CH679196A5

CH679196A5 - Energy and data transmission device - using modulation of voltage pulses in DC=DC voltage converter windings

Info

Publication number: CH679196A5
Application number: CH3682/89A
Authority: CH
Inventors: Hans Keller
Original assignee: Camille Bauer Ag
Priority date: 1989-10-09
Filing date: 1989-10-09
Publication date: 1991-12-31

Abstract

The device is used to transfer electrical energy and binary coded data between galvanically separated electrical and/or electronic units (ZE, PE). It uses a DC/DC converter with one winding (W1) periodically coupled to a DC source (U1) via a switch (50) and a second winding (W2) coupled to a load (PE) via a rectifier (GD, C). The induced voltage pulses within the windings (W1, W2) are modulated upon opening the switch (SO) via further switches (S1, S2), each connected in series with a diode (D1, D2). ADVANTAGE - Allows energy and data transmission with full galvanic separation.

Description

       

  
 


 Technisches Gebiet 
 



  Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Energie und von binär codierten Daten zwischen mindestens zwei galvanisch voneinander getrennten elektrischen und/ oder elektronischen Einheiten. 



  Solche Vorrichtungen werden zum Beispiel benötigt, um binär codierte Daten zwischen peripheren Messwerterfassungseinheiten und einer zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit zu übertragen, wobei diese voneinander und die peripheren Einheiten auch gegeneinander zur Vermeidung von Störungen galvanisch klar voneinander getrennt sein müssen und wobei es nicht möglich oder erwünscht ist, die peripheren Geräte jeweils mit einer eigenen Energieversorgung zu versehen. Die zu ihrer Speisung erforderliche elektrische Energie muss mithin über die galvanische Trennung hinweg von Seiten der zentralen Einheit her auf die peripheren Geräte übertragen werden. Dabei ist zu beachten, dass in den peripheren Einheiten, sofern diese moderne Elektronikkomponenten enthalten, letztlich zur Speisung dieser Komponenten eine Niedervolt-Gleichspannung vorhanden sein muss. 


 Stand der Technik 
 



  Zur Übertragung einer primären Gleichspannung in eine galvanisch getrennte Sekundärspannung sind bereits, z.B. aus der Zeitschrift Elektronik, Heft 4, 1986, Seiten 85 bis 89, galvanisch getrennte DC/DC-Wandler bekannt, welche auch als isolierte, transformatorgekoppelte Gleichspannungswandler oder allgemein als Sperrwandler bezeichnet werden. 



  Diese Sperrwandler weisen mindestens zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern auf. Mindestens eine der Wicklungen wird über einen von einem Rechteckgenerator gesteuerten Schalter periodisch mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die bei jeweils geschlossenem Schalter über diese Wicklung/en im Wandlerkern gespeicherte Energie wird nach dem \ffnen des Schalters über die andere/n Wicklung/en sowie über Gleichrichtungsmittel auf die mit dieser bzw. diesen verbundene/n Einheit/en als Last zumindest teilweise übertragen. 



  Die bekannten Sperrwandler lassen jedoch keine Datenübertragung zu. 


 Darstellung der Erfindung 
 



  Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben. 



  Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. 



  Erfindungsgemäss ist die Vorrichtung also dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sperrwandler mit mindestens zwei galvanisch voneinander getrennten Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern aufweist, welche jeweils einzeln mit einer der Einheiten verbunden sind. Mindestens eine der Wicklungen ist über einen ersten Schalter periodisch mit einer Gleichspannungsquelle verbindbar. Im eingangs erwähnten Anwendungsfall wäre dies insbesondere die mit der zentralen Einheit verbundene. Die bei jeweils geschlossenem Schalter über diese Wicklung/en im jeweils zugehörigen Wandlerkern gespeicherte Energie ist nach dem \ffnen des Schalters über die andere/n auf dem jeweils gleichen Kern angeordnete/n Wicklung/en sowie über Gleichrichtungsmittel auf die mit dieser bzw. diesen verbundene/n Einheit/en zumindest teilweise übertragbar.

