DE69817554T2 - Modul zur laststrom steuerung mit erfassung der stellung eines schalters - Google Patents

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Description

  • 1. Die Erfindung betrifft das Gebiet der in Netzwerken zu verwendenden Module, die den Betrieb von mit dem Netzwerk verbundenen Einrichtungen steuern.
  • 2. Stand der Technik
  • Zahlreiche Netzwerke sind für Steuerung von Einrichtungen wie zum Beispiel Geräten, Maschinen, Beleuchtung, usw. bekannt, welche mit dem Netzwerk verbunden sind. Zwischen den Einrichtungen werden Signale über Leitungen, wie zum Beispiel Twisted-Pair-Leitungen, Stromleitungen oder durch Funk(RF)- oder Infrarot(IR)-Verbindungen übertragen. Ein derartiges System wird von der Echelon Corporation unter der Marke LONWORKS® vertrieben. Das System ist teilweise in dem US-Patent 4,918,690 beschrieben. Ein anderes System ist in dem US-Patent 5,471,190 beschrieben. Noch ein weiteres Kommunikationssystem ist als "X10" bekannt und wird von der X10 USA, Ltd. hergestellt. Ein weiteres Beispiel einer Anordnung nach dem Stand der Technik ist in der US 4,024,528 offenbart (nächstkommender Stand der Technik).
  • Am häufigsten wird, wie in 1 aus dem US-Patent 4,918,690 und 2 aus US-Patent 5,471,190 gezeigt, die Stellung eines mit einer Schaltung verbundenen ersten Schalters abgetastet und der Zustand des Schalters wird zur Steuerung eines elektronischen Schalters verwendet, der in Reihe mit einer Last, wie zum Beispiel einer Lampe, geschaltet ist. Der erste Schalter befindet sich nicht in dem Pfad, der die Last enthält.
  • Wie zu sehen sein wird, weicht die vorliegende Erfindung von dieser Anordnung ab, indem sie die Stellung eines ersten in Reihe mit der Last geschalteten Schalters abtastet, und den Zustand dieses Schalters dann zur Steuerung des Stromes durch die Last und des Stromes durch andere entfernt angeordnete Lasten verwendet.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Modul zur Verbindung zwischen einer Wechselstrom(AC)-Quelle und einer elektrischen Last mit einem in Reihe geschalteten und der Last zugeordneten ersten Schalter wird beschrieben. Eine elektrisch gesteuerte Schalteinrichtung ist in dem Modul enthalten, um den Wechselstromfluß von der Quelle durch die Last und den ersten Schalter zu steuern. Die Schalteinrichtung wird von einer Steuerschaltung gesteuert. Die Steuerschaltung ist mit einer Abtastschaltung gekoppelt, die den Zustand des ersten Schalters abtastet bzw. erfaßt. Wenn der Zustand des ersten Schalters geändert wird, zum Beispiel geschlossen, tastet die Abtastschaltung diese Änderung ab und bewirkt, daß die Schalteinrichtung den Wechselstromfluß durch den ersten Schalter und die Last erlaubt. Diese anscheinend redundante Handlung der Schalteinrichtung ist von hohem Nutzen, wie zu sehen sein wird.
  • Bei einer Ausführungsform ist eine Nachricht, die den Zustand des Schalters anzeigt, durch einen Sendeempfänger mit dem Wechselstromnetzwerk gekoppelt und erlaubt es, daß elektrisch gesteuerte Schalter in Modulen aktiviert werden, die anderen Lasten zugeordnet sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen Moduls. Diese Figur zeigt ebenfalls die zwischen Stromleitungen und einer Last gekoppelten Module.
  • 2 zeigt die Verwendung von zwei Modulen in einem Netzwerk.
  • 3 zeigt ein Diagramm einer Mehrzahl von Signalformen, die zur Beschreibung der Funktionsweise einer Ausführungsform der Abtastschaltung verwendet werden.
