DE102010009990A1

DE102010009990A1 - Elektrisches Gerät mit geringer Leistungsaufnahme im Betriebsbereitschafts-Zustand

Info

Publication number: DE102010009990A1
Application number: DE102010009990A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: EM Microelectronic Marin SA; Minebea Co Ltd
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-09-08

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein elektrisches Gerät, insbesondere einen Fernseher, mit einem Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM) mit sehr geringer Leistungsaufnahme. Dazu weist das Gerät eine Steuereinheit auf, die wesentliche Teilsysteme der Stromversorgungseinrichtung des Geräts über mehrere Schalter ein- oder ausschalten kann. Im Betriebsbereitschafts-Zustand ist lediglich die Steuereinheit über ei.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Gerät, insbesondere Fernseher, mit einer Stromversorgungseinrichtung, die eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung, einen Spannungswandler und Entstörkondensatoren aufweist, mit einer Steuereinheit, die eine eigene Stromversorgung, und einen Signalempfänger aufweist und mit einer Schalteinrichtung, wobei das elektrische Gerät über einen Betriebsbereitschafts-Zustand verfügt, in dem die Steuereinheit den Signalempfänger überwacht und die Schalteinrichtung die primärseitige Stromzufuhr zur Stromversorgungseinrichtung trennt,
Elektrische Geräte, wie beispielsweise Fernseher, DVD-Abspieler, Klimaanlagen und viele andere, sind meist mit einer Fernbedienung ausgestattet, mit der sie bedient und ausgeschaltet werden können. Damit die Geräte auch über die Fernbedienung wieder eingeschaltet werden können, bleiben die Geräte nach dem Ausschalten in einem Betriebsbereitschafts-Zustand (Stand-by).
Dazu muss jedoch zumindest der Empfänger für die Fernbedienungssignale und die dazugehörige Schaltung weiterhin mit Strom versorgt werden. Im Stand der Technik ist die Betriebsbereitschaft meist so realisiert, dass das Gerät die nicht benötigten Schaltungsteile von der Stromversorgung trennt. Dabei bleibt jedoch die Stromversorgungseinrichtung des Geräts mit der Netzspannung verbunden.
Bekannte elektrische Geräte benötigen deshalb im Stand-by wenigstens 100 mW. Meistens ist die Leistungsaufnahme jedoch wesentlich höher und kann in ungünstigen Fällen bis zu einigen Watt betragen. Wird ein solches Gerät 24 h an 365 Tagen im Jahr betrieben, entstehen nicht unerhebliche Strom-Kosten.
Es wurden im Stand der Technik daher viele Versuche unternommen, um die Leistungsaufnahme elektrischer Geräte im Betriebsbereitschafts-Zustand zu reduzieren.
Ein bekanntes System setzt beispielsweise Relais ein, die die primäre Stromversorgung zwischen Netzanschluss und Stromversorgungseinrichtung trennen. Ein solches Gerät kann über die Fernbedienung ausgeschaltet werden. Da die Relais die komplette Stromzufuhr unterbrechen, steht keine Energie für einen Fernbedienungsempfänger mehr zur Verfügung und das Gerät muss manuell durch einen Schalter am Gerät wieder eingeschaltet werden.
Ein anderes bekanntes System trennt die Stromversorgung ebenfalls durch Relais vom Netz. Ein Fernbedienungsempfänger, durch den das Gerät eingeschaltet werden kann, wird durch einen Kondensator (Gold-Cap) mit Strom versorgt, der sich während des normalen Betriebs auflädt. Der Gold-Cap hat jedoch nur eine begrenzte Kapazität, die nicht zur Überbrückung von langen Aus-Perioden ausreicht.
Andere Systeme beziehen Strom für den Signalempfänger aus externen Quellen, beispielsweise aus einem Netzwerkkabel oder einem Signalkabel von einer externen Bildquelle, wie beispielsweise einem Computer oder DVD-Abspieler.
