AT502978B1 - System zur steuerung elektrischer verbraucher der elektroinstallationstechnik - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung elektrischer Verbraucher der Elektroinstallationstechnik, welches neben den Verbrauchern Bedien- und Steuerelemente umfasst.

Die automatisierte Steuerung elektrischer Verbraucher der Elektroinstallationstechnik gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dazu zählen beispielsweise das Ein- und Ausschalten von Beleuchtungskörpern zu voreingestellten Zeitpunkten oder aufgrund bestimmter Anlässe wie der mittels Sensoren festgestellten Helligkeit der Umgebung, das Öffnen und Schließen von Fenstern mittels Stellmotoren, die Steuerung der Heizung aufgrund von voreingestellten Temperaturprofilen oder das Ein- und Ausschalten von Küchengeräten wie einer Espressomaschine. Die dafür notwendige Übertragung von Daten von Sensoren zu den Steuereinheiten oder der Schaltbefehle von der oder den Steuereinheiten zu den Verbrauchern erfolgt nach dem Stand der Technik entweder leitungsgebunden oder mittels Funksystemen.

Leitungsgebundene Systeme bedingen einen hohen Installationsaufwand bei der Erstmontage und im Änderungsfall und damit hohe Kosten. Funksysteme dagegen sind technisch komplex und damit störanfällig und ebenfalls kostenintensiv. Darüber hinaus wird die mit Funk verbundene elektromagnetische Strahlung in manchen Fällen als bedrohlich empfunden und der Einsatz in Wohnbereichen deswegen abgelehnt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, welches die mit den bekannten Systemen verbundenen Nachteile nicht aufweist.

Dies geschieht erfindungsgemäß mit einem System zur Steuerung elektrischer Verbraucher der Elektroinstallationstechnik, welches neben den Verbrauchern Bedien- und Steuerelemente umfasst, bei dem den Verbrauchern und den Bedien- und Steuerelementen jeweils Mittel zur Nahfeldkommunikation zugeordnet sind, über welche die Übertragung von Daten und Steuerbefehlen erfolgt, bei dem die Mittel zur Nahfeldkommunikation asymmetrisch in der Weise an elektrisch leitende Infrastrukturelemente angekoppelt sind, dass der Infrastruktur ein quasistationäres Nahfeld mit einem hochfrequenten Wechselstrom aufgeprägt wird.

Bei der Nahfeldkommunikation weist das Nachrichtenübertragungssystem einen Sender auf, mit dessen Koppelelement im Wesentlichen ein elektrisches Nahfeld ausgesendet wird. Dieses Feld wird in einen Infrastrukturkörper eingekoppelt, der meist mehrere elektrisch leitende Elemente aufweist, in denen dann ein leitungsgebundener Strom auftritt. Die Elemente sind elektrisch untereinander und mit dem Erdpotential gekoppelt. Durch geeignete Einkopplung eines Signals wird nun in diesem Infrastrukturkörper über die leitenden Elemente und die zwischen denselben und dem Erdpotenzial vorhandenen Koppelkapazitäten und Koppelwiderstände ein Stromkreis gebildet. An einem beliebigen Punkt des Infrastrukturkörpers kann nun mit geeigneten Empfangselementen eine Potenzialdifferenz gemessen und damit das Signal empfangen werden.

Wesentlich ist dabei, dass Signalfrequenz, Infrastrukturkörper und Sender/Empfänger so aufeinander abgestimmt sind, dass tatsächlich eine Nahfeldkommunikation stattfindet, dass also keine Funkverbindung mit vorwiegender Abstrahlung des Signals über den Innenraum eines Gebäudes vorliegt, sondern tatsächlich eine vorwiegend kapazitive Kopplung an Infrastrukturelemente erfolgt, die aber in der Weise erfolgen muss, dass an einer örtlich entfernten Stelle ein Signal mit ausreichendem Signalpegel empfangen werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen System werden die Verluste eines strahlenden Systems vermieden, und somit ein sehr geringer Stromverbrauch in Sender und Empfänger erreicht. Es werden keine sich weit ausbreitenden, unerwünschten Streufelder produziert, da die Einkopplung vom Sender in den Infrastrukturkörper durch ein elektrisches Nahfeld mit einer nur geringen Reichweite vonstatten geht. Als Infrastrukturkörper können alle Körper verwendet werden, die elektrisch leitende Elemente aufweisen. Vorteilhaft sind dies elektrisch leitende Infrastrukturelemente wie Heizungsrohre, elektrische Stromversorgungen oder elektrisch leitende Folien. In Fällen, in 3 AT 502 978 B1 denen die vorhandene Infrastruktur nicht ausreicht, können beispielsweise per Spray oder mit dem Pinsel leitende Schichten aufgebracht werden, welche die Leitfähigkeit des Systems verbessern.

