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Die Erfindung betrifft einen Elektrizitätszähler mit einer Spannungsversorgungseinrichtung, die aus einem elektrischen Versorgungsnetz gespeist wird und eine Versorgungsspannung für einen internen elektrischen Verbraucher zur Verfügung stellt, und einer Batterie, die über eine Diode mit dem internen elektrischen Verbraucher verbunden ist, sodass der interne elektrische Verbraucher bei Ausfall der Versorgungsspannung aus der Batterie versorgt werden kann.
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Die Batterie macht die Nutzung des Elektrizitätszählers zumindest teilweise unabhängig von der Verfügbarkeit des elektrischen Versorgungsnetzes. Daher können bei Ausfallen des Versorgungsnetzes sowie bei Installations- oder Wartungsarbeiten, bei denen der Elektrizitätszähler von dem Versorgungsnetz getrennt ist, zumindest Teilfunktionen des Elektrizitätszählers genutzt werden. Beispielsweise kann die Batterie ein Ablesen des Elektrizitätszählers oder ein Anpassen einer Konfiguration des Elektrizitätszählers ermöglichen. Bei der bekannten Anordnung erfüllt die Diode eine Doppelfunktion: Zum einen verhindert sie, dass die Batterie bei Verfügbarkeit der Versorgungsspannung einem unzulässigen Ladestrom ausgesetzt ist. Zum anderen verbindet sie die Batterie mit dem internen elektrischen Verbraucher, sodass dessen Versorgung aus der Batterie bei Ausfall der aus dem Versorgungsnetz gewonnenen Versorgungsspannung automatisch über die in Durchlassrichtung betriebene Diode erfolgt.
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Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Elektrizitätszähler mit einer aus dem elektrischen Versorgungsnetz gespeisten Spannungsversorgungseinrichtung und einer Batterie zur Verfügung zu stellen, bei dem die Versorgung des internen Verbrauchers aus der Batterie verbessert und das Leistungsvermögen der Batterie besser ausgeschöpft wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Elektrizitätszähler mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
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Der Elektrizitätszähler dient zum Anschluss an ein elektrisches Versorgungsnetz und hat
- • einen internen elektrischen Verbraucher,
- • eine Spannungsversorgungseinrichtung, die aus dem elektrischen Versorgungsnetz gespeist wird und an einem Ausgang, der mit dem internen elektrischen Verbraucher verbunden ist, eine Versorgungsspannung zur Verfügung stellt,
- • eine Batterie, die über eine Diode mit dem internen elektrischen Verbraucher verbunden ist, sodass der interne elektrische Verbraucher bei Ausfall der Versorgungsspannung aus der Batterie versorgt werden kann,
- • einen ersten elektronischen Schalter, der in einer Geschlossenstellung die Diode überbrückt, und
- • eine Detektionseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Ausfall der Versorgungsspannung zu detektieren und den ersten elektronischen Schalter zu schließen.
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Der interne elektrische Verbraucher kann beispielsweise ein Hauptprozessor, eine elektronische Anzeige, eine optische oder funkbasierte Kommunikationsschnittstelle oder ein sonstiges Element des Elektrizitätszählers sein, für dessen Betrieb elektrische Energie benötigt wird. Um diese elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, hat der Elektrizitätszähler eine Spannungsversorgungseinrichtung, die aus dem elektrischen Versorgungsnetz gespeist wird. Während des Messbetriebs des Elektrizitätszählers, bei dem die von einem externen Verbraucher, beispielsweise von einem Haushalt, dem Versorgungsnetz entnommene elektrische Energie gemessen wird, wird der interne elektrische Verbraucher des Elektrizitätszählers in der Regel über diese Spannungsversorgungseinrichtung versorgt.
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Die Batterie weist bevorzugt eine geringe Selbstentladung auf, sodass sie im Falle von Ausfallen der Versorgungsspannung auch mehrere Jahre nach ihrer Installation noch die gewünschte Versorgung des internen elektrischen Verbrauchers sicherstellen kann. Zum Beispiel kann es sich um eine nicht wiederaufladbare Batterie handeln, insbesondere um eine Lithiumbatterie.
