Hausstromversorgung mit Kleinspannung

Die Erfindung betrifft eine Hausstromversorgung zur Versor¬ gung elektrischer Kleinleistungsgeräte mit Kleinspannung so¬ wie ein Kleinspannungs-Steckernetzteil .

Die Anzahl der Kleinleistungsgeräte im Haushalt und Beruf steigt ständig. Zur Stromversorgung dieser Geräte, deren Funktionen üblicherweise mit Kleinspannung versorgt werden, werden in der Regel Steckernetzgeräte oder - bei höheren Leistungen - Schnurnetzteile verwendet. Diese Netzgeräte sind in der Regel herstellerspezifisch und/oder in Anpassung auf einen speziellen Verbraucher ausgelegt, und es kommt eine Vielzahl von Buchsen-/Stecker-Konstruktionen zum Einsatz.

Dies führt zu einer oft schwer übersehbaren Anzahl von zuein¬ ander inkompatiblen Kleinleistungsnetzgeräten (meist Stecker- netzgeräte) . Hierbei fehlt oft das passende Steckernetzgerät an dem Ort, an dem es gerade gebraucht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine weitge¬ hend universelle, die Stromversorgung der in Rede stehenden Kleinleistungsgeräte vereinfachende und mit geringeren Kosten ermöglichende sowie in der Handhabung für den Nutzer verein¬ fachende Lösung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Hausstromversorgung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und, gemäß einem relativ selbstän¬ digen Aspekt der Erfindung, durch ein Kleinspannungs- Steckernetzteil mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bereitgestellt wird also, gemäß dem ersten Aspekt der Erfin¬ dung, ein an den persönlichen Bedarf einfach anpassbares Kleinspannungs-Netz, an das (möglichst) viele Kleinleistungs- Geräte direkt - das heißt ohne jeglichen Adapter - ange- schlössen werden können. Ergänzend könnten auch Kleinleis- tungsgeräte mit integriertem Netzteil (Rasierer, elektrische Zahnbürsten usw.) direkt an das Kleinspannungsnetz ange¬ schlossen werden. Hierdurch vereinfacht sich der Aufwand für die Stromversorgung innerhalb der Geräte wesentlich.

Dieses (nach Möglichkeit standardisierte) Kleinspannungs- Netz, welches hier auch als Hausstromversorgung bezeichnet wird, hat eigene Kleinspannungs-Steckdosen mit Buchsen spe¬ zieller Bauart, die an die niedrige AusgangsSpannung einer- seits und an die typischerweise geringe Größe und das geringe Gewicht der zu versorgenden Geräte angepasst sind. Das Ziel ist es, parallel zum 230 V-Netz (hiermit sind alle Netze mit einer NominalSpannung von 110 V bis 240 V gemeint) ein fle¬ xibles, mechanisch und elektrisch einheitliches Kleinspan- nungsnetz bereitzustellen. Das Kleinspannungsnetz kann je nach Bedarf und baulichen Voraussetzungen in folgenden Aus¬ führungen realisiert werden:

Neuinstallationen: Bei Neuinstallationen oder vorhandenen Kabelkanälen erfolgt die Umsetzung der 230 V in die Kleinspannung (vorzugsweise mittels Schaltnetzteil) an einer zentralen Stelle. Die Klein¬ spannung wird über Leitungen zu den Kleinspannungs-Steckdosen geführt. Die bevorzugte (elektronische) Regelung des Aus- gangsstroms sowie der AusgangsSpannung erfolgt in der Kleinspannungs-Steckdose. Ausführungen als Mehrfach-Steckdose mit entsprechend höherer Leistung sind möglich. Standard-Netz-Installationen (Variante 1) Bei dieser Ausführung werden Standard- (UP) -Netzsteckdosen ge¬ gen Kleinspannungs-Steckdosen mit 230 V-Eingang ausgetauscht. Die Umsetzung der 230 V in die Kleinspannung sowie die Rege- lung von AusgangsSpannung und Ausgangsstrom erfolgt in der Kleinspannungs-Steckdose. Ausführungen als Mehrfach-Steckdose mit entsprechend höherer Leistung sind möglich.

Standard-Netz-Installationen (Variante 2) Die Installation bleibt unberührt. Die Umsetzung der 230 V in die Kleinspannung sowie die Regelung der Ausgangsspannung und des AusgangsStroms erfolgt in einem Kleinspannungs- Steckernetzteil mit integrierter Kleinspannungsbuchse. Diese Geräte können flexibel an allen relevanten Stellen (bei- spielsweise Schuko-Steckdosen) des 230 V-Netzes gesteckt wer¬ den und stellen so parallel zum 230 V-Netz ein einheitliches Kleinspannungsnetz bereit.

