INFORMATIONSBUSSYSTEMS

Die Erfindung betrifft ein Netzteil zur Energieversorgung eines digitalen drahtgebundenen Informationsbussystems über einen Spannungsausgang, wobei das Netzteil aufweist:

- einen mit einer ersten Spannung versorgten ersten Spannungseingang und

- eine zwischen dem ersten Spannungseingang und dem Spannungsausgang geschaltete Strombegrenzungsschaltung.

Aus dem Stand der Technik sind drahtgebundene Bussysteme bekannt geworden, die zur Informationsverteilung zwischen verschiedenen Busteilnehmern dienen, bei denen der Bus über eine Spannungsquelle mit einer definierten Spannung versorgt wird, wobei eine zwischen Spannungsquelle und den Teilnehmern geschaltete Strombegrenzungsschaltung dafür sorgt, dass ein Kurzschließen des Busses nur zu begrenzt hohen Strömen führt. Die einzelnen Teilnehmer kommunizieren miteinander, indem diese den Bus gezielt, beispielsweise innerhalb den Teilnehmern zugeordneten Zeitintervallen, kurzschließen können, wodurch das Spannungsniveau des Busses von einem ersten Niveau hin zu einem zweiten niedrigeren Spannungsniveau abfällt. Den Spannungsniveaus ist jeweils entweder der Zustand„low" oder„high" zugeordnet, wobei die einzelnen Teilnehmer die Abfolge dieser Zustände mit Hilfe einer Kodierung als digitale Information abbilden/ erfassen können. Die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsniveau fällt zu einem großen Teil an der Strombegrenzungsschaltung ab, in welcher elektrische Energie entsprechend dem Produkt aus Spannung, Strom und Zeitdauer an der Strombegrenzungsschaltung in thermische Energie in Form von Verlustwärme umgewandelt wird.

Die Verlustwärme führt zu einer thermischen Belastung der Strombegrenzungsschaltung und begrenzt zudem die elektrische Effizienz des Netzteils sowie eines durch das Netzteil versorgten Bussystems.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Netzteil zu schaffen, welches diese Nachteile einfach ohne große Mehrkosten behebt. Diese Aufgabe wird mit einem Netzteil der eingangs genannten Art gelöst, welches erfindungsgemäß eine Steuerschaltung zur Steuerung eines zwischen dem ersten Spannungseingang und der Strombegrenzungsschaltung angeordneten ersten Schaltelements zum schaltbaren Verbinden des ersten Spannungseingangs mit der Strombegrenzungsschaltung und einen mit einer zweiten Spannung versorgten zweiten Spannungseingang aufweist, wobei die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, die Spannung am Spannungsausgang zu erfassen und bei Unterschreiten eines festlegbaren ersten Schwellwertes die Verbindung des ersten Spannungseingangs mit der Strombegrenzungsschaltung durch Ansteuerung des ersten Schaltelements zu trennen und bei Überschreiten eines zweiten Schwellwertes wiederherzustellen, wobei der zweite Spannungseingang dazu eingerichtet ist, während der Zeitdauer des Trennens durch das erste Schaltelement die Strombegrenzungsschaltung mit der zweiten Spannung zu versorgen, wobei die zweite Spannung niedriger als die erste Spannung ist. Durch Ersetzen der ersten Spannung durch eine niedrigere zweite Spannung kann während der Zeitdauer, in der ein Teilnehmer zum Signalisieren des Zustands„low" den Bus (bzw. die Signalleitung des Busses) kurzschließt, die in der Strombegrenzungsschaltung umgesetzte Verlustleistung deutlich reduziert werden. Außerdem kann, wenn gewünscht, auch der Kurzschlussstrom verringert werden, wodurch die Verluste an sämtlichen im Stromkreis befindlichen ohmschen Widerständen gemäß dem Zusammenhang PR gesenkt werden können.

