DE102021208152B3

DE102021208152B3 - Elektronische Vorrichtung sowie Bussystem und Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern

Info

Publication number: DE102021208152B3
Application number: DE102021208152.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Heidinger
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2022-09-22
Anticipated expiration: 2041-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung (120), die zum Ersetzen einer elektrotechnischen Drossel eingerichtet ist, sowie ein Bussystem (110) und ein Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern (114, 114'), die jeweils eine derartige elektronische Vorrichtung (120) verwenden.Die elektronische Vorrichtung (120) umfasst- mindestens eine strombegrenzende Schaltung (122), die dazu eingerichtet ist, einen durchfließenden Stromfluss auf einen vorgegebenen Stromwert zu begrenzen und einen Mittelwert für den Stromfluss zu ermitteln; und- mindestens eine Kollektorschaltung (128), dazu eingerichtet ist, eine anliegende Spannung auf einen vorgegebenen Spannungswert zu begrenzen.Das Bussystem (110) und das vorgeschlagene Verfahren ermöglichen die Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern (114, 114') mittels der elektronischen Vorrichtung (120), die diskrete oder integrierte elektronische Bauteile umfasst, mit denen sich ein zeitliches Verhalten der durch die elektronische Vorrichtung (120) ersetzten elektrotechnischen Drossel nachbilden lässt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung, die zum Ersetzen einer elektrotechnischen Drossel eingerichtet ist, sowie ein Bussystem und ein Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern, die jeweils eine derartige elektronische Vorrichtung verwenden.
Stand der Technik
In einer Vielzahl von Anwendungen erfolgt eine dezentrale Anordnung von Sensoren und Aktoren sowie eine vorzugsweise durchgängige Vernetzung der Sensoren und Aktoren mit einem Steuerungsgerät mittels eines Kommunikations-Netzwerks auf Basis eines auch als „Feldbus“ bezeichneten Bussystems. Hierzu wird das Bussystem in der Regel mittels eines standardisierten Busprotokolls betrieben. Zur Übertragung von Daten haben sich, insbesondere im Bereich der Gebäudeautomation, ausgewählte Busprotokolle, vorzugsweise KNX-Standard, Europäischer Installationsbus (EIB), BatiBus oder European Home Systems (EHS), etabliert. Für weitere Anwendungsgebiete sind weitere Standards bekannt.
Bei Verwendung des KNX-Standards erfolgt eine Spannungsversorgung und Kommunikation über eine gemeinsame Leitung. Dabei wird eine elektrotechnische Drossel verwendet, die auf der einen Seite an 30 V Gleichspannung, auf der anderen an den Bus angeschlossen ist, verwendet. Die Details sind in „Basic and System Components/Devices - Minimum Requirements - Standardised solutions - Tests KNX System Conformance Testing, KNX Specifications v2.1, Version 01.03.01,“ nachzulesen, abrufbar unter https://my.knx.org/de/ shop/knx-specifications. Auch andere in diesem Zusammenhang eingesetzte Standards weisen vergleichbare Anforderungen auf. In der Regel kann zum Senden einer digitalen 1 die Busspannung erniedrigt werden, während zum Senden einer 0 die Busspannung unverändert beibehalten werden kann; eine Invertierung ist jedoch möglich.
Nachteilig hieran ist, dass die elektrotechnische Drossel, die üblicherweise in Form einer Spule, die mindestens eine, typischerweise eine Vielzahl, von elektrische leitenden Wicklungen umfasst, ausgestaltet ist, aufgrund ihrer Größe viel Platz verbraucht, damit einen Großteil des zur Verfügung stehenden Bauraums einnimmt und in Folge ihrer Bauhöhe ein relativ hohes und breites Gehäuse erfordert. Aufgrund ihrer induktiven Charakteristik kann die elektrotechnische Drossel zudem überschwingen und unerwünschte Spannungsspitzen verursachen. Die Spannungsspitzen lassen sich in der Praxis zwar aktiv dämpfen; die aktive Dämpfung erfordert jedoch zusätzliche elektrotechnische Bauteile, Bauraum und Kosten, da hierzu der elektrotechnischen Drossel typischerweise eine weitere elektrisch leitende Wicklung hinzugefügt wird.
EP 2 802 100 A1 und US 2007 / 0 063 746 A1 beschreiben jeweils Schaltungen zum Ersatz herkömmlicher Drosselspulen. Hierbei betreffen die in der EP 2 802 100 A1 beschriebenen Ausführungsbeispiele auch den Einsatz in einem Bus-System (KNX), wobei sowohl auch die Busspannung begrenzt wird als auch ein Mittelwert des Busstroms ermittelt wird.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine elektronische Vorrichtung sowie ein Bussystem und ein Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.
Insbesondere soll die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung eine Schaltung aufweisen, die diskrete oder integrierte elektronische Bauteile umfasst, womit sich ein zeitliches Verhalten der elektrotechnischen Drossel derart nachbilden lässt, um in einem Standard zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern, insbesondere im Bereich der Gebäudeautomation, bevorzugt gemäß des KNX-Standards, Verwendung finden zu können, ohne dass dafür eine konventionelle elektrotechnische Drossel erforderlich ist.
