DE102014101421B3

DE102014101421B3 - Elektrische Schaltung für die Gebäudesystemtechnik zur Vermeidung von durch kapazitive Kopplung hervorgerufenen Strömen

Info

Publication number: DE102014101421B3
Application number: DE102014101421.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander E. Matz
Original assignee: Gira Giersiepen GmbH and Co KG
Current assignee: Gira Giersiepen GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2034-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für die Gebäudesystemtechnik zur Vermeidung von durch Übersprechen hervorgerufenen Strömen, mit einem Leitungssystem (1), das eine erste und eine zweite Leuchtdiodeneinheit (13, 14) aufweist, die über das Leitungssystem mit einer Spannungsquelle (L, N, L1, L2) zur Bereitstellung einer Betriebsspannung verbindbar sind, und die über einen ersten Widerstand (15) in Reihe miteinander verbunden sind, wobei ein zweiter Widerstand (16) in Stromrichtung hinter der zweiten Leuchtdiodeneinheit (14) in Serie mit dieser verbunden ist, und wobei in Stromrichtung vor der ersten Leuchtdiodeneinheit (13) eine erste Gleichrichterdiode (17) und in Stromrichtung hinter dem zweiten Widerstand (16) eine zweite Gleichrichterdiode (18) in Durchlassrichtung angeordnet ist. Weiterhin ist ein erster Sperrschicht-Feldeffekttransistor (19) über seine Drain (5) und seine Source (6) parallel zu der ersten Leuchtdiodeneinheit (13) und ein zweiter Sperrschicht-Feldeffekttransistor (20) über seine Drain (5) und seine Source (6) parallel zu der zweiten Leuchtdiodeneinheit (14) geschaltet. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung wird effektiv ein unbeabsichtigtes Aufleuchten der ersten und der zweiten Leuchtdiodeneinheit bei deaktivierter Betriebsspannung verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für die Gebäudesystemtechnik zur Vermeidung von durch kapazitive Kopplung hervorgerufenen Strömen, mit mindestens einem elektrischen Verbraucher, der über ein elektrisches Leitungssystem mit einer Spannungsquelle zur Bereitstellung einer Betriebsspannung verbindbar ist. Durch die kapazitive Kopplung kann bei an einem der Leitungssysteme anliegender Wechselspannung ein Stromfluss in dem anderen Leitungssystem hervorgerufen werden. Der mindestens eine elektrische Verbraucher kann beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) sein, oder eine Mehrzahl LEDs. Eine gattungsgemäße Schaltung ist beispielsweise aus der DE 198 02 895 A1 bekannt.
Die Fortentwicklung der LED-Technik hat in den letzten Jahren immer effizientere LEDs hervorgebracht. So sind mittlerweile für brauchbare Lichtausbeuten immer geringere Stromstärken erforderlich. Diese Stromstärken liegen beispielsweise in einem Bereich von 800 μA bis 2 mA. Derartige LEDs können mit einer einfachen Beschaltung direkt aus dem Stromnetz, beispielsweise mit 230 V, betrieben werden, in der Regel unter Verwendung mindestens eines Vorwiderstandes sowie gegebenenfalls eines Gleichrichters.
Die Tatsache, dass bereits geringe Stromstärken für den Betrieb moderner LEDs ausreichend sind, hat im Umkehrschluss den Nachteil, dass die LEDs aufgrund kapazitiver Kopplung bereits auf kleine Stromstärken aus dem Umfeld mit unerwünschten Leuchteffekten reagieren. Diese können beispielsweise dann auftreten, wenn die LED-Schaltung an eine längere Leitung angeschlossen ist, in der sich ein spannungsführender Außenleiter befindet. Durch die Kapazitäten der Leitung kommt es zum Übersprechen des Außenleiters auf die Leitung der LED-Schaltung, so dass die LED auch im unbestromten Zustand der LED-Schaltung leuchten kann.