Das Erfassen der Spannung am Spannungsausgang durch die Steuerschaltung kann durch eine direkte oder indirekte Messung (z.B. durch Strommessung) erfolgen. Der Begriff „Netzteil" ist im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht auf eine innerhalb eines Gehäuses angeordnete elektrische Schaltung beschränkt, sondern betrifft ganz allgemein eine Energieversorgungseinrichtung, die auch durchaus modular aufgebaut sein kann. Relativangaben bezüglich einzelner elektrischer Bauteile, Schaltungen oder Komponenten wie zum Beispiel„zwischen dem Bauteil A und dem Punkt B" beziehen sich, sofern nicht anders angegeben, nicht auf eine räumliche Anordnung sondern auf die im jeweiligen Kontext beschriebene Schaltungstopologie.

Der zweite Spannungseingang ermöglicht es, während der Zeitdauer des Trennens durch das erste Schaltelement die Strombegrenzungsschaltung zur Aufrechterhaltung einer minimalen Versorgungsspannung mit der zweiten Spannung zu versorgen. Diese minimale Versorgungsspannung erlaubt es, dass das Spannungsniveau des Bussystems nach Beendigung eines jeweiligen Kurzschlusses wieder über den zweiten Schwellwert hinaus ansteigt, so dass die Steuerschaltung den Wechsel auf den Zustand„high" erkennt, und dem ersten Spannungseingang wieder hin zu der Strombegrenzungsschaltung durchschaltet und den Bus mit der höheren ersten Spannung versorgt. Die erste Spannung kann zum Beispiel zur effizienten Energieversorgung der einzelnen Busteilnehmer eingesetzt werden.

Ein Informationsbussystem, wie zum Beispiel der digitale Lichtbus„DALI", im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst sowohl einen Kommunikationsbus als auch Busteilnehmer.

Besonders günstig kann es sein, wenn zwischen dem ersten Schaltelement und der Strombegrenzungsschaltung ein Einspeisepunkt liegt, und der zweite Spannungseingang mit dem Einspeisepunkt über eine hin zu dem Einspeisepunkt durchlässigen und in Gegenrichtung sperrenden elektrischen Komponente oder Schaltung verbunden ist. Damit können Energieflüsse von dem Einspeisepunkt hin zu dem Spannungseingang in einfacher Weise vermieden werden.

In einer besonders einfachen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die sperrende Komponente eine Diode ist.

Alternativ dazu könnte ebenso vorgesehen sein, dass die sperrende Komponente ein invers zu dem ersten Schaltelement geschaltetes zweites Schaltelement ist, wobei das erste und das zweite Schaltelement vorzugsweise Transistorschalter sind.

Um eine besonders einfache Implementierung der Erfindung zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Schwellwert gleich groß sind. Damit können die beiden Schwellwerte durch einen einzigen Schwellwert ersetzt werden. Dabei kann es besonders günstig sein, wenn die Steuerschaltung einen Spannungskomparator umfasst, der zum Vergleich des Spannungsausgangs mit dem Schwellwert eingerichtet ist.

Alternativ dazu ist es auch möglich, voneinander abweichende Schwellwerte festzulegen.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die zweite Spannung so bemessen ist, dass an dem Einspeisepunkt zumindest jene Mindestspannung anliegt, die dem unteren Grenzwert einer Busspannung eines dem Netzteil zugeordneten digitalen Informationsbussystems entspricht, dem der logische Buszustand„high" zugeordnet ist. Zudem kann vorgesehen sein, dass die zweite Spannung zumindest 5%, vorzugsweise zumindest 20% höher ist als die Mindestspannung. Besonders günstig kann es sein, wenn die zweite Spannung maximal 70% der ersten Spannung, vorzugsweise maximal 50%, besonders bevorzugt maximal 30% der ersten Spannung beträgt. Je niedriger die zweite Spannung gewählt wird, desto mehr Energie kann eingespart werden, wobei weiterhin die Funktion des Busses sichergestellt sein muss.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Netzteil einen Transformator aufweist, wobei die erste und die zweite Spannung durch eine oder zwei Sekundärwicklungen des Transformators zur Verfügung gestellt sind. Sofern die erste und die zweite Spannung von einer gemeinsamen Sekundärwicklung zur Verfügung gestellt werden sollen, könnte die erste Spannung an den Enden der gemeinsamen Sekundärwicklungen und die zweite Spannung an einer zwischen den Enden liegenden Abzapfung abgegriffen werden. Alternativ dazu kann die erste und die zweite Spannung über jeweils eine eigene Sekundärwicklung zur Verfügung gestellt werden.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Netzteil einen Tiefsetzsteller aufweist, wobei die zweite Spannung aus der ersten Spannung mit Hilfe des Tiefsetzstellers ausgebildet ist.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Netzteil einen Hochsetzsteller aufweist, wobei die erste Spannung aus der zweiten Spannung mit Hilfe des Hochsetzstellers ausgebildet ist.