  • 4 zeigt eine schematische Elektrik-Darstellung einer Stromversorgung mit einer Abtastschaltung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Ein Modul zur Steuerung eines Stromflusses, insbesondere eines Wechselstromflusses (AC), wird beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Details beschrieben, wie zum Beispiel eine bestimmte Stromversorgung. Es ist dem Fachmann klar, daß die vorliegende Erfindung ohne diese Details angewendet werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Schaltungen, wie zum Beispiel Sendeempfänger, nicht ausführlich beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht zu verdecken.
  • Modul aus 1
  • In 1 ist das Modul 10 in einer Ausführungsform gezeigt, die für 110 Volt bei 60 Perioden Wechselstrom geeignet ist, wie er in den Vereinigten Staaten verwendet wird. Das Modul wird zwischen den AC-Stromleitungen 15 und einer Last 11 verwendet. Die Stifte 26 eines Standard AC-Steckers, der an dem Modul 10 angebracht ist, werden in eine Steckerbuchse 14 eingeführt. Die Steckerbuchse erhält Strom von den AC-Stromleitungen 15.
  • Die Last 11 ist mit einem der Last zugeordneten ersten Schalter 12 in Reihe geschaltet, und diese Komponenten sind mit einem Stecker 13 verbunden. Der Stecker 13 greift in eine Steckerbuchse 25 des Moduls 10 in zusammenwirkender Weise ein. Der erste Schalter kann ein manueller Schalter sein, ein indirekt durch eine andere Einrichtung, wie zum Beispiel eine Fernsteuerung, eine Fotozelle, etc., gesteuerter Schalter oder ein anderer Schalter sein, der mit der Last in Reihe geschaltet ist.
  • Das Modul selbst enthält bei einer Ausführungsform einen Sendeempfänger 20, der Steuersignale auf die Stromleitungen 15 sendet und von dieser empfängt und der Signale an die Steuerschaltung 21 bereitstellt und von dort empfängt. Die Steuerschaltung 21 stellt Signale zur Steuerung eines elektrisch steuerbaren Schalters 27 zur Verfügung. Der Schalter 27 erlaubt, im geschlossenen Zustand, daß Strom von der Stromleitung 15 zu der Last 11 fließt, sofern der Schalter 12 geschlossen ist.
  • Die Abtastschaltung 23 tastet die Stellung des ersten Schalters 12 ab und stellt an der Steuerschaltung 21 Signale zur Verfügung, die repräsentativ für den Zustand des Schalters 12 sind (das heißt offen oder geschlossen). Bei einer Ausführungsform gibt es eine der Schalterschaltung zugeordnete Ableitung, die bei der Abtastung zu Hilfe genommen wird.
  • Ein DC-Stromversorgung 22 empfängt AC-Strom über die Leitungen 15 und stellt dem Sendeempfänger 20 und der Steuerschaltung 21 DC-Strom zur Verfügung und kann, wo benötigt Strom an der Abtastschaltung 23 zur Verfügung stellen. Zusätzlich kann DC-Strom durch die Steuerschaltung und/oder den Schalter 27 verwendet werden, wie in Verbindung mit 4 gezeigt wird, in der der Schalter 27 ein Triac ist.
  • Im Betrieb tastet die Abtastschaltung 23 den Zustand des Schalters 12 ab. Wenn sie abtastet, daß sich der Zustand des ersten Schalters 12 verändert hat, daß zum Beispiel bei einem Schalter mit zwei Stellungen der Schalter geschlossen wurde, stellt sie der Steuerschaltung 21 ein Signal zur Verfügung, die wiederum den Schalter 27 schließt und ermöglicht, daß der Strom durch die Last 11 fließt. Man beachte, daß in der Anordnung aus 1 der Zustand eines ersten Schalters abgetastet wird und dieser Schalter in Reihe mit der Last geschaltet ist. Dies ermöglicht zum Beispiel, daß Geräte, Lampen oder viele andere elektrische Einrichtungen, die sowohl daheim als auch beruflich verwendet werden und erste Schalter aufweisen, mit einem Netzwerk zur entfernten Abtastung und Steuerung verbunden werden, ohne eine neue Verkabelung und ohne den Bedarf für zusätzliche erste Schalter zu erfordern.