  Im eingangs erläuterten Anwendungsfall wären  dies  insbesondere  die  peripheren  Einheiten. In mindestens einem Wicklungskreis sind schliesslich zwecks Übertragung der Daten Mittel zur Modulation der nach dem \ffnen der Schalters in den Wicklungen induzierten Spannungsimpulsen vorgesehen. Im eingangs erläuterten Anwendungsfall wäre dies insbesondere ein Wicklungskreis einer mit einer peripheren Einheit verbundenen Wicklung. 



  Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt in vorteilhafter Weise bei einfacher Ausbildung und klarer galvanischer Trennung gleichzeitig die Übertragung von Energie und von binär codierten Daten. 



  Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet. 



  So sind die Modulationsmittel vorzugsweise als Mittel zum weitgehenden Kurzschliessen des oder der Wicklung/en während der \ffnungsphasen des ersten Schalters ausgebildet. Sie weisen bevorzugt einfach eine Diode und einen durch ein Datensignal steuerbaren zweiten Schalter in Serie zwischen den Wicklungsanschlüssen auf. Die Diode muss dabei so gepolt sein, dass sie nur den durch die nach dem \ffnen des ersten Schalters erzeugten Spannungsimpulsen verursachten Strom durchlässt. 



  Die Modulationsmittel sind vorzugsweise in dem bzw. den Wicklungskreis/en vorgesehen, welche/r nicht über den ersten Schalter periodisch mit einer Gleichspannungsquelle verbindbar ist/sind. Im eingangs erläuterten Anwendungsfall wären dies insbesondere die mit den peripheren Einheiten verbundenen Wicklungskreise. 



  Zur Übertragung von Daten zwischen sämtlichen Einheiten in beiden Richtungen können in allen Wicklungskreisen Modulationsmittel zum weitgehenden Kurzschliessen der Wicklungen während der \ffnungsphasen des ersten Schalters vorgesehen sein. 



  Es kann als Teil der erfindungsgemässen Vorrichtung auch eine Empfangseinheit vorgesehen werden, der das an einer Wicklung abgegriffene Spannungssignal, welches durch das periodische \ffnen und Schliessen des ersten Schalters erzeugt wird und durch die Modulationsmittel ggf. moduliert ist, zugeführt wird. In der Empfangseinheit sind dabei vorzugsweise einerseits zur Erzeugung eines Taktsignals aus den während der periodischen Schliessphasen des ersten Schalters erzeugten Spannungsimpulsen und anderseits weiter vorzugsweise auch noch Mittel zur Erzeugung eines binären Datensignals aus den während der periodischen \ffnungsphasen des ersten Schalters erzeugten, modulierten Spannungsimpulsen vorgesehen.

  Die genannten Funktionen der Empfangseinheit können selbstverständlich auch in den angeschlossenen Einheiten selbst ausgeführt sein, so dass die erfindungsgemässe Vorrichtung lediglich mit einem Datenausgang versehen zu sein braucht. 



  Die Gleichrichtungsmittel weisen vorzugsweise einfach eine Diode und einen Kondensator auf. Die Diode muss so gepolt  sein, dass sie nur den durch die nach dem \ffnen des ersten Schalters erzeugten Spannungsimpulsen verursachten Strom durchlässt. 



   Zwischen die Wicklungsanschlüsse derjenigen Wicklung/en, welche über den ersten Schalter periodisch mit der Gleichspannungsquelle verbindbar sind, können mit Vorteil noch Begrenzungsmittel für die in dieser bzw. diesen Wicklung/en während der \ffnungsphase des ersten Schalters induzierte/n Spannung/en geschaltet werden. Dies tragen insbesondere auch zur Stabilisierung der nach dem \ffnen des ersten Schalters in den Wicklungen induzierten Spannungsimpulse bei. 



  Als Begrenzungsmittel können einfach eine Diode und eine Zenerdiode in Reihe dienen. Wenn im gleichen Wicklungskreis gleichzeitig noch Modulationsmittel bestehend aus einer Diode und einem steuerbaren Schalter in Serie vorgesehen sind, so kann die erstgenannte Diode der Begrenzungsmittel identisch mit der zweitgenannten Diode der Modulationsmittel sein. Die Zenerdiode muss dann parallel zum steuerbaren Schalter der Modulationsmittel geschaltet sein. 



