-
Die Erfindung betrifft einen Laderegler gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Der Laderegler dient insbesondere zur Stromversorgung eines aus einem 2-Leiter-Bus versorgten und gesteuerten Busteilnehmers mit einem sicherheitsrelevanten Aktuators. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Busteilnehmer zur Steuerung einer Brandschutzeinrichtung in Form einer Entrauchungsklappe (Kombiklappe), die im Brandfall auch bei Ausfall der Stromversorgung eine bestimmte Stellung anfahren muss. Solche Busteilnehmer, auch Slaves genannt, werden von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Das bevorzugte Bussystem wird als Aktuator-Sensor-Interface, AS-Interface oder AS-i-Bus bezeichnet. Die Erfindung ist jedoch auch für alle von einem 2-Leiter-Bus (Zweidraht-Bus) mit Energie versorgten Busteilnehmer geeignet. Als Energiespeicher für den Stromausfall wurden in der Vergangenheit Batterien oder Akkumulatoren im Busteilnehmer eingesetzt. Nachteilig waren der Wartungsaufwand bzw. die hohe Anschaffungskosten. Seit der Entwicklung der Doppelschichtkondensatoren, auch Gold Caps oder Ultracaps genannt, stehen preiswerte und wartungsfreie Energiequellen mit ausreichender Kapazität zur Verfügung, die auch bei den Busteilnehmern eingesetzt werden. Da die Stromaufnahme aus einem 2-Leiter-Bus begrenzt ist, benötigt der mit einem Ultrakondensator ausgerüstete Busteilnehmer eine vergleichsweise lange Aufladezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft.
-
Die
EP2020073B1 zeigt einen Sicherheitsantrieb für eine Klappe oder ein Ventil. Bei Stromausfall fährt die Klappe bzw. das Ventil in eine bestimmte Sicherheitsposition. Als Energiequelle dienen kapazitive Energiespeicher (Supercaps). Wegen deren konstruktiv bedingter niedriger Nennspannung von ca. 2,5 Volt wird die Versorgungsspannung mit einem Energiewandler auf diese Spannung transformiert und bei Entladung der Supercaps wieder auf die höhere Betriebsspannung des Elektromotors transformiert. Diese Transformationen erfolgen mit einem von einem Mikrocontroller gesteuerten DC/DC-Wandler, der zwischen einem die Eingangsspannung erniedrigenden Step-down-Modus und einem die Eingangsspannung erhöhenden Step-up-Modus umschaltbar ist. Sofern der Sicherheitsantrieb aus dem Netz mit 230 Volt oder einer entsprechend niederohmigen Spannungsquelle versorgt wird, hängt die Ladezeit der in Reihen- und/oder Parallelschaltung kombinierbaren Kondensatoren praktisch nur von der Dimensionierung des DC/DC-Wandlers ab.
-
Bei Versorgung aus einem 2-Leiter Bus sind der Stromentnahme durch die einzelnen Busteilnehmer enge Grenzen gesetzt. Bei dem oben genannten AS-i-Bus stehen typischerweise Netzteile mit Ausgangsströmen zwischen 2,8 und 8 A zur Verfügung. Damit ist die maximale Stromaufnahme auf 100 mA bis 250 mA pro Slave begrenzt, weil bis zu 32 Busteilnehmer von einem Netzteil zu versorgen sind. Da die am AS-i-Slave eingestellte maximale Stromaufnahme keinesfalls überschritten werden darf, führen die bekannten Anordnungen zu unbefriedigend langen Ladezeiten. Immerhin dauert die Aufladung einer Kapazität von 60 Farad auf 2,5 Volt mit 100 mA ca. 25 Minuten.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ladezeit eines Energiespeichers bei einem Busteilnehmer zur Steuerung eines sicherheitsrelevanten mechanischen Antriebes und damit die Wartezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft des Busteilnehmers zu verkürzen, ohne dabei die erlaubte Stromentnahme aus dem 2-Leiter-Bus zu überschreiten, oder die Buskommunikation zu beeinträchtigen.
-
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Außerdem wird ein Verfahren zur Aufladung eines Energiespeichers angegeben.
-
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den Ladestrom durch Anpassung an das aktuelle Spannungsverhältnis zwischen dem Bus-Anschluss und dem Energiespeicher zu optimieren. Dabei wird stets die maximal mögliche Energie aus dem Bus entnommen. So kann der Ladestrom vor allem bei niedriger Ladespannung zu Beginn des Ladevorgangs erheblich erhöht und die Wartezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft etwa um die Hälfte verkürzt werden.
-
Dazu wird der aus dem Bus-Anschluss entnommene Strom zusätzlich als weitere Regelgröße in den Regelkreis eines bekannten DC/DC-Wandlers eingekoppelt. So entsteht ein 2-fach geregelter DC/DC-Wandler mit konstantem Eingangsstrom und variabler Ausgangsspannung. Dabei soll die Stromaufnahme unmittelbar am Busanschluss gemessen werden, um störende Einflüsse des DC/DC-Wandlers zu vermeiden.
