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Die
Erfindung betrifft ein Busgerät mit einer elektronischen
Schaltung, die über Zuleitungen mit einer Kleinspannungsschnittstelle
verbunden ist, welche mindestens eine erste und eine zweite Anschlussklemme
zum Anschluss einer Busleitung an die elektronische Schaltung aufweist,
welche elektronische Schaltung eine Stromquelle umfasst, ein Steuerungssystem
für mehrere verteilt angeordnete Verbraucher, insbesondere
für Lampenbetriebsgeräte, sowie ein Bussystem,
welches mehrere verteilt angeordnete und über eine Busleitung
verbundene Busgeräte umfasst.
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Als
Kleinspannung werden in der Elektrotechnik üblicherweise
Wechselspannungen bis 50 V Effektivwert und Gleichspannungen bis
120 V bezeichnet.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Busgeräte mit einer
elektronischen Schaltung, Bussysteme und Steuerungssysteme für
mehrere verteilt angeordnete Verbraucher bekannt.
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Die
DE 10 2006 033 673
A1 zeigt ein Lichtsteuerungssystem für ein Gebäude.
Dabei wird jeder Leuchte im Gebäude ein Steuersystem zugeordnet. Die Übermittlung
von Steuerbefehlen zu den einzelnen Leuchten bzw. den elektronischen
Vorschaltgeräten (EVG) der Leuchten erfolgt dabei gemäß dem sogenannten
DALI-Standard.
DALI steht für „digital adressable lighting interface”.
Es handelt sich hierbei um eine speziell von der Leuchtenindustrie
entwickeltes 2-Draht-Bussystem zur Übermittlung digitaler Steuerbefehle,
welche die Möglichkeit eröffnet, einzelne Leuchten
ein- und auszuschalten, sowie Dimmbefehle zu übermitteln,
um die Helligkeit nahezu stufenlos zu regeln. Dieser
DALI-Standard hat sich
in letzter Zeit immer weiter durchgesetzt, da hierdurch eine komfortable
ferngesteuerte Beleuchtungssteuerung realisiert werden kann.
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Zur
Stromversorgung des DALI-Busses werden geeignete Stromquellen verwendet.
Eine DALI-Stromquelle umfasst im einfachsten Fall eine Gleichspannungsquelle
mit einer Leerlaufspannung von 11,5 V bis 20,5 V und einer integrierten
Strombegrenzung auf maximal 250 mA. Damit können bis zu 64
an den DALI-Bus angeschlossene EVGs angesteuert werden, von denen
jedes beispielsweise eine BUS-Stromaufnahme von maximal 2 mA hat.
Der DALI-Bus umfasst weiter wenigstens ein Steuergerät,
das die Steuerbefehle an die angeschlossenen EVGs übermittelt.
Die Stromquelle kann auch in dem Steuergerät integriert
sein.
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Die
DE 10 2005 057 068
A1 zeigt ebenfalls ein Steuerungssystem zum Betreiben mehrerer
verteilt angeordneter Verbraucher, insbesondere zum Betreiben von
verteilt angeordneten Lampenbetriebsgeräten, an einem DALI-Bus.
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Bei
Gebäudebussystemen wie beispielsweise dem vorerwähnten
DALI-Bus werden oft die Busleitungen in räumlicher Nähe
zu den Versorgungsleitungen für die Stromversorgung mit
230 V Netzspannung verlegt. Die beiden DALI-Steuerleitungen können
gemeinsam mit den Netzleitungen in einem gemeinsamen Kabel geführt
werden, dabei kann es bei der Installation irrtümlich zu
einer Verwechselung von DALI-Steuerleitung und Netzleitung kommen.
Es kann somit nicht ausgeschlossen werden, dass durch Unachtsamkeit
bei der Installation der Busgeräte irrtümlich
die Versorgungsleitung mit 230 V Netzspannung an die Kleinspannungsschnittstelle,
also die Anschlussklemmen zum Anschluss der Busleitung, angeschlossen
wird. Dadurch würde dann dauerhaft eine hohe Überspannung
an der Kleinspannungsschnittstelle anliegen. Ein solcher Installationsfehler
würde ohne Schutzmaßnahmen das Busgerät irreparabel
zerstören.
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Es
ist als Schutzmaßnahme bekannt, Kleinspannungsschnittstellen
mit einer Kombination von Spannungs- und Strombegrenzern zu versehen. Spannungsbegrenzer
sind beispielsweise Suppressordioden, die bei Überschreiten
ihrer Nennspannung leitend werden. Der dann fließende Strom
ist zu begrenzen, damit die Suppressordiode nicht thermisch zerstört
wird.