Damit soll ein Betrieb des Bussystems und des Verfahrens zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern gemäß dem ausgewählten Standard, bevorzugt gemäß des KNX-Standards, erfolgen können, wobei insbesondere gewährleistet werden soll, dass in dem jeweils ausgewählten Standard zu festgelegten Zeitpunkten vorgesehene Spannungswerte entsprechend den jeweiligen Spezifikationen eingehalten werden können.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine elektronische Vorrichtung, die zum Ersetzen einer elektrotechnischen Drossel eingerichtet ist, sowie ein Bussystem und ein Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern unter Verwendung einer derartigen elektronischen Vorrichtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, die einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen und in den Ausführungsbeispielen dargestellt.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine elektronische Vorrichtung, die zum Ersetzen einer elektrotechnischen Drossel eingerichtet ist. Die elektronische Vorrichtung umfasst hierbei

- mindestens eine strombegrenzende Schaltung, die dazu eingerichtet ist, einen durchfließenden Stromfluss auf einen vorgegebenen Stromwert zu begrenzen und einen Mittelwert für den Stromfluss zu ermitteln; und
- mindestens eine Kollektorschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine anliegende Spannung auf einen vorgegebenen Spannungswert zu begrenzen.

Der Begriff der „elektronischen Vorrichtung“ bezeichnet hierbei eine Schaltung, die, bevorzugt ausschließlich, diskrete oder integrierte elektronische Komponenten umfasst, wobei die von der Schaltung umfassten elektronischen Komponenten mittels eines festgelegten Zusammenwirkens einen Stromwert für einen elektrischen Strom und/oder einen Spanungswert für eine elektrische Spannung beeinflussen. Die von der elektronischen Vorrichtung umfassten elektronischen Komponenten können insbesondere ausgewählt sein aus mindestens

- einem Transistor,
- einer Diode,
- einem elektrischen Widerstand, und/oder
- einer elektrische Kapazität.

Eine Einbeziehung weiterer Arten von elektronischen Komponenten ist grundsätzlich möglich. Zur Vereinfachung der Darstellung wird im Folgenden jeweils der Begriff „elektrisch“ vor Ausdrücken wie „Widerstand“, „Kapazität“ oder „Induktivität“ weggelassen.
Im Gegensatz hierzu bezeichnet der Begriff der „elektrotechnischen Drossel“ eine Induktivität, die nicht in Form von diskreten oder integrierten elektronischen Komponenten vorliegt, sondern mindestens eine, typischerweise eine Vielzahl, von elektrisch leitenden Wicklungen umfasst. Aufgrund der mindestens einen, elektrisch leitenden Wicklung weist die elektrotechnische Drossel eine Größe auf, die viel Platz verbraucht, damit häufig einen wesentlichen Teil eines für eine elektrische Schaltung zur Verfügung stehenden Bauraum einnimmt und in Folge ihrer Bauhöhe ein relativ hohes Gehäuse für die elektrische Schaltung erfordert. Aufgrund ihrer induktiven Charakteristik kann die elektrotechnische Drossel zudem überschwingen und insbesondere unerwünschte Spannungsspitzen verursachen. Die Spannungsspitzen lassen sich in der Praxis zwar aktiv dämpfen; eine aktive Dämpfung erfordert jedoch zusätzliche Bauteile, Bauraum und Kosten, insbesondere wenn hierzu der elektrotechnischen Drossel eine weitere elektrisch leitende Wicklung hinzugefügt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff des „Ersetzens“ eine Bereitstellung einer ausgewählten Schaltung, die, bevorzugt ausschließlich, diskrete oder integrierte elektronische Komponenten umfasst, wobei die von der Schaltung umfassten elektronischen Komponenten derart zusammenwirken, dass sie eine Funktionalität eines elektrotechnischen Bauteils, hier der elektrotechnischen Drossel, nachbilden. Insbesondere kann hierbei ein Stromwert für einen elektrischen Strom und ein Spanungswert für eine elektrische Spannung derart festlegt werden, dass diese weitgehend dem Stromwert für den elektrischen Strom und dem Spanungswert für die elektrische Spannung, die von der elektrotechnischen Drossel erzeugt werden, entsprechen, ohne dass die ausgewählte Schaltung tatsächlich das nachzubildende elektrotechnische Bauteil, d.h. hier die elektrotechnische Drossel, aufweist. Vielmehr erzeugen die von der ausgewählten Schaltung umfassten diskreten oder integrierten elektronischen Komponenten ausschließlich die weitgehend dem Stromwert für den elektrischen Strom und dem Spanungswert für die elektrische Spannung einer elektrotechnischen Drossel entsprechenden Strom- und Spannungswerte, wobei jedoch - insbesondere je nach erfolgter Auswahl der Komponenten - geringe Unterschiede verbleiben können. Die verbleibenden geringen Unterschiede können hierbei sogar von Vorteil sein, sich da hierdurch vorzugsweise nachteilige Charakteristika der elektrotechnischen Drossel, insbesondere unerwünschte Strom- und Spannungsspitzen zu ausgewählten Zeitpunkten, vermeiden lassen.