Zur Stabilisierung der jeweiligen Spannung kann vorgesehen sein, dass das Netzteil einen Energiespeicher, vorzugsweise einen Akku oder einen Superkondensator, aufweist, durch den die erste Spannung und/ oder die zweite Spannung gestützt ist.

Um in einem Fehlerfall, aufgrund dessen der Bus für eine längere Zeitdauer kurzgeschlossen ist, die Verluste in der Strombegrenzungsschaltung sowie in anderen beteiligten Komponenten zu begrenzen, kann es günstig sein, wenn die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, - die Zeitdauer zu erfassen, in der der Spannungsausgang den ersten Schwellwert durchgängig unterschreitet, - die Zeitdauer mit einen Grenzwert zu vergleichen und - bei Überschreiten des Grenzwertes eine Trennung oder Abschaltung der zweiten Spannung zu veranlassen, wobei der Grenzwert zwischen 10 und 5000 ms beträgt.

Insbesondere sollte es vorgesehen sein, dass der Spannungsausgang frei von zu dem Spannungsausgang parallel geschalteten Kondensatoren ist, also keine parallel geschalteten Kondensatoren aufweist. Eine verschwindend geringe Ausgangskapazität ist wünschenswert. Anderenfalls würde der Strom Ib nur bedingt durch die Strombegrenzungsschaltung limitiert werden können, wodurch die Busteilnehmer höhere Kurzschlussströme übertragen müssten und zudem die Dynamik des Bussystems verschlechtert werden könnte.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform näher erläutert, die in den Figuren veranschaulicht ist. Darin zeigt

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Netzteils gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Netzteils,

Figur 3 eine Darstellung eines Informationsbussystems und

Figur 4 eine beispielhafte Darstellung eines zeitlichen Verlaufs des Spannungsniveaus und Stromverlaufs der Signalleitung eines durch das erfindungsgemäße Netzteil versorgten Informationsbussystems.

In den folgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Netzteils 1 gemäß dem Stand der Technik. Das Netzteil 1 weist einen ersten Spannungseingang El auf, der mit einer ersten Spannung Ul versorgt ist. Das Netzteil 1 weist zudem einen Spannungsausgang A bzw. eine daran anliegende Ausgangsspannung Ub auf, mit welcher beispielsweise das in Figur 3 gezeigte digitale Informationsbussystem 4, aufweisend eine Signalleitung 5, eine Masseleitung 6 und mehrere zwischen die Signalleitung 5 und die Masseleitung 6 geschaltete Busteilnehmer 7, versorgt wird. Die Ausgangsspannung Ub liegt an der Signalleitung 5 an und wird deshalb auch im Folgenden als Busspannung bezeichnet. Die Teilnehmer 7 sind dazu eingerichtet, Informationen auszutauschen, indem diese die Signalleitung 5 mit der Masseleitung 6 (bzw. einer anderen gemeinsamen Bezugsleitung) verbinden oder von dieser trennen, sodass das Spannungsniveau der Ausgangsspannung Ub zwischen zwei Zuständen wechselt. Die Teilnehmer 7 können die Ausgangsspannung Ub überwachen und bei Unterschreiten eines gewissen Spannungslevels UL ein L-Bit (low-Bit) und bei Überschreiten eines Spannungslevels Uh,min ein H-Bit (high-Bit; abhängig von der Kodierung können diesen Bitzuständen die Signale„logisch null" und„logisch eins" zugeordnet werden) registrieren.