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Zur
Strombegrenzung eignen sich beispielsweise Schmelzsicherungen, die
jedoch bei Auslösen manuell ersetzt werden müssen.
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Alternativ
zu Schmelzsicherungen können selbst rückstellende
Sicherungen verwendet werden, die zur Gruppe der Kaltleiter gehören,
welche auch als PTC-Widerstand (Positive Temperature Coefficient)
bezeichnet werden. Es handelt sich um Festkörperbauelemente.
In einer Variante ist das Festkörpermaterial ein mit Kohlenstoff
gefülltes und dadurch leitfähiges Polymer, weshalb
eine selbst rückstellende Sicherung mit einem solchen Material
auch als Polymer-PTC bezeichnet wird. Der elektrische Widerstand
des PTC-Materials vergrößert sich mit steigender
Temperatur. Der Stromfluss durch das Element verursacht Joulesche
Wärme, die zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur
und damit des Widerstandes führt. Wenn der Strom seinen
zulässigen Wert übersteigt, überführt
die Joulesche Wärme das Element in einen hochohmigen Zustand,
das heißt, das Element schaltet. In diesem Zustand nähert
sich der Spannungsabfall am Sicherungselement der an dem Schaltkreis
angelegten Spannung und der Strom erreicht wieder einen Wert weit
unter dem zulässigen Wert. PTCs sind in ihrem Ansprechverhalten allerdings
langsamer als Schmelzsicherungen. Dadurch wäre die verwendete
Suppressordiode bis zum Auslösen des PTCs einer höheren
thermischen Belastung ausgesetzt. Um den Spitzenstrom bei Auftreten
der Störung zu begrenzen, muss der PTC auch im Normalbetrieb
einen gewissen Widerstand aufweisen. Außerdem fließt
auch im Sperrzustand ein Strom durch den PTC, der diesen im hochohmigen Zustand
hält. Dadurch erwärmt sich der PTC im ausgelösten
Zustand auf Temperaturen, die Werte von über 100°C
erreichen können.
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Im
Normalbetrieb verursacht darüber hinaus der PTC einen Spannungsabfall
proportional zu seinem Kaltwiderstand. Die dadurch verursachte Erwärmung
ist zwar vernachlässigbar, aber der Spannungsabfall ist
bei einer DALI-Stromquelle abhängig vom entnommenen Strom
und beeinflusst die Nennspannung.
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Ausgehend
von den im Stand der Technik bekannten Lösungen ist es
daher wünschenswert, ein Busgerät zu schaffen,
das vor dauerhaft anliegenden hohen Überspannungen an seiner
Kleinspannungsschnittstelle geschützt ist, wobei zur Gewährleistung
des Schutzes in ungestörtem Zustand eine sehr geringe Verlustleistung
anfällt. Auch im gestörten Zustand ist eine geringe
Verlustleistung erwünscht. Weiterhin soll nach Wegfall
der Überspannung innerhalb kurzer Zeit eine selbsttätige
Rückstellung des Schutzes erfolgen.
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Die
Aufgabe der Schaffung eines vor dauerhaft anliegenden hohen Überspannungen
an seiner Niederspannungsschnittstelle geschützten Busgerätes
wird durch ein Busgerät mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Ein verbessertes Steuerungssystem für
mehrere verteilt angeordnete Verbraucher, insbesondere für
Lampenbetriebsgeräte, wird durch ein Steuerungssystem mit
den Merkmalen des Anspruchs 8 geschaffen. Schließlich wird
ein verbessertes Bussystem, welches mehrere verteilt angeordnete
und über eine Busleitung verbundene Busgeräte
umfasst, durch ein Bussystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 bereitgestellt.
Weiterbildungen der vorgenannten Gegenstände sind in den
Unteransprüchen ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist
in der Zuleitung zwischen der elektronischen Schaltung und einer
ersten Anschlussklemme eine erste Diode vorgesehen, die bei Anliegen
einer Überspannung einer ersten Polarität an der
Kleinspannungsschnittstelle sperrt, und mit der Zuleitung zu der
anderen Anschlussklemme ist eine Überspannungserkennungsschaltung
verbunden, die mit einem ersten Schalter zusammenwirkt, so dass
bei Anliegen einer Überspannung einer zweiten Polarität
an der Kleinspannungsschnittstelle der Schalter die Stromquelle
abschaltet. Wenn die Stromquelle 4 abgeschaltet ist, ist
das Busgerät im Fall einer anliegenden Überspannung
geschützt.