Die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung kann insbesondere in einem Bussystem zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern verwendet werden, wobei das Bussystem dazu eingerichtet ist, die Übertragung der Daten von einem der Teilnehmer zu mindestens einem anderen der Teilnehmern in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden Datenbits vorzunehmen. Der Begriff des „Bussystems“ bezeichnet hierbei eine Einrichtung zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern, die zu diesem Zweck einen gemeinsamen Übertragungsweg aufweist. Der Begriff des „Teilnehmers“ bezeichnet eine Einrichtung, die zur Versendung von Daten und/oder zum Empfang von Daten eingerichtet ist. Im Allgemeinen versendet ein als „Sender“ bezeichneter Teilnehmer innerhalb einer Zeitspanne die gewünschten Datenbits, die von mindestens einem der übrigen, als „Empfänger“ bezeichneten Teilnehmer, bevorzugt von einem, mehreren oder von allen der übrigen Teilnehmer, empfangen werden. Hierbei können die Datenbits seriell über mindestens eine Signalleitung aufeinanderfolgend gesendet werden; eine parallele Versendung der Datenbits über mindestens zwei Signalleitungen, insbesondere auch in Form eines Multiplexings, sind jedoch möglich.
Vorzugsweise können mittels des Bussystems Daten an eine Mehrzahl von Sensoren und Aktoren zur Ansteuerung der Sensoren und Aktoren gesendet werden. Alternativ oder zusätzlich können mittels bevorzugt desselben Bussystems Daten von der Mehrzahl der Sensoren und Aktoren, die Messwerte und/oder Parameter umfassen, empfangen werden. Senden mehrere Teilnehmer Daten über dieselbe Signalleitung, können mittels eines, vorzugsweise standardisierten, Protokolls Kennung, Art der Daten und Sendezeit festgelegt werden.
Auf diese Weise kann das Bussystem eine vorzugsweise durchgängige Vernetzung der Sensoren und Aktoren, die bevorzugt eine dezentrale Anordnung aufweisen können, mit einem Steuerungsgerät bewirken. Aufgrund der dezentralen Anordnung der Sensoren und Aktoren, beispielsweise innerhalb mindestens eines Gebäudes, kann das Bussystem auch als „Feldbus“ bezeichnet werden. Das Bussystem kann vorzugsweise mittels mindestens eines standardisierten Busprotokolls betrieben werden. Zur Übertragung von Daten mittels des Bussystems haben sich, insbesondere im Bereich der Gebäudeautomation, ausgewählte Busprotokolle, vorzugsweise KNX-Standard, Europäischer Installationsbus (EIB), BatiBus oder European Home Systems (EHS), etabliert. Der Begriff der „Gebäudeautomation“ bezeichnet eine Gesamtheit von Einrichtungen zur Überwachung, Steuerung, Regelung und/oder Optimierung in mindestens einem Gebäude, wobei einer Vielzahl an dezentral angeordneten Sensoren und Aktoren, die eine durchgängige Vernetzung aufweisen, mindestens ein, vorzugsweise genau ein, Steuerungsgerät gegenübersteht. Somit kann die Gebäudeautomation insbesondere zu einer automatischen Durchführung von Funktionsabläufen nach vorgegebenen Parametern beitragen. Weitere Anwendungsgebiete und/oder eine Verwendung von anderen Standard-Protokollen sind jedoch möglich.
Der Begriff des „KNX-Standards“ bezieht sich auf einen Standard zu einem ausgewählten Feldbus zur Gebäudeautomation, gemäß dem Gerätesteuerung und Stromversorgung auf zwei voneinander unabhängige Netze aufgeteilt werden. Hierbei können ein „Stromnetz“ zur Stromversorgung mit Wechselspannung und ein „Steuerungsnetz“, das mittels einer Betriebsspannung von 30 V Gleichspannung betrieben wird, dienen. Das Stromnetz und das Steuerungsnetz können unabhängig voneinander oder parallel zueinander in dem mindestens einen Gebäude verlegt sein. In einer als „Powernet“ bezeichneten Ausgestaltung können die Steuersignale über ein phasengekoppeltes Stromnetz versendet werden. Auf Basis des KNX-Standards können somit alle Sensoren, Aktoren und Steuerungsgeräte mittels eines einzigen Bussystems miteinander verbunden werden und auf diese Weise Daten austauschen. Hierbei werden Funktion der einzelnen Teilnehmer durch eine feste oder flexible Programmierung festgelegt. Wie oben bereits erwähnt, kann das hierin beschriebene Bussystem jedoch auch für weiteren Anwendungsgebiete eingerichtet sein und/oder mittels eines anderen Standard-Protokolls betrieben werden.