Um den in Figur 1 dargestellten Strom Ib zu begrenzen, weisen Netzteile gemäß dem Stand der Technik eine Strombegrenzungsschaltung 2 auf, welche im einfachsten Fall aus einen ohmschen Widerstand besteht. Jeder Busteilnehmer 7 kann durch sequenzielles Kurzschließen des Busses den anderen Teilnehmern 7 Informationen übermitteln. Die Busteilnehmer 7 können dazu eingerichtet sein, während des Sendens einer Information diese auch selbst einzulesen und so eine eventuell vorliegende Störung zu erkennen und die Ausgabe zu einem anderen Zeitpunkt zu wiederholen.

Die Strombegrenzung 2 sorgt dafür, dass die Busteilnehmer 7 bei ihrer Datenübermittlung nur einen definierten Strom kurzschließen müssen. In diesem Zusammenhang darf im Gegensatz zu anderen üblichen Stromversorgungen kein Kondensator am Spannungsausgang A vorhanden sein, so dass zu keinem Zeitpunkt ein höherer Strom als der von der Strombegrenzungsschaltung 2 zur Verfügung gestellte an der Signalleitung 5 fließen kann.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Netzteils 1 zur Energieversorgung des digitalen Informationsbussystems 4 über einen Spannungsausgang A, bzw. eine daran anliegende Ausgangsspannung Ub, wobei das Netzteil 1 aufweist:

- Einen mit einer ersten Spannung Ul versorgten ersten Spannungseingang El und

- eine zwischen dem ersten Spannungseingang El und dem Spannungsausgang Ub geschaltete Strombegrenzungsschaltung 2. Im Gegensatz zu den Netzteilen gemäß dem Stand der Technik weist das erfindungsgemäße Netzteil 1 ferner eine Steuerschaltung 3 zur Steuerung eines zwischen dem ersten Spannungseingang El und der Strombegrenzungsschaltung 2 angeordneten ersten Schaltelements Tl zum schaltbaren Verbinden des ersten Spannungseingangs El mit der Strombegrenzungsschaltung 2 und einen mit einer zweiten Spannung Uh versorgten zweiten Spannungseingang E2 auf, wobei die Steuerschaltung 3 dazu eingerichtet ist, die Spannung am Spannungsausgang Ub zu erfassen und bei Unterschreiten eines festlegbaren ersten Schwellwertes Usl (z.B. Usl =< Uh,min) die Verbindung des Spannungseingangs El mit der Strombegrenzungsschaltung 2 durch Ansteuerung des ersten Schaltelements Tl zu trennen und bei Überschreiten eines zweiten Schwellwertes Us2 (z.B. Us2 >= Uh,min) wiederherzustellen. Der zweite Spannungseingang E2 ist dazu eingerichtet, während der Zeitdauer des Trennens durch das erste Schaltelement Tl die Strombegrenzungsschaltung 2 mit der zweiten Spannung Uh zu versorgen, wobei die zweite Spannung Ul niedriger als die erste Spannung Uh ist. Dadurch wird die Busspannung während der Zeitdauer eines L-bits abgesenkt und die an der Strombegrenzungsschaltung 2 umgesetzte Verlustleistung reduziert.