Aus der WO 2010/003785 A2 ist ein elektrisches Gerät bekannt, das einen Betriebsbereitschafts-Zustand mit wesentlich geringerer Leistungsaufnahme hat. Dies wird dadurch erreicht, dass die Stromversorgung auf der Primärseite ausgeschaltet wird und nur ein Signalempfänger und eine Steuereinheit unmittelbar vom Stromnetz mit Strom versorgt werden. Diese Auswerteschaltung schaltet in Abhängigkeit des empfangenen Signals die Stromversorgung ein oder aus. Dieses System ermöglicht die Reduzierung der Leistungsaufnahme im Betriebsbereitschafts-Zustand auf etwa 10 mW. Das beschriebene elektrische Gerät weist jedoch im Betrieb, das heißt im Aktiven Zustand, eine Leistungsaufnahme von weniger als 50 W auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, das aus der WO 2010/003785 A2 bekannte System so zu verändern, dass es auch bei Geräten mit größerer Leistungsaufnahme im Aktiven Zustand einsatzfähig ist und dennoch eine geringe Leistungsaufnahme im Betriebsbereitschafts-Zustand aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Gerät mit den Merkmalen des Anspruch 1 erfüllt.
Das erfindungsgemäße Gerät ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung aufweist, dass die Steuereinheit als separate Schaltung ausgebildet ist und dass die Schalteinrichtung jeweils Schalter zum Ein- oder Ausschalten der Entstörkondensatoren, der Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung und des Spannungswandlers aufweist.
Durch das separate Schalten der einzelnen Komponenten der Stromversorgungseinrichtung wird erzielt, dass alle Verbraucher sicher vom Stromnetz getrennt sind.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Spannungswandler einen Wandlerbaustein mit einer Start-Schaltung auf und die Schalteinrichtung weist jeweils einen Schalter zum Einschalten des Wandlerbausteins und der Start-Schaltung auf. Die Start-Schaltung kann in den Wandlerbaustein integriert oder separat ausgebildet sein.
Die Steuereinheit weist vorzugsweise einen Prozessor zum Abarbeiten eines Betriebsprogramms auf. Durch die Verwendung eines Mikrocontrollers kann die Steuereinheit einfach mit wenigen Bauteilen aufgebaut werden, die eine geringe Leistungsaufnahme haben.
Um dies zu erreichen, ist die Stromversorgung der Steuereinheit unmittelbar mit der Netzspannung verbunden und weist einen kapazitiven Spannungsteiler auf. So entstehen keine zusätzlichen induktiven Wandlerverluste. Aufgrund der nicht vorhandenen galvanischen Trennung der Steuereinheit ist diese als separate Schaltung ausgebildet. Alle Steuerleitungen zu anderen Schaltungsteilen des Fernsehers und der Stromversorgungseinrichtung sind deshalb zweckmäßigerweise durch Optokoppler oder andere Mittel galvanisch von der Steuereinheit getrennt.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Fernsehers,
2 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung im erfindungsgemäßen Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM),
3 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung beim Übergang vom ZPM-Zustand in den aktiven Zustand (AM),
4 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung im AM,
5 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung beim Übergang vom AM zum ZPM und
6 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung beim Verbinden des Geräts mit der Stromversorgung.
Die 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fernsehers 1 an dessen Beispiel die Erfindung näher erläutert wird. Der Fernseher 1 weist im Wesentlichen ein Stromversorgungsgerät 2, eine Steuereinheit 3 und einen Fernsehsystem-Teil 4 auf.
Das Stromversorgungsgerät 2 weist eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (PFC) 5 und Entstörkondensatoren (X-Kondensatoren) 6 auf, die unmittelbar mit der Netzspannung 7 verbunden sind. Der PFC 5 ist ein Spannungswandler 8 nachgeschaltet, der aus der Hochspannung des PFC 5 eine geregelte Zwischen-Spannung Vi von beispielsweise 15 V erzeugt. Der Spannungswandler 8 ist im Beispiel ein Schaltregler mit Pulsbreitensteuerung (PWM-Steuerung), der von einem Wandlerbaustein gesteuert wird. Zum Starten der Pulsbreitensteuerung besitzt der Spannungswandler eine spezielle Start-Schaltung, die beispielsweise in dem Wandlerbaustein integriert sein kann.
Andere Spannungswandler können auch ohne eine solche Start-Schaltung auskommen.
Der Fernsehsystem-Teil 4 wird mit der geregelten Zwischen-Spannung Vi versorgt, die innerhalb des Fernsehsystem-Teils 4 für verschiedene Teil-Systeme weiter reduziert oder aufbereitet werden kann, beispielsweise in einem Hochspannungswandler für eine Kaltkathoden-Hintergrundbeleuchtung.
