DE4426509C2 - Einrichtung zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers in einem Leitungskreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einer Zeit steigenden Energiebewußtseins wird ein sparsamerer Umgang mit der hochwertigen Energieform Elektrizität immer wichtiger. Der Abnehmer, insbesondere im privaten Haushaft, kennt jedoch den Verbrauch seiner elektrischen Geräte nur ungenügend, etwa anhand der angegebenen Leistung oder insgesamt über den Zählerstand des Hauszählers. Nur technisch versierte Abnehmer trennen den Stromkreis auf, um mittels eines Meßgerätes den tatsächlichen Stromverbrauch zu ermitteln.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung, die z. B. der Stecker am Anschlußkabel des einzelnen Verbrauchers sein kann, lassen sich die Verbrauchsdaten jederzeit korrekt erfassen. Als Anwendungsgebiete bieten sich insbesondere permanent betriebene elektrische Verbraucher an, die zwar, wie z. B. Personalcomputer, Telefaxgerät, Videorecorder oder Kopierer, eine relativ geringe Anschlußleistung haben, aber über große Zeiträume betrieben werden und dadurch einen erheblichen Energieverbrauch aufweisen. Dieser Energieverbrauch läßt sich mit der erfindungsgemäßen Einrichtung über einen größeren Zeitraum erfassen.

Schon seit langem sind zahlreiche Vorschaltzähler bekannt, die jedoch neben dem vergleichsweise hohen Preis weitere Nachteile, wie umständliche Bedienung oder hohen Platzbedarf aufweisen.

In der DE 36 19 053 A1 in Stromkostenzähler zur Ermittlung der laufenden Kosten einzelner elektrischer Verbraucher beschrieben, der unmittelbar in den Leitungskreis des elektrischen Verbrauchers eingeschaltet wird. Der Stromkostenzähler kann als Wandgerät, Tischgerät oder als Einbaugerät ausgestaltet sein.

Die Ausgestaltung als eigenständiges Meßgerät hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Aufwandes für dessen Herstellung, so daß der gleichzeitige Einsatz einer Vielzahl von Meßgeräten, z. B. für die zahlreichen elektrischen Verbraucher eines privaten Haushalts, für den Anwender zu kostspielig ist. Zudem würde z. B. die Montage als Einbaugerät in einer Wand hohe zusätzliche Kosten verursachen, da dessen Platzbedarf erheblich höher als der einer Steckdose ist.

Aus der DE 27 38 853 A1 ist darüber hinaus ein Gerät zum Erfassen, Messen und Anzeigen des Energieverbrauchs elektrischer Verbraucher bekannt, welches ein Ein­ ader Mehrphasenmeßwerk enthält, speziell einem einzelnen Verbraucher zugeordnet ist und nur den Verbrauch dieses einen Verbrauchers erfaßt, mißt und anzeigt.

Eine Vorrichtung zum Ermitteln des Energieverbrauchs von elektrischen Haushaltsgeräten mit einem Meßgerät ist auch aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 81 32 599 U1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind in einem Gehäuse mindestens ein Meßwerk für die verbrauchte elektrische Energie und mindestens eine Anzeige für die in Zählwerken erfaßten Meßwerte angeordnet. Die Vorrichtung ist über einen Stecker mit dem Haushaltsstromnetz verbunden und enthält eine Steckdose für die Aufnahme der Stecker der auf ihren Verbrauch zu prüfenden Geräte.

In H. Völz: Elektronik Grundlagen, Prinzipien, Zusammenhänge Akademie Verlag Berlin, 1986, S. 359 werden Aufbau und Anwendungsmöglichkeiten von LCD-Zellen beschrieben. Insbesondere wird beschrieben, daß für die Anwendung der LCD- Technik für flache Bildschirme Ansteuerschaltungen gleich in bzw. an die LCD-Zelle integriert werden können.