Die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung umfasst mindestens eine strombegrenzende Schaltung, die einerseits dazu eingerichtet ist, einen durchfließenden Stromfluss auf einen vorgegebenen Stromwert zu begrenzen, und andererseits dazu eingerichtet ist, einen Mittelwert für den Stromfluss zu ermitteln. Der Begriff der „strombegrenzenden Schaltung“ bezeichnet hierbei eine elektronische Schaltung, die dazu eingerichtet ist, einen durchfließenden Stromfluss auf einen vorgegebenen Stromwert zu begrenzen. Der Begriff „begrenzen“ bedeute hierbei, dass ein Stromwert für den Stromfluss, welcher die Schaltung durchfließt, höchstens einen festgelegten Höchstwert annehmen kann, jedoch keinen höheren Stromwert. Insbesondere kann die mindestens eine strombegrenzende Schaltung dazu eingerichtet sein, dass sie den für die Begrenzung vorgesehenen Stromwert selbst ermittelt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Stromfluss einerseits gemäß den Spezifikationen des Busprotokolls erfolgt und andererseits keine Höhe annimmt, die die Lebensdauer der Vorrichtung und des Bussystems deutlich verringern würde, insbesondere die Vorrichtung oder das Bussystems zerstören könnte.
Die strombegrenzende Schaltung ist hierbei vorzugsweise als Konstantstromquelle ausgestaltet, welche dazu eingerichtet ist, um einen Konstantstrom innerhalb des Bussystems bereitzustellen. Der Begriff der „Konstantstromquelle“ bezeichnet hierbei eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Stroms, wobei der von der Konstantstromquelle erzeugte elektrische Strom unabhängig von ihrem internen Aufbau und der angeschlossen Last einen konstanten Wert aufweist und damit auch als „Konstantstrom“ bezeichnet werden kann. Grundsätzlich lässt sich für die vorliegende Erfindung jede bekannte Art der Konstantstromquelle einsetzen, insbesondere spannungsgesteuerte MOSFET Transistoren (Metalloxidschicht-Feldeffekt-Transistoren; MOSFETs von engl. metal oxide semiconductor field effekt transistors), JFET-Transistoren (Übergangszonen-Feldeffekt-Transistoren; JFETs von engl. junction field effect transistors) Operationsverstärker, stromgesteuerte Bipolartransistoren, integrierte Schaltkreise oder eine Kombination hiervon.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die als Konstantstromquelle ausgestaltete strombegrenzende Schaltung mindestens einen Transistor und mindestens einen Operationsverstärker auf, wobei der Operationsverstärker dazu eingerichtet ist, den Transistor anzusteuern. Hierbei ist der Transistor vorzugsweise als MOSFET Transistor ausgestaltet, welcher über ein so genanntes „Gate“ als Steuerelektrode verfügt, deren Ansteuerung von dem zugehörigen Operationsverstärker ausgeführt wird. In der Ausgestaltung der strombegrenzenden Schaltung, die einen MOSFET Transistor und einen Operationsverstärker aufweist, verfügt der Operationsverstärker über zwei stabile Arbeitspunkte, und zwar trotz einer angelegten Spannung, bei 0 A, und andererseits bei dem gewünschten konstanten Stromwert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann darüber hinaus der Stromwert weitgehend unabhängig von einer möglichen Temperaturänderung in dem Bussystem konstant gehalten werden soll. Eine derartige Eigenschaft kann insbesondere deshalb vorteilhaft sein, da die Datenübertragung in dem Bussystem Wärme erzeugen kann. Die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung ist jedoch andererseits dazu eingerichtet ist, einen Mittelwert für den Stromfluss zu ermitteln. Der Begriff des „Mittelwertes“ bezieht sich hierbei auf einen Stromwert, der aus den jeweiligen Stromwerten für einzelne Zeitpunkte gebildet wird. Hierbei kann der Mittelwert vorzugsweise ein arithmetisches Mittel aus den einzelnen Stromwerten bezeichnen; andere Arten einer Mittelwertbildung, insbesondere ein geometrisches oder ein quadratisches Mittel, sind jedoch ebenfalls denkbar. In der oben beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung der als Konstantstromquelle ausgestalteten strombegrenzenden Schaltung, die über einen MOSFET Transistor und einen Operationsverstärker verfügt, kann der ein Tiefpassfilter insbesondere dazu dienen, um eine Verstärkung (Gain) des MOSFET Transistors und des Operationsverstärkers oberhalb einer Grenzfrequenz zu verringern. Auf diese Weise könne die Stromwerte für die einzelnen Zeitpunkte konstant gehalten und so der Mittelwert für den Stromfluss ermittelt werden.