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Die Diode kann eine herkömmliche Diode sein, insbesondere eine Halbleiterdiode, insbesondere eine Siliziumdiode.
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Der erste elektronische Schalter ist ein elektronisches Bauelement, das die Funktion eines Schalters mit Hilfe von Halbleitertechnik erreicht. Derartige elektronische Schalter werden auch als Analogschalter oder Halbleiterschalter bezeichnet. Der erste elektronische Schalter weist zwei Kontakte auf, die in der Geschlossenstellung des elektronischen Schalters elektrisch leitend miteinander verbunden sind, insbesondere mit einem Durchlasswiderstand von weniger als 100 Ω, bevorzugt von weniger als 5 Ω. In einer Offenstellung des elektronischen Schalters sind die beiden Kontakte elektrisch voneinander isoliert, bevorzugt mit einem Sperrwiderstand von beispielsweise 100 kΩ, 1 MΩ oder mehr. Die Strombelastbarkeit des ersten elektronischen Schalters kann beispielsweise 1 mA oder mehr betragen, bevorzugt 10 mA oder mehr.
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In einer Geschlossenstellung überbrückt der erste elektronische Schalter die Diode. Hierzu kann ein erster Kontakt des elektronischen Schalters mit einer Anode der Diode und ein zweiter Kontakt des elektronischen Schalters mit der Kathode der Diode verbunden sein.
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Die Detektionseinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Ausfall der Versorgungsspannung zu detektieren. Dies kann durch eine unmittelbare Überwachung der Versorgungsspannung erfolgen, aber auch durch Detektieren eines Ausfalls des elektrischen Versorgungsnetzes oder einer sonstigen elektrischen Größe, von der die Verfügbarkeit der Versorgungsspannung am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung abhängig ist. Die Detektionseinrichtung ist außerdem dazu ausgebildet, den ersten elektronischen Schalter zu schließen. Hierzu kann sie insbesondere über eine Steuerleitung mit einem Steuereingang des ersten elektronischen Schalters verbunden sein und bei Ausfall der Versorgungsspannung ein entsprechendes Steuersignal zur Verfügung stellen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Versorgung des internen elektrischen Verbrauchers bei Ausfall der Versorgungsspannung aus der Batterie ausschließlich über die Diode wegen des unvermeidbaren Spannungsabfalls an der in Durchlassrichtung betriebenen Diode schwerwiegende Nachteile mit sich bringt. Dieser Spannungsabfall hängt vom Typ der Diode und der Höhe des Durchlassstroms ab. Bei Siliziumdioden liegt er in der Regel in einem Bereich von etwa 0,3 V bis 0,7 V. Die zur Versorgung der internen elektrischen Verbraucher nutzbare Spannung liegt daher deutlich unterhalb der Batteriespannung. Dies ist aus zwei Gründen ungünstig: Einerseits wird das Leistungsvermögen der Batterie nur zum Teil ausgeschöpft. Da die Batterie einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor darstellt, ist die erforderliche „Überdimensionierung” der Batterie wirtschaftlich nachteilig. Andererseits kann die Batteriespannung nicht einfach höher gewählt werden, um an dem mit dem internen Verbraucher verbundenen Kontakt der Diode ein der Versorgungsspannung der Spannungsversorgungseinrichtung entsprechendes Niveau zu erreichen, weil dann die Batterie über die Diode trotz Verfügbarkeit der Versorgungsspannung entladen werden könnte. Es ist daher mit der eingangs geschilderten, bekannten Lösung nicht möglich, den internen elektrischen Verbraucher aus der Batterie über die Diode mit einer Spannung zu versorgen, deren Niveau dem der Versorgungsspannung aus der Spannungsversorgungseinrichtung entspricht. Interne elektrische Verbraucher, die hohe Anforderungen an die Versorgungsspannung stellen, können daher nicht ohne Weiteres über die Diode aus der Batterie versorgt werden.