Auch wird in D. Begehr: Der Weg zur Chip-on-Glas-Technologie bei LCD's, in Z.: Der Elektroniker, 7-1984, S. 57 bis 60 beschrieben, daß integrierte Schaltungen in Chip- Form direkt auf der Flüssigkristallanzeige untergebracht werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers anzugeben, das kostengünstig herstellbar und in bestehenden Leitungsnetzen ohne hohen Aufwand einsetzbar ist, so daß nur sehr geringe Zusatzkosten für den Anwender anfallen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus einen Stecker, eine Steckdose, einen Sicherungsautomaten und einen Schalter mit solcher einer Einrichtung bereit.

In die Einrichtung zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers in einem Leitungskreis, z. B. eines Kühlschrankes als Verbraucher im dazugehörigen Versorgungsstromkreis einer Wohnung, sind eine Anzeigeeinheit und eine Meßeinheit zur Bestimmung der Verbrauchsdaten integriert. Als Meßeinheit kann beispielsweise eine übliche Strom- oder Leistungsmeßschaltung mit einem A/D-Wandler und eventuell einem Integrator und einem Speicher zur Aufsummierung der in einem bestimmten Zeitraum verbrauchten Energie dienen. Die Anzeigeeinheit wird vorzugsweise durch ein LCD-Display realisiert.

Durch die Integration von Anzeige- und Meßeinheit in ein Funktionselement des Leitungskreises wird kein externes eigenes Gerät notwendig. Der Verbraucher tauscht vielmehr vorhandene Funktionselemente gegen die erfindungsgemäßen Einrichtungen aus, ohne zusätzlichen Platzbedarf oder Installationsaufwand zu haben. Meß- und Anzeigeeinheit sind daher vorzugsweise so in das Funktionselement integriert, daß dessen äußere Abmessungen dadurch nicht oder nur unwesentlich verändert werden und die einschlägigen Normen und VDE-Vorschriften weiterhin erfüllt sind. Desweiteren kann bereits beim Kauf des Funktionselementes oder des Verbrauchers (beispielsweise mit einer im Anschlußstecker integrierten Meß- und Anzeigeneinheit) die erfindungsgemäße Einrichtung berücksichtigt werden. Die Realisierung der Anzeige- und Meßeinheit z. B. als integrierte Schaltung auf einem Chip mit einem LCD- Display, erlaubt eine kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung, so daß der preisliche Unterschied zwischen einem herkömmlichen Funktionselement und der erfindungsgemäßen Einrichtung nur sehr gering ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Einrichtung keinerlei externe Bedienungselemente, wie z. B. Taster, für die Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten auf. Die Steuerung der Einrichtung kann beispielsweise im Falle eines Steckers über die beiden vorhandenen Pole, im einfachsten Fall über deren Kurzschluß erfolgen. Denkbar sind auch kaskadierende Steuerschaltungen, etwa durch mehrfaches Kurzschließen innerhalb bestimmter Zeit, Umpolen des Steckers, wobei die unterschiedlichen kapazitiven Widerstände zum Erdpotential ausgenützt werden.

Durch den Verzicht auf externe Bedienelemente werden insbesondere mechanische Störanfälligkeit und die Herstellungskosten zusätzlich vermindert.

Erfindungsgemäß ist die Meßeinheit als (mikroelektronisch) integrierte Schaltung ausgeführt, die direkt auf der Anzeigeeinheit, beispielsweise auf das Glassubstrat einer LCD-Anzeige, aufgebracht oder in diese implementiert ist. Die Polarisationsfolie des LCD-Displays wird dann über den IC laminiert. Der Chip der integrierten Schaltung muß dabei so dünn sein, daß er sich in seinen thermomechanischen Eigenschaften an das Glassubstrat anpaßt. Durch die flache Ausführungsform (vorzugsweise weniger als 10 µm dick) kann die Kontaktierung zum LCD-Display durch planare Verdrahtung (z. B. mittels Siebdrucktechnik oder Laserabscheidung) erfolgen. Die flache Form des Chips kann beispielsweise durch Abschleifen oder Abätzen (Chemical Mechanical Polishing, CMP) erreicht werden.