Die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine Kollektorschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine anliegende Spannung, insbesondere eine bei Versenden des Datenbits an der elektronischen Vorrichtung anliegende Busspannung, auf einen vorgegebenen Spannungswert zu begrenzen. Der Begriff der „Busspannung“ bezeichnet hierbei eine elektrische Spannung, die an das Bussystem und damit auch an die von dem Bussystem umfasste elektronische Vorrichtung gelegt wird. Wie unten näher erläutert, liegt an dem Bussystem eine Betriebsspannung von 30 V Gleichspannung, die bei Versenden des Datenbits stark verringert wird, insbesondere auf 0 V. Die mindestens eine Kollektorschaltung ist jedoch dazu eingerichtet, die Verringerung der hierbei anliegenden Spannung nach unten zu begrenzen, insbesondere auf einen unteren Spannungswert von mindestens 20 V, bevorzugt 24 V, insbesondere 24,4 V; eine Verringerung der anliegenden Spannung auf einen anderen unteren Spannungswert ist j edoch möglich. in der Literatur wird die Kollektorschaltung auch als „Emitterfolger“ bezeichnet, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass eine durch den Emitterfolger bereitgestellte Ausgangsspannung annähernd der an den Emitterfolger angelegten Eingangsspannung entspricht.
In einer besonderen Ausgestaltung kann die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung mindestens eine weitere elektronische Komponente oder mindestens eine weitere Schaltung umfassen, unabhängig davon, ob diese hierin beschrieben wird oder nicht. Insbesondere kann die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung mindestens eine spannungserhöhende Schaltung aufweisen. Der Begriff der „spannungserhöhenden Schaltung“ bezeichnet hierbei eine elektronische Schaltung, die dazu eingerichtet ist, eine anliegende Spannung, insbesondere eine bei Versenden des Datenbits an der elektronischen Vorrichtung anliegende Busspannung, über mindestens einen festgelegten Zeitraum auf einen vorgegebenen Spannungswert zu erhöhen. Beispielsweise kann hierdurch zu mindestens einem festgelegten Zeitpunkt, bevorzugt zu festgelegten, regelmäßig wiederkehrenden Zeitpunkten, eine zusätzliche Spannungsspitze erzeugt werden. Die spannungserhöhende Schaltung kann vorzugsweise aus einer Ladungspumpe oder einem Hochsetzsteller (engl. boost converter) ausgestaltet sein. Andere Arten von spannungserhöhenden Schaltungen und/oder deren Verwendung sind jedoch denkbar. Ebenso sind weitere elektronische Komponente möglich.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Bussystem zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern, wobei das Bussystem dazu eingerichtet ist, die Übertragung der Daten in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden Datenbits vorzunehmen, wobei das Bussystem mindestens eine hierin offenbarte elektronische Vorrichtung umfasst.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Bussystem wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern, wobei die Übertragung der Daten in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden Datenbits mittels eines Bussystems erfolgt, wobei das Bussystem mindestens eine elektronische Vorrichtung umfasst, wobei die mindestens eine elektronische Vorrichtung

- mindestens eine strombegrenzende Schaltung, die einen bei Senden des Datenbits auftretenden Stromfluss auf einen vorgegebenen Stromwert begrenzt und einen Mittelwert für den Stromfluss ermittelt; und
- mindestens eine Kollektorschaltung, die eine zum Senden des Datenbits verwendete Busspannung auf einen vorgegebenen Spannungswert begrenzt,

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Bussystems verwiesen.
Hierin werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden hierin die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale.
Vorteile der Erfindung
Das vorliegende elektronische Vorrichtung, die zum Ersetzen einer elektrotechnischen Drossel eingerichtet ist, sowie ein Bussystem und ein Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern, die jeweils eine derartige elektronische Vorrichtung verwenden, eignen sich insbesondere zur Ansteuerung von Aktuatoren oder Sensoren im Rahme einer Gebäudeautomation in mindestens einem Gebäude.
Die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung weist im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten, eine elektrotechnische Drossel umfassenden Vorrichtung die Vorteile auf, dass sie aufgrund ihrer geringen Größe wenig Platz verbraucht, damit nur einen geringen Bruchteil des zur Verfügung stehenden Bauraums einnimmt und in Folge ihrer geringen Bauhöhe nur ein relativ niedriges Gehäuse erfordert. Die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung ermöglicht einerseits eine hinreichend genaue Nachbildung des Verhaltens einer elektrotechnischen Drossel, andererseits kann sie - im Unterschied zu der elektrotechnischen Drossel - praktisch nicht überschwingen und daher auch keine unerwünschte Spannungsspitzen verursachen. Eine aktive Dämpfung der Spannungsspitzen, die zusätzliche elektrotechnische Bauteile, Bauraum und Kosten verursachen würde, kann somit entfallen. Wie die unten vorgestellte Simulation zeigt, dass lässt sich die zur Umsetzung des KNX-Standards üblicherweise verwendete elektrotechnische Drossel erfolgreich durch eine elektronische Schaltung ersetzen, wofür sich eignen vorzugsweise diskrete Bauteile eignen, die kostengünstig verfügbar sind.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Bussystems zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern, wobei das Bussystem mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst;
2 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine von der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasste strombegrenzende Schaltung;
3 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine von der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasste Kollektorschaltung;
4 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung von Daten im Rahmen einer Simulation; und
5 aus der Simulation ermittelte Datenwerte.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Blockschaltbild eines beispielhaften Bussystems 110, das zur gleichzeitigen Übertragung von Daten und Energie, die in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden Datenbits 112 vorliegen, zwischen zwei Teilnehmern 114, 114' eingerichtet ist. Die Stromversorgung erfolgt hierbei durch eine Spannungsquelle 116. Bei dem Teilnehmer 114 kann es sich um ein Steuerungsgerät und bei dem anderen Teilnehmer 114' um einen Aktuator oder Sensor 118 handeln; eine andere Zuordnung ist jedoch möglich. In dem Beispiel gemäß 1 können alle Teilnehmer 114, 114', die an denselben Anschluss angeschlossen sind, miteinander kommunizieren; andere Ausführungen sind jedoch möglich.