In der Gebäudesystemtechnik kommt der zuvor beschriebene technische Effekt beispielsweise dann negativ zum Vorscheinen, wenn LEDs dazu verwendet werden, den Bestromungszustand eines Schalters, einer Steckdose oder dergleichen anzuzeigen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Schaltung für die Gebäudesystemtechnik bereitzustellen, welche das Ansprechen elektrischer Verbraucher der Schaltung aufgrund von durch kapazitive Kopplung hervorgerufener Ströme vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltung mit den technischen Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung weist ein Leitungssystem mit einer ersten und einer zweiten Leuchtdiodeneinheit auf, die mit einer Spannungsquelle zur Bereitstellung einer Betriebsspannung verbindbar sind und die über einen ersten Widerstand in Reihe miteinander verbunden sind. Ein zweiter Widerstand in Stromrichtung hinter der zweiten Leuchtdiodeneinheit ist in Serie mit der zweiten Leuchtdiodeneinheit verbunden, wobei in Stromrichtung vor der ersten Leuchtdiodeneinheit eine erste Gleichrichterdiode und in Stromrichtung hinter dem zweiten Widerstand eine zweite Gleichrichterdiode in Durchlassrichtung angeordnet ist. Ein erster Feldeffekttransistor des Verarmungstyps, beispielsweise ein erster Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ist über seinen Drain und über seine Source parallel zu der ersten Leuchtdiodeneinheit geschaltet. Der Drain ist in Stromrichtung vor der ersten Leuchtdiodeneinheit und hinter der ersten Gleichrichterdiode und die Source in Stromrichtung nach der ersten Leuchtdiodeneinheit und vor dem ersten Widerstand verbunden, wobei die Source und die Gate des ersten Sperrschicht-Feldeffekttransistors über den ersten Widerstand miteinander verbunden sind. Ein zweiter Feldeffekttransistor des Verarmungstyps, beispielsweise ein zweiter Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ist über seine Drain und über seine Source parallel zu der zweiten Leuchtdiodeneinheit geschaltet, wobei der Drain in Stromrichtung vor der zweiten Leuchtdiodeneinheit und hinter dem ersten Widerstand und die Source in Stromrichtung nach der zweiten Leuchtdiodeneinheit und vor dem zweiten Widerstand verbunden ist. Die Source des zweiten Sperrschicht-Feldeffekttransistors ist über den zweiten Widerstand in Stromrichtung vor der zweiten Gleichrichterdiode mit der Gate des zweiten Sperrschicht-Feldeffekttransistors verbunden. Zwischen dem ersten Widerstand und der zweiten Leuchtdiodeneinheit ist ein Neutralleiter über Vorwiderstände mit dem ersten Leitungssystem verbindbar.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung wird somit effektiv ein unbeabsichtigtes Aufleuchten der ersten und der zweiten Leuchtdiodeneinheit bei deaktivierter Betriebsspannung verhindert. Die Verwendung von LEDs als Signalindikator hat viele Vorteile. Soll ein Spannungszustand durch eine LED angezeigt werden, so ist dies bereits bei geringer Stromaufnahme möglich. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung wird vermieden, dass die LED schon im abgeschalteten Zustand, dass heißt bei deaktivierter Betriebsspannung, durch kapazitive Kopplung der Leitungen des elektrischen Leitungssystems zu leuchten beginnt. Es wird somit eine eindeutige Anzeige geschaffen. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht auch darin, dass diese die Stromaufnahme der Gesamtschaltung nicht beeinflusst, wobei bei einer einfachsten Ausführungsform der Erfindung lediglich zwei weitere Bauteile, nämlich ein Feldeffekttransistor des Verarmungstyps, beispielsweise ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, sowie ein elektrischer Widerstand, erforderlich sind. In der Gebäudesystemtechnik werden beispielsweise Steckdosen, Serienschalter oder Wechselschalter mit einem LED-Leuchteinsatz verwendet, welcher den Bestromungszustand der Steckdose oder des Schalters anzeigen soll. Eine bevorzugte Ausführungsform der elektrischen Schaltung ist daher als Universalschaltung ausgelegt, die in ein und derselben Ausführungsform sowohl als ein Leuchteinsatz für eine Steckdose, für einen Serienschalter und einen Wechselschalter verwendet werden kann.
Vorzugsweise weisen die erste und die zweite Gleichrichterdiode eine Sperrspannung auf, die derart bemessen ist, dass die LED oder die LEDs der Leuchtdiodeneinheit bei den erwarteten, durch kapazitive Kopplung in dem ersten elektrischen Leitungssystem hervorgerufenen Strömen undurchlässig ist. Die Gleichrichterdiode dient als Schutz gegen hohe Sperrspannungen in Sperrrichtung, da die LEDs der Leuchtdiodeneinheit nur eine geringe maximale Sperrspannung von z. B. 25 V verfügen. Ein Stromfluss in Sperrrichtung nach dem Überschreiten der maximalen Sperrspannung kann zur Zerstörung der LEDs führen.
Bei einer Ausführungsform sind die elektrischen Widerstände so bemessen, dass bei anliegendem Betriebsstrom an der Gate des Sperrschicht-Feldeffekttransistor eine Steuerspannung zum Sperren entsteht. Dabei ist gewährleistet, dass der durch kapazitive Kopplung hervorgerufene Strom nicht ausreicht, die zum Sperren des Transistors benötigte Steuerspannung zu erzeugen, so dass der Transistor leitend bleibt.
