DE102013106808A1

DE102013106808A1 - Schaltungsanordnung zur Inline-Spannungsversorgung

Info

Publication number: DE102013106808A1
Application number: DE102013106808.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Hopf
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31
Also published as: EP2962380A1; EP2962380B1; WO2014206820A1; CN105264733A; US20160099573A1; JP2016525328A; US10199831B2; CN105264733B; JP6348175B2

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung (1) zur Inline-Spannungsversorgung einer im Bereich einer einen Gleichstrom führenden Leitung (15) angeordneten elektrischen oder elektronischen Einrichtung (12) ist eine Parallelschaltung von zwei antiparallel ausgerichteten Dioden (4, 5) in der Leitung (15) angeordnet. Die über den antiparallelen Dioden (4, 5) abfallende Spannung wird von einer Versorgungsteilschaltung (7) abgegriffen. Den antiparallelen Dioden (4, 5) kann ein Halbleiterschalter (6) parallel geschaltet sein, den eine Spannungsabsenkteilschaltung (10) zur Minimierung der Verlustleistung der Schaltungsanordnung (1) ansteuert.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, die zur Inline-Spannungsversorgung einer im Bereich einer einen Gleichstrom führenden Leitung angeordneten elektrischen oder elektronischen Einrichtung geeignet ist.
Unter einer Inline-Spannungsversorgung ist zu verstehen, dass die Schaltungsanordnung elektrische Energie von der den Gleichstrom führenden Leitung abgreift, ohne dabei einen externen Potentialbezug zu nutzen. Bei der elektrischen oder elektronischen Einrichtung kann es sich zum Beispiel um einen Sensor handeln, der im Bereich der den Gleichstrom führenden Leitung einen physikalischen Wert erfasst, wie beispielsweise eine Temperatur, und der insbesondere dazu elektrische Energie benötigt, den physikalischen Wert zu erfassen und an einen entfernten Empfänger zu übermitteln.
Insbesondere soll eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Inline-Spannungsversorgung einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung, die im Bereich der Anschlussleitungen eines Photovoltaikgenerators angeordnet ist, geeignet sein, um beispielsweise mit einem Sensor mindestens einen physikalischen Wert, der den Betriebszustand des Photovoltaikgenerators beschreibt, zu erfassen und an eine Überwachungseinrichtung zu übermitteln.
STAND DER TECHNIK
Zur Inline-Spannungsversorgung einer im Bereich einer einen Gleichstrom führenden Leitung angeordneten elektrischen oder elektronischen Einrichtung ist es grundsätzlich denkbar, in der Leitung ein elektrisches Bauteil anzuordnen, das einen elektrischen Widerstand aufweist. Der von diesem elektrischen Widerstand hervorgerufene Spannungsabfall könnte direkt oder nach Hochsetzen zur Inline-Spannungsversorgung verwendet werden.