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Damit
ist ein Schutz vor dauerhaft anliegenden Überspannungen
sowohl im Gleich- als auch im Wechselstrombereich geschaffen. Wenn
irrtümlich an die Niederspannungsschnittstelle eines erfindungsgemäßen
Busgerätes die Versorgungsleitungen mit 230 V Wechselspannung
angeschlossen werden, so sperrt beispielsweise bei der positiven Halbwelle
der 230 V Wechselspannung die erste Diode die Verbindung der elektronischen
Schaltung zu der ersten Anschlussklemme. Bei der negativen Halbwelle
ist die erste Diode in durchgeschaltetem Zustand, aber jetzt erkennt
die Überspannungserkennungsschaltung das Anliegen einer Überspannung
und veranlasst den ersten Schalter, die Stromquelle abzuschalten.
Damit ist ein Schutz der elektronischen Schaltung vor dauerhaft
anliegender Wechsel-Überspannung beider Polaritäten
gewährleistet. Die Überspannungserkennungsschaltung
arbeitet dabei im Ruhezustand leistungslos. Die erfindungsgemäße
Schutzvorrichtung zum Schutz vor dauerhaft anliegender Überspannung
erzeugt nur eine sehr geringe Verlustleistung aufgrund der Durchlassspannung
der ersten Diode.
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Selbstverständlich
ist ein erfindungsgemäßes Busgerät auch
vor dauerhaft anliegender Gleich-Überspannung geschützt.
Bei positiver Gleich-Überspannung schützt wie
oben im Zusammenhang mit der positiven Halbwelle einer Wechsel-Überspannung
beschrieben, die erste Diode, bei negativer Gleich-Überspannung
schützt, wie oben im Zusammenhang mit der negativen Halbwelle
einer Wechsel-Überspannung beschrieben, die Überspannungserkennungsschaltung
in Zusammenarbeit mit dem ersten Schalter.
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In
einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst die
elektronische Schaltung eine strombegrenzte Spannungsquelle zur
Stromversorgung der Busleitung. In dieser Ausführungsform
wird das erfindungsgemäße Busgerät als
Bus-Stromquelle eingesetzt, beispielsweise als DALI-Stromquelle.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die
elektronische Schaltung eine Steuerschaltung für die Erzeugung
und/oder Verarbeitung eines digitalen Bussignals. Das erfindungsgemäße Busgerät
wirkt in dieser Ausführungsform dann beispielsweise als
Steuergerät für einen DALI-Bus.
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Um
die Überspannungserkennungsschaltung einfach zu gestalten
ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen,
dass die Überspannungserkennungsschaltung ein Widerstands-Dioden-Netzwerk
umfasst.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
der erste Schalter ein hochspannungsfester Feldeffekttransistor.
Damit kann die elektronische Schaltung durchgängig mit elektronischen
Bauelementen aufgebaut werden, wie sie üblicherweise heutzutage
bei der elektronischen Schaltungstechnik zum Einsatz kommen.
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In
einer Ausführungsform, in der das erfindungsgemäße
Busgerät als Bus-Steuergerät mit integrierter
Bus-Stromquelle funktioniert, kann vorteilhafterweise vorgesehen
sein, dass die Steuerschaltung zum Erzeugen einer Pegeländerung
des digitalen Bussignals einen zweiten Schalter umfasst, und dass
zum Schutz des zweiten Schalters vor Überspannungen eine
zweite Diode vorgesehen ist. Der zweite Schalter kann beispielsweise
so angeordnet sein, dass er in geschlossenem Zustand die beiden Anschlussklemmen
auf annähernd gleiches Potential legt und damit am Niederspannungsausgang
zwischen den beiden Anschlussklemmen einen einer logischen Null
entsprechenden Spannungspegel erzeugt. In vorteilhafter Weise ist
auch der zweite Schalter ein Feldeffekttransistor
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Insbesondere
wenn das erfindungsgemäße Busgerät als
Bus-Steuergerät mit integrierter Bus-Stromquelle funktioniert,
ist es vorteilhaft, wenn gemäß einer weiteren
Ausführung der Erfindung das Busgerät einen Mikroprozessor
umfasst, der mit der Steuerschaltung zusammenwirkt. Der Mikroprozessor
kann beispielsweise den zweiten Schalter ansteuern, um digital kodierte
Signale an die Busleitungen abzugeben. Die elektronische Schaltung
kann darüber hinaus eine Eingangssignalerkennungsschaltung
umfassen, mit der Signale erkannt werden, die von den angeschlossenen
Busgeräten an das erfindungsgemäße Busgerät übermittelt
werden. Auch die Eingangserkennungsschaltung wirkt in einer vorteilhaften
Ausführungsform mit dem Mikroprozessor zusammen, so dass
der Mikroprozessor über die Eingangserkennungsschaltung
die von den Busgeräten gesandten Signale aufnehmen und
verarbeiten kann.
