DE4426509A1 - Element zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Element zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers in einem Leitungskreis nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

In einer Zeit steigenden Energiebewußtseins wird ein sparsamerer Umgang mit der hochwertigen Energieform Elektrizität immer wichtiger. Der Abnehmer, ins­ besondere im privaten Haushalt, kennt jedoch den Verbrauch seiner elektri­ schen Geräte nur ungenügend, etwa anhand der angegebenen Leistung oder insgesamt über den Zählerstand des Hauszählers. Nur technisch versierte Abnehmer trennen den Stromkreis auf, um mittels eines Meßgerätes den tatsächlichen Stromverbrauch zu ermitteln.

Mit dem erfindungsgemäßen Element, das z. B. der Stecker am Anschlußkabel des einzelnen Verbrauchers sein kann, lassen sich die Verbrauchsdaten jederzeit korrekt erfassen. Als Anwendungsgebiete bieten sich insbesondere permanent betriebene elektrische Verbraucher an, die zwar, wie z. B. Personal­ computer, Telefaxgerät, Videorecorder oder Kopierer, eine relativ geringe An­ schlußleistung haben, aber über große Zeiträume betrieben werden und dadurch einen erheblichen Energieverbrauch aufweisen. Dieser Energiever­ brauch läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Element über einen größeren Zeit­ raum erfassen.

Schon seit langem sind zahlreiche Vorschaltzähler bekannt, die jedoch neben dem vergleichsweise hohen Preis weitere Nachteile, wie umständliche Bedienung oder hohen Platzbedarf aufweisen.

In der DE 36 19 053 ist ein Stromkostenzähler zur Ermittlung der laufenden Kosten einzelner elektrischer Verbraucher beschrieben, der unmittelbar in den Leitungskreis des elektrischen Verbrauchers eingeschaltet wird. Der Strom­ kostenzähler kann als Wandgerät, Tischgerät oder als Einbaugerät ausgestaltet sein.

Die Ausgestaltung als eigenständiges Meßgerät hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Aufwandes für dessen Herstellung, so daß der gleichzeitige Einsatz einer Vielzahl von Meßgeräten, z. B. für die zahlreichen elektrischen Verbraucher eines privaten Haushalts, für den Anwender zu kostspielig ist. Zudem würde z. B. die Montage als Einbaugerät in einer Wand hohe zusätzliche Kosten verursachen, da dessen Platzbedarf erheblich höher als der einer Steckdose ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Element zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers anzugeben, das kostengün­ stig herstellbar und in bestehenden Leitungsnetzen ohne hohen Aufwand einsetzbar ist, so daß nur sehr geringe Zusatzkosten für den Anwender anfallen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Element zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers in einem Leitungskreis, z. B. eines Kühlschrankes als Verbraucher im dazuge­ hörigen Versorgungsstromkreis einer Wohnung, weist eine Anzeigeeinheit sowie eine Meßeinheit auf. Als Meßeinheit kann beispielsweise eine übliche Strom- oder Leistungsmeßschaltung mit einem A/D-Wandler und eventuell einem Integrator und einem Speicher zur Aufsummierung der in einem bestimmten Zeitraum verbrauchten Energie dienen. Die Anzeigeeinheit wird vorzugsweise durch ein LCD-Display realisiert. Erfindungsgemäß ist das Element ein Funkti­ onselement des Leitungskreises, wie z. B. ein Stecker, eine Steckdose, ein Schalter oder ein Sicherungsautomat, in das die Anzeige- und die Meßeinheit integriert sind.