Aus der EP 1 884 008 B1 ist eine Schutzschalteinrichtung bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Die Schutzschalteinrichtung ist für ein Solarmodul vorgesehen, bei dem eine Mehrzahl von zum Teil im Normalbetrieb und zur selben Zeit zum Teil im Abschattungsfall arbeitenden Solarzellen in Reihe geschaltet ist. Die Schutzschalteinrichtung ist zur Ausbildung eines Bypasspfads parallel zu der Mehrzahl von Solarzellen anschließbar. Sie weist neben einer bei Solarmodulen an dieser Stelle üblichen Bypassdiode einen der Bypassdiode parallel geschalteten Halbleiterschalter auf, dessen inhärente Freilaufdiode parallel zu der Bypassdiode ausgerichtet ist, d. h. die beiden Dioden weisen gleiche Durchlass- und Sperrrichtungen längs des Bypasspfads auf. Der Halbleiterschalter wird auf Öffnen angesteuert, wenn die parallelen Bypassdioden einen Strom in Durchlassrichtung leiten, um die in der Bypassdiode anfallende Verlustleistung und eine entsprechende Wärmeentwicklung zu reduzieren. Eine Versorgungsschaltung zum Bereitstellen der Steuerspannung für den Halbleiterschalter ist als Ladeschaltung für einen Energiespeicher ausgebildet, die eine Hochsetzung einer im Abschattungsfall zur Verfügung stehenden Spannung über der Bypassdiode in eine zur Ansteuerung des Halbleiterschalters höhere Spannung vornimmt. Die über dem Bypasspfad im Abschattungsfall zur Verfügung stehende Versorgungsspannung soll nicht nur verwendet werden können, um das steuerbare Bypasselement anzusteuern, sondern auch um weitere Schaltungen zu versorgen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit niedriger Verlustleistung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, die kostengünstig bereitstellbar und nicht nur unter besonderen Randbedingungen zur Inline-Spannungsversorgung einer im Bereich einer einen Gleichstrom führenden Leitung angeordneten elektrischen oder elektronischen Einrichtung verwendbar ist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 6 sind auf bevorzugte Ausführungsformen einer solchen Schaltungsanordnung gerichtet. Die Patentansprüche 11 und 12 betreffen Verwendungen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Patentansprüche 13 bis 16 sind auf Vorrichtungen gerichtet, die neben einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine elektrische oder elektronische Einrichtung aufweisen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer in einer Leitung angeordneten Diode, einer die über die Diode abfallende Spannung abgreifenden Versorgungsteilschaltung und einer der Diode parallel geschalteten weiteren Diode sind die Durchlassrichtungen der Diode und der weiteren Diode antiparallel zueinander ausgerichtet.
Die beiden antiparallel ausgerichteten Dioden sorgen dafür, dass die über der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in der den Gleichstrom führenden Leitung abfallende Spannung unabhängig von der Stromflussrichtung des Gleichstroms durch die Leitung klein bleibt. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dazu dienen, einen Verpolungsschutz für Anschlüsse zum Integrieren der Schaltungsanordnung in die den Gleichstrom führende Leitung bereitzustellen. In jedem Fall schützen sich aber die beiden Dioden der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gegenseitig vor größeren Spannungen in ihrer jeweiligen Sperrrichtung. So können für die Schaltungsanordnung Dioden verwendet werden, die nur eine geringe Spannungsfestigkeit aufweisen, auch wenn die einen Gleichstrom führende Leitung einen großen Strom führt, dessen Richtung sich vorübergehend umkehren kann. Beispielsweise kann eine solche Umkehrung der Stromflussrichtung eines Gleichstroms, d. h. ein sogenannter Rückstromfall, bei den Anschlussleitungen eines Photovoltaikgenerators auftreten, wenn dieser im Gegensatz zu anderen parallel geschalteten Photovoltaikgeneratoren abgeschattet ist.
Auch die die über den Dioden abfallende Spannung abgreifende Versorgungsteilschaltung wird durch die antiparallele Anordnung der Dioden vor größeren Spannungen geschützt. Sie kann daher ebenfalls relativ preisgünstig ausgebildet sein. Die Versorgungsteilschaltung ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung immer vorgesehen und hat die Aufgabe, eine andere elektrische oder elektronische Einrichtung mit einer Spannung zu versorgen.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weiterhin einen den Dioden parallel geschalteten Halbleiterschalter auf, der von einer Spannungsabsenkteilschaltung angesteuert wird. Auch dieser Halbleiterschalter wird durch die antiparallele Anordnung der Dioden vor größeren Spannungen geschützt. Er kann daher ebenfalls relativ preisgünstig ausgebildet sein, da er zwar auf den in der Leitung fließenden Gleichstrom, nicht aber gleichzeitig auf eine hohe Spannungsfestigkeit ausgelegt werden muss. Mit diesem Halbleiterschalter kann die über den antiparallelen Dioden abfallende Spannung, die der Durchlassspannung der jeweils in Durchlassrichtung angeordneten Diode entspricht, weiter abgesenkt werden, um die in der in Durchlassrichtung ausgerichteten Diode anfallende Verlustleistung zu reduzieren. Dazu wird er von der Spannungsabsenkteilschaltung angesteuert. Die Spannungsabsenkteilschaltung wird von der Versorgungsteilschaltung versorgt, wobei es sich aber versteht, dass die Spannungsabsenkteilschaltung nicht die einzige von der Versorgungsteilschaltung versorgte elektrische oder elektronische Einrichtung ist.