  Schliesslich wird mit Vorteil dann, wenn mehr als nur eine Wicklung über den ersten Schalter mit der Gleichspannungsquelle periodisch verbunden ist, diese Verbindung als Zweidrahtbus ausgeführt. 


 Kurze Beschreibung der Zeichnungen 
 



  Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt: 
 
   Fig. 1 den Schaltplan einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Übertragung von Energie von der Seite einer zentralen zu einer peripheren elektronischen Einheit, zur Übertragung von Daten jedoch in beiden Richtungen, 
   Fig. 2 in mehreren Zeitdiagrammen den zeitlichen Verlauf von in der Vorrichtung nach Fig. 1 auftretenden Spannungen und Strömen in Abhängigkeit von mehreren Steuersignalen und 
   Fig. 3 in Form eines Blockdiagramms, eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Verbindung mehrerer peripherer Einheiten mit einer zentralen Einheit. 
 


 Wege zur Ausführung der Erfindung 
 



  In Fig. 1 ist allgemein mit V eine Vorrichtung bezeichnet, welche von einer strichpunktierten Linie umrandet ist. Sie verbindet eine zentrale Einheit ZE mit einer peripheren Einheit PE, welche in Fig. 1 nur schematisch angedeutet sind. Bei  der peripheren Einheit könnte es sich z.B. um einen mit einem Prozess verbundenen Datenerfassungsmodul und bei der zentralen Einheit um eine Einheit zur Registrierung und Auswertung der vom Datenerfassungsmodul in binär codierter Form gelieferten Daten handeln. 



  Die beiden genannten Einheiten sind über einen Transformator T in der Vorrichtung V galvanisch voneinander entkoppelt. Der Transformator T besitzt auf einem gemeinsamen Kern auf der Seite der zentralen Einheit ZE eine Wicklung W1 und auf der Seite der peripheren Einheit PE eine Wicklung W2. 



  Die Wicklung W1 ist über einen Schalter S0 mit einer Gleichspannungsquelle U1 verbindbar. Der Schalter S0 wird von einem Generator G, der ein Taktsignal CL erzeugt, periodisch geöffnet und geschlossen. Der Generator G kann freilaufend sein, jedoch auch von der zentralen Einheit ZE über ein Signal SY synchronisiert werden. 



  Zwischen die Anschlüsse der Wicklung W1 sind weiter in Serie eine Diode D1 und eine Zenerdiode Z geschaltet. Parallel zur Zenerdiode Z ist ein Schalter S1 geschaltet, welcher von der zentralen Einheit ZE aus mittels eines binären Steuersignals B1 steuerbar ist. Das beim Betrieb der Vorrichtung in der Wicklung W1 entstehende Spannungssignal ist einem Empfänger E1 zugeführt. 



  Zwischen die Anschlüsse der Wicklung W2 sind in Serie eine Diode D2 und ein Schalter S2 geschaltet, welcher von der peripheren Einheit PE aus mittels eines binären Steuersignals B2 steuerbar ist. Das beim Betrieb der Vorrichtung in der Wicklung W2 entstehende Spannungssignal ist einem Empfänger E2 zugeführt. 



  Zwischen die Anschlüsse der Wicklung W2 sind schliesslich noch eine Gleichrichterdiode GD und ein Kondensator C geschaltet. Die an den Klemmen des Kondensators C abgreifbare Spannung U2 ist als Versorgungsspannung einerseits der peripheren Einheit PE und andererseits auch dem Empfänger E2 zugeführt. Entsprechend dient z.B auf der Seite der zentralen Einheit die Spannung der Gleichspannungsquelle U1 auch als Speisespannung für die zentrale Einheit sowie den Generator G und den Empfänger E1 in der Vorrichtung V. 



  Nachfolgend wird die Funktion der Vorrichtung V erläutert. Dazu wird jetzt auch auf Fig. 2 Bezug genommen. 



  Grundsätzlich sei angenommen, dass die Schalter S0, S1 und S2 jeweils nur dann geschlossen sind, wenn die sie steuernden Signale CL, B1, bzw. B2 im 1-Zustand sind. Zunächst sei weiter angenommen, dass die Schalter S1 und S2 beide offen sind und nur der Schalter S0 vom Taktsignal CL periodisch geschlossen bzw. geöffnet wird. 



