlage | Fig.
8 |
| 65 | Brennstoffzellenanlage | Fig.
8 |
| 67 | Informationsübertragung | Fig.
7 |
| 69 | Informationspaket | Fig.
7 |
| 71 | Prüfsumme | Fig.
7 |
| 73 | Informationspaketende | Fig.
7 |
| 75 | Informationswiederholung | Fig.
7 |
| 77 | Digitale
Datenübertragung | Fig.
7 |
| 79 | Gesetztes
Bit | Fig.
7 |
| 81 | Befehlsfolge | Fig.
7 |
| 101 | Kommunikative
Verbindung | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 |
| 103 | Powerline-Kommunikation | Fig.
4, Fig. 5 |
| 105 | Konstantpotenzial | Fig.
6 |
| 107 | Potenzialverschiebung,
insbesondere periodische Potenzialverschiebung | Fig.
6 |
| 109 | Synchronizität | Fig.
6 |
| 111 | Spannungsamplitude | Fig.
6 |
| 113 | Bedämpfung | Fig.
6 |
| 115 | Spannungsänderung | Fig.
6 |
| L,
L' | Erste
Leitung zur Energieversorgung | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 8 |
| L,
L', L'' | Phasenleiter
bzw. Phasenleitung | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 |
| N,
N' | Zweite
Leitung zur Energieversorgung | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 8 |
| N,
N', N'' | Nullleiter | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 |
| PE | Erdleiter | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 6 |
| PE' | Schutzleiter | Fig.
1, Fig. 4, Fig. 5 |
| PE'' | Geerdeter
Leiter | Fig.
8 |
| GND | Lokales
Nullpotenzial | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 |
| AM | Amplitudenmodulation | Fig.
6, Fig. 7 |
| B1 | Gleichrichter,
insbesondere Brückengleichrichter | Fig.
3 |
| C1 | Kondensator | Fig.
3, Fig. 4, Fig. 5 |
| C2 | Kondensator | Fig.
4, Fig. 5 |
| C3 | Kondensator | Fig.
4, Fig. 5 |
| C30 | Kondensator | Fig.
4, Fig. 5 |
| C31 | Kondensator | Fig.
4, Fig. 5 |
| CX1 | Erste
Entkopplungskapazität | Fig.
2, Fig. 3, Fig. 5 |
| CX2 | Zweite
Entkopplungskapazität | Fig.
2, Fig. 3, Fig. 5 |
| CY1 | Erdleiterkapazität | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4 |
| CY2 | Erdleiterkapazität | Fig.
1, Fig. 4 |
| D1 | Zenerdiode | Fig.
4, Fig. 5 |
| Data_In,
Data_Out | Daten | Fig.
4, Fig. 5 |
| F1 | Sicherung | Fig.
3 |
| fB | Frequenzband | Fig.
7 |
| I | Input-Pin
bzw. Anschluss | Fig.
3 |
| C1 | Integrierter
Schaltkreis, insbesondere zur Powerlinekodierung | Fig.
4, Fig. 5 |
| L1 | Übertrager,
insbesondere induktiver Übertrager, der mehrere Wicklungen
umfasst | Fig.
1, Fig. 4 |
| L2 | Spule
oder erste Wicklung des Übertragers | Fig.
1, Fig. 4 |
| L3 | Spule
oder zweite Wicklung des Übertragers | Fig.
1, Fig. 4 |
| L4 | Spule
oder dritte Wicklung des Übertragers | Fig.
1, Fig. 4 |
| L5 | Filterdrossel | Fig.
3 |
| L6 | Filterdrossel | Fig.
3 |
| M | Ferritkern | Fig.
1, Fig. 4 |
| 0 | Output-Pin
bzw. Ausgang, insbesondere zur Ausgabe eines Schaltsignals | Fig.
3 |
| Q6 | Quartz,
insbesondere als Oszillatorquarz | Fig.
4, Fig. 5 |
| R1 | Messimpedanz,
insbesondere Messwiderstand | Fig.
2, Fig. 3, Fig. 5 |
| R2 | Widerstand,
insbesondere Oszillatorwiderstand | Fig.
4, Fig. 5 |
| R3 | Temperaturabhängiger
Widerstand | Fig.
3 |
| SI | Schaltinformation | Fig.
7 |
| S | Schalten | Fig.
7 |
| t0 | Zeitschaltpunkt | Fig.
6 |
| U | Steuerungseinspeisung
bzw. Spannungsaufprägung, insbesondere induktive | Fig.
1, Fig. 6 |
| U1 | Schaltkreis,
insbesondere als Zustandsfolger | Fig.
3 |
| U2 | Schaltkreis,
insbesondere als Vorschaltgerät | Fig.
3, Fig. 8 |
| Ü | Übertragungsstart | Fig.
7 |
| VCC | Versorgungsspannung,
insbesondere an einzelnen Baugruppen | Fig.
3 |
| X | Steuereingang | Fig.
3 |
| X1-1 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des ersten Anschluss | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 |
| X1-2 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des ersten Anschluss | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 |
| X1-3 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des ersten Anschluss | Fig.
2, Fig. 3, Fig. 5 |
| X1-4 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des ersten Anschluss | Fig.
5 |
| X1-5 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des ersten Anschluss | Fig.
5 |
| X1-6 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des ersten Anschluss | Fig.
5 |
| X2-1 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des zweiten Anschluss | Fig.
1, Fig. 2, Fig. 4 |
| X2-2 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des zweiten Anschluss | Fig.
1, Fig. 4 |
| X2-3 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des zweiten Anschluss | Fig.
1, Fig. 4 |
| X3-1 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des dritten Anschluss | Fig.
1, Fig. 3, Fig. 4 |
| X3-2 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des dritten Anschluss | Fig.
3, Fig. 4 |
| X3-3 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des dritten Anschluss | Fig.
3, Fig. 4 |
| X3-4 | Platinenanschluss,
insbesondere Leitungsanschluss des dritten Anschluss | Fig.
3 |
| Z1 | Erster
Betriebszustand | Fig.
7 |
| Z2 | Zweiter
Betriebszustand | Fig.
7 |
| Z2 | Dritter
Betriebszustand | Fig.
7 |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0939476
D2 [0006]
- - DE 290487562 [0006]
- - DE 2933506 C2 [0006]
- - DE 2947008 A1 [0006]
- - DE 2835549 A1 [0006]
- - EP 1066690 B1 [0006]
- - DE 19725710 A1 [0008]
- - DE 38285271 A1 [0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Betriebsgeräte
und Schaltungen für elektrische Lampen" der Autoren Sturm
und Klein, ISBN 3-8009-1586-3 [0003]
- - DIN VDE 0108 [0005]
- - DIN VDE 0108 [0005]
- - EN 50065-1 [0010]
- - DIN EN 50065-1 [0014]
- - VDE 0808 Teil 1 [0014]