Standard-Netz-Installationen (Variante 3) Die Installation bleibt unberührt. Es wird eine Kleinspan¬ nungs-Buchsenleiste ("Steckdosenleiste") mit Kabel und 230 V- Stecker vorgeschlagen. Die Umsetzung der 230 V in die Klein¬ spannung sowie die Regelung der AusgangsSpannung und des Aus¬ gangsstroms erfolgt in der Buchsenleiste. Mit den mehreren Kleinspannungs-Steckdosen in der Leiste können auch entspre¬ chend höhere Leistungen zur Verfügung gestellt werden.

Was die elektrischen Parameter angeht, so stellt der Klein- spannungsumsetzer eine Ausgangs-Gleichspannung im Bereich zwischen 3 V und 15 V, insbesondere zwischen 5 V und 12 V, mit vorbestimmter Strombegrenzung, insbesondere in einem Be¬ reich zwischen 300 mA und 1 A, bereit. Im übrigen ist er für eine EingangsSpannung im Bereich zwischen im wesentlichen 100 V und im wesentlichen 250 V ausgelegt, und er realisiert eine galvanische Trennung zwischen der Kleinspannungs-Seite und dem herkömmlichen Stromnetz.

Bevorzugte mechanische Ausführungen des Kleinspannungs- Steckernetzteils sehen vor, dass dieses Haltemittel, insbe¬ sondere im Bereich von Schutzkontakten der Norm-Steckdose wirkende Rast- und/oder Federmittel, zum herausfallsicheren Festhalten in der Norm-Steckdose aufweist. Weiterhin ist vor- gesehen, dass der Kleinspannungs-Steckdose Rast- und/oder Fe¬ dermittel zum herausfallsicheren Festhalten des Steckerab¬ schnittes des Kleinleistungsgerätes (oder eines Anschlusska¬ bels desselben) im Zusammenwirken mit an diesem vorgesehenen korrespondierenden Haltemitteln zugeordnet sind.

In einer speziellen Kombination der letztgenannten Merkmale, bei der die Haltemittel zum Festhalten des Steckernetzteils in der Norm-Steckdose mit einer größeren Haltekraft als die zusammenwirkenden Haltemittel an der Kleinspannungs-Steckdose und dem geräteseitigen Steckerabschnitt ausgelegt und/oder mindestens eines der beiden Haltemittel mit einer zusätzli¬ chen Verriegelung versehen ist, lässt sich eine besonders be¬ queme und sichere Handhabung für den Nutzer erreichen.

Die Kleinspannungs-Steckdose bzw. -buchse ist mechanisch sta¬ bil und robust ausgeführt - beispielsweise wie die 12 V- Zigarettenanzünder-Steckdose im Kraftfahrzeug. Alle Klein- leistungsgeräte, deren Leistung die verfügbare Gesamtleistung nicht überschreitet, besitzen nur noch den Kleinspannungs- Stecker, oder für sie wird ein Anschlusskabel mit einem sol¬ chen Stecker separat bereitgestellt. Bei der Steckernetzteil-Variante wird auf der 230 V-Seite ei¬ ne mechanisch stabile, kippsichere Lösung unter mechanischer Verwendung der Schutzleiter-Kontakte eingesetzt. Der Durch¬ messer der 230 V-Stecker-Stifte sollte den Durchmesser von Eurosteckern aufweisen, um das Gerät auch in anderen Ländern, z.B. an Rasierer-Steckdosen in Hotels verwenden zu können. Auf der Kleinspannungsseite sollte eine zu definierende Kleinspannungsbuchse (beispielsweise Auto-Steckdose) vorge¬ leistet werden, die bei Ziehen des Kleinspannungssteckers möglichst die Gesamtanordnung nicht aus der 230 V-Steckdose zieht. Dies kann beispielsweise durch eine Entriegelungstaste für den Kleinspannungsstecker erfolgen, die so konstruiert ist, dass bei Betätigung die Gesamtanordnung in die 230 V- Steckdose gedrückt wird.

Hierbei ist die Verwendung der Autosteckdosen-Technik aus elektrischer und mechanischer Sicht möglich. Dieses System ist jedoch relativ voluminös konzipiert. Besser wäre daher, ein anderes, kleineres Stecksystem zu verwenden. Zur Verrie- gelung bietet sich dann eine Drehverriegelung an. Derartige Systeme sind beispielsweise in der Lautsprecher-Anschluss¬ technik am Markt verfügbar. Diese Systeme ermöglichen und vereinfachen auch die Konstruktion von Mehrfachsteckdosen an einem Gehäuse auf der Kleinspannungs-Seite.