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Auch lassen sich die geschilderten Schwierigkeiten nicht ohne Weiteres durch die Verwendung spezieller Dioden ausräumen. Insbesondere die Verwendung einer Schottky-Diode würde zwar einen geringeren Spannungsabfall verursachen, ginge aber insbesondere bei hohen Temperaturen mit einem zu großen Leckstrom einher, welcher die Batterie auf Dauer schädigen könnte.
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Bei der Erfindung werden diese Schwierigkeiten durch ein Überbrücken der Diode mit dem ersten elektronischen Schalter gelöst. Wegen des geringen Durchgangswiderstands des elektronischen Schalters in der Geschlossenstellung verringert sich der Spannungsabfall dadurch annähernd auf null, sodass praktisch die gesamte Batteriespannung zur Versorgung des internen elektrischen Verbrauchers zur Verfügung steht. Der zusätzliche Energieverbrauch des ersten elektronischen Schalters ist demgegenüber zu vernachlässigen. Der erste elektronische Schalter ist nur geschlossen, wenn und solange die Detektionseinrichtung einen Ausfall der Versorgungsspannung erkennt. Anderenfalls verbleibt der erste elektronische Schalter in seiner Offenstellung, sodass die Batterie bei Verfügbarkeit der Versorgungsspannung stets durch die Diode geschützt ist.
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In einer Ausgestaltung verbraucht der interne elektrische Verbraucher einen Strom von 0,5 mA oder mehr und die Batterie weist eine Kapazität von 10 mAh oder mehr auf. Der Strom kann auch mehr als 1 mA, mehr als 5 mA oder mehr als 10 mA betragen und die Kapazität der Batterie mehr als 100 mAh oder mehr als 200 mAh. In jedem Fall ermöglicht die Versorgung des internen elektrischen Verbrauchers aus der Batterie einen zumindest eingeschränkten Betrieb des Elektrizitätszählers. Darin unterscheidet sich die Versorgung aus der Batterie von ggf. zusätzlich vorhandenen, weniger leistungsfähigen Batterien, die lediglich der Aufrechterhaltung eines Speicherzustands, insbesondere eines Zählerstands oder einer Uhrzeit, dienen.
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In einer Ausgestaltung ist der erste elektronische Schalter mit einer Betriebsspannung betreibbar, die um mindestens 0,3 V geringer ist als eine Nennspannung der Batterie. Die erforderliche Betriebsspannung kann auch mindestens 0,5 V oder mindestens 1 V geringer sein als die Nennspannung der Batterie. Bei dem ersten elektronischen Schalter handelt es sich um ein aktives Bauelement, das seine Schaltaufgabe nur bei Versorgung mit einer ausreichenden Betriebsspannung erfüllen kann. Bei dieser Ausgestaltung ist der erste elektronische Schalter so ausgelegt, dass er über die (noch nicht überbrückte) Diode mit einer ausreichenden Betriebsspannung versorgt werden kann, unter Umständen selbst bei schwachem Ladezustand der Batterie. Dies kann auch für die Detektionseinrichtung gelten. Es ist daher möglich, alle für das Detektieren eines Ausfalls der Versorgungsspannung und für das Schließen des ersten elektronischen Schalters erforderlichen Bauelemente über die Diode mit einer ausreichenden Betriebsspannung aus der Batterie zu versorgen.
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In einer Ausgestaltung ist die Kathode der Diode mit dem Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung verbunden. Die Anode der Diode kann mit dem Pluspol der Batterie verbunden sein. In diesem Fall ist die Versorgung des mit dem Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung verbundenen, internen elektrischen Verbrauchers über die Diode aus der Batterie unabhängig vom Zustand des ersten elektronischen Schalters sichergestellt und bei einem Ausfall der Versorgungsspannung sofort verfügbar.
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In einer Ausgestaltung weist der interne elektrische Verbraucher einen Hauptprozessor auf, der zum Erfassen von Spannungen und Strömen des elektrischen Versorgungsnetzes, zum Berechnen von Verbrauchswerten, zum Erkennen einer Manipulation eines Gehäuses des Elektrizitätszählers, zur Ansteuerung einer elektronischen Anzeige des Elektrizitätszählers und/oder zur Ansteuerung einer optischen Kommunikationsschnittstelle des Elektrizitätszählers ausgebildet ist. In diesem Fall ist durch die Erfindung eine Versorgung des Hauptprozessors aus der Batterie und über den geschlossenen ersten elektronischen Schalter vorgesehen, sodass insbesondere die genannten Funktionen auch bei einem Ausfall der Versorgungsspannung verfügbar sind.