Die Spannungsabsenkteilschaltung steuert den Halbleiterschalter insbesondere dann auf eine Spannungsabsenkung hin an, wenn die Versorgungsteilschaltung mit einer geringeren über der Diode abfallenden Spannung auskommen würde. Je nach Leistungsbedarf der elektrischen oder elektronischen Einrichtung kann diese Spannung daher durch Ansteuern des Halbleiterschalters durch die Spannungsabsenkteilschaltung sehr klein gehalten werden. Auf diese Weise wird die am Ort der beiden Dioden auftretende Verlustwärme minimiert.
Die Diode oder die weitere Diode der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann eine inhärente Freilaufdiode des Halbleiterschalters sein, die auch als Body-Diode bezeichnet wird. Die Diode und die weitere Diode können aber auch zusätzlich zu dem Halbleiterschalter vorgesehen sein, auch wenn dieser eine Body-Diode aufweist, um beispielsweise die Eigenschaften der Diode und der weiteren Diode in bestimmter Weise vorzugeben. Der Halbleiterschalter kann zum Beispiel ein MOSFET-Halbleiterschalter sein.
In Verbindung mit dem Halbleiterschalter und der ihn ansteuernden Spannungsabsenkteilschaltung mögen zukünftig anstelle der antiparallel verschalteten Dioden auch ein Varistor oder eine Suppressordiode verwendet werden können. Allerdings sind derzeit verfügbare Varistoren und Suppressordioden hier eher ungeeignet beziehungsweise unvorteilhaft, da sie verglichen mit den Durchlassspannungen von Dioden relativ hohe Schwellspannungen bzw. Durchbruchspannungen aufweisen und daher entsprechend höhere Spannungsbelastungen der parallel angeschlossenen Bauteile, wie auch höhere Verlustleistungen nach sich ziehen. So müsste beispielsweise auch der parallel geschaltete Halbleiterschalter auf höhere Spannungswerte ausgelegt werden, was dann auch dieses Bauteil wiederum teurer gestalten würde und in Summe uneffektiv wäre.
Die Versorgungsteilschaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann einen Energiezwischenspeicher für elektrische Energie aufweisen. Dies kann ein Gleichspannungszwischenkreis sein, den ein DC/DC-Wandler der Versorgungsteilschaltung speist. Der DC/DC-Wandler kann insbesondere ein Hochsetzsteller sein, der die über der bzw. den Diode(n) abfallende Spannung in eine benötigte Versorgungsspannung in dem Gleichspannungszwischenkreis hochsetzt. Aus dem Gleichspannungszwischenkreis können sich dann die Spannungsabsenkungsteilschaltung, soweit vorhanden, und in jedem Fall die elektrische oder elektronische Einrichtung mit elektrischer Energie versorgen.
Wenn der DC/DC-Wandler der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung den Gleichspannungszwischenkreis mit einer festen Polarität unabhängig von der Polarität der über den Dioden abfallenden Spannung auflädt, kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit beliebiger Orientierung in der einen Gleichstrom führenden Leitung angeordnet werden, bzw. sie bleibt auch bei Änderung der Stromflussrichtung des Gleichstroms durch die Leitung funktionsfähig.