  Während der Dauer des 1-Zustandes des Taktsignals CL liegt an der Wicklung W1 die Gleichspannung U1 an (negatives Spannungsniveau der Spannung UT in Fig. 2). Die Induktivität der Wicklung W1 (und deren Ohm'scher Widerstand), die Grösse der Spannung U1 und die Dauer des 1-Zustandes des Taktsignals CL sind so bemessen, dass während dieser Dauer in der Wicklung W1 ein praktisch linear ansteigender Strom Strom I+ fliesst. Der durch diesen Strom im Kern des Tranformators erzeugte und mit diesem ebenfalls linear ansteigende magnetische Fluss speichert Energie. Andererseits wird durch die Flussänderung in der Wicklung W2 eine Spannung induziert, welche wegen der Linearität der Flussänderung auch wieder eine Gleichspannung ist.

  Die Polarität der Gleichrichterdiode GD im Wicklungskreis der Wicklung W2 ist nun in bezug auf diese Spannung gerade so gewählt, dass in der Wicklung W2 kein Strom fliessen kann. 



  Sobald der Schalter S0 mit dem Zustandswechsel des Taktsignals CL geöffnet wird, ergibt sich eine Stromänderung und mit ihr eine Flussänderung in der Wicklung W1 mit umgekehrtem Vorzeichen. Dadurch werden in den Wicklungen W1 und W2 des Transformators T Spannungen mit entsprechend umgekehrter Polarität induziert (positives Spannungsniveau von UT in Fig. 2). Bezüglich dieser Polarität ist die Gleichrichterdiode GD in Durchlassrichtung gepolt, so dass im die genannte Diode und den Kondensator C enthaltenden Wicklungskreis der  Wicklung W2 nunmehr ein, in Fig. 2 mit I- bezeichneter Ladestrom auf den Kondensator C fliessen kann. Sofern das durch die Zenerdiode Z definierte Spannungsniveau in der Wicklung W1 überschritten wird, fliesst zusätzlich im Wicklungskreis der Wicklung W1 noch ein Begrenzungsstrom über die Zenerdiode Z und die Diode D1.

   Letztere sperrt den Strom in Durchlassrichtung der Zenerdiode. Durch die Zenerdiode Z und die Diode D1 wird die in den Wicklungen W1 und W2 nach dem \ffnen des Schalters S0 induzierte Spannung begrenzt und dadurch stabilisiert. Die Energie für den Strom in der Wicklung W2 und ggf. in der Wicklung W1 stammt aus dem während der vorangegangenen Schliessphase des Schalters S0 im Transfomatorkern aufgebauten Induktionsfluss. Die Parameter der beiden vorgenannten Wicklungskreise sind vorzugsweise so bemessen, dass der Ladestrom für den Kondensator C bereits nach einem Bruchteil der Periodendauer des Taktsignals CL im wesentlichen wieder linear abklingen kann. Im Kondensator C ist die Energie dann in elektrischer Form gespeichert und wird von diesem als Speiseenergie an die periphere Einheit bzw. Empfänger E2 als Last abgegeben.

  Nach dem Abklingen des Stromes I- in der Wicklung W2 wird die in den Wicklungen des Transformators induzierte Spannung bis zum erneuten Schliessen des Schalters S0 Null. 



  Nach dem Vorstehenden ergibt sich also in beiden Wicklungen des Transformators eine übereinstimmende Spannungsimpulsfolge wie sie für die ersten beiden Perioden des Taktsignals CL im  Impulsdiagramm UT in Fig. 2 dargestellt ist. Unterscheiden können sich sie Spannungen in den beiden Wicklungen W1 und W2 allerdings hinsichtlich ihrer Amplitude sowie ihrer Nullpunktslage, was für die vorliegende Betrachtung allerdings keine Rolle spielt. Aus energetischen Gründen entsprechen sich jeweils die Spannungszeitflächen des negativen und des positiven Rechteckimpulses von UT. 



  Zur Übertragung von Daten zwischen den beiden Einheiten ZE und PE oder umgekehrt, wird die Spannungsimpulsfolge UT, genauer deren positiver Rechteckimpuls, moduliert. 



