DE10026175A1

DE10026175A1 - Induktiver Bus

Info

Publication number: DE10026175A1
Application number: DE10026175A
Authority: DE
Inventors: Georg Lohr; Harry Schilling; Herbert Weithmann
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2020-05-27
Also published as: DE50106636D1; DE10026173A1; DE10026175C2; DE10026174A1; DE50103993D1

Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie von mindestens einem Sender zu mehreren Empfängern. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß jeder Sender eine Wechselspannungs- bzw. Stromquelle sowie mehrere von dieser gespeiste induktive Koppelelemente enthält, welche durch mindestens eine Kapazität zu resonanzfähigen Elementen ergänzt werden und weiterhin ein Steuerelement vorhanden ist, welches die Wechselspannungs- bzw. Strommquelle derart steuert, dass diese auf einer Resonanzfrequenz der resonanzfähigen Elemente arbeitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich die Kontaktierung häufig ortsveränderlicher Einrichtungen. Zur Kontaktierung häufig ortsveränderlicher Einrichtungen werden oft noch mechanische Steckverbindungen eingesetzt. Derartige me chanische Kontaktsysteme sind in einer breiten Typen vielfalt auf dem Markt. Regelmäßig muß ein relativ ho her Aufwand betrieben werden, um die Kontaktsysteme vor Umwelteinflüssen zu schützen. Hier stellen Aspekte wie Berührungsschutz, Schutz vor eindringenden Flüssigkei ten, wie Wasser, Öl oder auch Feuchtigkeit eine wichti ge Rolle. Besondere Anforderungen werden in explosions geschützten Bereichen gestellt. Um solchen Anforderun gen gerecht zu werden, müssen die Kontakteinrichtungen in aufwendiger und kostenintensiver Weise gekapselt werden. Dadurch vergrößert sich die Bauform wesentlich und die Handhabung wird erschwert. Gerade bei häufigen Steckzyklen weisen solche Steckverbinder gravierende Nachteile auf. Hinzu kommt noch ein mechanischer Ver schleiß der Kontakte, der sich zunächst in einem höhe ren Übergangswiderstand bis hin zum Totalausfall äus sert.

Eine wesentliche Verbesserung stellen hier kontaktlose Verbindungssysteme dar. Kontaktlose auf induktiver Kop pelung basierende Übertragungssysteme sind in vielfältigen Ausführungen bekannt. Beispielhaft in der deut schen Patentanmeldung DE 197 01 357 ist ein auf induk tiver Koppelung basierendes System beschrieben. Es ver meidet den Hauptnachteil kontaktierender Systeme, hat jedoch relativ hohe Herstellungskosten. Hier ist für jede Übertragungseinrichtung ein eigener Wechselspan nungsgenerator und auf der entgegengesetzten Seite ein entsprechender Gleichrichter notwendig. Gerade bei An lagen mit einer hohen Anzahl von Kontakteinrichtungen führt dies zu untragbar hohen Kosten.

Ein weiterer Nachteil derartiger Anordnungen, wie sie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 25 145 beschrieben ist, ist die Forderung nach einer relativ festen Kopplung mit niedriger Streuinduktivität zwischen den beiden Kontaktpartnern. Gerade bei konven tionellen Schaltungsanordnungen zur induktiven Übertra gung stellt sich die Streuinduktivität, welche auch im Ersatzschaltbild als Serieninduktivität dargestellt werden kann, als störend heraus, da ihre Impedanz den maximal übertragbaren Strom begrenzt. Ein streuindukti vitätsarmer Aufbau setzt aber einen möglichst geringen Luftspalt zwischen den Übertragungselementen voraus. Dies bedeutet meist einen hohen mechanischen Aufwand und geringe Flexibilität beim Einsatz.

Daher stellt sich die Aufgabe, eine Anordnung zur kon taktlosen Übertragung darzustellen, welche insbesondere bei einer großen Anzahl von Übertragungsstellen kostengünstig realisierbar ist, wobei gleichzeitig ein größe rer Luftspalt zwischen den Übertragungspartnern tole rierbar sein soll.

In dieser Darstellung wird für das magnetische Medium gleichbedeutend der Begriff Kern, Ferritkern oder auch Eisenkern gebraucht. Dieser bezeichnet im allgemeinsten Fall ein magnetisches Medium mit µ_r < 1. Ebenso wird nicht ausdrücklich zwischen Signal- und Energieübertra gung unterschieden, da ohne Energie kein Signal über tragen werden kann und übertragene Energie auch Infor mation enthalten kann.

Diese erfindungsgemäße Anordnung besteht aus mehreren Resonanzübertragern, basierend auf induktiver Kopplung. Dazu werden die einzelnen induktiven Übertrager zu re sonanzfähigen Elementen ergänzt. Dies kann eine einzel ne Kapazität für alle Induktivitäten oder auch eine An ordnung, bei der jeder einzelnen Induktivität bzw. ei ner Gruppe von Induktivitäten jeweils eine Kapazität zugeordnet ist. Diese werden dann vorzugsweise von ei ner gemeinsamen Speisevorrichtung gespeist. Diese Spei sevorrichtung enthält eine Vorrichtung, welche die Wechselspannungs- bzw. Stromquelle derart ansteuert, dass diese auf einer Resonanzfrequenz der Übertragungs anordnung arbeitet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die parasitären Kapazitäten der induktiven Koppelelemente derart ausgestaltet sind, dass sie einen nennenswerten Anteil zur Resonanzkapazität beitragen. Im Extremfall sind diese parasitären Kapazi täten so hoch, dass auf Resonanzkapazitäten vollständig verzichtet werden kann. Hierzu läßt sich die ohnehin vorhandene Wicklungskapazität vorteilhaft ausnutzen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung werden die induktiven Koppelelemente durch ent sprechende Kapazitäten zu Serienresonanzkreisen er gänzt. Diese Ausgestaltung der Serienresonanzkreise kann wahlweise auf der Primär- oder Sekundärseite bzw. auf beiden Seiten des induktiven Koppelelements erfol gen. Neben einer Serienresonanz der Schaltung ergibt sich meist mindestens eine weitere Parallelresonanz. Wesentlich ist bei dieser Anordnung aber, dass die Speisevorrichtung derart gestaltet ist, dass eine Spei sung in der Nähe der Serienresonanzfrequenz erfolgt.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die induktiven Übertragungselemente durch entspre chend parallel geschaltete Kapazitäten zu Parallelreso nanzkreisen ergänzt werden. Diese Ergänzung kann je weils wahlweise auf primär, sekundär oder auch auf bei den Seiten der induktiven Koppelelemente erfolgen. Ne ben einer Parallelresonanz der Schaltung ergibt sich meist mindestens eine weitere Serienresonanz. Wesent lich ist bei dieser Anordnung aber, dass die Speisevorrichtung derart gestaltet ist, dass eine Speisung in der Nähe der Parallelresonanzfrequenz erfolgt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung sind zusätzliche kapazitive Koppelelemente zur Übertragung weiterer Informationen vorgesehen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein noch nicht zur Energieübertragung verwendeter magneti scher Pfad des induktiven Koppelementes zur Übertragung weiterer Informationen verwendet. Dies kann beispiels weise die äußere Fläche des Kerns sein, wobei dann der magnetische Fluß weiter über die Umgebung des Kernes durch Luft erfolgt. Im Falle eines mehrschenkligen Ker nes kann der magnetische Fluß über die beiden äußeren Schenkel oder weitere erfolgen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Modulations- bzw. Demodulationseinheit zur Übertragung weiterer Informationen vorgesehen in welchem die Infor mationen mittels einer Trägerfrequenz moduliert bzw. demoduliert werden, die hinreichend von den Frequenzen der Speisevorrichtung hinreichend weit entfernt ist. Eine solche Übertragung weiterer Informationen in einem anderen Frequenzband als das zur Energieübertragung verwendete Frequenzband ist hier problemlos möglich, da die Energie durch die Resonanzkreise nur schmalbandig übertragen wird. Damit kann durch das selbe Koppelele ment im selben magnetischen Pfad wie die Energieübertragung eine Informationsübertragung erfolgen. Aber auch im Falle einer Übertragung mittels kapazitiver Koppelflächen als auch bei der Übertragung durch einen anderen magnetischen Pfad schafft diese Anordnung einen vergrößerten Störabstand.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass diese kapazitiven Koppelelemente im unmittelbaren Koppelbereich der induktiven Koppelelemente angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung ist ein sehr platz sparender Aufbau möglich, da für die kapazitive Kop peleinrichtung kein zusätzlicher Platz benötigt wird. Eine solche Anordnung der kapazitiven Koppelelemente im magnetischen Feld der induktiven Übertragungseinrich tung ermöglicht eine unabhängige Übertragung beider Signale. Dies ist in der erfindungsgemäßen Anordnung problemlos möglich, da sich elektrische und magneti schen Felder gegenseitig nicht beeinflussen. Wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung die kapazitive Koppeleinrichtung hier als Leiter platte ausgeführt, so bietet sie einen zusätzlichen me chanischen Schutz der induktiven Koppeleinrichtung. Im Gegensatz zu der in der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 25 145 dargestellten Anordnung, stellt die erfin dungsgemäße Anordnung eine vollständige Abdeckung des induktiven Koppelelements dar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist das Steuerelement derart gestaltet, dass es zusammen mit der Wechselspannungs- bzw. Stromquelle und den Resonanzkreisen einen selbstschwingenden Leistungs oszillator ergibt. Das Prinzip einer solchen Anordnung ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 01 357 beschrieben.

In einer anderen Ausgestaltung gibt das Steuerelement eine feste Frequenz für die Wechselspannungs- bzw. Stromquelle vor.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist auf der Empfängerseite bei zumindest einem Empfänger eine Schaltung, bestehend aus einem Gleich richter mit nachgeschaltetem Linearregler vorgesehen. Damit kann die Welligkeit der übertragenen Spannung re duziert und diese auf einen konstanten Wert geregelt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist ein Synchrongleichrichter eingesetzt, wel cher durch einen entsprechenden Phasencontroler gesteu ert wird. Derartige Synchrongleichrichter haben den Vorteil, dass sie mit aktiven geschalteten Elementen wesentlich niedrigere Verluste erreichen als passive Gleichrichter.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist bei mindestens einem Empfänger ein Syn chrongleichrichter mit einer Phasensteuerung vorgesehen, welcher mit Hilfe des Phasencontrolers den Leis tungsfluss aus der sekundärseitigen Schaltung steuert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist bei mindestens einem Empfänger ein Gleich richter mit nachgeschaltetem Schaltregler zum besonders verlustarmen Umsetzen der Ausgangsspannung in andere Werte vorgesehen.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla risch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 Beispielhaftes Schaltbild einer erfindungsgemä ßen Anordnung mit Parallelresonanzkreisen

Fig. 2 Schematischer mechanischer Aufbau einer erfin dungsgemäßen Anordnung

Fig. 3 Aufbau einer kombinierten Anordnung mit indukti ver und kapazitiver Übertragung

Fig. 4 Beispielhafte Anordnung mit Serienresonanzkrei sen

Fig. 5 zeigt eine bespielhafte Anordnung mit einem Gleichrichter und nachgeschaltetem Linearregler

Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Anordnung mit einem Syn chrongleichrichter

Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Gleich richters mit nachgeschaltetem Schaltregler.

Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzli cher Signalübertragung im Falle eines geschlos senen Eisen- bzw. Ferritkernes

Fig. 9 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzli cher Signalübertragung im Falle eines mehr schenkligen Eisen- bzw. Ferritkernes.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1
ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung darge stellt. Im Sender speist eine Wechselspannungsquelle mit einem integrierten Steuerelement (1) die induktiven Koppelelemente, welche jeweils aus einer Primärwicklung (2, 3, 4) und einer Sekundärwicklung (22, 23, 24) bestehen. Dabei sind mehrere Primärwicklungen an jeweils einen Sender gekoppelt und die Sekundärwicklungen ei genständigen mit den Sendern im losen mechanischen Kon takt stehenden Empfängern zugeordnet. Um eine parallel resonanzfähige Schaltung zu erhalten, wird die Indukti vität wahlweise auf der Primärwicklung und/oder auf der Sekundärwicklung zu einem Parallelresonanzkreis mit entsprechenden Kapazitäten ergänzt. Die Kapazitäten auf der Primärseite (12, 13, 14) sind dem Sender zugeord net, während die sekundärseitigen Kapazitäten (32, 33, 34) jeweils einem Empfänger zugeordnet sind.

Fig. 2
zeigt beispielhaft schematisch einen mechanischen Auf bau einer erfindungsgemäßen Anordnung. Hierin ist er kennbar, wie die einzelnen Empfänger den entsprechenden Positionen des Senders zugeordnet sind, so dass eine magnetische Kopplung der primärseitigen Induktivitäten, bestehend aus einem Ferrit- oder Eisenkern (50, 51) so wie den zugehörigen Primärwicklungen (2, 3) und den mit diesen korrespondierenden sekundären Induktivitäten, bestehend aus den Ferrit- oder Eisenkernen (40, 41) und den zugehörigen Wicklungen (22, 23).