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In einer Ausgestaltung weist der Elektrizitätszähler eine elektronische Anzeige auf, die von dem Hauptprozessor mit elektrischer Energie versorgt wird. Grundsätzlich kann die elektronische Anzeige auch unmittelbar über den ersten elektronischen Schalter aus der Batterie versorgt werden. Vorteilhaft an der genannten Ausgestaltung ist jedoch, dass der Hauptprozessor die elektronische Anzeige nur im Bedarfsfall einschalten kann und anderenfalls die Batterie geschont wird.
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In einer Ausgestaltung weist der Elektrizitätszähler einen weiteren internen Verbraucher und einen zweiten elektronischen Schalter auf, der von dem Hauptprozessor ansteuerbar ist und in einer Geschlossenstellung den weiteren internen Verbraucher mit der Batterie und/oder dem Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung verbindet. Der zweite elektronische Schalter kann einen ersten Kontakt aufweisen, der mit dem Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung und/oder mit der Kathode der Diode verbunden ist. Eine Versorgung des weiteren internen elektrischen Verbrauchers ist nur nach dem Schließen des zweiten elektronischen Schalters durch den Hauptprozessor möglich, was eine gezielte Bestromung des weiteren internen elektrischen Verbrauchers ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung weist die Spannungsversorgungseinrichtung ein Netzteil mit einer ersten Ausgangsspannung und eine mit der ersten Ausgangsspannung verbundene Spannungsstabilisierungseinrichtung auf, die die Versorgungsspannung zur Verfügung stellt, wobei die Versorgungsspannung kleiner als die erste Ausgangsspannung und größer als eine Nennspannung der Batterie ist. Das Netzteil kann zur Verbindung mit dem elektrischen Versorgungsnetz vorgesehen sein. Hierzu kann es insbesondere mit Versorgungsnetz-Anschlussklemmen des Elektrizitätszählers verbunden sein. Das Netzteil kann einen Transformator aufweisen und/oder eine Schalteinrichtung. Die erste Ausgangsspannung kann beispielsweise 5 V betragen und kann zur Versorgung weiterer Komponenten des Elektrizitätszählers genutzt werden. Die Versorgungsspannung kann beispielsweise 3,3 V betragen und die Nennspannung der Batterie beispielsweise 3,0 V.
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In einer Ausgestaltung ist die Detektionseinrichtung mit der ersten Ausgangsspannung verbunden, um einen Ausfall der Versorgungsspannung zu detektieren. Ist die erste Ausgangsspannung nicht verfügbar, führt dies automatisch zu einem Ausfall der Versorgungsspannung, weil die Spannungsstabilisierungseinrichtung nicht mehr aus der ersten Ausgangsspannung gespeist werden kann. Der Ausfall der Versorgungsspannung kann daher zuverlässig auch mittelbar über den Ausfall der ersten Ausgangsspannung erkannt werden. Wie bereits erwähnt, ist es ebenfalls möglich, mit der Detektionseinrichtung eine fehlende Verfügbarkeit des elektrischen Versorgungsnetzes zu detektieren. Der besondere Vorteil der Verwendung der ersten Ausgangsspannung zum Detektieren des Ausfalls der Versorgungsspannung besteht darin, dass die Versorgungsspannung bei einem Ausfall des elektrischen Versorgungsnetzes zwar ausfällt, am entsprechenden Ausgang wegen der Verbindung mit der Batterie über die Diode gleichwohl ein bestimmtes Spannungsniveau gehalten wird. Die am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung messbare Spannung sinkt daher bei einem Ausfall der Versorgungsspannung unter Umständen nur geringfügig ab, was entsprechend schwierig zu detektieren ist. Das Detektieren eines Ausfalls der ersten Ausgangsspannung ist demgegenüber besonders einfach.