  Am einfachsten kann dies durch weitgehendes Kurzschliessen der Wicklungen W1 oder W1 während der \ffnungsphasen des Schalters so erfolgen. Dazu sind die über die Steuersignale B1 bzw. B2 steuerbaren Schalter S1 bzw. S2 vorgesehen. Die mit diesen in Reihe geschalteten Dioden D1 und D2 sind so gepolt, dass die genannten Schalter bereits schon während der Schliessphase des Schalters S0 geschlossen werden können, ohne dass dadurch bereits ein Stromfluss entsteht. 



  Das Kurzschliessen einer der beiden Wicklungen W1 bzw. W2 während der \ffnungsphase des Schalters S0 hat zur Folge, dass die in den Wicklungen induzierte Spannung im wesentlichen auf das Niveau der Durchlassspannungen der Dioden D1 bzw. D2 reduziert wird. Der Strom I- nimmt entsprechend  langsamer ab. Der Grad dieser Abnahme ist so eingestellt, dass der Strom bis beim erneuten Schliessen des Schalters S0 etwa gerade abgeklungen ist. 



  In Fig. 2 ist das vorstehend Erläuterte anhand zweier Schliessphasen des Schalters S1 (B1 im 1-Zustand) und einer Schliessphase des Schalters S2 (B2 im 1-Zustand) während verschiedener Perioden des Taktsignals CL veranschaulicht. 



  Den Empfängern E1 bzw. E2 ist, wie bereits erwähnt, Spannungssignal UT eingangsseitig zugeführt. Aus dem Auftreten bzw. Ausbleiben des positiven Rechteckimpulses in der Impulsfolge von UT während der \ffnungsphasen des Schalters S0 können sie eine Bitfolge (Ausgangssignal AB) ableiten. Zum Beispiel kann dass Auftreten des Rechteckimpulses als Null-Zustand und sein Ausbleiben als 1-Zustand gewertet werden. Aus dem dagegen stets vorhandenen negativen Rechteckimpuls während der Schliessphasen des Schalters S0 können sie ein Taktsignal (Ausgangssignal AT) ableiten. 



  Zur Übertragung von Daten von der peripheren Einheit PE zur zentralen Einheit ZE muss der Schalter S2 in geeigneter Weise durch das Steuersignal B2 geschaltet werden. Die Übertragung in der umgekehrten Richtung erfolgt mittels des Schalters S1. Die Steuersignale B1 bzw. B2 können z.B. von Sendeeinheiten in der zentralen bzw. der peripheren Einheit erzeugt werden. Die Sendeeinheiten oder zumindest Teile von diesen, könnten, wie die Empfänger E1 bzw. E2, natürlich auch Teile der Vorrichtung V sein. 



  Der Kondensator C ist im Hinblick auf die Frequenz des vom Generator G erzeugten Taktsignals (vorzugsweise in der Grössenordnung von 250 KHz) so bemessen, dass sich die Modulation des ja auch für den Energieübertrag ausschliesslich ausgenutzten positiven Signalanteils des Signals UT auf die Kontinuität der Energieübertragung praktisch nicht bemerkbar macht (es sei hier lediglich erwähnt, dass die Polaritäten und Nullpunktslagen im vorliegenden Beispiel willkürlich gewählt sind). 



  In Fig. 3 ist dargestellt, wie sich das vorbeschriebene Konzept des Energie- und Datenübertrags über einen modifizierten Sperrwandler auf die Verbindung von mehr als nur zwei Einheiten übertragen lässt. Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung V mit zwei Transformatoren T1 und T2. Die Wicklung W11 des Transformators T1 und die Wicklung W12 des Transformators T2 sind über einen zweiadrigen Bus wieder über einen von einem Generator gesteuerten Schalter S0 mit einer Spannungsquelle U1 verbindbar. Auf dem gleichen Kern mit der Wicklung W11 ist der Transformator T1 noch mit drei weiteren Wicklungen W21, W22 und W24 versehen. Der Transformator T2 ist noch mit einer Wicklung W24 versehen. Der mit SKZ bezeichnete Schaltkreis enthält die in Fig. 1 an die Wicklung W1 und die mit SK1 bis SK4 bezeichneten Schaltkreise jeweils die an die Wicklung W2 in Fig. 1 angeschlossenen Elemente.