Durch diese Ausführungsform werden der Platzbedarf der Meß- und Anzeigeeinheit sowie die Herstellungskosten durch die Vermeidung aufwendiger Verdrahtung nochmals reduziert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 Beispiele für unterschiedliche Ausführungsformen der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer möglichen Meß- und Anzeigeeinheit der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigten Beispiele für unterschiedliche Varianten der erfindungs­ gemäßen Einrichtung sind ein Stecker (2), eine Steckdose (3) oder ein Siche­ rungsautomat (4), in die jeweils Meßeinheit und Anzeigeeinheit (1) integriert sind. Mögliche Anzeigegrößen (Strom [A], Leistung [W], Energieverbrauch [kWh]) sind ebenfalls in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für den internen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung (5) im Leitungskreis eines Verbrauchers (6). Die grundlegenden Bausteine dieser Ausführungsform sind A/D-Wandler (7), Rechen- und Logikeinheit (8), Displaytreiber (9) zur Ansteuerung der Anzeige (1), Speicher (10), Spannungsversorgung (11), sowie Resetmöglichkeit (12) für den Speicher (10).

Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine digitale, nahezu leistungslose Anzeige (1), die z. B. beleuchtet sein kann, in den elektrischen Stecker (2) des Anschlußkabels eines Verbrauchers (6) integriert. Die Messung soll sich auf den Strom, die Spannung und den über die Zeit sich ergebenden Energieverbrauch beziehen.

Ein derartiger Stecker (2) enthält einen A/D-Wandler (7), der Strom und gegebenenfalls Spannung abtastet und mißt. Beim Betrieb am Wechselstromnetz, dessen Frequenz-Langzeitstabilität garantiert ist, kann eine interne Uhr netzsynchron betrieben werden. Somit ist kein Quarz oder anderes Zeitnormal erforderlich. Die Anzeige der momentanen Leistung und auch der insgesamt entnommenen Leistung erfolgt mittels einer LCD-Anzeige (1) praktisch leistungslos. Dabei ist vorgesehen, in bestimmten Zeitintervallen, etwa alle 15 Sekunden, von einem in den anderen Modus (aktueller Leistungsverbrauch/insgesamt verbrauchte Energie) umzuschalten.

Für die Speicherung des Wertes der verbrauchten Energie bei gezogenem Stecker enthält der Stecker (2) einen nichtflüchtigen Speicher (EPROM) (10), der den zuletzt erreichten Zählerstand über längere Zeiträume (Monat/Jahr) zwischenspeichert.

Die Rückstellung des integrierenden Leistungszählers, der auch als Rückwärtszähler arbeiten kann, wird ohne Taster oder Schalter realisiert. Eine besonders einfache Möglichkeit hierzu bietet der Kurzschluß der beiden Pole des Steckers (2) an einem metallischen Gegenstand. Nach Abziehen des Steckers von der Dose und Kurzschließen der beiden Pole wird der Zähler zurückgestellt, was am Display nach dem nächsten Einstecken verifiziert werden kann.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält der Stecker eine Strommeßmöglichkeit und gegebenenfalls eine Spannungsmeßmöglichkeit. Beide Meßwerte werden in digitale Form gebracht und in bestimmten Zeiträumen (Minuten) in den nichtflüchtigen Speicher (10) eingeschrieben, der die Daten auch ohne Netzverbindung hält.

Diese Ausführungsform ist sehr preiswert zu realisieren. Zweckmäßigerweise werden alle Funktionen in einer einzigen integrierten Schaltung zusammengefaßt. Da die Genauigkeit bestenfalls im unteren Prozentbereich liegen muß, ist ein sehr einfacher Aufbau sowohl des A/D-Wandlers (7) als auch des Speichers (10) und des Displaytreibers (9) mit einer 3 1/2-Dekaden-Anzeige möglich. Die Energieversorgung dieser Elektronik erfolgt durch das Netz, eine Batterie ist nicht vorgesehen.

In großen Stückzahlen (ab 100.000) sind derartige Chips bei einem Flächenbedarf von etwa 6 mm² für knapp DM 0,20 herstellbar. Eine LCD-Anzeige mit etwa 1 cm² aktiver Fläche ist für etwa DM 0,40 herstellbar. Einen wesentlichen Anteil am Preis der LCD- Anzeige wie auch am Chip, hat die Anzahl der Anschlüsse. Hier ist ein weiterer Preissenkungsspielraum gegeben. Durch die Implementierung der integrierten Schaltung direkt auf das Glassubstrat der LCD und planare Verdrahtung, etwa durch Siebdruck oder Maskentechnik, ist das komplette Modul mit lediglich drei Anschlüssen mit den Polen des Steckers verbunden. Externe Beschaltungen wie Induktivität oder Kapazitivität können vollständig vermieden werden. Der Gesamtpreis eines solchen Moduls könnte deutlich unter DM 1,00 liegen.

Neben diesem Ausführungsbeispiel ist die Integration eines entsprechenden Bil­ ligmoduls in die unterschiedlichsten Funktionselemente eines Leitungskreises möglich, wie z. B. Steckerleisten, Sicherungsautomaten, Steckdose oder in den Verbraucher selbst.

Bei Integration eines derartigen Moduls bestehend aus einer Meßeinheit und einer Anzeigeeinheit in Steckdosen, kann beispielsweise die Resetfunktion (12) durch einen speziellen Löschstecker mit definiertem Blindwiderstand oder die Abtrennung der Versorgungsspannung mittels Öffnen der Sicherung des Stromzweiges bewirkt werden.

Claims (16)

1. Einrichtung (5) zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers in einem Leitungskreis, wobei in die Einrichtung (5) eine Anzeigeeinheit (1) und eine Meßeinheit zur Bestimmung der Verbrauchsdaten integriert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit aus einer integrierten Schaltung besteht, die direkt auf der Anzeigeeinheit (1) aufgebracht oder in diese implementiert ist, und die in ihren thermomechanischen Eigenschaften an die der Anzeigeeinheit angepaßt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinheit (1) eine LCD-Anzeige ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung direkt auf dem Glassubstrat der LCD-Anzeige (1) aufgebracht oder in dieses implementiert ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbrauchsdaten die momentane Leistung und/oder der momentane Stromverbrauch und/oder der Energieverbrauch über einen bestimmten Zeitraum sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen nichtflüchtigen Speicher (10), insbesondere ein EPROM, aufweist, der die Werte des Energieverbrauchs bei abgetrennter Stromversorgung zwischenspeichert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtflüchtige Speicher durch Kurzschluß der beiden Pole des Steckers oder durch Einstecken eines speziellen Löschsteckers (12) mit definiertem Blindwiderstand in die Steckdose rückstellbar ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie keine externen Bedienelemente für die Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- oder Aufbauhöhe der integrierten Schaltung auf der Anzeigeeinheit so flach ist, daß die Kontaktierung der integrierten Schaltung durch planare Verdrahtung erfolgen kann.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung mittels Siebdrucktechnik oder Laserabscheidung planar verdrahtet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine interne Uhr enthält, die netzsynchron betrieben wird.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige von momentaner Leistung oder momentanem Stromverbrauch und bisherigem Energieverbrauch abwechselnd in bestimmten Zeitintervallen erfolgt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anzeige von momentaner Leistung oder momentanem Stromverbrauch und bisherigem Energieverbrauch zwei getrennte Anzeigeelemente vorgesehen sind.

13. Stecker (2) mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

14. Steckdose (3) mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

15. Sicherungsautomat (4) mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

16. Schalter mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.