Weiterhin weist der Fernseher 1 eine erfindungsgemäße Steuereinheit 3 auf, die separat vom Fernsehsystem-Teil 4 und vom Stromversorgungsgerät 2 aufgebaut ist. Die Steuereinheit 3 weist einen Mikroprozessor oder Mikrokontroller 9 auf, der ein Betriebsprogramm abarbeiten kann. Weiterhin weist die Steuereinheit 3 eine eigene Stromversorgungsschaltung 10 auf, die direkt mit der Netzspannung 7 verbunden ist und einen Signalempfänger 11 zum Empfangen der Signale eines Infrarot-Senders 12.
Der Signalempfänger kann jedoch auch zum Empfangen von einem oder mehreren beliebigen anderen Signalen, beispielsweise Funk, wie etwa Bluetooth^®, ausgebildet sein.
Der Fernseher 1 weist einen Betriebsbereitschafts-Zustand (Stand-by) auf, der durch eine geringe Leistungsaufnahme gekennzeichnet ist. Die Kontrolle über den Stand-by erfolgt durch die Steuereinheit 3. Dazu ist die Steuereinheit 3 mit einer Schalteinrichtung verbunden, die mehrere Schalter aufweist. Ein Schalter STRT_OFF liegt zwischen der Netzspannung und der PFC-Schaltung, so dass diese vom Stromnetz getrennt werden kann. Ein weiterer Schalter X-Schalter liegt in der Netzleitung der Entstörkondensatoren 6, so dass auch diese vom Netz getrennt werden können. Ein weiterer Schalter DCDC_ON liegt zwischen der PFC 5 und dem Spannungswandler 8, so dass die Betriebsspannung des Wandler-Bausteins der PWM-Steuerung geschaltet werden kann und ein weiterer Schalter PWM_OUT ermöglicht das Ein- oder Ausschalten der Start-Schaltung des Wandler-Bausteins des Spannungswandlers 8. Da diese Schaltung auch ohne Betriebsspannung der PWM-Steuerung Strom aufnimmt, verringert das Schalten der Start-Schaltung zusätzlich die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems. Ist keine Start-Schaltung vorhanden ist selbstverständlich auch kein solcher Schalter notwendig.
Die vier Schalter sind im Beispiel nicht explizit gezeigt, sondern durch ihre jeweiligen Steuersignale bezeichnet. Die jeweiligen Pfeile deuten die Signalrichtung an. Die Schalter werden demnach durch die Steuereinheit 3 geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebene Anzahl an Schaltern beschränkt.
Solange das elektrische Gerät (Fernseher) im Betriebsbereitschafts-Zustand ist, wird zunächst nur der Prozessor 9 der Steuereinheit 3 mit Strom versorgt, so dass der Stromverbrauch minimal ist. Die Schalter der Schalteinrichtung sind geöffnet, so dass alle wesentlichen Teile der Stromversorgungseinrichtung 2 stromlos sind und keine Leistung aufnehmen.
Die Stromversorgung 10 der Steuereinheit 3 hat einen kapazitiven Spannungsteiler, der so ausgelegt ist, dass gerade ausreichend Strom für den Prozessor 9 zur Verfügung steht. Da im kapazitiven Spannungsteiler keine Wandlerverluste auftreten, ist die Stromaufnahme im Betriebsbereitschafts-Zustand sehr gering.
Der Signalempfänger 11 wird in diesem Betriebszustand nur periodisch eingeschaltet und abgefragt, so dass dieser im Mittel sehr wenig Energie benötigt. Im Beispiel wird der Signalempfänger 11 alle 90 ms für etwa 0,2 ms eingeschaltet.
Dies ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Leistungsaufnahme und dennoch eine fast verzögerungsfreie Reaktion auf ein Signal.
Die 2 zeigt schematisch den Programmlauf des Prozessors 9 der Steuereinheit 3 im Stand-by (ZPM). In jedem Schleifendurchgang wird zunächst überprüft, ob eine Netzspannung 7 anliegt.
Liegt keine Spannung 7 an, dann kann entweder eine kurzzeitige Netzstörung vorliegen oder der Fernseher 1 wurde ausgesteckt. Wurde das Gerät ausgesteckt, darf innerhalb kurzer Zeit keine Spannung mehr an den Steckerkontakten anliegen, um einen Stromschlag zu verhindern. Daher müssen die Eingangskondensatoren 6 schnell entladen werden. Zu diesem Zweck werden die PFC 5 und die Start-Schaltung des Spannungswandlers eingeschaltet, da diese einen hohen Strombedarf haben und eine eventuell vorhandene Restladung in den X-Kondensatoren 6 schnell entladen. Anschließend wird wieder die Netzspannung getestet.