Bei der Verwendung des Leuchteinsatzes als Steckdose oder Wechselschalter ist die erste Gleichrichterdiode über mindestens einen Begrenzungswiderstand mit einem Außenleiter und die zweite Gleichrichterdiode über mindestens einen Begrenzungswiderstand mit einem Neutralleiter verbunden. Wird der Universalleuchteinsatz in Verbindung mit einem Serienschalter verwendet, ist die erste Gleichrichterdiode über mindestens einen Begrenzungswiderstand mit einem ersten Außenleiter, die zweite Gleichrichterdiode über mindestens einen Begrenzungswiderstand mit einem zweiten Außenleiter und zwischen dem ersten Widerstand und der zweiten Leuchtdiodeneinheit ein Neutralleiter über mindestens einen Begrenzungswiderstand mit dem ersten Leitungssystem verbunden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figur erläutert. Diese zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Leitungssystems.
Die in der Figur dargestellte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sie in einer einzigen Bauform sowohl als ein Leuchteinsatz für eine Steckdose, für einen Serienschalter und eine Wechselschalter verwendet werden kann. Eine erste Leuchtdiodeneinheit 13 und eine zweite Leuchtdiodeneinheit 14 sind über eine Hauptleitung H in Reihe geschaltet, wobei zwischen den Leuchtdiodeneinheiten 13, 14 ein erster Widerstand 15 mit 2,2 kΩ in Reihe zu den Leuchtdiodeneinheiten geschaltet ist. In Stromrichtung vor der ersten Leuchtdiodeneinheit 13 ist eine erste Gleichrichterdiode 17 und in Stromrichtung hinter der zweiten Leuchtdiodeneinheit 14 ist eine zweite Gleichrichterdiode 18 in Reihe zu den Leuchtdiodeneinheiten 13, 14 geschaltet. Ein erster Sperrschicht-Feldeffekttransistor 19 des Typs BSS169 überbrückt mit seiner Source 6 und seinem Drain 5 die erste Leuchtdiodeneinheit 13 in der mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Weise. Zwischen der Source 6 und der Gate 8 des ersten Sperrschicht-Feldeffekttransistors 19 ist über den ersten Widerstand 15 eine Spannungsdifferenz bereitgestellt. Der zweite Sperrschicht-Feldeffektransistor 20 greift mit seinem Drain in Stromrichtung vor der zweiten Diodeneinheit 14 und hinter dem ersten Widerstand 15 an, während die Source 6 hinter der zweiten Diodeneinheit 14 und vor dem zweiten Widerstand 16 angreift. Über den zweiten Widerstand 16 ist wiederum ein Spannungsabfall zwischen der Source 6 und der Gate 8 des zweiten Sperrschicht-Feldeffekttransistors 20 bereitgestellt. Die Gate 8 greift zwischen dem zweiten Widerstand 16 und vor der zweiten Gleichrichterdiode 18 an die Hauptleitung an. In Stromrichtung vor der ersten Gleichrichterdiode 17 sowie in Stromrichtung hinter der zweiten Gleichrichterdiode 18 sind jeweils zwei Strombegrenzerwiderstände 9 mit jeweils 33 kΩ in Serie geschaltet, die zur Strombegrenzung der Leuchtdiodeneinheiten dienen. Zwischen dem ersten Widerstand 15 und der zweiten Leuchtdiodeneinheit 14 greift ein Leiter 21 über zwei weiteren Strombegrenzerwiderstände 9 mit jeweils 33 kΩ an der Hauptleitung H an. Die elektrischen Widerstände 15, 16 sind gerade so bemessen, dass bei anliegendem Betriebsstrom an der Gate 8 der Sperrschicht-Feldeffekttransistor 19, 20 eine Steuerspannung zum Sperren anliegt. Dabei ist gewährleistet, dass der durch kapazitive Kopplung hervorgerufene Strom nicht ausreicht, die zum Sperren der Transistoren 19, 20 benötigte Steuerspannung zu erzeugen, so dass der Transistor leitend bleibt.