Die Versorgungsteilschaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann auch andere oder zusätzliche Energiezwischenspeicher aufweisen. So kann zusätzlich zu dem oben beschriebenen Gleichspannungszwischenkreis ein weiterer Energiezwischenspeicher vorgesehen sein, der durch denselben DC/DC-Wandler gespeist wird. Der weitere Energiespeicher kann beispielsweise ein Superkondensator (Doppelschichtkondensator, Pseudokondensator oder Hybridkondensator) oder ein Akkumulator sein. Der weitere Energiezwischenspeicher hat den Vorteil, dass die Versorgung durch die Versorgungsteilschaltung auch bei länger anhaltender Abwesenheit eines Stromflusses durch die einen Gleichstrom führende Leitung anhält. Bei Wiederkehr des Stromflusses kann der weitere Energiezwischenspeicher wieder aufgeladen werden. Zusätzlich oder alternativ zu einem wiederaufladbaren weiteren Energiezwischenspeicher ist es auch möglich, einen nicht aufladbaren weiteren Energiespeicher z. B. in Form einer Batterie einzusetzen. Dieser kann beispielsweise eine Uhr puffern, um gegebenenfalls einen Zeitstempel für Sensordaten zu erzeugen. Bei Verwendung eines nicht wiederaufladbaren weiteren Energiespeichers wird dieser nicht durch den DC/DC-Wandler gespeist und muss bei Entladung getauscht werden.
Die Spannungsabsenkteilschaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann den Halbleiterschalter in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiezwischenspeichers ansteuern. Konkret kann die Spannungsabsenkteilschaltung beispielsweise so ausgelegt sein, dass sie den Halbleiterschalter zumindest teilweise schließt, wenn der Gleichspannungszwischenkreis auf eine vorgegebene Zwischenkreisspannung geladen ist. Diese vorgegebene Zwischenkreisspannung zeigt an, dass ausreichend elektrische Energie in dem Gleichspannungszwischenkreis als Energiezwischenspeicher zur Verfügung steht. Umgekehrt kann die Spannungsabsenkteilschaltung den Halbleiterschalter zumindest teilweise wieder öffnen, wenn der Gleichspannungszwischenkreis auf eine tiefer liegende vorgegebene Zwischenkreisspannung entladen ist.
Alternativ kann die Spannungsabsenkteilschaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung den Halbleiterschalter auch derart ansteuern, dass ein Spannungsabfall über den Dioden unabhängig von einem innerhalb der Leitung fließenden Strom auf einen konstanten Wert unterhalb der Durchlassspannungen der Dioden geregelt wird.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere zur Inline-Spannungsversorgung einer im Bereich einer einen Gleichstrom führenden Leitung angeordneten elektrischen oder elektronischen Einrichtung vorgesehen. Dabei kann die stromführende Leitung insbesondere eine von zwei Anschlussleitungen eines Photovoltaikgenerators sein, durch die ein vergleichsweise großer Strom fließt und durch die auch Rückströme auftreten können.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung und einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Anschlüsse zum Anordnen der Diode der Schaltungsanordnung in einer einen Gleichstrom führenden Leitung auf. Da der Diode die weitere Diode und der Halbleiterschalter parallel geschaltet sind, liegen auch diese dann grundsätzlich in der stromführenden Leitung.
Die elektrische oder elektronische Einrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere mindestens einen Sensor, beispielsweise einen Temperatursensor, einen Sensor zur Erfassung der Lichtintensität (Lichtsensor), einen Sensor zur Bestimmung der Windstärke oder ähnliches aufweisen. Sie wird dann auch als Sensor-Box bezeichnet.
Weiterhin kann die elektrische oder elektronische Einrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen, über die sie mit einer entfernt angeordneten Einrichtung, beispielsweise einer Auswerteeinrichtung für mit dem oder den Sensor(en) erfasste Messwerte, kommuniziert.