Die Umsetzung der 230 V am Eingang in die Kleinspannung am Ausgang erfolgt durch den sogenannten Kleinspannungsumsetzer. Dieser weist bei den dezentralen Netzvarianten bevorzugt fol¬ gende elektrische Eigenschaften auf:

- Eine galvanische Trennung der Kleinspannungs-Seite vom 230 V-Netz ist gemäß den länderspezifischen Vorschriften (Europa: EN 60950) ohne Schutzleiter (Schutzklasse 2) zu realisieren. - Der Eingangsspannungs-Bereich auf der 230 V-Seite sollte (keine Pflicht) von ca. 90 V bis 265 V ausgelegt werden, um alle Netze von 110 V bis 240 V einschließlich Toleranzen ab¬ zudecken. - Als Kleinspannung wird eine Gleichspannung bereitgestellt. - Die Kleinspannung sollte sich an bekannten Systemen orien¬ tieren: z.B. 12 V Auto, 5 V USB, ... vorzugsweise 12 V. - Die Umsetzung der 230 V in die Kleinspannung sollte durch ein Schaltnetzteil mit niedriger Ruhestromaufnahme erfolgen. - Der maximale Ausgangsstrom wird - beispielsweise bei einer 12 V-Lösung - präzise auf beispielsweise 500 mA + 5% begrenzt werden. Dadurch sind in Applikationen auch einfache Stromver- sorgungs-Lösungen durch Ausnutzung der Strombegrenzung ohne DC/DC-Wandler möglich. - Der Kleinspannungs-Ausgang ist kurzschlussfest.

Der Kleinspannungsumsetzer sollte einen hohen Wirkungsgrad aufweisen (Schaltnetzteil) und insbesondere im Leerlauf einen geringen Strom aus dem 230 V-Netz verbrauchen, da er im Stan- dardanwendungsfall als Dauerverbraucher am 230 V-Netz ange¬ schlossen ist. Es sind auch mechanische Lösungen möglich, die erst bei Stecken eines Kleinspannungssteckers den Umsetzer einschalten.

Im übrigen sind Sonderformen des Kleinspannungsumsetzers denkbar, die neben der Bereitstellung der Kleinspannungs- steckdose ein Netzspannungs-Datenmodem beinhalten und so in einem Gerät zusätzlich noch eine Datensteckdose beinhalten.

Bei einer Fortbildung der zentralen Variante erfolgt die prinzipielle Umsetzung von 230 V auf eine Klein-Rohspannung an zentraler Stelle. Diese Klein-Rohspannung, die noch höher als die letztendlich an der Kleinspannungs-Steckdose bereit- gestellten spezifizierten Ausgangs-Spannung ist, wird über Kabel an die Kleinspannungs-Steckdosen geführt. In der Kleinspannungs-Steckdose erfolgt dann eine weitere Umsetzung auf die spezifizierten Werte des Kleinspannungs-Netzes. Der Umsetzer weist dann folgende Eigenschaften auf:

- Eine galvanische Trennung der Klein-Rohspannungs-Seite vom 230 V-Netz ist gemäß den länderspezifischen Vorschriften (Eu¬ ropa: EN 60950) ohne Schutzleiter (Schutzklasse 2) zu reali- sieren. - Der Eingangsspannungs-Bereich auf der 230 V-Seite sollte (keine Pflicht) von ca. 90 V bis 265 V ausgelegt werden, um Netze von 110 V bis 240 V einschließlich Toleranzen abzude¬ cken. - Als Klein-Rohspannung wird eine Gleichspannung bereitge¬ stellt. - Die AusgangsSpannung liegt beispielsweise ca. 50% über der spezifischen NennausgangsSpannung (z.B. 12 V) des Kleinspan¬ nungs-Netzes, um eine einfache Umsetzung in die spezifizierte NennausgangsSpannung zu ermöglichen. - Die Umsetzung der 230 V in die Klein-Rohspannung sollte durch ein Schaltnetzteil mit niedriger Ruhestromaufnahme er¬ folgen. - Der Ausgangsstrom kann dem Bedarf durch die Auswahl aus Um- setzern mit verschiedenen Ausgangsleistungen (Ausgangsströ¬ men) flexibel angepasst werden. - Der Ausgang der Klein-Roh-Spannung ist kurzschlussfest.