Eine Besonderheit dieser Schaltung besteht darin, dass durch den Halbwellenbetrieb der Schaltung der Spannungsabfall an den Strombegrenzerwiderständen 9 immer denselben Wert hat, unabhängig davon, welcher LED-Zweig in Betrieb ist. Dadurch werden Helligkeitsunterschiede der LEDs in den einzelnen Betriebsmodi verhindert. Für die Verwendung der in 3 dargestellten Schaltung in einer Steckdose oder einem Wechselschalter können die beiden Enden der Hauptleitung mit einem Außenleiter L bzw. einem Neutralleiter N verschaltet werden, während der Leiter 21 potentialfrei geschaltet ist. Für die Verwendung der Schaltung in einem Serienschalter kann eines der Enden der Hauptleitung mit einem ersten Außenleiter L₁ und das andere Ende der Hauptleitung mit einem zweiten Außenleiter L₂ verschaltet werden, während der Leiter 21 einen Neutralleiter bildet.

Claims

Elektrische Schaltung für die Gebäudesystemtechnik zur Vermeidung von durch Übersprechen hervorgerufenen Strömen, mit einem Leitungssystem (1), das eine erste und eine zweite Leuchtdiodeneinheit (13, 14) aufweist, die über das Leitungssystem mit einer Spannungsquelle (L, N, L₁, L₂) zur Bereitstellung einer Betriebsspannung verbindbar sind, und die über einen ersten Widerstand (15) in Reihe miteinander verbunden sind, wobei ein zweiter Widerstand (16) in Stromrichtung hinter der zweiten Leuchtdiodeneinheit (14) in Serie mit dieser verbunden ist, und wobei in Stromrichtung vor der ersten Leuchtdiodeneinheit (13) eine erste Gleichrichterdiode (17) und in Stromrichtung hinter dem zweiten Widerstand (16) eine zweite Gleichrichterdiode (18) in Durchlassrichtung angeordnet ist, wobei ein erster Sperrschicht-Feldeffekttransistor (19) über seine Drain (5) und seine Source (6) parallel zu der ersten Leuchtdiodeneinheit (13) geschaltet ist, wobei der Drain (5) in Stromrichtung vor der ersten Leuchtdiodeneinheit (13) und hinter der ersten Gleichrichterdiode (17) und die Source (6) in Stromrichtung nach der ersten Leuchtdiodeneinheit (13) und vor dem ersten Widerstand (15) verbunden ist, wobei die Source (6) und die Gate (8) des ersten Sperrschicht-Feldeffekttransistors (19) über den ersten Widerstand (15) miteinander verbunden sind, wobei ein zweiter Sperrschicht-Feldeffekttransistor (20) über seine Drain (5) und seine Source (6) parallel zu der zweiten Leuchtdiodeneinheit (14) geschaltet ist, wobei der Drain (5) in Stromrichtung vor der zweiten Leuchtdiodeneinheit (14) und hinter dem ersten Widerstand (15) und die Source (6) in Stromrichtung nach der zweiten Leuchtdiodeneinheit (14) und vor dem zweiten Widerstand (16) verbunden ist, wobei die Source (6) des zweiten Sperrschicht-Feldeffekttransistors (20) über den zweiten Widerstand (16) in Stromrichtung vor der zweiten Gleichrichterdiode (18) mit der Gate (8) des zweiten Sperrschicht-Feldeffekttransistors (20) verbunden ist; und wobei zwischen dem ersten Widerstand (15) und der zweiten Leuchtdiodeneinheit (14) ein Neutralleiter (N) mit dem ersten Leitungssystem (1) über eine Strombegrenzung (9) verbindbar ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Gleichrichterdiode (17, 18) eine Sperrspannung aufweisen, die derart bemessen ist, dass die jeweils mindestens eine Leuchtdiode der Leuchtdiodeneinheiten (13, 14) bei den erwarteten, durch kapazitive Kopplung in dem elektrischen Leitungssystem (1) hervorgerufenen Strömen undurchlässig ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die elektrischen Widerstände (15, 16) so bemessen sind, dass bei anliegendem Betriebsstrom an der Gate (8) der Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (19, 20) eine Steuerspannung zum Sperren anliegt.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der entweder 1. ein Stromzweig der ersten Gleichrichterdiode (17) mit einem Außenleiter (L) und ein weiterer Stromzweig der zweiten Gleichrichterdiode (18) mit einem Neutralleiter (N) verbunden ist, oder 2. ein Stromzweig der ersten Gleichrichterdiode (17) mit einem ersten Außenleiter (L₁), ein weiterer Stromzweig der zweiten Gleichrichterdiode (18) mit einem zweiten Außenleiter (L₂) und zwischen dem ersten Widerstand (15) und der zweiten Leuchtdiodeneinheit (14) ein Neutralleiter (N) über noch einen weiteren Stromzweig mit dem ersten Leitungssystem verbunden ist.