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Ein
erfindungsgemäßes Steuerungssystem für
mehrere verteilt angeordnete Verbraucher, insbesondere für
Lampenbetriebsgeräte, ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Steuerungssystem wenigstens ein Busgerät mit einer
elektronischen Schaltung, umfasst, die über Zulei tungen
mit einer Kleinspannungsschnittstelle verbunden ist, welche mindestens eine
erste und eine zweite Anschlussklemme zum Anschluss einer Busleitung
an die elektronische Schaltung aufweist, welche elektronische Schaltung eine
Stromquelle umfasst, und wobei in der Zuleitung zwischen der elektronischen
Schaltung und einer ersten Anschlussklemme eine erste Diode vorgesehen
ist, die bei Anliegen einer Überspannung einer ersten Polarität
an der Kleinspannungsschnittstelle sperrt, und wobei mit der Zuleitung
zu der anderen Anschlussklemme eine Überspannungserkennungsschaltung
verbunden ist, die mit einem ersten Schalter zusammenwirkt, so dass
bei Anliegen einer Überspannung einer zweiten Polarität
an der Kleinspannungsschnittstelle der Schalter die Stromquelle
abschaltet, sowie eine Busleitung, welche das Busgerät mit
den verteilt angeordneten Verbrauchern verbindet.
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Ein
erfindungsgemäßes Bussystem, welches mehrere verteilt
angeordnete und über eine Busleitung verbundene Busgeräte
umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Busgeräte
ein Busgerät mit einer elektronischen Schaltung ist, die über
Zuleitungen mit einer Kleinspannungsschnittstelle verbunden ist,
welche mindestens eine erste und eine zweite Anschlussklemme zum
Anschluss einer Busleitung an die elektronische Schaltung aufweist,
welche elektronische Schaltung eine Stromquelle umfasst, und wobei
in der Zuleitung zwischen der elektronischen Schaltung und einer
ersten Anschlussklemme eine erste Diode vorgesehen ist, die bei
Anliegen einer Überspannung einer ersten Polarität
an der Kleinspannungsschnittstelle sperrt, und wobei mit der Zuleitung
zu der anderen Anschlussklemme eine Überspannungserkennungsschaltung
verbunden ist, die mit einem ersten Schalter zusammenwirkt, so dass
bei Anliegen einer Überspannung einer zweiten Polarität
an der Kleinspannungsschnittstelle der Schalter die Stromquelle abschaltet.
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Figurenbeschreibung
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Figuren
und Beschreibung dienen dem besseren Verständnis des Gegenstands.
Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im
Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können
mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung.
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Dabei
zeigt:
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1 ein
Schaltschema einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Busgerätes
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2 ein
Schaltschema einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Busgerätes
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3 ein
Schaltschema einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Busgerätes
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In
den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Baugruppen oder Elemente
mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
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Die 1 zeigt
schematisch den Schaltplan eines Busgerätes, welches als
Steuergerät mit integrierter strombegrenzter Busspannungsversorgung arbeitet.
Gezeigt ist schematisch eine elektronische Schaltung 1,
die über Zuleitungen 14, 15 mit zwei
Anschlussklemmen DA+ und DA– einer Kleinspannungsschnittstelle 2 verbunden
ist und an eine Busleitung eines DALI-Busses angeschlossen werden kann.
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Die
elektronische Schaltung 1 umfasst eine Spannungsquelle 3,
eine Stromquelle 4, einen ersten Schalter 12,
der zwischen der Stromquelle 4 und der Anschlussklemme
DA– angeschlossen ist, und einen Mikroprozessor 5.