  • Anders betrachtet kann der erste Schalter, der üblicherweise eine Last, wie zum Beispiel eine Lampe, ein- und ausschaltet, nun vielseitiger verwendet werden. Sobald zum Beispiel der Schalter 12 geschlossen und die Lampe eingeschaltet ist, kann die Steuerschaltung 21 so programmiert sein, daß sie das Öffnen und Schließen des Schalters 12 innerhalb eines Zeitraumes erkennt; sagen wir zum Beispiel innerhalb von zwei Sekunden. Dieses Öffnen und Schließen des Schalters 12 kann als Anweisung erkannt werden und von der Steuerschaltung zum Beispiel zum Dimmen der Lampe verwendet werden. Oder das sequenzielle (das heißt nacheinander folgende) Öffnen und Schließen des ersten Schalters kann sequenziell verschiedene Stufen der Intensität auswählen. Auf diese Weise kann ein üblicher mit einer üblichen Glühlampe verbundener Schalter bewirken, daß die Glühlampe die Funktionen einer Drei-Wege- oder N-Wege-Glühlampe aufweist.
  • Es wird nun auf 2 Bezug genommen. Zusätzlich kann der erste Schalter zur Steuerung anderer elektrischer Elemente verwendet werden. In 2 sind zwei Module 30 und 31 gezeigt, die jeweils gleich dem Modul 10 aus 1 sein können. Das Modul 30 verbindet die Stromleitungen 36 mit einer Lampe 33 über einen ersten Schalter 32. Das Modul 31 verbindet die Stromleitungen 36 mit einem Fernsehgerät 35. Wenn der Schalter 32 geschlossen ist und die Lampe 33 leuchtet, kann der Sendeempfänger innerhalb des Moduls 30 ein Signal an den Sendeempfänger des Moduls 31 senden, das das Modul 31 veranlaßt, Strom an den Fernseher 35 oder ein anderes Gerät zu liefern. Auf diese Weise kann ein Ein- und Ausschalten der Lampe 32 eine entfernt angeordnete elektrische Einrichtung aktivieren. Oder das Modul kann zum Beispiel derart programmiert werden, nur dann ein Signal an das Modul 31 zu senden, wenn die Lampe 33 gedimmt ist, so daß das Fernsehgerät 35 nur dann eingeschaltet wird, wenn die Lampe 33 gedimmt ist. Alternativ kann die Aktivierung des TV in dem Modul 31 abgetastet werden und die Dimmung der Lampe 33 bei dem Schließen des Schalters 32 zu bewirken. Wenn der Schalter 32 geschlossen wird, könnte dies in einem anderen Beispiel andere Module aktivieren, so daß andere Lampen eingeschaltet werden. Wenn in gleicher Weise die Dimmung durch den Schalter 32 stattfindet, könnte dies die anderen Modulen zugeordneten Lampen dimmen und gleichzeitig auch den Fernseher 35 einschalten. Alternativ könnte ein Steuer-Zeitgeber, der einer Last zugeordnet ist, eine Aktion in anderen Modulen auslösen. Vielfältige andere Möglichkeiten und Kombinationen können mit den Modulen erzielt werden.
  • Ausführungsform aus 4
  • 4 zeigt teilweise eine Stromversorgung nach dem Stand der Technik zur Bereitstellung von DC-Strom (VA und VDD) an die Sendeempfänger 20 und die Zelle 21 und an die Steuerleitung eines Triacs. Zusätzlich stellt die Schaltung aus 4 die Abtastung dar, die durch die Abtastschaltung 23 aus 1 ausgeführt wird.
  • Die Stromversorgung ist zwischen den Leitungen 52 und 60 gekoppelt, die AC-Quelle. Die Leitung 52 ist durch die Spulen 41 und 42 und den Kondensator 43 mit einer Diodenbrücke 45 gekoppelt. Die Diodenbrücke ist auch mit dem Nulleiter 60 verbunden. Die Ausgabe der Diodenbrücke, Leitung 46, ist das positive Potential (VA) und die Leitung 61 ist die gemeinsame Stromversorgungsverbindung. Die gemeinsame Stromversorgungsverbindung 61 ist bezüglich des Nulleiters 60 wegen der Dioden-Graetz-Schaltung 45 nicht festgelegt.