  Insofern sind an den Schaltkreis SKZ z.B. eine zentrale Einheit ZE und an die  Schaltkreise SK1 bis SK4 jeweils periphere Einheiten PE, jeweils gemäss Fig. 1, anschliessbar. Die genannten Einheiten sind in Fig. 3 selbst nicht dargestellt. 



  Auch bei der Vorrichtung von Fig. 4 wird Energie aus der Spannungsquelle U1 auf die an die Schaltkreise SK1 bis SK4 angeschlossenen peripheren Einheiten übertragen (Spannung U2). Daneben sind Daten in beiden Richtungen zwischen den peripheren Einheiten und einer an den Schaltkreis SKZ angeschlossenen zentralen Einheit übertragbar. Die allgemein mit B bezeichneten Steuersignale dienen jeweils zum Senden von Daten. Die allgemein mit A bezeichneten Signale sind dagegen die von den Empfangseinheiten in den Schaltkreisen aus der diesen zugeführten Spannungsimpulsfolge UT abgeleiteten Daten- bzw. Taktsignale. 



   Bei der Vorrichtung V von Fig. 3 ist im übrigen auch ein Datenübertrag zwischen den peripheren Einheiten untereinander möglich. Es könnten auch mehrere zentrale Einheiten vorgesehen sein. Es versteht sich, dass die Datenübertragung durch in den an die Vorrichtung V enthaltene Steuereinheiten kontrolliert und synchronisiert sein muss. So kann z.B. immer nur eine Einheit Daten senden, die dann allerdings von allen anderen gleichzeitig empfangen werden. 



  
 


 Technical field
 



  The present invention relates to a device for transmitting energy and binary-coded data between at least two electrically and / or electronically separated electrical and / or electronic units.



  Such devices are required, for example, in order to transmit binary-coded data between peripheral measured value acquisition units and a central acquisition and evaluation unit, these having to be galvanically separated from one another and the peripheral units from one another in order to avoid interference, and it is not possible or desirable is to provide the peripheral devices with their own energy supply. The electrical energy required to supply it must therefore be transferred from the central unit to the peripheral devices via the electrical isolation. It should be noted that a low-voltage DC voltage must ultimately be present in the peripheral units, if they contain modern electronic components, to supply these components.


 State of the art
 



  For the transfer of a primary DC voltage into a galvanically isolated secondary voltage, e.g. from the magazine Elektronik, issue 4, 1986, pages 85 to 89, galvanically isolated DC / DC converter known, which are also referred to as isolated, transformer-coupled DC-DC converters or generally as flyback converters.



  These flyback converters have at least two windings on a common core. At least one of the windings is periodically connected to a DC voltage source via a switch controlled by a square wave generator. After the switch is opened, the energy stored in the converter core in the converter core when the switch is closed is at least partially transmitted as a load to the unit (s) connected to it via the other winding (s) and via rectifying means .



  However, the known flyback converters do not allow data transmission.


 Presentation of the invention
 



  It is an object of the present invention to provide a device of the type mentioned in the introduction.



  According to the invention, this object is achieved by a device having the features of patent claim 1.



  According to the invention, the device is characterized in that it has a flyback converter with at least two galvanically separated windings on a common core, each of which is individually connected to one of the units. At least one of the windings can be periodically connected to a DC voltage source via a first switch. In the application mentioned at the beginning, this would in particular be the one connected to the central unit. The energy stored in the associated converter core when the switch is closed via this winding (s) is, after opening the switch, via the other winding (s) arranged on the same core and via rectifying means to the one connected to it / n unit (s) at least partially transferable.

  In the application described at the beginning, these would be, in particular, the peripheral units. Finally, in order to transmit the data, means for modulating the voltage pulses induced in the windings after the switch has been opened are provided in at least one winding circuit. In the application explained at the beginning, this would be, in particular, a winding circuit of a winding connected to a peripheral unit.



  The device according to the invention advantageously allows the transmission of energy and of binary-coded data at the same time with simple design and clear electrical isolation.



  Advantageous and preferred embodiments of the invention are characterized in the dependent claims.