Der erste Schalter 12 kann besonders vorteilhaft ein hochspannungsfester
Feldeffekttransistor sein, beispielsweise ein 1000 V FET. Die Spannungsquelle 3 liefert
16 V Gleichspannung, die im Ruhezustand zwischen den Anschlussklemmen DA+
und DA– anliegen und zur Versorgung von bis zu 64 DALI-EVGs,
von denen jedes eine Stromaufnahme von ca. 2 mA hat, an dem DALI-Bus
dient. Die Stromquelle 4, die als Strombegrenzungsschaltung funktioniert,
begrenzt den Busstrom auf einen zulässigen Wert von max.
250 mA. Sowohl Schaltungen für Spannungsquellen und für
die Strombegrenzung sind im Prinzip bekannt und sollen daher im
Einzelnen hier nicht weiter beschrieben werden. Zwischen der elektronischen
Schaltung 1 und der Anschlussklemme DA+ ist eine erste
Diode 10 vorhanden, deren Wirkung weiter unten erläutert
wird.
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Während
die Spannungsquelle 3 mit der Stromquelle 4 zur
Stromversorgung des Busses dient, läuft in dem Mikroprozessor 5 das
Steuerprogramm zur Ansteuerung der an den DALI-Bus angeschlossenen
Geräte ab. Der Mikroprozessor 5 umfasst alle dazu
benötigten Hard- und Softwarekomponenten, insbesondere
CPU, Speicher und Register und Schnittstellenmodule. Der Aufbau
und die Funktion eines Mikroprozessors, wie er hier für
Steuerungszwecke eingesetzt ist, sind im Prinzip auch bekannt und
sollen daher hier ebenfalls nicht näher beschrieben werden.
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Die
elektronische Schaltung 1 umfasst weiterhin einen Verbindungspfad
zwischen den beiden Anschlussklemmen DA+ und DA–, der eine
Reihenschaltung eines zweiten Schalters 6 und einer zweiten
Diode 11 umfasst, wobei die zweite Diode 11 bei geschlossenem
zweiten Schalter 6 und positivem Pegel an der Anschlussklemme
DA+ in Durchlassrichtung gepolt ist.
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Zum
Senden eines Low-Pegels auf dem DALI-Bus steuert der Mikroprozessor 5 über
eine erste Steuerleitung 8 den zweiten Schalter 6 an,
so dass dieser schließt und damit die An schlussklemmen DA+
und DA– auf nahezu gleiches Potential legt. Der zweite
Schalter 6 ist hier vorteilhafterweise durch einen Feldeffekttransistor
realisiert, der von dem Mikroprozessor 5 durchgeschaltet
wird.
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Wenn
ein Busgerät einen Low-Pegel über den Bus sendet,
dann schließt dieser Low-Pegel an der Niederspannungsschnittstelle 2 die
beiden Busleitungen gewissermaßen kurz. Dabei wird die
Anschlussklemme DA– auf das Potential von DA+ gelegt. Über
die Eingangssignalerkennungsschaltung 7, welche im einfachsten
Fall durch einen Spannungsteiler realisiert ist, wird dies erkannt,
ein entsprechendes Signal von der Eingangssignalerkennungsschaltung 7 wird
dem Mikroprozessor 5 über eine zweite Steuerleitung 9 zugeführt,
so dass der Mikroprozessor 5 einen Low-Pegel, der von einem Busgerät
gesendet wird, erkennen kann.
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Wenn
der zweite Schalter 6 geöffnet ist, liegt zwischen
den beiden Anschlussklemmen DA+ und DA– ein High-Pegel,
sofern kein EVG einen LOW-Pegel sendet und der entnommene Strom
unter 250 mA liegt.
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Zwischen
der Anschlussklemme DA+ und dem zweiten Schalter 6 ist
die erste Diode 10 geschaltet, und zwischen der Anschlussklemme
DA– und dem zweiten Schalter 6 die zweite Diode 11.
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Schutz
gegen eine dauerhaft anliegende Überspannung, hervorgerufen
beispielsweise durch versehentlichen Anschluss von Netzspannung,
erfordert auch, dass die Schaltung hinsichtlich der EMV-Festigkeit
die Anforderung von Netzanschlüssen erfüllen muss.
Hierzu ist zwischen den Anschlussklemmen DA+ und DA– ein
Varistor 16 geschaltet, der die auftretenden Spitzenspannungen bei
Leitungsstörungen (Surge und Burst) auf +/–800 V
begrenzt. Daher muss die dahinter liegende Elektronik für Überspannungen
bis +/–800 V ausgelegt sein. Aus diesem Grund haben die
verwendeten Dioden 10, 11 eine Sperrspannung von
1000 V und der Schalter 12, wenn er als Transistor realisiert
ist, in dem hier beschriebenen Beispiel eine Sperrspannung von 800
V.