Zwischen dem ersten Schaltelement Tl und der Strombegrenzungsschaltung 2 liegt ein Einspeisepunkt P, an welchem zumindest die Mindestspannung Uh,min anliegt, ab der ein H- bit registriert werden kann. Dies ist sinnvoll, da eine Beendigung eines Kurzschlusses durch einen Teilnehmer 7 den Busstrom Ib reduziert, sodass die Mindestspannung Uh,min an dem Spannungsausgang A anliegt und den Wechsel von einem L-bit auf ein H-bit signalisiert, was durch die Steuerschaltung 3 erfasst wird, die im Anschluss die erste Spannung Ul über das erste Schaltelement Tl mit der Strombegrenzungsschaltung 2 verbindet.

Der zweite Spannungseingang E2 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Einspeisepunkt P über eine hin zu dem Einspeisepunkt P durchlässigen und in Gegenrichtung sperrenden Diode Dl (im allgemeinen können beliebige dem Fachmann bekannte elektrische Komponente oder Schaltungen eingesetzt werden) verbunden, die einen Energierückfluss von dem Einspeisepunkt P hin zu dem zweiten Spannungseingang E2 verhindert.

Die Steuerschaltung 3 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Spannungskomparator 3a, der zum Vergleich des Spannungsausgangs A bzw. der Ausgangsspannung Ub mit einem Schwellwert Uref eingerichtet ist und ergebnisabhängig davon das Schaltelement Tl öffnet oder schließt, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel gilt: Uref = Usl = Us2

Figur 4 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines zeitlichen Verlaufs des Spannungsniveaus und des Stromverlaufs in der Signalleitung 5 eines durch das erfindungsgemäße Netzteil 1 versorgten Informationsbussystems 4. Darin sind Grenzwerte für die bereits diskutierten Spannungsniveaus UL und Uh,min dargestellt, wobei das Spannungsniveau der zweiten Spannung Uh ausreichend von dem Mindestniveau Uh,min beabstandet ist.

In den L-Phasen (also jene Zeitdauer, innerhalb der an dem Bus ein L-bit anliegt; kurzgeschlossener Bus) liegt die erste Spannung Ul nicht mehr an den Busteilnehmern 3 an, sondern fällt an der Strombegrenzungsschaltung 2 ab. Bei einem sehr aktiven Bus, der durch ein herkömmliches Netzteil versorgt ist, wird daher ein großer Teil der zu Verfügung gestellten Leistung in der Strombegrenzung 2 in Wärme umgesetzt.

Diese Verlustenergie pro Bit kann mit der Formel Ib x Ub x tb berechnet werden.

Durch das erfindungsgemäße Netzteil 1 kann während jeder L-Phase mit Hilfe des Schalters Tl die Spannung Ul von der Strombegrenzungsschaltung 2 getrennt und durch die zweite Spannung Uh ersetzt werden.

Beträgt Uh zum Beispiel nur ein Drittel von Ul, verringert sich somit auch die Verlustleistung in der Strombegrenzungsschaltung 2 um zumindest ein Drittel der sonst anfallenden Verluste. Um im Fehlerfall, in welchem die Signalleitung 5 dauerhaft kurzgeschlossen ist, die Energieverluste des Netzteiles 1 und des Informationsbussystems 4 zu minimieren, kann vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung 3 dazu eingerichtet ist,

- die Zeitdauer zu erfassen, in der der Spannungsausgang Ub den ersten Schwellwert Usl durchgängig unterschreitet,

- die Zeitdauer mit einen Grenzwert zu vergleichen und

- bei Überschreiten des Grenzwertes eine Trennung oder Abschaltung der zweiten Spannung Uh von dem Einspeisepunkt P zu veranlassen, wobei der Grenzwert zwischen 10 und 5000 ms beträgt.

In Anbetracht dieser Lehre ist der Fachmann in der Lage, ohne erfinderisches Zutun zu anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen. Die Erfindung ist daher nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Auch können einzelne Aspekte der Erfindung bzw. der Ausführungsform aufgegriffen und miteinander kombiniert werden. Wesentlich sind die der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken, die durch einen Fachmann in Kenntnis dieser Beschreibung in mannigfaltiger Weise ausgeführt werden können und trotzdem als solche aufrechterhalten bleiben.