  The modulation means are preferably designed as means for largely short-circuiting the winding (s) during the opening phases of the first switch. They preferably simply have a diode and a second switch controllable by a data signal in series between the winding connections. The diode must be polarized in such a way that it only passes the current caused by the voltage pulses generated after opening the first switch.



  The modulation means are preferably provided in the winding circuit (s), which cannot be periodically connected to a DC voltage source via the first switch. In the application case explained at the beginning, these would in particular be the winding circuits connected to the peripheral units.



  In order to transmit data between all units in both directions, modulation means for largely short-circuiting the windings during the opening phases of the first switch can be provided in all winding circuits.



  A receiving unit can also be provided as part of the device according to the invention, to which the voltage signal tapped at a winding, which is generated by the periodic opening and closing of the first switch and is possibly modulated by the modulation means, is supplied. In the receiving unit there are preferably provided on the one hand for generating a clock signal from the voltage pulses generated during the periodic closing phases of the first switch and on the other hand preferably also means for generating a binary data signal from the modulated voltage pulses generated during the periodic opening phases of the first switch.

  The functions of the receiving unit mentioned can of course also be carried out in the connected units themselves, so that the device according to the invention need only be provided with a data output.



  The rectification means preferably simply have a diode and a capacitor. The diode must be polarized in such a way that it only passes the current caused by the voltage pulses generated after opening the first switch.



   Limiting means for the voltage (s) induced in this or these winding (s) during the opening phase of the first switch can advantageously be connected between the winding connections of the winding (s) which can be periodically connected to the direct voltage source via the first switch . This also contributes in particular to the stabilization of the voltage pulses induced in the windings after the first switch has been opened.



  A diode and a Zener diode in series can simply serve as limiting means. If modulation means consisting of a diode and a controllable switch are also provided in series in the same winding circuit, the first-mentioned diode of the limiting means can be identical to the second-mentioned diode of the modulation means. The Zener diode must then be connected in parallel to the controllable switch of the modulation means.



  Finally, if more than just one winding is periodically connected to the DC voltage source via the first switch, this connection is advantageously carried out as a two-wire bus.


 Brief description of the drawings
 



  Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. It shows:
 
   1 shows the circuit diagram of an inventive device for transmitting energy from the side of a central to a peripheral electronic unit, but for transmitting data in both directions,
   FIG. 2 shows the time course of voltages and currents occurring in the device according to FIG. 1 as a function of several control signals and in several time diagrams
   Fig. 3 in the form of a block diagram, an apparatus according to the invention for connecting a plurality of peripheral units to a central unit.
 


 Ways of Carrying Out the Invention
 



  In Fig. 1, V generally designates a device which is surrounded by a dash-dotted line. It connects a central unit ZE with a peripheral unit PE, which are only indicated schematically in FIG. 1. The peripheral unit could e.g. are a data acquisition module connected to a process and the central unit is a unit for registering and evaluating the data supplied by the data acquisition module in binary coded form.



  The two units mentioned are galvanically decoupled from one another via a transformer T in the device V. The transformer T has a winding W1 on a common core on the side of the central unit ZE and a winding W2 on the side of the peripheral unit PE.



  The winding W1 can be connected to a DC voltage source U1 via a switch S0. The switch S0 is periodically opened and closed by a generator G, which generates a clock signal CL. The generator G can be free-running, but can also be synchronized by the central unit ZE via a signal SY.



  A diode D1 and a Zener diode Z are further connected in series between the connections of the winding W1. A switch S1 is connected in parallel with the Zener diode Z and can be controlled from the central unit ZE by means of a binary control signal B1. The voltage signal generated in the winding W1 during operation of the device is fed to a receiver E1.



  A diode D2 and a switch S2 are connected in series between the connections of the winding W2 and can be controlled from the peripheral unit PE by means of a binary control signal B2. The voltage signal generated in the winding W2 during operation of the device is fed to a receiver E2.



  Finally, a rectifier diode GD and a capacitor C are connected between the connections of the winding W2. The voltage U2 which can be tapped off at the terminals of the capacitor C is supplied as a supply voltage on the one hand to the peripheral unit PE and on the other hand also to the receiver E2. Correspondingly, on the side of the central unit, for example, the voltage of the direct voltage source U1 also serves as a supply voltage for the central unit as well as the generator G and the receiver E1 in the device V.