Die Hauptverluste entstehen dabei in den Kopplungskapazitäten und Kopplungswiderständen zwischen den unterschiedlichen leitenden Elementen, sowie durch die Eigeninduktivitäten dieser Elemente.

Durch die Verlagerungen der Übertragungsstrecke von Strahlungsfernfeld (Funkbereich) in ein quasistationäres Nahfeld mit einem hochfrequenten Wechselstrom werden auch typisch nachteilige Eigenschaften von Funksystemen wie Störeinflüsse auf elektrische Geräte unterbunden. Damit ist auch eine Zulassung bei Funkbehörden nicht mehr notwendig, da die Signalpegel gering gehalten werden.

Eine Signalübertragung im quasistationären elektrischen Feld benötigt auch keine Taktgewinnung auf der Empfängerseite, denn der Systemtakt wird einheitlich in das Übertragungsmedium (Infrastrukturkörper mit seinem Leiterelement) eingespeist. Grundsätzlich können aber die üblichen Verfahren der Funktechnik, wie Trägeraufbereitung, Modulation, Multiplexverfahren, Empfang und Demodulation uneingeschränkt angewendet werden.

Die vorteilhafte Nutzung des Frequenzbandes zwischen 5 MHz und 50 MHz für den hochfrequenten Wechselstrom führt dazu, dass die elektronische Schaltung in stromsparender CMOS-Technologie ausgeführt werden kann, und die Koppelelemente, deren Abmessungen gering gegenüber der Wellenlänge des Wechselstromes sein sollte, die Größe herkömmlicher Schalter aufweisen.

Besonders günstig ist der Einsatz einer Frequenz von 13,56 MHZ für den hochfrequenten Wechselstrom. Diese Frequenz liegt in einem sogenannten ISM-Band, also einem für Industrie, Wissenschaft und medizinische Anwendungen freigegebenen Frequenzbereich mit einer generellen Bewilligung. Geräte, die in diesem Frequenzband arbeiten, können vom Benutzer sofort in Betrieb genommen werden, ohne dass vor der Erstinbetriebnahme um eine eigene Bewilligung angesucht werden muss.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen beispielhaft:

Fig. 1 und Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steuerungssystems und

Fig. 3 schematisch die Anbringung von zusätzlichen Infrastrukturelementen in einem Raum.

Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt schematisch den Einsatz der Erfindung zur Steuerung eines Beleuchtungselementes 6. Als Steuerelement dient ein Schaltelement 1, welches optisch den Schaltelementen der Elektroinstallation entspricht. Im Unterschied zu üblichen Schaltern weist das erfindungsgemäße Schaltelement 1 jedoch einen Sender und ein Koppelelement auf, mit denen im Wesentlichen ein elektrisches Nahfeld ausgesendet wird. Dieses Feld wird in die Wand eines Gebäudes asymmetrisch eingekoppelt. In und an der Wand sind elektrisch leitende Infrastrukturelemente, wie Telefonkabel, Koaxkabel Stromleitungen 2 oder auch Heizungsleitungen und Heizkörper 4 vorhanden, die elektrisch untereinander und mit dem Erdpotential E vorwiegend kapazitiv gekoppelt sind. Durch die asymmetrische Einkopplung eines hochfrequenten Wechselstroms wird nun in diesem Infrastrukturkörper über die leitenden Elemente und die zwischen denselben und dem Erdpotential E vorhandenen Koppelkapazitäten und Koppelwiderstände K ein Stromkreis gebildet.

An einem beliebigen Punkt des Infrastrukturkörpers kann nun mit geeigneten Empfangseiemen-

Claims (6)

1. 4 AT 502 978 B1 ten 5 eine Potentialdifferenz gemessen und damit das Signal empfangen werden. Wesentlich ist dabei die Frequenz des hochfrequenten Wechselstroms, die so gewählt werden muss, dass die Übertragungseigenschaften des Infrastrukturkörpers ein Optimum erreichen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde eine Frequenz von 13,56 MHz für den hochfrequenten Wechselstrom gewählt. Diese Frequenz liegt in einem für Industrie, Wissenschaft und medizinische Anwendungen freigegebenen Frequenzbereich mit einer generellen Bewilligung, einem sogenannten ISM-Band. Damit ist für den Betrieb des erfindungsgemäßen Systems keine gesonderte behördliche Bewilligung (Lizenz) erforderlich. Die Übertragungseigenschaften der vorhandenen elektrischen Infrastruktur können durch die Montage von zusätzlichen leitenden Elementen, wie eine elektrisch leitende Folie 3, verbessert werden. Diese Folie wird bei Gebäuden vorteilhaft in Form eines umlaufenden Bandes in einer Höhe von etwa 1,2 m angebracht. Da sich üblicherweise auch die Schaltelemente 1 in dieser Höhe befinden, sind damit gute Kopplungseigenschaften gewährleistet. Ein Beispiel dazu ist in Fig. 3 dargestellt. Anstelle der Folie ist auch ein metallisches Gitter vorstellbar, das in den Verputz vor dem Aufbringen eingearbeitet wurde. Eine besonders einfache Aufbringung des elektrisch leitenden Infrastrukturelementes ist dann gegeben, wenn elektrisch leitende Beschichtungen wie z.B. Lacke verwendet werden, die beispielsweise per Spray oder Pinsel auf die Wand aufbracht werden können. Damit können auch elektrisch problematische Verhältnisse auf einfache Weise erheblich verbessert werden. Der Anwendung der vorliegenden Erfindung sind somit nahezu keine Grenzen gesetzt. Beispielhafte Einsatzbereiche sind allerdings in Fig. 2 dargestellt. Dabei handelt es sich um die Steuerung einer Lichtquelle 8 und einer Jalousie 9 mittels Dämmerungssensor 7 bzw. Schalter 1 und um die Ansteuerung eines Heizkörpers 10 mittels Regler 11. Patentansprüche: 1. System zur Steuerung elektrischer Verbraucher der Elektroinstallationstechnik, welches neben den Verbrauchern Bedien- und Steuerelemente (1, 7, 11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (6, 8, 9, 10) und die Bedien- und Steuerelemente (1,7, 11) jeweils mit Sende-, Koppel- und/oder Empfangselementen (5) zur Nahfeldkommunikation verbunden sind, über welche die Übertragung von Daten und Steuerbefehlen erfolgt, und dass die Sende-, Koppel- und/oder Empfangselemente (5) zur Nahfeldkommunikation asymmetrisch in der Weise an elektrisch leitende Infrastrukturelemente (2, 3, 4) angekoppelt sind, dass der Infrastruktur ein quasistationäres Nahfeld mit einem hochfrequenten Wechselstrom aufgeprägt wird.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitende Infrastrukturelemente Heizungsrohre (4), elektrische Stromleitungen (2) oder elektrisch leitende Folien (3) vorgesehen sind.
3. 3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitende Infrastrukturelemente in oder unter Putz verlegte metallische Gitter (3) vorgesehen sind.
4. 4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitende Infrastrukturelemente per Spray oder mit dem Pinsel aufgebrachte leitende Schichten (3) vorgesehen sind. 5 AT 502 978 B1
5. 5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des hochfrequenten Wechselstromes des quasistationären Nahfeldes im Bereich von 5 bis 50 MHz liegt.
6. 6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des hochfrequenten Wechselstromes 13,56 MHZ beträgt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen