Projekt 18149/01

Entwicklung eines Sprechanlagen-Netzgerätes mit reduziertem Stand-by-Verlust

Projektträger

A. Grothe & Söhne GmbH & Co. KG
Löhestr. 22
53773 Hennef
Telefon: 02242/8890-33

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Vorhabens besteht darin, den Stand-by-Energieverbrauch von Netzgeräten für Standard-Sprechanlagen in Mehrdrahttechnik um ca. 80-90% zu reduzieren.
Der Anlass für diese Entwicklung ist darin begründet, dass auf Grund der großen Anzahl der im Markt befindlichen Standard-Sprechanlagen ein erhebliches Energie-Einsparpotenzial besteht, indem der normalerweise ständig am Netz angeschlossene Transformator des Netzgerätes primärseitig in einen Stand-by-Modus versetzt wird, solange nicht geklingelt oder gesprochen wird. Während der Stand-by-Zeit, die mit einem zeitlichen Anteil von mehr als 99% gegenüber der eigentlichen Betriebs-zeit/Sprechzeit absolut dominiert, lässt sich eine durchschnittliche Einsparung von 8 VA realisieren. Diese Zahl ergibt sich daraus, dass ein Netzgerät durchschnittlich ca. 9 VA im Leerlauf konsumiert, während die neu zu entwickelnde Stand-by-Schaltung bei unter 1 VA liegen würde. Hochgerechnet auf die in Deutschland installierten Standard-Sprechanlagen liegt das theoretische Primärenergie-Einsparpotenzial bei ca. 600.000 MWh.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls Basis für die Entwicklung dient ein durch GROTHE bereits zur Marktreife geführter Klingeltransformator mit reduziertem Stand-by-Verlust, der folgendermaßen funktioniert:
· Primärseitig wird der Strom im Stand-by-Betrieb durch einen zusätzlichen Vorwiderstand reduziert. Diese Reduktion ist so bemessen, dass sekundärseitig immer noch eine kleine Restspannung (=Sensorspannung) verbleibt, die mit Hilfe einer Auswertelektronik (=Stromsensor) überprüft, wann tatsächlich Strom gebraucht wird.
· Registriert der Stromsensor durch einen nun eingeschalteten Verbraucher einen Sekundär-Strom, der eine vorher definierte Schaltschwelle überschreitet, so wird primärseitig der Vorwiderstand durch ein Relais (mechanisch oder elektronisch als TRIAC) überbrückt. Nun steht die volle Nennspannung bzw. der volle Nennstrom zur Verfügung.
Die für ein Netzgerät gegenüber dem ECO-Klingeltransformator zusätzlich zu erfüllenden Funktionen wurden in der Produkt-Spezifikation mit folgenden wesentlichen Punkten festgehalten:
- Netzgeräte müssen außer der Wechselspannung auch eine geregelte Gleichspannung oder mehrere verschiedene geregelte Gleichspannungen zur Verfügung stellen. Damit können Mithörsperren, Tongeneratoren oder NF-Verstärker gespeist werden.
- Ausgelöst durch eine Klingeltaster-Betätigung wird die ECO-Schaltung aufgehoben. Für eine zeit- oder funktionsabhängige Einschaltzeit sind alle Netzgerätefunktionen verfügbar.
Im nächsten Schritt wurde das Pflichtenheft erarbeitet. Hier haben wir Technologiealternativen in Brainstorming-Meetings erarbeitet und analysiert und daraus resultierend die weiterzuverfolgende(n) Alternative(n) festgelegt. Dabei kam im Wesentlichen heraus, dass
- es bei einfachen Standard-Anlagen (ohne Mithörsperre, Tonruf und NF-Verstärkung) ausreicht, einen weiteren Stromsensor in die Ausgangsleitung der Gleichstromversorgung zu legen;
- bei Anlagen mit Mithörsperre ggfs. ergänzend zum Stromsensor noch eine zeitlich gesteuerte Abschalt-Vorrichtung vorgesehen werden muss.
In der Phase Funktionsmuster wurden die Funktionsverknüpfungen übersichtlich dargestellt und erste Baugruppenstrukturen definiert. Nachdem aus den Funktionsverknüpfungen Schaltpläne erstellt worden sind, konnten Funktionsmuster aufgebaut werden, die nicht nur eine Prüfung der elektrischen Schaltkreise ermöglichten, sondern bei denen auch schon geometrische Gesichtspunkte analysiert werden konnten. Dabei wurden Funktionstests auch an real existierenden Anlagen durchgeführt, da Leitungsmaterial, Leitungswiderstände, Impedanzen, Störeinstrahlungen durch andere Verbraucher (Aufzug-Antriebe mit hohen Leistungen etc.) einen großen Einfluss auf die sichere Funktion haben können. Dabei musste insbesondere die Schaltschwelle in kleinen Schritten optimiert werden (derzeit ca. 50mA).
Weiterhin wurde eine Konstruktions-FMEA (Fehler-Möglichkeits- und Einflussanalyse) durchgeführt, bei der auf einer theoretischen Basis Fehlerzustände (Überlast, Kurzschluss, Fehlbedienung etc.) dargestellt wurden. Schließlich wurden auch die einzelnen Komponenten in einer Stückliste zusammengefasst und das Design des Gehäuses festgelegt sowie ein erster Entwurf des Gehäuseaufdrucks angefertigt.


Ergebnisse und Diskussion

Für die Netzgeräte-Funktionen wird zunächst eine Gleichspannung erzeugt. Zusätzlich zu der bereits durch den ECO-Klingeltransformator bekannten Schaltung wird ein weiterer Stromsensor S2 vorgesehen, der registriert, ob z.B. ein Telefonhörer abgehoben wurde und ein Gleichstrom fließt. Über einen zweistufigen Verstärker wird der Strom so verstärkt, dass er ebenso wie der Verstärker des Klingeltransformators über einen Widerstand einen TRIAC einschalten und die geforderte Leistung freigeben kann. Dabei konnte die optimale Dimensionierung der Bauteile nur durch viele Versuche im Labor und in der Praxis (reales Umfeld) schrittweise ermittelt werden.
Sobald keine Gleichstromanforderung mehr vorliegt, sperren die Transistoren des Verstärkers V2 und damit auch der TRIAC TRI1 im Schalter-Kreis. Der ECO-Modus ist wieder eingeschaltet.
Da es sich hierbei nur um eine Grundsatzentwicklung handelte, sollten für die vielen aufwändigeren Varianten (Sprechanlagen in BUS-Technik, mit Mithörsperren, Namensschildbeleuchtung etc.) detailliertere Untersuchungen erfolgen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es ist geplant, den Prototypen während der nächsten Messe Light & Building Anfang 2004 auszustellen und im Gespräch mit Kunden die Marktakzeptanz zu prüfen. Weiterhin sollen die Ergebnisse auch demnächst in verschiedenen Branchen-Gremien vorgestellt und diskutiert werden.


Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch das während der letzten Monate entwickelte Netzgerät mit ECO-Modus die Stand-by-Verluste signifikant reduziert werden können, wobei der technische Mehr-aufwand vertretbar ist und Einschränkungen in Qualität und Benutzer-Komfort nicht vorhanden sind.
Da die Standard-Sprechanlagen einen zunehmend kleineren Marktanteil haben werden und durch aufwändigere, teils digitale Systeme ersetzt werden, wäre es sinnvoll, in einem Folgeprojekt Möglichkeiten zu analysieren, auch diese Systeme bezüglich der Stand-by-Verluste zu optimieren.