  • VA wird durch die Zener-Diode 47 geregelt. Diese Diode ist in Reihe mit den Dioden 48 und 49 gekoppelt. Die Dioden 48 und 49 sind thermisch mit der Diode 47 gekoppelt, so daß ihre Temperatur ungefähr gleich der Temperatur der Diode 47 ist. Dies ermöglicht eine Temperaturkompensation für das Potential VA. VA wird ebenfalls zur Stromversorgung eines Li nearreglers 51 verwendet. Die Ausgabe der Versorgung 51 ist bei der dargestellten Ausführungsform +5V auf der Leitung 75 (VDD). Das Potential VA versorgt ebenfalls die Sende- und Empfangsschaltung des Sendeempfängers 20 mit Strom.
  • Die Leitung 52 ist durch die Hauptanschlüsse 58 eines Triacs mit der Leitung 59 verbunden. Diese Leitungen sind zum Beispiel zusammen mit der Leitung 60 mit dem ersten Schalter 12 und der Last 11 aus 1 gekoppelt. Der optisch gekoppelte Triac (umfassend 55 und 57) wird durch die Leuchtdiode 55 gesteuert, die Strom über die Leitung 75 durch den Widerstand 56 erhält. Ein über die Leitung 50 mit der Diode 55 gekoppeltes niedriges Potential macht die Diode leitend und stellt Licht zur Triggerung des Steuertriacs 57 in den Leitzustand zur Verfügung. Der Widerstand 72 und der Kondensator 71 ermöglichen eine Filterung zur Verhinderung von unerwünschter Rausch-Triggerung. Wenn der Triac 57 leitend ist, fließt Strom zwischen Leitung 52 und Leitung 59 durch die Last und den ersten Schalter. Es ist bekannt, daß diese Leitung über ausgewählte Teile des AC-Zyklus auftreten kann und dadurch zum Beispiel eine zwischen den Leitungen 59 und 60 verbundene Glühlampe dimmt.
  • Der Sendeempfänger 20 empfängt Signale von der Stromleitung 52 über die Spule 41 und den Kondensator 62 und überträgt Signale über die Kondensatoren 63, 62 und die Spule 41. Die Spule 64 ist mit der gemeinsamen Stromversorgungsverbindung 61 gekoppelt und diese gemeinsame Verbindung ist durch die Kondensatoren 65 und 66 mit den Leitungen 52 bzw. 60 gekoppelt. Die Übertragungsleitung ist auch zum Verhindern des Übersteuerns über das Potential VA durch die Diode 67 geklemmt. Die Kopplung der Empfangs- und Übertragungssignale zu und von der Versorgungsleitung ist eine bekannte Konfiguration, um Hochfrequenzkommunikationssignalen im wesentlichen ohne die Überlagerung von 60 Hz Stromsignalen zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform ist der Sendeempfänger 20 ein kommerziell verfügbarer Sendeempfänger der Eche lon Corporation und zwar der PLT 21 Stromleitungs-Sendeempfänger. Zusätzlich ist die oben beschriebene Stromversorgung und die Koppelung des Sendeempfängers mit der Stromleitung in dem "PLT 21 Power Line Transceiver User's Guide" beschrieben.
  • Die Zelle 21 kann ein Mikroprozessor oder ein Steuerprogramm zur Ausführung der unten beschriebenen Funktionen sein, oder kann eine intelligente Zelle sein, bekannt als Neuron®-Chip. Solche Zellen sind von Motorola, Teilnummer MC143120B1DW erhältlich. Die Zellen können zur Ausführung der in dieser Anmeldung beschriebenen Funktionen programmiert sein.
  • Abtastschaltung
  • Der Zustand eines mit der Leitung 59 verbundenen ersten Schalters wird auf der Leitung 70 durch den Widerstand 74 abgetastet. Der Widerstand koppelt die Leitung 59 mit einem Eingangsanschluß der Zelle 21. Wie zu sehen sein wird, wird das Potential dieser Leitung im wesentlichen mit dem Potential (Referenzsignal) verglichen, das mit einem anderen Eingangskontakt der Zelle 21 auf Leitung 69 verbunden ist. Die Leitung 69 ist mit der Leitung 52 durch den Widerstand 73 gekoppelt.
  • Intern in der Zelle 21 sind die Leitungen 69 und 70 durch Dioden zwischen der gemeinsamen Verbindung 61 und VDD geklemmt. Dies verhindert ein Überschwingen dieser Referenzsignale in der positiven Richtung, VDD plus einen Dioden-Abfall, und in der negativen Richtung, das Potential auf Leitung 61 abzüglich eines Dioden-Abfalls. Das Referenzsignal auf Leitung 69 (wenn geklemmt) ist entlang der Achse 80 der 3 dargestellt. Es ist zu sehen, daß das Referenzsignal auf Leitung 80 nach dem Klemmen ungefähr einer Rechteckwelle mit einer Periode entspricht, die gleich der Periode der 60 Hz Stromfrequenz ist.
  • Auf den ersten Blick scheint es so, daß die Leitung 59 vollständig potentialfrei (floating) ist, wenn der Triac nichtleitend ist. Jedoch ist diese Leitung mit der Versorgungsleitung über den Widerstand 72 und Kondensator 71 gekoppelt. Daraus folgt, daß das Signal auf der Leitung 70 (Abtastsignal) tatsächlich drei verschiedene stabile Zustände hat. Einen, wenn der erste Schalter geöffnet ist, einen zweiten, wenn der erste Schalter geschlossen und der Triac leitend ist und einen dritten, wenn der erste Schalter geschlossen und der Triac ausgeschaltet ist. Diese sind jeweils auf den Achsen 82a, 82b bzw. 82c in 3 gezeigt. Die den verschiedenen Geraden einer Teilleitung des Triacs zugeordneten Signalformen sind nicht dargestellt. Ferner steht die Signalform auf Achse 82b für eine Triac-Leitung für etwas weniger als 100% der Zeit.
  • Wie aus der Signalform der Achse 82a zu erkennen ist, folgt das Abtastsignal für den geöffneten ersten Schalter im wesentlichen dem Referenzsignal auf Achse 80. wenn der erste Schalter geschlossen und der Triac nichtleitend ist, wie auf Achse 82c gezeigt, gibt es eine Phasenverschiebung in dem Abtastsignal. Man beachte, daß der Positiv-zu-Negativ-Übergang in dem Abtastsignal gegenüber dem Positiv-zu-Negativ-Übergang in dem Referenzsignal verschoben ist. Für den Fall schließlich, wenn der erste Schalter geschlossen und der Triac leitend ist, wie auf der Achse 82b zu sehen, gibt es eine den Positiv-zu-Negativ-Übergängen des Referenzsignals folgende Zeitperiode, in der das Abtastsignal positiv bleibt. Während der Periode 83 ist das Signal zum Zweck der Detektion nicht gut definiert.
  • Es wird auf 3 Bezug genommen. Wenn man die Periode nach dem Übergang des Referenzsignales von positiv nach negativ untersucht, kann gesehen werden, daß das Abtastsignal hoch ist, wenn der erste Schalter geschlossen ist und niedrig ist, wenn der erste Schalter offen ist. Während der ersten 1.5 Millisekunden, die den Positiv-nach-Negativ-Über gängen des Referenzsignales folgen, untersucht die Zelle 71 den Zustand des Abtastsignals. Falls beide niedrig sind, wird bestimmt, daß der erste Schalter offen ist. (Vergleiche die Signalformen auf den Achsen 80 und 82a während der 1.5 Millisekundenperiode.) Falls andererseits das Referenzsignal niedrig und das Abtastsignal während dieser Periode hoch ist, ist bekannt, daß der erste Schalter geöffnet ist. (Vergleiche die Signalform auf der Achse 80 mit den Signalformen auf den Achsen 82b und 82c während der 1.5 Millisekundenperiode.)