Insgesamt ergeben sich - mit den grundlegenden Merkmalen der Erfindung bzw. in den oben erwähnten bevorzugten Ausgestal¬ tungen - mit der vorgeschlagenen Lösung folgende wesentliche Vorteile: - Das Kleinspannungs-Netz kann flexibel auf den persönlichen Bedarf eingerichtet werden. - Geräte mit Kleinspannungs-Stecker können an allen Klein- spannungsbuchsen im Kleinspannungs-Netz angeschlossen und be- trieben werden. - Geräte mit Kleinspannungs-Stecker benötigen keine galvani¬ sche Trennung, da die galvanische Trennung im Kleinspannungs- Netz realisiert wird. Hierdurch vereinfacht sich oft der Auf¬ wand in den Geräten für den Stromversorgungs-Schaltungsteil - insbesondere bei integriertem Netzteil - wesentlich. - Die Anzahl der (inkompatiblen) Steckernetzteile wird redu¬ ziert. - Die Belastung des 230 V-Netzes durch "leerlaufende" (Tra¬ fo-) Steckernetzteile wird reduziert. - Die Anzahl herumliegender Kabel wird reduziert. - Kleinspannungsumsetzer können durch die hohe Stückzahl gleichartiger (möglichst standardisierter) Geräte kostengüns¬ tig hergestellt werden. - Durch Nutzung der (präzisen) Strombegrenzung sind bei An- Wendungen mit kleiner Leistung auch einfachste Stromversor- gungs-Konzepte machbar (beispielsweise Kleinakku-Ladung) . Die Verlustleistung kann so auch ohne DC/DC-Wandler weitgehend aus der Applikation herausgehalten werden.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus¬ führungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer installationsmäßig mit dem normalen Stromnetz verbundenen Hausstromversorgung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Hausstromversor¬ gung mit steckbarer Kleinspannungs-Steckdose mit integriertem Kleinspannungsumsetzer gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kleinspannungs- Steckdosenleiste mit flexiblem Anschlusskabel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt (in stark vereinfachter Prinzipskizze) einen Ausschnitt einer Kleinspannungs-Hausstromversorgung 10, die installationsmäßig fest (also durch - nicht dargestellte - Schraub- bzw. Klemmanschlüsse) mit dem 230 V-Netz 11 verbun¬ den ist. Sie umfasst ein Schaltnetzteil 13, welches gemäß den oben erläuterten Prinzipien aufgebaut ist und u.a. eine (durch die diagonale Linie im Block 13 symbolisierte) galva¬ nische Trennung der beiden Netze bewirkt.

Des weiteren umfasst die Kleinspannungs-Hausstromversorgung 10 ein selbständiges Leitungsnetz 15, welches trotz der nie¬ drigen Betriebsspannung - im Hinblick auf die geringen Leis¬ tungen der anzuschließenden Geräte - mit hinreichend kleinem Querschnitt ausgeführt sein kann. An das separate Leitungs¬ netz 15 ist eine geeignete Anzahl von Kleinspannungs- Einzelsteckdosen 17 oder Kleinspannungs-Mehrfachsteckdosen 18 angeschlossen, die jeweils eine oder mehrere Kleinspannungs- buchsen 19 enthalten. Zur zweckmäßigen mechanischen Ausfüh¬ rung dieser Kleinspannungs-Steckdosen wird auf die obigen Er¬ läuterungen verwiesen.

Fig. 2 zeigt eine Steckdosen-Netzteil-Kombination 20 zum An- schluss an eine herkömmliche Netzsteckdose des 230 V-Netzes mittels eines angeformten Netzsteckerabschnittes 21. In einem (hier nur symbolisch dargestellten) Gerätegehäuse 23 sind ein Schaltnetzteil 25 (welches wiederum eine galvanische Trennung vom Wechselspannungsnetz bewirkt) sowie ein Steckdosenab¬ schnitt 27 mit Kleinspannungsbuchse 29 aufgenommen. Im Steck- dosenabschnitt 27 ist ein (hier nicht gesondert bezeichneter) Ausgangsspannungsregler/Strombegrenzer untergebracht.

Fig. 3 zeigt eine Kleinspannungs-Steckdosenleiste 30, welche über einen Norm-Netzstecker 31 und ein flexibles Verbindungs- kabel 32 an das 230 V-Wechselspannungsnetz anschließbar ist. Die Steckdosenleiste 30 hat ein geeignet geformtes, langge¬ strecktes Gehäuse 33, welches ein Schaltnetzteil 35 enthält, das einen für eine Mehrzahl von Verbrauchern ausreichenden Ausgangsstrom bereitstellt. Weiterhin hat die Steckdosenleis- te einen Steckdosenabschnitt 37, der interne Zuleitungen 36 zu mehreren Kleinspannungsbuchsen 39 sowie mehrere, jeweils den Buchsen 39 zugeordnete Spannungsregler-/Strombegrenzer- Einheiten 38 aufweist.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschrie¬ benen Beispiele beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Bezugszeichenliste

10 Kleinspannungs-Hausstromversorgung 11 230 V-Netz 13; 25 35 Schaltnetzteil 15 selbständiges Leitungsnetz 17 Einzelsteckdose 18 Mehrfachsteckdose 19; 29 39 Kleinspannungsbuchse 2200 Steckdosen-Netzteil-Kombination 21 Netzsteckerabschnitt 23; 33 Gerätegehäuse 27; 37 Steckdosenabschnitt 30 Kleinspannungs-Steckdosenleiste 3311 Norm-Netzstecker 32 Verbindungskabel 38 Spannungsregler/Strombegrenzer