Die Kommunikationsschnittstelle kann zum Beispiel einen Übertrager zur Powerline-Kommunikation über die einen Gleichstrom führende Leitung aufweisen, dessen eine Wicklung zwischen den Anschlüssen mit der Diode in Reihe geschaltet ist. Die eine Wicklung des Übertragers ist damit auch mit der weiteren Diode und dem Halbleiterschalter in Reihe geschaltet, die parallel zu der Diode angeordnet sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere der dargestellten relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung; und
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einer Verwendung bei einer Photovoltaikanlage.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung 1 weist zwei Anschlüsse 2 und 3 zum Anordnen der Schaltungsanordnung 1 in einer einen Gleichstrom führenden Leitung auf. Zwischen den Anschlüssen 2 und 3 sind eine Diode 4, eine weitere Diode 5, ein Halbleiterschalter 6 und ein Eingang einer Versorgungsteilschaltung 7 parallel geschaltet. Die Durchlassrichtungen der Dioden 4 und 5 zwischen den Anschlüssen 2 und 3 sind einander entgegengerichtet. Diese Anordnung wird hier auch als antiparallel bezeichnet. Die antiparallelen Dioden 4 und 5 lassen bei einem zwischen den Anschlüssen 2 und 3 fließenden Gleichstrom, unabhängig von dessen Stromflussrichtung, eine kleine Spannung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 abfallen, die der Durchlassspannung der jeweils in Durchlassrichtung ausgerichteten Diode 4 oder 5 entspricht. Diese Spannung wird von der Versorgungsteilschaltung 7 abgegriffen, um daraus eine Versorgungsspannung zwischen zwei Ausgangsanschlüssen 8 und 9 zu erzeugen. Die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 8 und 9 ist regelmäßig höher als die zwischen den Anschlüssen 2 und 3 abfallende Spannung. Darüber hinaus weist die Versorgungsteilschaltung 7 in der Regel einen (hier nicht dargestellten) Energiezwischenspeicher auf. Wenn dieser Energiezwischenspeicher aufgeladen ist, wird die zwischen den Anschlüssen 2 und 3 abfallende Spannung nicht mehr benötigt, und, wenn sie beibehalten würde, würde sie entsprechend zu einer unnötigen Verlustleistung der Schaltungsanordnung 1 führen. Um diese Verlustleistung zu verringern, ist der Halbleiterschalter 6 vorgesehen, der hier als MOSFET ausgebildet ist. Dem Halbleiterschalter 6 ist eine Spannungsabsenkteilschaltung 10 zugeordnet, die von der Versorgungsteilschaltung 7 versorgt wird und die den Halbleiterschalter 6 dann zumindest teilweise schließt, wenn der Energiezwischenspeicher der Versorgungsteilschaltung 7 ausreichend geladen ist. Entsprechend öffnet die Spannungsabsenkteilschaltung 10 den Halbleiterschalter 6 zumindest teilweise wieder, wenn der Ladezustand des Energiezwischenspeichers der Versorgungsteilschaltung 7 unter ein gewisses Mindestmaß gesunken ist. In 1 sind daher zwei Verbindungen zwischen der Spannungsabsenkteilschaltung 10 und der Versorgungsteilschaltung 7 durch unterschiedliche Pfeile angedeutet, die für die Versorgung und die Information über den Ladezustand des Energiezwischenspeichers vorgesehen sind. Der zumindest teilweise geschlossene Halbleiterschalter 6 stellt einen Bypasspfad zu den antiparallelen Dioden 4 und 5 bereit, über den der Strom zwischen den Anschlüssen 2 und 3 mit geringerem Widerstand und entsprechend geringerer Verlustleistung fließen kann. Die antiparallelen Dioden 4 und 5 schützen den Halbleiterschalter 6, aber auch sich selbst, vor größeren Spannungen zwischen den Anschlüssen 2 und 3. Um zu gewährleisten, dass ein großer Strom zwischen den Anschlüssen 2 und 3 fließen kann, ist es ausreichend, sämtliche Halbleiterbauelemente 4 bis 6 ganz für diesen großen Strom auszulegen. Sie müssen jedoch nicht gleichzeitig auch für größere Spannung in Sperrrichtung ausgelegt werden, da große Spannungen aufgrund der antiparallelen Verschaltung der Dioden nicht auftreten können. Für die Versorgungsteilschaltung 7 gilt, dass eingangsseitig nie mehr als die Durchlassspannung der Dioden 4 und 5 anliegt. Entsprechend kann die gesamte Schaltungsanordnung 1 aus Halbleiterbausteinen aufgebaut sein, die lediglich eine geringe Spannungsklasse aufweisen und demzufolge entsprechend preisgünstig verfügbar sind.