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In einer Ausgestaltung ist die Detektionseinrichtung dazu ausgebildet, bei einem Ausfall der Versorgungsspannung das Potential am Pluspol der Batterie oder an einer Kathode der Diode an einen Steuereingang des ersten elektronischen Schalters anzulegen. Der erste elektronische Schalter wird dadurch geschlossen. Es wird also zum Ansteuern des ersten elektronischen Schalters eine stets verfügbare Spannung herangezogen, was das Schließen des ersten elektronischen Schalters besonders zuverlässig macht.
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In einer Ausgestaltung ist die Spannungsstabilisierungseinrichtung rückspeisungsfest. Bei einem Ausfall der Versorgungsspannung bzw. der ersten Ausgangsspannung wird die Spannungsstabilisierungseinrichtung daher nicht durch einen Strom aus der Batterie beschädigt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt einen Schaltplan mit ausgewählten Elementen eines erfindungsgemäßen Elektrizitätszählers in einer teils vereinfachten Darstellung.
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Der Elektrizitätszähler hat eine Spannungsversorgungseinrichtung 10 mit einem Netzteil 12, das an drei Phasen eines elektrischen Versorgungsnetzes 14 angeschlossen ist. Ein Ausgang 16 des Netzteils 12 stellt eine erste Ausgangsspannung von 5 V zur Verfügung und ist mit einer Spannungsstabilisierungseinrichtung 18 verbunden. Die Spannungsstabilisierungseinrichtung 18 weist einen integrierten Schaltkreis mit einem Ausgang 20 auf, an dem eine Versorgungsspannung von 3,3 V zur Verfügung gestellt wird.
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Diese Versorgungsspannung am Ausgang 20 dient zur Versorgung eines internen elektrischen Verbrauchers, im Beispiel ein Hauptprozessor 22. Der Hauptprozessor 22 weist einen Ausgang 24 auf, über den eine elektronische Anzeige 26 mit einer Versorgungsspannung versorgt wird. Außerdem hat der Hauptprozessor 22 einen Datenausgang 28, über den die elektronische Anzeige 26 angesteuert wird.
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Der Elektrizitätszähler weist eine Batterie 30 auf, die in eine Batteriehalterung 32 eingesetzt ist. Bei der Batterie 30 handelt es sich um eine Lithiumbatterie mit einer Nennspannung von 3 V. Der Pluspol der Batterie 30 ist mit der Anode einer Diode 34 verbunden. Die Kathode der Diode 34 ist mit dem Ausgang 20 und mit dem Hauptprozessor 22 verbunden.
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Ein erster elektronischer Schalter 36 weist einen ersten Kontakt 38 auf, der mit dem Pluspol der Batterie 30 verbunden ist, und einen zweiten Kontakt 40, der mit der Kathode der Diode 34 verbunden ist. In der Geschlossenstellung des ersten elektronischen Schalters 36 überbrückt dieser also die Diode 34.
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Der erste elektronische Schalter 36 wird angesteuert über einen Steuereingang 42, der mit einer Detektionseinrichtung 44 verbunden ist. Die Detektionseinrichtung 44 hat einen Transistor 46, dessen Emitter mit Masse und dessen Kollektor über einen Widerstand 48 mit der Kathode der Diode 34 und dem Ausgang 20 der Spannungsstabilisierungseinrichtung 18 verbunden ist. Die Basis des Transistors 46 ist über einen ersten Widerstand 50 mit Masse, über einen zweiten Widerstand 52 mit der ersten Ausgangsspannung am Ausgang 16 des Netzteils 12 verbunden. Solange an dem nicht mit der Basis des Transistors 46 verbundenen Anschluss des zweiten Widerstands 52 die erste Ausgangsspannung anliegt, ist der Transistor 46 durchgeschaltet und am Steuereingang 42 des ersten elektronischen Schalters liegt annähernd Massepotential an, sodass der erste elektronische Schalter 36 in seiner gezeichneten Offenstellung verbleibt.