Das in 1 schematisch dargestellte beispielhafte Bussystem 110 umfasst eine elektronische Vorrichtung 120 gemäß der vorliegenden Erfindung, die zum Ersetzen einer elektrotechnischen Drossel eingerichtet ist. Wie oben näher erläutert, ersetzt die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung 120, die ausschließlich diskrete elektronische Komponenten umfasst, dadurch eine herkömmliche elektrotechnischen Drossel, dass die von der elektronischen Vorrichtung 120 umfassten elektronischen Komponenten derart zusammenwirken, dass ein Stromwert für einen elektrischen Strom und ein Spanungswert für eine elektrische Spannung derart festlegt werden, dass diese weitgehend dem Stromwert für den elektrischen Strom und dem Spanungswert für die elektrische Spannung der elektrotechnischen Drossel entsprechen, ohne dass die elektronischen Vorrichtung 120 tatsächlich eine elektrotechnische Drossel aufweist. Wie in 5 näher dargestellt, können verbleibende geringe Unterschiede hierbei sogar von Vorteil sein, da sich hierdurch nachteilige Charakteristika der elektrotechnischen Drossel, insbesondere unerwünschte Strom- und Spannungsspitzen zu ausgewählten Zeitpunkten, vermeiden lassen.
In der Ausführung gemäß 1 wird das Bussystem 110 beispielhaft zur Gebäudeautomation in mindestens einem Gebäude eingesetzt und mittels des KNX-Standard als Busprotokoll betrieben. Weitere Anwendungsgebiete und/oder weitere Standards als Busprotokoll sind jedoch möglich. Bei Verwendung des KNX-Standards erfolgt ein Betrieb der elektronischen Vorrichtung 120 mit 30 V Gleichspannung, die von der Spannungsquelle 116 bereitgestellt wird, wobei die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung 120 die elektrotechnische Drossel ersetzt. Dadurch lässt sich insbesondere Bauraum einsparen, da die vorgeschlagene elektronische Vorrichtung 120 im Unterschied zu der elektrotechnischen Drossel nur eine relativ niedrige Höhe aufweist.
Wie weiterhin in 1 schematisch dargestellt, umfasst die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung 120 eine strombegrenzende Schaltung 122, die einerseits dazu eingerichtet ist, einen bei Versenden des Datenbits 112 durch die elektronische Vorrichtung 120 erzeugten Stromfluss auf einen vorgegebenen Stromwert zu begrenzen, und die andererseits dazu eingerichtet ist, einen Mittelwert für den so begrenzten Stromfluss zu ermitteln.
2 zeigt ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für die strombegrenzende Schaltung 122. Wie in 2 dargestellt, umfasst die beispielhafte strombegrenzende Schaltung 122 einen Operationsverstärker 124 und einen P-Kanal MOSFET Q1. Der Operationsverstärker 124 weist hierbei einen mit „-“ bezeichneten invertierenden Eingang, einen mit „+“ bezeichneten nicht-invertierenden Eingang, einen ebenfalls mit „+“ bezeichneten positiven Versorgungsspannungsanschluss und ebenfalls einen mit „-“ bezeichneten negativen Versorgungsspannungsanschluss auf. Über einen ersten Widerstand R₁ fließt ein erster Strom I_R1 und erzeugt hierbei eine erste Spannung U_R1, die an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 124 angelegt wird. Weiterhin wird die erste Spannung U_R1 an einen Tiefpass 126, der hier aus einem ersten Kondensator C₁ und einem zweiten Widerstand R₂ gebildet ist, angelegt beaufschlagt anschließend den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 124. An dem positiven Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers 124 liegt eine Betriebsspannung von 30 V Gleichspannung an, während der negative Versorgungsspannungsanschluss auf einem Spannungsniveau von 26 V Gleichspannung gehalten wird, insbesondere um damit einen Dynamikbereich des Operationsverstärkers 124 zu begrenzen. Vorzugsweise kann hierzu ein hochdynamischer Operationsverstärker mit hoher Slew-Rate und Open-Loop Verstärkung eingesetzt werden. Da davon ausgegangen werden kann, dass ein am Eingang des Operationsverstärkers 124 anliegender Strom einen Stromwert von Null annimmt, kann die strombegrenzende Schaltung 122 vorzugsweise einen dritten Widerstand R₃ gegen Masse, der als Vorspanneinheit dienen kann, umfassen; eine andere Art der Ausgestaltung der Vorspanneinheit ist jedoch möglich.