Liegt immer noch keine Netzspannung an, wird die Messung solange wiederholt, bis eine Spannung anliegt oder das Gerät aufgrund von Strommangel ausgeht.
Falls die Messung wieder positiv ausfällt, werden die Start-Schaltung und die PFC-Schaltung 5 wieder ausgeschaltet und das Programm fortgesetzt.
Liegt eine Spannung 7 an, wird der Signalempfänger 11 aktiviert und überprüft, ob ein Signal zum Beenden des Stand-by anliegt. Falls kein Signal empfangen wurde, wird eine Weile gewartet und das Programm von vorne gestartet.
Wurde ein Signal zum Beenden des Stand-by empfangen, wird das Programm zum Übergang vom Stand-by in den Aktiven Modus (AM) gemäß 3 gestartet.
Dabei wird zunächst auf einen Nulldurchgang der Netzspannung gewartet um dann die X-Kondensatoren über einen Schalter (X-Schalter) einzuschalten. Aufgrund der Schaltung im Nulldurchgang entstehen keine Stromspitzen, die ansonsten beim schnellen Anlegen einer hohen Spannung am Kondensator entstehen würden.
Danach wird dem Fernseher über ein Signal auf V_DET signalisiert, dass Spannung anliegt und der PFC-Schaltkreis über den Schalter STRT_OFF eingeschaltet. Danach wird die Stromversorgung des Flybackregler-ICs über den Schalter DCDC_ON eingeschaltet und die Startschaltung des Flybackreglers über Schalter PWM_OUT aktiviert. Mit diesen Schritten ist der Fernseher betriebsbereit und der Stand-by beendet.
Im Aktiven Modus des Fernsehers bleibt die Steuerschaltung aktiv und führt das Programm nach 4 aus. Dabei ist der Signalempfänger 11 dauernd aktiv.
Wieder wird in einer Schleife zunächst geprüft, ob die Netzspannung 7 vorhanden ist. Falls nicht, wird zunächst dem Fernseher das Fehlen der Netzspannung über das Fehlersignal V_DET = 1 signalisiert. Was der Fernseher mit dieser Information macht, ist nicht Gegenstand der Erfindung. Danach wird gegebenenfalls wiederholt überprüft, ob Netzspannung vorhanden ist. Falls nicht, wird der Programmlauf durch mangelnde Stromversorgung von selbst unterbrochen.
Liegt Spannung 7 an, wird am Signalempfänger 11 überprüft, ob ein Signal zum Beginnen des Betriebsbereitschafts-Zustand anliegt. Falls nicht, wird die Schleife wiederholt. Hier ist keine Wartezeit notwendig, da die Steuerschaltung im Vergleich zum laufenden Fernseher verschwindend wenig zusätzliche Leistung benötigt.
Wurde ein Stand-by Signal empfangen, wird das Programm zum Übergang vom Aktiven Zustand in den Betriebsbereitschafts-Zustand gemäß 5 ausgeführt.
Dabei wird zunächst dem Fernsehersystem-Teil 4 über die Fehlersignal-Leitung V_DET = 1 signalisiert, dass keine Spannung mehr anliegt. Das Signal wird somit als Ausschaltsignal benutzt.
Der Fernsehersystem-Teil 4 führt daraufhin sein internes Ausschaltprogramm durch und meldet dessen Ende mit einem Signal PS_OFF zurück, auf das gewartet wird.
Sobald der Fernseher sein Programm beendet hat, kann die Stromversorgung sicher getrennt werden. Dazu wird zunächst die Start-schaltung des Flybackreglers 8 über Schalter PWM_OUT gestoppt und die Stromversorgung des Flybackreglers 8 über Schalter DCDC_ON getrennt. Nach einer kurzen Wartezeit wird die PFC-Schaltung über Schalter STRT_OFF primärseitig vom Netz getrennt. In einem Nulldurchgang der Netzspannung werden schließlich die Entstörkondensatoren über einen Schalter (X-Schalter) vom Netz getrennt. Somit befindet sich der Fernseher wieder im Betriebsbereitschafts-Zustand ZPM und führt das Programm gemäß 2 aus. Die Leistungsaufnahme in diesem Zustand beträgt etwa 5 mW.
Nach dem Verbinden des Fernsehers mit der Netzspannung 7 oder nach einem kurzzeitigen Spannungsverlust in einem der beschriebenen Betriebsprogramme wird jeweils das Programm gemäß 6 gestartet. Dabei werden zuerst alle Systeme zurückgesetzt und geprüft ob Spannung anliegt. Falls nicht, geht das System in das Programm des Betriebsbereitschafts-Zustand gemäß 2.