-
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
-
1 zeigt einen Vergleich der Energie-Zeit-Kurven eines bekannten Ladereglers (A) mit einem erfindungsgemäßen Laderegler (B). Es ist leicht zu sehen, dass durch den erfindungsgemäßen linearen Anstieg der im Ladekondensator gespeicherten Energie der Betriebszustand wesentlich schneller erreicht wird als bei bekannten Verfahren mit konstantem Ladestrom. Das Beispiel bezieht sich auf eine Speicherkapazität von 1 Farad bei 5 Volt. Im Fall (A) wurde ein konstanter Ladestrom von 0,41 A angenommen. Im Fall (B) wurde eine geregelte Ausgangsspannung mit einem Startwert von 3,5 A bei 0,5V und einem Endwert von 0,4 A bei 5V angenommen. Bei einem verlustfreien Abwärtswandler ergibt das einen Primärstrom von ca. 0,09 A, wenn man Übersetzungsverhältnisse von 0,5V/20V für den Startwert und 5V/20V für den Endwert annimmt.
-
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Laderegler mit einem Messwiderstand 9 in einer vereinfachten, schematischen Darstellung. Die Versorgung erfolgt aus einem Aktuator-Sensor-Interface (AS-i), einem 2-Leiter-Bus 1 mit 24 Volt Betriebsspannung. Die beiden standardmäßig im Busteilnehmer enthaltenen AS-i-Drosseln 6 und der Kondensator 8 dienen zur Entkopplung der Spannungsversorgung und sorgen dafür, dass die Kommunikation auf der Busleitung 1 nicht beeinträchtigt wird. Der aus der Busleitung entnommene Strom 7 erzeugt einen Spannungsabfall über dem Messwiderstand 9. Diese Spannung wird vom Differenzverstärker J1 verstärkt und der aus dem Operationsverstärker J2 und der realen Diode D2 gebildeten idealen Diode zugeführt. Die ideale Diode wird benötigt um den Ladestrom auch vor dem Erreichen der maximalen Kondensatorspannung abzuschalten. Die übrige Schaltung zeigt einen an sich bekannten Abwärtswandler zur Ladung der Speicherkondensatoren 2. Der Widerstand R4 begrenzt den Strom im Ladekreis bei komplett entladenem Kondensator. Die Diode D1 verhindert die Rückspeisung bei Spannungsausfall. Der Regler 3 kann eine integrierte Schaltung des Typs MC34063 der Firma ST Microelectronics sein. An die mit „+“ und „–“ gekennzeichneten Klemmen kann auch ein Aufwärtswandler zur Versorgung eines sicherheitsrelevanten mechanischen Antriebes, insbesondere einer Rauchgasklappe, angeschlossen werden.
-
3 zeigt eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Ladereglers mit einem SEPIC-Converter (Single Ended Primary Inductor Converter) in ebenfalls vereinfachter Darstellung. Bei diesem speziellen Reglertyp kann die Eingangsspannung nicht nur über der Kondensatorspannung liegen, sonder auch unterhalb, bei stets optimaler Ladung. Er besteht aus den beiden Induktivitäten L1 und L2, dem Schalttransistor T1, dem Regler 3, der Diode D4, sowie den auch in der 2 gezeigten Kapazitäten und Widerständen. Für den Regler 3 kommt ein IC des Typs LM3478 der Firma Texas Instruments in Frage. Die Regelung des aus dem 2-Leiter-Bus entnommen Stromes erfolgt wie in der 2. beschrieben. Selbstverständlich können die Steuer- und Regelfunktionen auch von einem Mikrocontroller übernommen werden. Da über den AS-i-Drosseln 6 eine auch Gleichspannung abfällt, können diese zur Messung des aus dem 2-Leiter-Bus entnommenen Stromes genutzt werden. Der Messwiderstand 9 kann dann entfallen. Allerdings ist der Temperaturgangs der Kupferwicklung zu beachten und ein die Hochfrequenzanteile sperrender Messverstärker zu verwenden.
-
Die Erfindung betrifft einen Laderegler für einen 2-Leiter-Bus 1 zur Steuerung und Versorgung eines sicherheitsrelevanten mechanischen Antriebs M, wobei der Bus 1 zur Übertragung von Kommunikationssignalen und zur Energieversorgung des Busteilnehmers dient und der Laderegler einen internen Energiespeicher 2 und einem DC/DC-Wandler 3 zur Ladung des internen Energiespeichers 2 aufweist. Der Eingang E des DC/DC-Wandlers 3 ist mit einem Ladekondensator 4 verbunden und weist eine Regelschleife R zur Einstellung seiner Sekundärspannung UR auf, die erfindungsgemäß mit einer Strommeßschaltung 5 zur Messung des aus dem 2-Leiter-Bus 1 entnommenen Stromes 7 verknüpft ist, um diesen Strom auf das erlaubte Maß zu begrenzen. Am Eingang des Ladereglers befindet sich ein Tiefpassfilter, mit den Induktivitäten 6 und der Kapazität 8, um Wechselwirkungen der Schaltflanken des DC/DC- Wandlers mit der Kommunikation auf der Busleitung zu verhindern. Für den AS-i-Bus sind das Frequenzen oberhalb von 50 kHz. Die Strommessschaltung 5 weist einen Strommesswiderstand (9) auf, der zwischen den 2-Leiter-Bus (1) und dem Ladekondensator (4) angeordnet ist.