2 zeigt eine Vorrichtung 11 mit einer Schaltungsanordnung 1 und einer elektronischen Einrichtung 12, die von der Schaltungsanordnung 1 mit Spannung, d. h. elektrischer Energie, versorgt wird. Die Vorrichtung 11 ist über Anschlüsse 13 und 14 in einer einen Gleichstrom führenden Leitung 15 angeordnet. Bei der Leitung 15 handelt es sich um eine von zwei Anschlussleitungen 15 und 16 eines Photovoltaikgenerators 17 mit mehreren in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen 18. Über die Anschlussleitungen 15 und 16 ist der Photovoltaikgenerator 17 an einen Wechselrichter 19 angeschlossen. Der Wechselrichter 19 weist einen DC/AC-Wandler 20 auf, mit dem elektrische Energie von dem Photovoltaikgenerator 17 in ein Wechselstromnetz 21 eingespeist wird. Der Wechselrichter 19 umfasst eine Kommunikationsschnittstelle 23 zur Powerline-Kommunikation (PLC) mit der Vorrichtung 11, spezieller mit dessen elektronischer Einrichtung 12. Die elektronische Einrichtung 12 weist eine der Kommunikationsschnittstelle 23 entsprechende Kommunikationsschnittstelle 24 auf. Die Kommunikationsschnittstelle 24 umfasst einen Übertrager 25, dessen eine Wicklung 26 zwischen den Anschlüssen 13 und 14 mit der Schaltungsanordnung 1 in Reihe geschaltet ist. Genauer gesagt ist die Wicklung 26 mit einer Kapazität 27 in Reihe geschaltet, diese Reihenschaltung ist mit einer Induktivität 28 parallel geschaltet, und diese Parallelschaltung ist wiederum mit der Schaltungsanordnung 1 zwischen den Anschlüssen 13 und 14 in Reihe geschaltet. Diese Verschaltungsart gewährleistet einen Pfad für die hochfrequenten PLC-Signale über die Induktivität 26 und die Kapazität 27 und einen weiteren Pfad für den Gleichstrom über die Induktivität 28. Damit wird die ursprüngliche Gleichstromleitung quasi in einen HF-Pfad und einen Gleichstrompfad aufgespalten. Auf diese Weise lässt sich der Übertrager 25 klein und kostengünstig auslegen. Optional kann eine weitere Kapazität parallel zu der Induktivität 28 angeordnet werden. Diese wirkt dann zusammen mit der Induktivität 28 als Bandsperre, die für Signale mit der Frequenz der PLC ausgelegt werden kann, damit diese gezielt umgeleitet werden. Man kann die Kommunikationsschnittstelle 24 auch ohne den Übertrager 35 aufbauen, wobei das PLC Signal dann direkt über die Kapazität 27 abgegriffen bzw. angelegt wird.