Durch die Integration von Anzeige- und Meßeinheit in ein Funktionselement des Leitungskreises wird kein externes eigenes Gerät notwendig. Der Verbraucher tauscht vielmehr vorhandene Funktionselemente gegen die erfindungsgemäßen Elemente aus, ohne zusätzlichen Platzbedarf oder Installationsaufwand zu haben. Meß- und Anzeigeeinheit sind daher vorzugsweise so in das Funktionselement integriert, daß dessen äußere Abmessungen dadurch nicht oder nur unwesentlich verändert werden und die einschlägigen Normen und VDE-Vorschriften weiterhin erfüllt sind. Desweiteren kann bereits beim Kauf des Funktionselementes oder des Verbrauchers (beispielsweise mit einer im Anschlußstecker integrierten Meß- und Anzeigeneinheit) das erfindungsgemäße Element berücksichtigt werden. Die Realisierung der Anzeige- und Meßeinheit z. B. als integrierte Schaltung auf einem Chip mit einem LCD-Display, erlaubt eine kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Elementes, so daß der preisliche Unterschied zwischen einem herkömmlichen Funktionselement und dem erfindungsgemäßen Element nur sehr gering ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 3 weist das erfin­ dungsgemäße Element keinerlei externe Bedienungselemente, wie z. B. Taster, für die Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten auf. Die Steuerung des Elementes kann beispielsweise im Falle eines Steckers über die beiden vorhandenen Pole, im einfachsten Fall über deren Kurzschluß erfolgen. Denkbar sind auch kaskadierende Steuerschaltungen, etwa durch mehrfaches Kurz­ schließen innerhalb bestimmter Zeit, Umpolen des Steckers, wobei die unterschiedlichen kapazitiven Widerstände zum Erdpotential ausgenützt werden. Durch den Verzicht auf externe Bedienelemente werden insbesondere mechanische Störanfälligkeit und die Herstellungskosten zusätzlich vermindert.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elementes wird gemäß den Ansprüchen 4 bis 7 die Meßeinheit als (mikroelektronisch) integrierte Schaltung ausgeführt, die direkt auf das Glassubstrat einer LCD-Anzeige aufgebracht oder in dieses implementiert ist. Die Polarisationsfolie des LCD-Displays wird über den IC laminiert. Der Chip der integrierten Schaltung muß dabei so dünn sein, daß er sich in seinen thermomechanischen Eigenschaften an das Glassubstrat anpaßt. Durch die flache Ausführungsform (vorzugsweise weniger als 10 µm dick) kann die Kontaktierung zum LCD-Display durch planare Verdrahtung (z. B. mittels Siebdrucktechnik oder Laserabscheidung) erfolgen. Die flache Form des Chips kann beispielsweise durch Abschleifen oder Abätzen (Chemical Mechanical Polishing, CMP) erreicht werden.

Durch diese Ausführungsform werden der Platzbedarf der Meß- und Anzeige­ einheit sowie die Herstellungskosten durch die Vermeidung aufwendiger Verdrahtung nochmals reduziert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 Beispiele für unterschiedliche Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen Elementes, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer möglichen Meß- und Anzeigeeinheit des erfindungsgemäßen Elementes.

Die in Fig. 1 gezeigten Beispiele für unterschiedliche Varianten des erfindungs­ gemäßen Elementes sind ein Stecker (2), eine Steckdose (3) oder ein Siche­ rungsautomat (4), in die jeweils Meßeinheit und Anzeigeeinheit (1) integriert sind. Mögliche Anzeigegrößen (Strom [A], Leistung [W], Energieverbrauch [kWh]) sind ebenfalls in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für den internen Aufbau des erfindungsgemäßen Elementes (5) im Leitungskreis eines Verbrauchers (6). Die grundlegenden Bausteine dieser Ausführungsform sind A/D-Wandler (7), Rechen- und Logikeinheit (8), Displaytreiber (9) zur Ansteuerung der Anzeige (1), Speicher (10), Spannungsversorgung (11), sowie Resetmöglichkeit (12) für den Speicher (10).

Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine digitale, nahezu leistungs­ lose Anzeige (1), die z. B. beleuchtet sein kann, in den elektrischen Stecker (2) des Anschlußkabels eines Verbrauchers (6) integriert. Die Messung soll sich auf den Strom, die Spannung und den über die Zeit sich ergebenden Energiever­ brauch beziehen.

Ein derartiger Stecker (2) enthält einen A/D-Wandler (7), der Strom und gegebenenfalls Spannung abtastet und mißt. Beim Betrieb am Wechselstrom­ netz, dessen Frequenz-Langzeitstabilität garantiert ist, kann eine interne Uhr netzsynchron betrieben werden. Somit ist kein Quarz oder anderes Zeitnormal erforderlich. Die Anzeige der momentanen Leistung und auch der insgesamt entnommenen Leistung erfolgt mittels einer LCD-Anzeige (1) praktisch leistungs­ los. Dabei ist vorgesehen, in bestimmten Zeitintervallen, etwa alle 15 Sekunden, von einem in den anderen Modus (aktueller Leistungsverbrauch/insgesamt verbrauchte Energie) umzuschalten.

Für die Speicherung des Wertes der verbrauchten Energie bei gezogenem Stecker enthält der Stecker (2) einen nichtflüchtigen Speicher (EPROM) (10), der den zuletzt erreichten Zählerstand über längere Zeiträume (Monat/Jahr) zwischenspeichert.

Die Rückstellung des integrierenden Leistungszählers, der auch als Rückwärts­ zähler arbeiten kann, wird ohne Taster oder Schalter realisiert. Eine besonders einfache Möglichkeit hierzu bietet der Kurzschluß der beiden Pole des Steckers (2) an einem metallischen Gegenstand. Nach Abziehen des Steckers von der Dose und Kurzschließen der beiden Pole wird der Zähler zurückgestellt, was am Display nach dem nächsten Einstecken verifiziert werden kann.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält der Stecker eine Strommeß­ möglichkeit und gegebenenfalls eine Spannungsmeßmöglichkeit. Beide Meßwerte werden in digitale Form gebracht und in bestimmten Zeiträumen (Minuten) in den nichtflüchtigen Speicher (10) eingeschrieben, der die Daten auch ohne Netzverbindung hält.

Diese Ausführungsform ist sehr preiswert zu realisieren. Zweckmäßigerweise werden alle Funktionen in einer einzigen integrierten Schaltung zusammenge­ faßt. Da die Genauigkeit bestenfalls im unteren Prozentbereich liegen muß, ist ein sehr einfacher Aufbau sowohl des A/D-Wandlers (7) als auch des Speichers (10) und des Displaytreibers (9) mit einer 3 1/2-Dekaden-Anzeige möglich. Die Energieversorgung dieser Elektronik erfolgt durch das Netz, eine Batterie ist nicht vorgesehen.

In großen Stückzahlen (ab 100 000) sind derartige Chips bei einem Flächenbe­ darf von etwa 6 mm² für knapp DM 0,20 herstellbar. Eine LCD-Anzeige mit etwa 1 cm² aktiver Fläche ist für etwa DM 0,40 herstellbar. Einen wesentlichen Anteil am Preis der LCD-Anzeige wie auch am Chip, hat die Anzahl der Anschlüsse. Hier ist ein weiterer Preissenkungsspielraum gegeben. Durch die Implementie­ rung der integrierten Schaltung direkt auf das Glassubstrat der LCD und planare Verdrahtung, etwa durch Siebdruck oder Maskentechnik, ist das komplette Modul mit lediglich drei Anschlüssen mit den Polen des Steckers verbunden. Externe Beschaltungen wie Induktivität oder Kapazitivität können vollständig vermieden werden. Der Gesamtpreis eines solchen Moduls könnte deutlich un­ ter DM 1,00 liegen.

Neben diesem Ausführungsbeispiel ist die Integration eines entsprechenden Bil­ ligmoduls in die unterschiedlichsten Funktionselemente eines Leitungskreises möglich, wie z. B. Steckerleisten, Sicherungsautomaten, Steckdose oder in den Verbraucher selbst.

Bei Integration eines derartigen Moduls bestehend aus einer Meßeinheit und einer Anzeigeeinheit in Steckdosen, kann beispielsweise die Resetfunktion (12) durch einen speziellen Löschstecker mit definiertem Blindwiderstand oder die Abtrennung der Versorgungsspannung mittels Öffnen der Sicherung des Stromzweiges bewirkt werden.

Claims (16)

1. Element zur Anzeige der elektrischen Verbrauchsdaten eines Verbrauchers in einem Leitungskreis mit einer Anzeigeeinheit und einer Meßeinheit zur Bestimmung der Verbrauchsdaten, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Funktionselement des Leitungskreises ist, wobei An­ zeigeeinheit und Meßeinheit im Funktionselement integriert sind.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbrauchsdaten die momentane Leistung und/oder der momentane Stromverbrauch und/oder der Energieverbrauch über einen bestimmten Zeitraum sind.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element keine externen Bedienelemente für die Anzeige der elek­ trischen Verbrauchsdaten aufweist.

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinheit aus einer digitalen LCD-Anzeige und die Meßeinheit aus einer integrierten Schaltung besteht, in der alle Meßfunktionen zusam­ mengefaßt sind.

5. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung direkt auf das Glassubstrat der LCD-Anzeige aufgebracht oder in dieses implementiert und so flach ausgeführt ist, daß sie sich in ihren thermomechanischen Eigenschaften an das Glassubstrat anpaßt.

6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- oder Aufbauhöhe der integrierten Schaltung auf dem Glassubstrat so flach ist, daß die Kontaktierung der integrierten Schaltung durch planare Verdrahtung erfolgen kann.

7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung mittels Siebdrucktechnik oder Laserabschei­ dung planar verdrahtet ist.

8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element einen nichtflüchtigen Speicher, insbesondere ein EPROM, aufweist, der die Werte des Energieverbrauchs bei abgetrennter Stromver­ sorgung zwischenspeichert.

9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement ein Stecker ist.

10. Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtflüchtige Speicher durch Kurzschluß der beiden Pole des Steckers rückstellbar ist.

11. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement eine Steckdose ist.

12. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtflüchtige Speicher durch einen speziellen Löschstecker mit definiertem Blindwiderstand rückstellbar ist.

13. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement ein Sicherungsautomat oder ein Schalter ist.

14. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine interne Uhr enthält, die netzsynchron betrieben wird.

15. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige von momentaner Leistung oder momentanem Stromver­ brauch und bisherigem Energieverbrauch abwechselnd in bestimmten Zeitintervallen erfolgt.

16. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anzeige von momentaner Leistung oder momentanem Stromverbrauch und bisherigem Energieverbrauch zwei getrennte Anzei­ geelemente vorgesehen sind.