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Fällt die Versorgungsspannung und damit die erste Ausgangsspannung am Ausgang 16 des Netzteils 12 aus, sperrt der Transistor 46 und das Potential am nicht mit dem Kollektor des Transistors 46 verbundenen Anschluss des Widerstands 48 liegt über den Widerstand 48 am Steuereingang 42 an. Bei diesem Potential handelt es sich um das an der Kathode der Diode 34 abgegriffene Potential, das bei noch nicht geschlossenem ersten elektronischen Schalter 36 um den an der Diode 34 auftretenden Spannungsabfall geringer ist als die Spannung der Batterie 30. Dieses Potential reicht in jedem Fall aus, um den ersten elektronischen Schalter 36 zu schließen, sodass die Diode 34 überbrückt wird.
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Ein zweiter elektronischer Schalter 54 hat einen Steuereingang 56, der mit einem Steuerausgang 58 des Mikroprozessors 22 verbunden ist, sodass der zweite elektronische Schalter 54 von dem Mikroprozessor 22 geöffnet und geschlossen werden kann. Ein erster Kontakt 60 des zweiten elektronischen Schalters 54 ist mit dem Ausgang 20 der Spannungsstabilisierungseinrichtung 18 und mit der Kathode der Diode 34 verbunden. Ein zweiter Kontakt 62 des zweiten elektronischen Schalters 54 ist mit einem weiteren internen elektrischen Verbraucher 64 verbunden, sodass dieser bei geschlossenem zweiten elektronischen Schalter 54 sowohl aus der Spannungsversorgungseinrichtung 10 als auch aus der Batterie 30 versorgt werden kann.
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Der erste elektronische Schalter 36 und der zweite elektronische Schalter 54 sind Teile eines integrierten Schaltkreises 66, dessen Spannungsversorgungseingang 68 mit der Kathode der Diode 34 und mit dem Ausgang 20 der Spannungsstabilisierungseinrichtung 18 verbunden ist. Die für den Betrieb des integrierten Schaltkreises 66 erforderliche Betriebsspannung ist mindestens um den an der Diode 34 zu erwartenden Spannungsabfall geringer als die Nennspannung der Batterie 30, sodass ein zuverlässiger Betrieb des integrierten Schaltkreises 66 gewährleistet ist.
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Der elektronische Schaltkreis 66 kann beispielsweise vom Typ TS3A4741 des Herstellers Texas Instruments sein.
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Alternativ können der erste elektronische Schalter 36 und der zweite elektronische Schalter 54 aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein.
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Im in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Elektrizitätszähler ein Drehstromzähler. Alternativ kann es sich um einen Wechselstromzähler handeln, der eine Spannungsversorgungseinrichtung mit einem Netzteil aufweist, das an eine Phase und einen Nulleiter des elektrischen Versorgungsnetzes angeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spannungsversorgungseinrichtung
- 12
- Netzteil
- 14
- elektrisches Versorgungsnetz
- 16
- Ausgang des Netzteils
- 18
- Spannungsstabilisierungseinrichtung
- 20
- Ausgang der Spannungsstabilisierungseinrichtung
- 22
- Hauptprozessor
- 24
- Ausgang des Hauptprozessors
- 26
- elektronische Anzeige
- 28
- Datenausgang des Hauptprozessors
- 30
- Batterie
- 32
- Batteriehalterung
- 34
- Diode
- 36
- erster elektronischer Schalter
- 38
- erster Kontakt des ersten elektronischen Schalters
- 40
- zweiter Kontakt des ersten elektronischen Schalters
- 42
- Steuereingang des ersten elektronischen Schalters
- 44
- Detektionseinrichtung
- 46
- Transistor
- 48
- Widerstand
- 50
- erster Widerstand
- 52
- zweiter Widerstand
- 54
- zweiter elektronischer Schalter
- 56
- Steuereingang des zweiten elektronischen Schalters
- 58
- Steuerausgang des Mikroprozessors
- 60
- erster Kontakt des zweiten elektronischen Schalters
- 62
- zweiter Kontakt des zweiten elektronischen Schalters
- 64
- weiterer interner elektrischer Verbraucher
- 66
- integrierter Schaltkreis
- 68
- Spannungsversorgungseingang des integrierten Schaltkreises