Die Kommunikationsschnittstelle 24 wird von der Versorgungsteilschaltung 7 mit elektrischer Energie versorgt, was hier nur durch einen Pfeil angedeutet ist. Zur wechselseitigen Kommunikation ist die Kommunikationsschnittstelle 24 an einen Mikroprozessor 29 angeschlossen, der wiederum Messwerte 22 von einem Sensor 30 erhält. Auch der Mikroprozessor 29 und der Sensor 30 werden von der Versorgungsteilschaltung 7 mit elektrischer Energie versorgt. Der Mikroprozessor 29 verarbeitet die Messwerte 22 des Sensors 30 und übermittelt sie über die Kommunikationsschnittstelle 24, die Leitung 15 und die Kommunikationsschnittstelle 23 an den Wechselrichter 19. Die dargestellten Kommunikationsschnittstelle 24 in Form einer Powerline-Kommunikationseinheit, der nicht näher bezeichnete Sensor 30, sowie der Mikroprozessor 29 sind lediglich Beispiele elektronischer Einrichtungen 12, die über die Versorgungsteilschaltung 7 mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei diese elektrische Energie dem in der Leitung 15 fließenden Gleichstrom entnommen wird. Alternativ und/oder kumulativ können auch andere elektronische Einrichtungen 12 als die dargestellten von der Versorgungsteilschaltung 7 versorgt werden. Beispielsweise ist alternativ zu der dargestellten Kommunikationsschnittelle 24 in Form einer Powerline-Kommunikationseinheit auch eine Kommunikationsschnittstelle 24 denkbar, die Informationen auf Basis einer Funkübertragung übermittelt. Bei der Spannungsabsenkteilschaltung 10 ist in 2 angedeutet, dass auch diese die über den antiparallelen Dioden 4 und 5 abfallende Spannung direkt abgreift, um sie durch Ansteuerung des Halbleiterschalters 6 in Abhängigkeit von dem Ladezustand des Energiezwischenspeichers der Energieversorgungsteilschaltung 7 oder auch unabhängig davon auf einen bestimmten Wert unterhalb der Durchlassspannung der jeweils in Durchlassrichtung ausgerichteten Diode einzuregeln. Zur Absenkung der Durchlassspannung kann der Halbleiterschalter 6 beispielsweise auf einen zeitlich konstanten Spannungsabfall hin geregelt werden, der kleiner ist als die Durchlassspannung der in Durchlassrichtung ausgerichteten Diode. Der konstante Spannungsabfall kann so gewählt werden, dass dennoch weiterhin ein ausreichender Energiefluss in den Energiezwischenspeicher möglich ist. Desweiteren ist es möglich, dass der Halbleiterschalter 6 bei ausreichend vorhandener Energie in dem Energiezwischenspeichers zumindest zeitweise voll durchgeschaltet wird, um die Verlustleistung über den Dioden zumindest zeitweise auf einen Minimalwert hin abzusenken. Während der Zeitdauer, in der der Halbleiterschalter 6 voll durchgeschaltet ist, ist es nicht möglich, den Energiezwischenspeicher nachzuladen. Infolge der aus dem Energiezwischenspeicher abfließenden elektrischen Leistung, die zur Versorgung der elektronischen Einrichtungen 12 erforderlich ist, entlädt sich der Energiezwischenspeicher in dem Zeitraum des voll durchgeschalteten Halbleiterschalters 6. Auf diese Weise ergibt sich ein schwankender Ladezustand des Energiezwischenspeichers. Der Halbleiterschalter 6 kann auch in geregelter Form derart angesteuert werden, dass als Eingangsgröße für die Regelung der Ladezustand des Energiezwischenspeichers herangezogen wird und dieser somit auf einem vorgegebenen Level gehalten wird. Dieser vorgegebene Level kann ein zeitlich konstanter Wert sein, er kann jedoch auch aus einem Wertepaar in Form einer unteren und oberen Toleranzgrenze bestehen. In letzterem Fall schwankt der Istwert des Ladezustandes des Energiezwischenspeichers zwischen dem oberen und unteren Toleranzwert. Bezüglich des Halbleiterschalters 6 ist in 2 angedeutet, dass die weitere Diode 5 als dessen inhärente Freilaufdiode oder Body-Diode ausgebildet ist. Dabei ist die Diode 4 in der üblichen Stromflussrichtung des Gleichstroms durch die Leitung 15 ausgerichtet.