Fig. 3
zeigt den Aufbau einer kombinierten Anordnung mit in duktiver und kapazitiver Übertragung. Hierbei korres pondieren der primärseitige Ferritkern (51) mit dem se kundärseitigen Ferritkern (50). Zwischen den beiden Kernhälften ist auf jeder Seite eine Leiterplatte, wel che Leiterstrukturen zur kapazitiven Signalübertragung enthält, angeordnet. Diese Leiterplatten befinden sind im geringen Abstand zueinander, so dass durch die ent stehende hohe Kapazität zwischen der Sender- und Emp fängerseite elektrische Signale übertragen werden kön nen. Beispielhaft ist hier eine Anordnung aus zwei Lei terflächen (61, 62) in der Draufsicht dargestellt.

Fig. 4
zeigt eine beispielhafte Anordnung mit Serienresonanz kreisen.

Im Sender speist eine Wechselspannungsquelle mit einem integrierten Steuerelement (1) die induktiven Koppel elemente, welche jeweils aus einer Primärwicklung (2, 3, 4) und einer Sekundärwicklung (22, 23, 24) bestehen. Dabei sind mehrere Primärwicklungen an jeweils einen Sender gekoppelt und die Sekundärwicklungen eigenstän digen mit den Sendern im losen mechanischen Kontakt stehenden Empfängern zugeordnet. Um eine parallelreso nanzfähige Schaltung zu erhalten, wird die Induktivität wahlweise auf der Primärwicklung und/oder auf der Se kundärwicklung zu einem Parallelresonanzkreis mit ent sprechenden Kapazitäten ergänzt. Die Kapazitäten auf der Primärseite (12, 13, 14) sind dem Sender zugeord net, während die sekundärseitigen Kapazitäten (32, 33, 34) jeweils einem Empfänger zugeordnet sind.

Fig. 5
zeigt eine typische Anordnung einer sekundärseitigen Beschaltung entsprechend der Erfindung. Hier dient die Sekundärwicklung (22) zur Auskoppelung der elektrischen Signale. Die entsprechende Parallelresonanzkapazität, wie hier beispielsweise im Falle einer Parallelresonanz dargestellt, ist durch den Kondensator (32) realisiert. Das am Parallelresonanzkreis anliegende Signal wird mittels einer Diode (80) gleichgerichtet und in dem Kondensator (81) gesiebt. Ein nachfolgender Linearreg ler (82) übernimmt die Regelung der Ausgangsspannung.

Fig. 6
zeigt beispielhaft eine entsprechende Schaltung einer Sekundärseite im Falle einer Parallelresonanz mit einem Synchrongleichrichter. Das Signal wird über die sekun därseitige Induktivität (22) ausgekoppelt. Diese er zeugt zusammen mit der Parallelkapazität (32) einen Pa rallelresonanzkreis. In diesem Fall besteht beispiels weise der Synchrongleichrichter aus einem gesteuerten MOS-FET (83) welcher über eine Steuereinheit (84) ange steuert wird. Das Ausgangssignal wird über einen Kon densator (85) geglättet.

Fig. 7
zeigt beispielhaft eine weitere erfindungsgemäße Anord nung mit einem Schaltregler am Ausgang der sekundärsei tigen Beschaltung. Hierbei erfolgt die Signalauskopp lung wieder mittels einer Sekundärinduktivität (22) welche über die dieser parallel geschaltete Kapazität (32) zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt wird. Das Signal am Parallelresonanzkreis wird über eine Schott ky-Diode (80) gleichgerichtet und über einen ersten Filterkondensator (81) gefiltert. Die anschließende Re gelung und Umsetzung in andere Spannungen erfolgt mit tels eines getakteten Schaltreglers (83).