-
Vorteilhaft können weitere Verbraucher vom Ladekondensator 4 gespeist werden. So wird deren Stromverbrauch mit berücksichtigt. Beispielsweise kann der gesamte Strombedarf des Busteilnehmers aus dem Ladekondensator 4 entnommen werden.
-
Der interne Energiespeicher 2 besteht vorteilhaft aus Supercaps, deren zulässige Spannung wesentlich unter der Versorgungsspannung des 2-Leiter-Busses 1 liegt. Die Strommessung erfolgt als Spannungsmessung an einem Messwiderstand 9, der den aus dem 2-Leiter-Bus 1 entnommen Strom in eine Spannung umwandelt und mit der Strommeßschaltung 3 verbunden ist. In einer anderen Ausgestaltung kann diese Spannung auch über der Drossel 6 gemessen werden, wobei dann eine zusätzliche Temperaturkompensation des Kupferwiderstandes vorteilhaft ist. Der DC/DC-Wandler 3 kann auch als Abwärts-Aufwärtswandler, insbesondere in SEPIC-Topologie ausgeführt sein. Der erfindungsgemäße Busteilnehmer wird vorzugsweise zur Steuerung eines sicherheitsrelevanten mechanischen Antriebs einer Rauchgasklappe verbunden.
-
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Strom aus dem 2-Leiter-Bus 1 zur Ladung des Energiespeichers 2 entnommen, um eine sicherheitsrelevante Einrichtung mit Energie zu versorgen. Die Ladung erfolgt mit einem DC/DC-Wandler 3, der zur Anpassung der unterschiedlichen Betriebsspannungen, aber auch zur Stromtransformation dient. Der entnommene Gleichstrom 7 wird ständig gemessen und mit einem Sollwert verglichen. Bei Erreichen seines Sollwertes wird ein die Stromaufnahme aus dem 2-Leiter-Bus 1 begrenzendes Signal in die zur Regelung der Ladeendspannung des Energiespeichers 2 dienende Regelschleife des DC/DC-Wandlers 3 eingespeist. Der Strom 7 wird über dem Messwiderstand 9 gemessen und in eine Spannung umgewandelt. Diese wird mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Als Sollwert dient hier die interne Referenzspannung Uref des DC/DC-Wandlers 3, die sowohl für die interne Stromregelung des DC/DC-Wandlers 3 als auch zur Regelung der Stromentnahme aus dem 2-Leiter-Bus 1, also doppelt, genutzt wird. Da die ideale Diode (J2, D2) deutlich niederohmiger ist als R1, wird der Ladestrom auch vor dem Erreichen der Ladeendspannung reduziert und die Stromentnahme aus dem 2-Leiter-Bus verringert. Mit dem Erreichen der Ladeendspannung des Energiespeichers 2 sperrt die ideale Diode (J2, D2), wodurch der Ladeendstrom und damit auch die Stromaufnahme aus dem 2-Leiter-Bus 1 zurückgeht. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht den Einsatz eines kostengünstigen DC/DC-Wandlers 3, dessen interne Funktion hier nicht weiter von Bedeutung ist (black-box). Die in den 2 und 3 gezeigten Laderegler sind für ein AS-i Bussystem mit einer Kommunikationsfrequenz oberhalb 50 kHz geeignet. Für andere Bussysteme sind die Sperrfilter deren Kommunikationsfrequenzen anzupassen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Halbierung der Ladezeit und damit auch der Wartezeit bis zur Betriebsbereitschaft des Busteilnehmers ohne die Buskommunikation zu beinträchtigen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- 2-Leiter-Bus, Zweidraht-Bus, AS-i-Bus
- 2
- Energiespeicher, Supercaps
- 3
- DC/DC Wandler (Reglerschaltkeis)
- 4
- Ladekondensator
- 5
- Strommeßschaltung
- 6
- Drossel, AS-i Drossel
- 7
- Für den DC/DC-Wandler aus dem 2-Leiter-Bus entnommener Strom
- 8
- Filterkapazität, Filterkondensator
- 9
- Messwiderstand
- E
- Eingang des DC/DC Wandlers
- IC
- Integrierte Reglerschaltung
- IL
- Sekundärstrom des DC/DC-Wandlers 3
- M
- Mechanischer Antrieb, Motor
- R
- Regelschleife des DC/DC-Wandlers
- UR
- Sekundärspannung des DC/DC-Wandlers
-
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
-