Die Vorrichtung 11 kann ohne großen Aufwand an jedem Ort längs der Leitung 15 in die Leitung 15 eingebunden werden, insbesondere weiter entfernt von dem Wechselrichter 19, d. h. nahe an dem Photovoltaikgenerator 17. Besonders einfach gestaltet sich eine Montage der Vorrichtung 11, wenn nahe des geplanten Montageortes bereits ein Stecker/Buchse Verbindung vorliegt. Diese kann nämlich einfach aufgetrennt und beidseitig mit der Vorrichtung 11 verbunden werden. Die Vorrichtung 11 versorgt sich inline aus dem durch die Leitung 15 fließenden Strom, d. h. ohne zusätzlichen externen Potentialbezug oder Anschluss an die andere Anschlussleitung 16 des Photovoltaikgenerators 17. Dabei tritt zwar eine Verlustleistung in der jeweils von dem Strom durchflossenen Diode 4, 5 oder von dem Strom durchflossenen Halbleiterschalter 6 auf. Diese Verlustleistung wird jedoch durch Minimierung des Spannungsabfalls über den antiparallelen Dioden 4 und 5 durch entsprechende Ansteuerung des Halbleiterschalters 6 auf das für die Versorgung der elektronischen Einrichtung 12 notwendige Maß begrenzt.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Anschluss
3: Anschluss
4: Diode
5: Diode
6: Halbleiterschalter
7: Versorgungsteilschaltung
8: Ausgangsanschluss
9: Ausgangsanschluss
10: Spannungsabsenkteilschaltung
11: Vorrichtung
12: elektronische Einrichtung
13: Anschluss
14: Anschluss
15: Leitung
16: Anschlussleitung
17: Photovoltaikgenerator
18: Photovoltaikmodul
19: Wechselrichter
20: DC/AC-Wandler
21: Wechselstromnetz
22: Messwert
23: Kommunikationsschnittstelle
24: Kommunikationsschnittstelle
25: Übertrager
26: Wicklung
27: Kapazität
28: Induktivität
29: Mikroprozessor
30: Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1884008 B1 [0005]

Claims

Schaltungsanordnung (1), mit – einer in einer Leitung (15) angeordneten Diode (4), – einer die über der Diode (4) abfallende Spannung abgreifenden Versorgungsteilschaltung (7), – einer der Diode (4) parallel geschalteten weiteren Diode (5), dadurch gekennzeichnet, – dass Durchlassrichtungen der Diode (4) und der weiteren Diode (5) antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Dioden (4, 5) ein Halbleiterschalter (6) parallel geschaltet ist, der von einer Spannungsabsenkteilschaltung (10) der Schaltungsanordnung (1) angesteuert wird.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (4) oder die weitere Diode (5) eine inhärente Freilaufdiode des Halbleiterschalters (6) ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsteilschaltung (7) einen Energiezwischenspeicher aufweist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsteilschaltung (7) einen Gleichspannungszwischenkreis als Energiezwischenspeicher und einen den Gleichspannungszwischenkreis speisenden DC/DC-Wandler aufweist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler ein Hochsetzsteller ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler den Gleichspannungszwischenkreis mit einer festen Polarität auflädt.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsteilschaltung (7) einen Superkondensator oder einen Akkumulator als Energiezwischenspeicher aufweist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3 und einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsabsenkteilschaltung (10) den Halbleiterschalter (6) in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiezwischenspeichers ansteuert.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3 oder einem der davon abhängigen Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsabsenkteilschaltung (10) den Halbleiterschalter (6) derart ansteuert, dass ein Spannungsabfall über den Dioden (4, 5) unabhängig von einem innerhalb der Leitung (15) fließenden Strom auf einen konstanten Wert geregelt wird.
Verwendung einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Inline-Spannungsversorgung einer im Bereich einer einen Gleichstrom führenden Leitung (15) angeordneten elektrischen oder elektronischen Einrichtung (12).
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Gleichstrom führende Leitung (15) eine von zwei Anschlussleitungen (15, 16) eines Photovoltaikgenerators (17) ist.
Vorrichtung (11) mit einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung (12) und einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Anschlüsse (13, 14) zum Anordnen der Diode (4) der Schaltungsanordnung (1) in einer einen Gleichstrom führenden Leitung (15) vorgesehen sind.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische oder elektronische Einrichtung (12) mindestens einen Sensor (30) aufweist.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische oder elektronische Einrichtung (12) eine Kommunikationsschnittstelle (24) aufweist.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsschnittstelle (24) einen Übertrager (25) zur Powerline-Kommunikation über die einen Gleichstrom führende Leitung (15) aufweist, dessen eine Wicklung (26) zwischen den Anschlüssen (13, 14) mit der Diode (4) in Reihe geschaltet ist.