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Wenn
eine positive Überspannung zwischen DA+ und DA– anliegt,
so sperrt die erste Diode 10 und schützt die elektronische
Schaltung 1 insgesamt.
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Wenn
eine negative Überspannung zwischen DA+ und DA– anliegt,
so leitet die erste Diode 10, aber die zweite Diode 11 sperrt
und schützt damit zunächst den zweiten Schalter 6.
Die Stromquelle 4 arbeitet zunächst normal weiter
und begrenzt den Strom. An der Anschlussklemme DA– ist
eine Überspannungserkennungsschaltung 13 angeschlossen. Über
eine Steuerleitung 17 steht die Überspannungserkennungsschaltung 13 in
Verbindung mit dem ersten Schalter 12. Wenn die negative Überspannung zwischen
DA+ und DA– über einen durch die Dimensionierung
der Überspannungserkennungsschaltung vorgebbaren Schwellwert,
beispielsweise 16 V, ansteigt, veranlasst die Überspannungserkennungsschaltung 13 über
den ersten Schalter 12 das Abschalten der Stromquelle 4.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Funktionalität anhand
eines schematischen Blockschaltbildes. In einer praktisch ausgeführten
elektronischen Schaltung könnte die Überspannungserkennungsschaltung 13 ein
Spannungsteiler aus Widerständen und Dioden mit einem nachgeschalteten
Transistor sein, der mit dem Gate eines den ersten Schalter 12 realisierenden
N-Kanal-Feldeffekttransistors verbunden ist. Bei Erkennen von Überspannung
könnte die Überspannungserkennungsschaltung das
Gate des Transistors gegen sein Drain-Potential ziehen. Im Ergebnis
wirkt dies wie eine Trennung der Stromquelle 4 von der
Anschlussklemme DA–.
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Die Überspannungserkennungsschaltung 13 soll
bei Anliegen der Netzspannung von 230 VAC nur einen geringen Strom
aufnehmen, der über Masse, im folgenden auch als GND für „Ground” bezeichnet und
die Diode 10 zurück fließt, so dass keine
oder nur eine geringe Erwärmung auftritt. Im vorliegenden Beispielfall
beträgt der Eingangswiderstand der Überspannungserkennungsschaltung
mehr als 1,2 Megaohm. Die dann dadurch erzeugte Verlustleistung,
die nur bei der negativen Halbwelle auftritt, beträgt nur
wenige mW, beispielsweise < 30
mW.
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Im
Normalbetrieb verursacht die erste Diode 10 aufgrund ihrer
Durchlassspannung einen konstanten Spannungsabfall von ca. 0,8 V,
der aber durch eine höhere Leerlaufspannung der Spannungsquelle kompensiert
werden kann.
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Die Überspannungserkennungsschaltung 13 arbeitet
im Ruhezustand leistungslos. Sie umfasst, wie bereits erwähnt,
Widerstände, Zenerdioden und wirkt mit einem Feldeffekt-Transistor
zusammen. Sie versorgt sich nur aus der zweiten Anschlussklemme DA– bei
Anliegen der negativen Halbwelle einer Überspannung. Im
Normalbetrieb, wenn die Busleitung richtig angeschlossen ist und
keine Überspannung an der Kleinspannungsschnittstelle 2 anliegt,
ist die Stromaufnahme Null. Erst bei anliegenden Überspannungen über
16 V fließt Strom in die Überspannungserkennungsschaltung 13 hinein.
Der Eingangswiderstand beträgt dann ca. 1,2 Megaohm. Die Überspannungserkennungsschaltung 13 ist
mit dem hohen Eingangswiderstand so dimensioniert, dass sie eine
Ansprechträgheit im Bereich einiger Millisekunden besitzt.
Sie spricht daher nicht bei transienten, schnellen Überspannungsspitzen
an, sondern erst bei einer länger anliegenden Überspannung.
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Wenn
die positive Halbwelle der Überspannung nicht mehr anliegt,
so wird die erste Diode 10 sofort wieder leitend. Wenn
die negative Überspannung nicht mehr anliegt, dann schaltet
die Überspannungserkennungsschaltung den Schalter 12 nach
einer Verzögerung von einigen Millisekunden, typischerweise
50 ... 100 ms, wieder ein. In der oben beschriebenen praktisch ausgeführten
elektronischen Schaltung wird das Gate des Feldeffekttransistors nicht
mehr gegen sein Drain-Potential gezogen. Dadurch arbeitet der Feldeffekttransistor
wieder in seiner Funktion als Stromquelle. Im Ergebnis wirkt dies wie
eine Verbindung der Stromquelle 4 mit der Anschlussklemme
DA. Der Überspannungsschutz stellt sich nach Wegfall der Überspannung
also selbsttätig wieder zurück.