Steigt die Spannung über den ersten Wiederstand R₁, wird eine Gate-Spannung an ein Gate G des P-Kanal MOSFETs Q1 angelegt, wodurch der Stromfluss schließlich begrenzt wird. Weiterhin kann die vorgeschlagene strombegrenzende Schaltung 122 eine Diode D₁, die dazu eingerichtet ist, einen Stromrückfluss bei Anlegen einer höheren Spannung zu verhindern, umfassen; eine andere Art der Ausgestaltung der strombegrenzenden Schaltung 122 ist jedoch denkbar.
Wie ferner in 1 schematisch dargestellt, umfasst die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung 120 weiterhin eine Kollektorschaltung 128, die dazu eingerichtet ist, eine bei Versenden des Datenbits 112 an der elektronischen Vorrichtung 120 anliegende Busspannung auf einen vorgegebenen Spannungswert zu begrenzen.
3 zeigt ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für die Kollektorschaltung 128, die hier als Emitterfolger ausgebildet ist. Der beispielhaft dargestellte Emitterfolger sorgt bei Versenden des Datenbits 112 dafür, dass die Busspannung nicht unter 24,4 V fällt, da der Spannungswert für die Busspannung während des von dem Steuerungsgerät oder dem Aktuator oder Sensor 118 als Sendestufe versendeten Datenbits 112 stark verringert wird. Der in 3 schematisch dargestellte Emitterfolger weist eine zweite Diode D₂ auf, die dazu eingerichtet ist, als Spannungsklemme zu wirken. Kathodenseitig befindet sich das Potential der zweiten Diode D₂ auf 24,4 V. Aufgrund der Art der Anordnung der zweiten Diode D₂ in dem Emitterfolger liegt daher das anodenseitige Potential der zweiten Diode D₂ auf 24.4 V + U_D. Der in 3 dargestellte beispielhafte Emitterfolger sorgt in Kombination mit einem vierten Widerstand R₄ für eine konstante Basisspannung, die erfindungsgemäß dazu eingesetzt wird, um während des Versendens des Datenbits 112 die Busspannung auf den vorgegebenen Spannungswert zu begrenzen.
4 zeigt ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Vorrichtung 120 zur Ermittlung von Datenwerten im Rahmen einer Simulation auf Basis des KNX-Standards. Die in 4 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 120 umfasst neben der oben beschriebenen strombegrenzenden Schaltung 122 und der ebenfalls oben beschriebenen Kollektorschaltung 128 zusätzlich eine Spannungsversorgung 130, die dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung V₁ von 30 V als Betriebsspannung bereitzustellen, und eine als Last ausgeführte Sendestufe 132, die zur Durchführung der Simulation der erfindungsgemäßen Vorrichtung 120 eingerichtet ist.
Die vorgestellte Simulation wurde mittels des Programms LTSpice XVII über einen Zeitraum von 500 ms durchgeführt. Eine Quelle für eine Rechteckspannung (nicht dargestellt) erzeugt eine Spannung von 0 bis 5 V, welche eine Periodendauer von 108 µsec, eine Anschaltzeit von 38 µs aufweist. Die als Last ausgeführte Sendestufe 132 wird mittels in 4 schematisch dargestellter elektronischer Komponenten C₁₀, R₁₃, V₄, I₂ und D₁₀ und D₁₁ modelliert. Da ein nomineller Ausgangsstrom der erfindungsgemäßen Vorrichtung 120 gemäß des KNX-Standards einen Stromwert von 160 mA bis 1280 mA annimmt, wurde für die Simulation ein mittlerer Stromwert von 640 mA gewählt. Der Kondensator C₁₀ dient hierbei zur Glättung der Busspannung. Die Spannungsquelle V₄ stellt zusammen mit dem Widerstand R₁₃ eine Spannung bereit, die zunächst einen Spannungswert von 30 V aufweist, der jedoch nach einem Zeitraum von 100 µs innerhalb einer Zeitdauer von 1 µs auf 0 V abfällt. Diese Ausführung simuliert eine Belastung der Sendestufe, wie sie bei der Übertragung des Datenbits 112 auftritt. Für die gesamte Übertragung des Datenbits 112 beträgt die Periodendauer gemäß des KNX-Standards 104 µs. Nur zur Übertragung einer 1 wird hierbei die Busspannung reduziert.
5 zeigt experimentell im Rahmen der Simulation ermittelte Datenwerte. In 5 ist hierzu ein zeitlicher Verlauf 140 der Busspannung V_BUS über einen Zeitraum t von 90 µs bis 214 µs für einen Laststrom von 640 mA dargestellt. An dem in 5 mit „A“ bezeichneten Zeitpunkt bei 100 µs beginnt ein Versenden des Datenbits 112 des Wertes ,1', wobei innerhalb von 1 µs an dem mit „B“ bezeichneten Zeitpunkt die modellierte Last die Busspannung V_BUS belastet. Die Busspannung VBUS sinkt von ca. 30 V auf ca. 24 V. Wie aus 5 hervorgeht, sinkt die Busspannung V_BUS jedoch nur auf ca. 24 V, da die oben beschriebene Kollektorschaltung 128 den Spannungswert nach unten auf ca. 24 V begrenzt. Nach 35 µs schaltet sich die Sendestufe aus, die Busspannung V_BUS steigt an dem mit „C“ bezeichneten Zeitpunkt von ca. 24 V zurück auf ca. 30 V an. Ca. 1 µs später wird der mit D bezeichnete Punkt erreicht.
Alternativ kann an dem mit „D“ bezeichneten Zeitpunkt (nicht dargestellt) die Busspannung V_BUS kurzzeitig auf einen höheren Spannungswert, insbesondere auf 34 V, angehoben werden. Auf diese Weise kann zusätzlich eine Spannungsspitze, wie sie in der elektrotechnischen Drossel zwangsläufig auftritt, simuliert werden. Eine derartige Spannungsspitze ist jedoch im Allgemeinen unerwünscht und lässt sich - im Unterschied zur elektrotechnischen Drossel - bei Verwenden der erfindungsgemäßen Vorrichtung 120 wie hierin beschrieben praktisch vollständig vermeiden. Für den Fall, dass eine Erzeugung der zusätzlichen Spannungsspitze dennoch gewünscht ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 120 weiterhin eine spannungserhöhende Schaltung, insbesondere ausgewählt aus einer Ladungspumpe oder einem Hochsetzsteller, umfassen (nicht dargestellt).
Bezugszeichenliste

110: Bussystem
112: Datenbit
114, 114': Teilnehmer
116: Spannungsquelle
118: Aktuator oder Sensor
120: erfindungsgemäße Vorrichtung
122: strombegrenzende Schaltung
124: Operationsverstärker
126: Tiefpass
128: Kollektorschaltung
130: Spannungsversorgung
132: als Last ausgeführte Sendestufe
140: zeitlicher Verlauf der Busspannung

Claims

Elektronische Vorrichtung (120), die zum Ersetzen einer elektrotechnischen Drossel eingerichtet ist, umfassend - mindestens eine strombegrenzende Schaltung (122), die dazu eingerichtet ist, einen durchfließenden Stromfluss auf einen vorgegebenen Stromwert zu begrenzen und einen Mittelwert für den Stromfluss zu ermitteln; und - mindestens eine Kollektorschaltung (128), die dazu eingerichtet ist, eine anliegende Spannung auf einen vorgegebenen Spannungswert zu begrenzen.
Elektronische Vorrichtung (120) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die mindestens eine strombegrenzende Schaltung (122) mindestens einen Operationsverstärker (124) und mindestens einen Transistor aufweist.
Elektronische Vorrichtung (120) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Kollektorschaltung (128) mindestens eine Diode und einen Widerstand aufweist.
Elektronische Vorrichtung (120) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine spannungserhöhende Schaltung.
Bussystem (110) zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern (114, 114'), wobei das Bussystem (110) dazu eingerichtet ist, die Übertragung der Daten in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden Datenbits (112) vorzunehmen, wobei das Bussystem (110) mindestens eine elektronische Vorrichtung (120) nach einem der vorangegangen Ansprüche umfasst.
Bussystem (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die mindestens eine elektronische Vorrichtung (120) mindestens eine strombegrenzende Schaltung (122) umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen bei Senden des Datenbits (112) auftretenden Stromfluss auf einen Stromwert zu begrenzen.
Bussystem (110) nach Ansprüche 5 oder 6, wobei die mindestens eine elektronische Vorrichtung (120) mindestens eine Kollektorschaltung (128) umfasst, die dazu eingerichtet ist, eine zum Senden des Datenbits (112) verwendete Busspannung auf einen vorgegebenen Spannungswert zu begrenzen.
Bussystem (110) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die mindestens eine elektronische Vorrichtung (120) sowohl zur Übertragung der Daten als auch zur Stromversorgung mindestens eines der Teilnehmer (114, 114') eingerichtet ist.
Bussystem (110) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Übertragung der Daten gemäß einem Busprotokoll erfolgt, wobei das Busprotokoll vorzugsweise ausgewählt ist aus KNX, EIB, BatiBus oder EHS.
Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern (114, 114'), wobei die Übertragung der Daten in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden Datenbits (112) mittels eines Bussystems (110) erfolgt, wobei das Bussystem (110) mindestens eine elektronische Vorrichtung (120) umfasst, wobei die mindestens eine elektronische Vorrichtung (120) - mindestens eine strombegrenzende Schaltung (122), die einen bei Senden des Datenbits (112) auftretenden Stromfluss auf einen vorgegebenen Stromwert begrenzt und einen Mittelwert für den Stromfluss ermittelt; und - mindestens eine Kollektorschaltung (128), die eine zum Senden des Datenbits (112) verwendete Busspannung auf einen vorgegebenen Spannungswert begrenzt, umfasst.