Falls Spannung vorhanden ist, werden die Programmschritte wie zum Übergang vom Stand-by in den Aktiven Zustand ausgeführt, das heißt die Systeme werden in der bekannten Reihenfolge eingeschaltet. Danach wird ein gespeichertes Signal PS_OFF ausgewertet, das angibt, ob der Fernseher vor dem Spannungsverlust aus- oder eingeschaltet war.
War er eingeschaltet, werden sämtliche Schaltungsteile eingeschaltet und der Prozessor geht in das Programm für den Aktiven Zustand gemäß 4 über.
Falls der Fernseher ausgeschaltet war, wird das Programm zum Übergang in den Betriebsbereitschafts-Zustand gemäß 5 ausgeführt.
Je nach Anwendung kann es jedoch auch sinnvoll sein, dass der vorherige Zustand des Geräts unbeachtet bleibt und immer in den Aktiven Zustand oder den Betriebsbereitschafts-Zustand übergegangen wird. Dies kann auch durch den Benutzer konfigurierbar sein.
Bezugszeichenliste

1: Fernseher
2: Stromversorgungseinrichtung
3: Steuereinheit
4: Fersehsystem-Teil
5: PFC-Schaltung
6: Entstörkondensatoren
7: Netzspannung
8: Spannungswandler
9: Mikroprozessor
10: Spannungsversorgung
11: Signalempfänger
12: Infrarot-Sender
Vi: Zwischenspannung
STRT_OFF: Schaltsignal für PFC-Schaltung
X-Schalter: Schaltsignal für Entstörkondensatoren
PWM_OUT: Schaltsignal für Start-Schaltung
DCDC_ON: Schaltsignal für Spannungswandler
V_DET: Spannungsfehler-Signal
PS_OFF: Fernseher aus Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/003785 A2 [0009, 0010]

Claims

Elektrisches Gerät, insbesondere Fernseher, mit einer Stromversorgungseinrichtung (2), die einen Spannungswandler (8) und Entstörkondensatoren (6) aufweist, mit einer Steuereinheit (3), die eine eigene Stromversorgung (10), und einen Signalempfänger (11) aufweist und mit einer Schalteinrichtung, wobei das elektrische Gerät (1) über einen Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM) verfügt, in dem die Steuereinheit (3) den Signalempfänger (11) überwacht und die Schalteinrichtung die Stromzufuhr zur Stromversorgungseinrichtung (2) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung (2) eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (5) aufweist, dass die Steuereinheit (3) als separate Schaltung ausgebildet ist und dass die Schalteinrichtung jeweils Schalter zum Ein- oder Ausschalten der Entstörkondensatoren (6), der Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (5) und des Spannungswandlers (8) aufweist.
Elektrisches Gerät nach dem vorangehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (8) einen Wandlerbaustein mit einer Start-Schaltung aufweist und dass die Schalteinrichtung jeweils einen Schalter zum Schalten der Betriebsspannung (DCDC_ON) des Wandlerbausteins und der Start-Schaltung (PWM_OUT) aufweist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) einen Prozessor (9) zum Abarbeiten eines Betriebsprogramms aufweist
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (10) der Steuereinheit (3) unmittelbar mit der Netzspannung (7) verbunden ist und einen kapazitiven Spannungsteiler aufweist.
Verfahren zur Steuerung des Betriebsbereitschafts-Zustands (ZPM) eines elektrischen Geräts nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Übergang vom Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM) in den Aktiven Zustand (AM) des elektrischen Geräts (1) zunächst auf einen Nulldurchgang der Netzspannung (7) gewartet wird, um möglichst zeitnah zum Nulldurchgang die Entstörkondensatoren (6) mit der Netzspannung (7) zu verbinden, danach wird die PFC-Schaltung (5) mit der Netzspannung (7) verbunden, der Wandlerbaustein des Spannungswandlers (8) mit Strom versorgt und schließlich wird die Start-Schaltung eingeschaltet, bevor die Programmsteuerung in das Programm des Aktiven Modus (AM) wechselt.
Verfahren nach Anspruch 5, dass als letzter Verfahrensschritt eine Pause den weiteren Programmablauf unterbricht.
Verfahren zur Steuerung des Betriebsbereitschafts-Zustands eines elektrischen Geräts nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Übergang vom Aktiven Zustand (AM) in den Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM) die Programmschritte des Anspruchs 5 in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden.