DE19736264A1

DE19736264A1 - Energiespargerät für Haushalt und Industrie

Info

Publication number: DE19736264A1
Application number: DE1997136264
Authority: DE
Inventors: Klemens Viernickel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-08-15
Filing date: 1997-08-15
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2017-08-16
Also published as: DE19736264C2

Description

Gemäß dem heutigen Stand der Technik wird vielfach bei elektrischen Geräten im Haushalt und Industrie häufig aus Kostengründen, selten aus technischen Gründen, auf einen Netzschalter auf der Primärseite verzichtet; sie werden nur sekundärseitig ausgeschaltet. Resultat ist, daß diese Geräte selbst im unbenutzten Zustand Energie verbrauchen. Ursache dafür sind vor allem die Leerlaufverluste der Netztransformatoren. Viele Transformatoren von Steckernetzteilen und ähnlichen Klein-Netzgeräten besitzen bereits im Leerlauf eine Verlustleistung von etwa 2-10 Watt.

Das sind zum Beispiel Kofferradios, Kassettendecks, Telefonanlagen, Halogenlampen usw.

Da in den meisten Haushalten Deutschlands mehrere entsprechende Geräte im Einsatz sind, kann man von einigen tausend kWh Einsparmöglichkeit pro Jahr allein im deutschen Raum ausgehen.

Eine verbesserte Konstruktion dieser Geräte mit stark verminderten Energieanschlußwerten im ausgeschaltetem Zustand wäre möglich, scheitert aber oftmals an zu hohen Herstellkosten.

Bekannt sind Stromsparschaltungen für "Standby"-Geräte, wie in Druckschrift WO 93/09 634 A1 angeführt, die jedoch sehr aufwendig und mit speziellen Meßbedingungen zum Ein- und Ausschalten versehen und deshalb nur für obige Geräte geeignet sind. Es wird kein kurzzeitiges periodisches an das Netz legen von Verbraucher und Meßwiderstand gewählt. Erst dadurch wird die Durchschnittsverlustleistung des Meßvorganges vermindert und damit die Effektivität der Stromeinsparung bei sekundär ausschaltbaren Netzgeräten erzielt.

Bekannt sind auch Netzfreischaltungsgeräte, die mit einer möglichst kleinen Gleichspannung den ohmschen Widerstand des Verbrauchers messen und nur bei einer deutlichen Veränderung des Gleichspannungswiderstandes das Netz dem Verbraucher zu- oder abschalten. Die Geräte sind jedoch für diese Anwendung ungeeignet, da die Messung nicht mit Netzspannung erfolgt und damit die Unterschiede in der Wechselstromverlustleistung nicht erfaßt werden.

Gemäß der Erfindung geht man zur Energieeinsparung von folgender Überlegung aus:
Ein Vorsatzgerät, "das Energiespargerät", zwischen Netz und Verbraucher, legt diesen in kurzen Zeitintervallen nur für eine sehr kurze Meßzeit an das Netz. Als sinnvoll hat sich ein Zeitintervall von 5-10 Sekunden bei einer Meßzeit von 0,1-0,2 Sekunden bewährt. Sobald der Verbraucher sekundär eingeschaltet wird, bleibt er nach der nächsten Meßzeit dauernd am Netz bis zum Ausschalten.

Damit wird der Durchschnittsstrom im ausgeschalteten Zustand um den Faktor 25-100 vermindert. Um einen hohen Spareffekt zu erzielen, muß der Energieverbrauch des Vorsatzgerätes klein gehalten werden. Deshalb wird als Schaltelement möglichst ein nahezu leistungslos steuerbarer Halbleiter eingesetzt. Außerdem sollte ein solches Gerät preiswert und zuverlässig sein, damit sich die Kosten schnell amortisieren.

Leistungsverbrauchsbilanz Beispiel: Halogentischlampe 50 W mit einer Einschaltdauer von 1 Std. am Tag

Ohne Energiespargerät: (∼5 W [aus].23 h + 50 W [ein].1 h).365 d = 60,2 kWh im Jahr
Mit Energiespargerät: (0,1 W [aus].23 h + 50 W [ein].1 h).365 d = 19,1 kWh im Jahr.

Der Spareffekt liegt also bei diesem Beispiel bei ca. 40 kWh. im Jahr bei einem kWh-Preis von z. B. 0,40 DM also 16,- DM/Jahr

Das Prinzip des Energiespargerätes zeigt Fig. 1 als Blockschaltbild. Das Gerät ist zwischen Netz und Verbraucher geschaltet. Wenn der Verbraucher (S_v) ausgeschaltet ist, schaltet die Steuerung alle 5 bis 10 Sekunden für einen Zeitraum von 0,1-0,2 Sekunden den elektronischen Schalter S₁ ein. Am Verbraucher liegt über R_m die volle Netzspannung. Die an R_m liegende Spannung hängt vom Lastwiderstand des Verbrauchers ab. Wird der Verbraucher eingeschaltet, sinkt der Lastwiderstand, die Spannung an R_m überschreitet einen Schwellwert, der elektronischen Schalter S₁ bleibt ab der ersten Meßphase nach dem Einschalten weiter an, der Verbraucher liegt über R_m am Netz bis der Spannungsschwellwert am Meßwiderstand beim Ausschalten des Verbrauchers unterschritten wird. Die Schaltung befindet sich erneut im Antangszustand.

Ausführungsbeispiel

In Fig. 2 ist das Übersichtsschaltbild gezeigt:
Zwischen Netz und Verbraucher liegt das Energiespargerät, bestehend aus:

1. dem elektronischen Schalter, einem Mosfet-Schalttransistor Tr, der sich annähernd leistungslos schalten läßt.
2. einer Gleichrichterbrücke Br, dem Transistor vorgeschaltet, da dieser nur Gleichspannungen schalten kann.
3. dem Meßwiderstand R_m
4. der Steuerung, bestehend aus zwei Teilen. Der Teil 1 bewirkt die Intervallsteuerung wie zu Fig. 1 angegeben, in welcher der Verbraucher sekundär ausgeschaltet ist.

Der Teil 2 mißt über den Meßwiderstand R_m den Innenwiderstand des Verbrauchers und bewirkt das Dauereinschalten in der Zeit, bei welcher der Verbraucher sekundär eingeschaltet ist. Er schaltet den Transistor wieder aus, sobald der Verbraucher ausgeschaltet wird.

In Fig. 3 ist das Detailschaltbild des Ausführungsbeispiels dargestellt:
Die Steuerung besteht im Wesentlichen aus zwei geeignet verschalteten Operationsverstärkern.

Der OP 1, entsprechend Teil 1, wirkt als Kippgenerator zur Erzeugung von Impulsen, Impulslänge 0,1-0,2 Sekunden, Impulspause 5-10 Sekunden, während der Impulszeit wird der Transistor über den OP 2 durchgeschaltet (Meßzeit).

Der OP 2, entsprechend Teil 2, vergleicht die durch den Tiefpaß (R₁/C₁) leicht geglättete Spannung des Meßwiderstandes R_m mit einer Vergleichsspannung U_v. Beim Überschreiten dieser Spannung, sobald der Verbraucher eingeschaltet ist, bleibt der Transistor nach der Meßphase weiter durchgeschaltet.

Beim Ausschalten des Verbrauchers sinkt die Meßspannung unterhalb der Vergleichsspannung, der Transistor schaltet ab bis zum nächsten Impuls von OP 1, der Ein-Ausschaltrhythmus wird fortgesetzt bis zum Wiedereinschalten des Verbrauchers.

Die Vergleichsspannung wird mittels P1 an den jeweiligen Verbraucher angepaßt.

Zur Störunterdruckung muß im zeitlichen Stromminimum, bei induktive Lasten, wie in der Anwendung vorhanden, also im Spannungsmaximum geschaltet werden. Die Schwellwertspannungen sind so dimensioniert, daß die Schaltvorgange netzsynchron im Stromminimum erfolgen.

Die Betriebsspannung für die Schaltung wird durch die Elemente R₂, D₁, R₃, C₂, ZD₁ gewonnen. Die am Meßwiderstand R_m abfällende Leistung ist zu vernachlässigen.

Da die speziellen Operationsverstärker nur geringe Leistungen benötigen, liegt die Eigenstromaufnahme des Vorschaltgerätes parallel zum Verbraucher unter 0,1 W.

Claims

1. Energiespargerät dadurch gekennzeichnet, daß einem elektrischem Verbraucher nur dann eine wesentliche Energie zugeführt wird, wenn dieser wirklich eingeschaltet ist.

2. Eine Ausführung des Energiespargerätes nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) der über das Energiespargerät angeschlossene, elektrische Verbraucher, im sekundär ausgeschalteten Zustand, nur alle 5-10 Sekunden für kürzer als 0,2 Sekunden zur Prüfung des Innenwiderstandes am Netz liegt.
b) der elektrische Verbraucher im eingeschaltetem Zustand dauernd am Netz liegt.
c) die getaktete Messung an einem Meßwiderstand, der in Reihe mit dem Verbraucher bei voller Netzwechselspannung liegt, erfolgt.
d) das Ein- und Ausschalten annähernd im Stromnulldurchgang zur Verminderung von Störungen erfolgt.
e) als Schalter ein Halbleiterelement, wie z. B. Mosfet, Optodiac, Thyristor oder Triac benutzt wird.
f) als Schalter ein nahezu leistungslos steuerbarer Halbleiter zur Verminderung der Eigenverluste des Energiespargerätes eingesetzt wird.
g) die gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Verbraucher möglich ist.