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Die
Eingangserkennungsschaltung 7 ist ebenfalls hochohmig ausgeführt
(> 1,2 MegaOhm), so
dass auch dort bei Anschluss von 230 V Überspannung weniger
als 30 mW an Verlustleistung entstehen.
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Die
Anordnung umfassend die Dioden 10 und 11, die Überspannungserkennungsschaltung 13 und
den Schalter 12 kann man auch als eine verteilte elektronische
Hilfsschaltung betrachten, die in die Endstufe eines Busgerätes
integriert ist. Sie überwacht die Spannung zwischen den
beiden Anschlussklemmen DA+ und DA– und trennt im Fehlerfall
die Klemmen vom übrigen Teil der Schaltung ab. Die Schaltung
arbeitet sowohl im Normalbetrieb als auch im Fehlerfall nahezu leistungslos,
die Verlustleistung beträgt weniger als 100 mW. Die Schaltung schützt
die Endstufe und damit die elektronische Schaltung des Busgerätes
unabhängig von der Betriebsbereitschaft des Steuergerätes.
Die Schutzwirkung ist unabhängig davon, ob der Mikrocontroller 5 aktiv
ist oder nicht, d. h. die Schutzwirkung wird rein durch schaltungstechnische
Maßnahmen erzielt und ist unabhängig von Software.
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Zusammenfassend
behandelt die vorliegende Erfindung einen Überspannungsschutz
für ein Busgerät mit einer elektronischen Schaltung,
insbesondere eine DALI-Stromversorgung bzw. ein DALI-Steuergerät
mit integrierter Stromversorgung. Vorteilhafte Eigenschaften der
Erfindung sind, dass der Überspannungsschutz sich nach
Wegfall der Überspannung selbsttätig wieder zurückstellt,
dass im Überspannungsfall weniger als 100 mW Verlustleistung
erzeugt wird, so dass es zu keiner nennenswerten Wärmeentwicklung
kommt, dass damit das Busgerät ohne Einschränkung
dauerhaft an Überspannung angeschlossen sein darf und die EMV-Richtlinien für
Netzleitungen erfüllt
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Die
Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet
sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch,
dass die Überspannungserkennungsschaltung 13 auch
mit der Zuleitung 14 zu der ersten Ausgangsklemme DA+ verbunden
ist. Dadurch ist es ermöglicht, dass die die Überspannungserkennungsschaltung
auch bei einer Überspannung, die als positive Gleichspannung
anliegt, abschaltet.
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Die
Ausführungsform nach 3 unterscheidet
sich von der Ausführungsform nach 1 dadurch,
dass eine Schaltungsanordnung hinzugefügt ist, die dafür
sorgt, dass beim Schließen des zweiten Schalters 6 keine
unerwünschte Spannungserhöhung an der Klemme DA+
entsteht, hervorgerufen durch die Leitungskapazität 25 und
die Diode 10.
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Diese
Schaltungsanordnung umfasst eine zweite Stromquelle 21 als
Strombegrenzungsschaltung, einen dritten Schalter 22 und
eine Koppelschaltung 20. Die Koppelschaltung umfasst einen
Koppelkondensator 23 und einen Ableitwiderstand 24 gegen das
Bezugspotential der Schaltung. In einer praktisch ausgeführten
elektronischen Schaltung sind die zweite Stromquelle 21 und
der dritte Schalter 22 ähnlich aufgebaut wie die
Stromquelle 4 und der erste Schalter 12. Die zweite
Stromquelle 21 umfasst einen N-Kanal-Feldeffekttransistor.
Der dritte Schalter 22 ist dann hier ein N-Kanal-Feldeffekttransistor,
dessen Gate mit der Überspannungserkennungsschaltung 13 verbunden
ist.
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Der
dritte Schalter 22 ist im Normalbetrieb geschlossen. Ist
der zweite Schalter 6 geöffnet, so lädt
sich die Leitungskapazität auf Nennspannung auf. Wird der
zweite Schalter 6 geschlossen, dann wird der Punkt A bei
DA+ auf die doppelte Nennspannung angehoben, weil die erste Diode 10 in
Sperrrichtung gepolt ist und eine schnelle Entladung der Leitungskapazität 25 verhindert.