Fig. 8
zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzlicher Si gnalübertragung im Falle eines geschlossenen Eisen- bzw. Ferritkernes. Dabei ist der magnetsiche Kern der Primärseite (51) mit dem Kern der Sekundärseite (52) verkoppelt. Der magnetische Fluß zur Energieübertragung nach Anspruch ist durch die Linien (90) dargestellt. Die Linien (91) zeigen den magnetischen Fluß zur Über tragung zusätzlicher Signale. Hier geht das Magnetfeld teilweise durch den Kern, teilweise aber auch durch die Umgebung des Kernes. In der Regel ist das Streufeld vernachlässigbar, da die magnetische Feldstärke zur Ü bertragung zusätzlicher Informationen wesentlich gerin ger ist als die Feldstärke der Energieübertragung. Die Ein- und Auskopplung zur Übertragung zusätzlicher In formationen erfolgt über die Wicklungen (92) und (93).

Fig. 9
zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzlicher Si gnalübertragung im Falle eines mehrschenkligen Eisen- bzw. Ferritkernes Dabei ist der magnetische Kern der Primärseite (51) mit dem Kern der Sekundärseite (52) verkoppelt. Der magnetische Fluß zur Energieübertragung nach Anspruch 1 ist durch die Linien (90) dargestellt. Die Linien (91) zeigen den magnetischen Fluß zur Über tragung zusätzlicher Signale. Die Ein- und Auskopplung zur Übertragung zusätzlicher Informationen erfolgt über die Wicklungen (92) und (93). In diesem Beispiel sind diese Wicklungen als Differenzwicklungen ausgeführt, so dass sich die durch den magnetischen Fluß zur Energie übertragung (90) entstehenden Spannungen aufheben.

Claims

1. Anordnung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie von mindestens einem Sender zu mehreren Empfängern dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sender eine Wechselspannungs- bzw. Stromquelle sowie mehrere von dieser gespeiste induktive Koppelele mente enthält, welche durch mindestens eine Kapazität zu resonanzfähigen Elementen ergänzt werden und weiter hin ein Steuerelement vorhanden ist, welches die Wech selspannungs- bzw. Stromquelle derart steuert, dass diese auf einer Resonanzfrequenz der resonanzfähigen Elemente arbeitet.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Koppelelemente derart gestaltet sind, dass deren parasitäre Kapazität zumindest einen wesent lichen Anteil zur Resonanzkapazität beiträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Koppelelemente zu Serienresonanzkreisen ergänzt werden und das Steuerelement derart ausgebildet ist, dass die Wechselspannungs- bzw. Stromquelle auf einer Parallelresonanzfrequenz betrieben wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Koppelelemente zu Parallelresonanzkrei sen ergänzt werden und das Steuerelement derart ausge bildet ist, dass Wechselspannungs- bzw. Stromquelle auf einer Serienresonanzfrequenz betrieben wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche kapazitive Elemente zur Übertragung von zu sätzlichen Signalen vorhanden sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlichen Signale über einen weiteren, nicht zur E nergieübertragung verwendeten magnetischen Pfad wie die magnetische Außenfläche oder weitere Schenkel bei mehr schenkligen Kernen übertragen werden.

7. Anordnung nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zusätzliche Modulationseinheit bzw. De modulationseinheit zur Übertragung von zusätzlichen Si gnalen in einem von der Resonanzfrequenz verschiedenen Frequenzband vorhanden sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1-7 dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen kapazitiven Elemente zur Übertragung der zusätzlichen Signale im Bereich des magnetischen Feldes des induktiven Koppelelementes angeordnet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen kapazitiven Koppelelemente in eine Leiterplatte integriert sind, welche gleichzeitig eine mechanische Abdeckung der induktiven Koppelelemente darstellt.

10. Anordnung nach Anspruch 1-9 dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement derart ausgelegt ist, dass es zusam men mit der Wechselspannungs- bzw. Stromquelle und den Resonanzkreisen einen selbstschwingenden Leistungsos zillator ergibt.

11. Anordnung nach Anspruch 1-10 dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement eine feste Frequenz für die Wech selspannungs- bzw. Stromquelle vorgibt.

12. Anordnung nach Anspruch 1-11 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Empfänger eine Gleichrichterschaltung mit nachgeschaltetem Linearregler zugeordnet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 1-12 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Empfänger ein Synchrongleichrichter nachgeschaltet ist.

14. Anordnung nach Anspruch 1-13 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Empfänger ein Synchrongleichrichter, welcher durch die Steuerung der Phase den Leistungs fluss kontrolliert, zugeordnet ist.

15. Anordnung nach Anspruch 1-14 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Empfänger ein Schaltregler mit vorge schaltetem Gleichrichter zugeordnet ist.