  • Durch Hinzufügen von zwei Widerständen (73 und 74) zu der bekannten Stromversorgung aus 4, werden folglich genügend Informationen erhalten, um eine Bestimmung des Zustandes (offen oder geschlossen) eines ersten Schalters erhalten.
  • Die Signalformen aus 3 wurden unter Verwendung einer 100 Watt Glühlampe als Last erhalten. Ähnliche Ergebnisse können mit Glühlampen anderer Wattstärken erzielt werden.
  • Die Abtastschaltung aus 4 wirkt teilweise aufgrund der relativen Bewegung des Potentials zwischen der gemeinsamen Verbindung 61 und dem Nulleiter 60, die sich aus der Leitung von wechselnden Diodenpaaren des Brückengleichrichters 45 ergibt. Wenn eine andere Netzteil-Topologie verwendet wird, können andere Schaltungen zur Abtastung des Zustandes des ersten Schalters verwendet werden. Zusätzlich wird die Abtastung des Zustandes des ersten Schalters in einigen Fällen von der Art der Last abhängig sein (zum Beispiel induktive Last), was Verschiebungen in den Signalformen verursacht und eine Untersuchung des Abtastsignals in verschiedenen Zeitperioden erfordert, oder die Abtastung eines Signals von verschiedenen Punkten des Moduls erfordert.
  • Die oben beschriebenen Module können ebenfalls zum Bericht ihres Status (zum Beispiel erster Schalter offen/geschlossen) an eine zentrale Überwachungseinheit ver wendet werden, die zum Beispiel die Statusinformationen anzeigt. Dann kann man zum Beispiel überwachen, welche Lichter oder Geräte eingeschaltet oder ausgeschaltet sind. Man beachte, daß das Fehlen einer Last (zum Beispiel eine durchgebrannte Glühlampe) in einigen Fällen auch angezeigt werden kann.
  • Es wurde ein Modul für die Zwischenschaltung zwischen AC-Stromleitungen und einer Last mit einem ersten Schalter beschrieben. Das Modul ist zur Abtastung des Zustandes des ersten Schalters in der Lage und dadurch zur Steuerung der Stromversorgung der Last und anderer Lasten, die mit anderen Modulen verbunden sind.

Claims (5)

  1. Ein Modul (10) zur Verbindung zwischen einer Wechselstrom(AC)-Quelle (15) und einer elektrischen Last (11), mit welcher Last ein erster Schalter in Reihe geschaltet ist, wobei das Modul aufweist: eine elektrisch gesteuerte Schalteinrichtung, die so gekoppelt ist, daß sie den Wechselstromfluss von der Quelle durch die Last (11) und den ersten Schalter (12) steuern kann; eine Steuerschaltung (21) zur Steuerung der Schalteinrichtung; gekennzeichnet durch: eine mit der Steuerschaltung (21) zum Abtasten von Zuständen des ersten Schalters (12) gekoppelte Abtastschaltung (23), so daß der Zustand des ersten Schalters ermittelt und zur Steuerung der Schalteinrichtung verwendet wird; und einen mit der Steuerschaltung (21) und der Wechselstrom-Quelle gekoppelten Sendeempfänger (20) zur Übertragung von die Zustände des ersten Schalters (12) darstellenden Signalen und zum Empfangen von Signalen von anderen Modulen, die den Zustand eines einem der anderen Module zugeordneten anderen ersten Schalters anzeigen, um die Schalteinrichtung auf Grundlage des Zustandes des anderen ersten Schalters zu steuern.
  2. Das Modul gemäß Anspruch 1, wobei der erste Schalter (12) ein manueller Schalter ist.
  3. Das Modul gemäß Anspruch 1, wobei der erste Schalter (12) und die Schalteinrichtung in Reihe mit der Last geschaltet sind.
  4. Das Modul nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Schalteinrichtung ein TRIAC ist.
  5. Das Modul nach Anspruch 4, wobei die Steuerschaltung (21) den TRIAC zur Durchleitung für weniger als eine volle Periode des Wechselstroms veranlaßt, wenn sich der Zustand des Schalters mehr als einmal geändert hat.
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