Die Entladung der Leitungskapazität könnte ohne
zusätzliche Maßnahmen unter Umständen
so langsam erfolgen, dass der Signalverlauf bezüglich der
vom DALI-Protokoll geforderten Flankensteilheit beeinträchtigt
werden könnte.
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Die
Schaltungsanordnung umfassend die zweite Stromquelle 21 als
Strombegrenzungsschaltung, den dritten Schalter 22 und
die Koppelschaltung 20 dient dazu, die Entladung der Leitungskapazität
zu beschleunigen. Beim Schließen des zweiten Schalters 6 wird über
den Koppelkondensator 23 die zweite Stromquelle 21 eingeschaltet, über
die sich die Leitungskapazität 25 entladen kann.
Der Ableitwiderstand 24 entlädt den Koppelkondensator 23 mit der
Zeitkonstante des RC-Netzwerkes 23, 24 und sorgt
somit dafür, dass die zweite Stromquelle 21 nicht
während der gesamten Einschaltzeit des zweiten Schalters 6 eingeschaltet
bleibt, sondern nur solange, bis die Klemmen DA– und DA+
auf gleichem Potential liegen. In einer praktisch ausgeführten
elektronischen Schaltung hebt der Koppelkondensator 23 beim
Schließen des zweiten Schalters 6 zunächst das
Potential am Gate des N-Kanal-Feldeffekttransistors der zweiten
Stromquelle 21 an und schaltet diese dadurch ein. Wenn
beim anschließenden Entladen des Koppelkondensators 23 über
den Widerstand 24 das Potential an dem Gate des Feldeffekttransistors
der zweiten Stromquelle 21 wieder unter den entsprechenden
Schwellwert gesunken ist, sperrt der Feldeffekttransistor wieder
und die zweite Stromquelle 21 ist ausgeschaltet. Dadurch
wird erreicht, dass die zweite Stromquelle 21 nicht während der
ganzen Einschaltzeit des zweiten Schalters 6 die Spannungsquelle 3 belastet,
sondern nur solange, bis die Klemmen DA– und DA+ auf gleichem
Potential liegen.
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Die
Koppelschaltung 20 ist ein passives RC-Netzwerk, welches
keine externe Spannungsversorgung benötigt.
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Der
dritte Schalter 22, ein N-Kanal-Feldeffekttransistor, ist
ebenso mit der Überspannungserkennungsschaltung 13 verbunden
wie der erste Schalter 12. Bei Erkennung von Überspannung
zieht die Überspannungserkennungsschaltung das Gate des
Feldeffekttransistors 22 unter dessen Source-Potential
und sperrt damit den Transistor. Im Ergebnis wirkt dies wie eine
Trennung der Stromquelle 21 von der Anschlussklemme DA+.
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Die
in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele im Zusammenhang
mit der Figurenbeschreibung sind nicht als die Erfindung einschränkend
zu verstehen, sondern nur als exemplarische Beispiele zu betrachten.
Beispielsweise könnte in der Ausführungsform nach 3 der
dritte Schalter 22 mit einer weiteren Überspannungserkennungsschaltung
verbunden sein. Die ersten und dritten Schalter 12, 22 können
auch anders als mit Feldeffekttransistoren realisiert sein, beispielsweise
durch Relais oder andere mechanische Schaltelemente, so dass eine galvanische
Trennung erzielt wird.
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- 1
- elektronische
Schaltung
- 2
- Niederspannungsschnittstelle
- 3
- Spannungsquelle
- 4
- Strombegrenzungsschaltung
- 5
- Mikroprozessor
- 6
- zweite
Schalter
- 7
- Eingangssignalerkennungsschaltung
- 8
- erste
Steuerleitung
- 9
- zweite
Steuerleitung
- 10
- erste
Diode
- 11
- zweite
Diode
- 12
- erster
Schalter
- 13
- Überspannungserkennungsschaltung
- 14
- Zuleitung
- 15
- Zuleitung
- 16
- Varistor
- 17
- Steuerleitung
- 20
- Koppelschaltung
- 21
- zweite
Stromquelle
- 22
- dritter
Schalter
- 23
- Koppelkondensator
- 24
- Ableitwiderstand
- 25
- Leitungskapazität
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006033673
A1 [0004]
- - DE 102005057068 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DALI-Standard [0004]
- - DALI-Standard [0004]
- - EMV-Richtlinien [0049]