  The function of the device V is explained below. For this, reference is now also made to FIG. 2.



  Basically, it is assumed that switches S0, S1 and S2 are only closed when the signals CL, B1 and B2 controlling them are in the 1 state. First of all, it is further assumed that switches S1 and S2 are both open and only switch S0 is periodically closed or opened by clock signal CL.



  During the 1 state of the clock signal CL, the DC voltage U1 is applied to the winding W1 (negative voltage level of the voltage UT in FIG. 2). The inductance of the winding W1 (and its ohmic resistance), the magnitude of the voltage U1 and the duration of the 1 state of the clock signal CL are dimensioned such that a practically linearly increasing current I + flows in the winding W1 during this duration. The magnetic flux generated by this current in the core of the transformer and also increasing linearly with it stores energy. On the other hand, the flux change induces a voltage in the winding W2, which is again a DC voltage due to the linearity of the flux change.

  The polarity of the rectifier diode GD in the winding circuit of the winding W2 is now chosen in relation to this voltage in such a way that no current can flow in the winding W2.



  As soon as the switch S0 is opened with the change of state of the clock signal CL, there is a change in current and with it a change in flow in the winding W1 with the opposite sign. As a result, voltages with correspondingly reversed polarity are induced in the windings W1 and W2 of the transformer T (positive voltage level of UT in FIG. 2). With regard to this polarity, the rectifier diode GD is polarized in the forward direction, so that a charging current, designated I- in FIG. 2, can now flow onto the capacitor C in the winding circuit of the winding W2 containing the said diode and the capacitor C. If the voltage level defined by the Zener diode Z in the winding W1 is exceeded, a limiting current also flows in the winding circuit of the winding W1 via the Zener diode Z and the diode D1.

   The latter blocks the current in the forward direction of the zener diode. The voltage induced in the windings W1 and W2 after opening the switch S0 is limited by the Zener diode Z and the diode D1 and thereby stabilized. The energy for the current in the winding W2 and possibly in the winding W1 comes from the induction flow built up in the transformer core during the previous closing phase of the switch S0. The parameters of the two aforementioned winding circuits are preferably dimensioned such that the charging current for the capacitor C can essentially decay linearly again after a fraction of the period of the clock signal CL. The energy is then stored in electrical form in the capacitor C and is emitted by the latter as feed energy to the peripheral unit or receiver E2 as a load.

  After the current I- in the winding W2 has decayed, the voltage induced in the windings of the transformer becomes zero until the switch S0 is closed again.



  According to the above, there is a corresponding voltage pulse sequence in both windings of the transformer, as is shown for the first two periods of the clock signal CL in the pulse diagram UT in FIG. 2. They can differ, however, in the voltages in the two windings W1 and W2 with regard to their amplitude and their zero point position, which does not play a role for the present consideration. For energetic reasons, the voltage time areas of the negative and the positive rectangular pulse of UT correspond.



  To transmit data between the two units ZE and PE or vice versa, the voltage pulse sequence UT, more precisely its positive rectangular pulse, is modulated.



  The easiest way to do this is to largely short-circuit the windings W1 or W1 during the opening phases of the switch. For this purpose, the switches S1 and S2, which can be controlled via the control signals B1 and B2, are provided. The diodes D1 and D2 connected in series with these are polarized in such a way that the switches mentioned can already be closed during the closing phase of the switch S0 without this resulting in a current flow.



  Short-circuiting one of the two windings W1 or W2 during the opening phase of switch S0 has the result that the voltage induced in the windings is essentially reduced to the level of the forward voltages of diodes D1 and D2. The current I- decreases correspondingly more slowly. The degree of this decrease is set so that the current has just decayed until the switch S0 is closed again.



  2 illustrates what has been explained above with reference to two closing phases of the switch S1 (B1 in the 1 state) and one closing phase of the switch S2 (B2 in the 1 state) during different periods of the clock signal CL.



  As already mentioned, voltage signal UT is fed to the receivers E1 and E2 on the input side. You can derive a bit sequence (output signal AB) from the occurrence or absence of the positive square-wave pulse in the pulse train of UT during the opening phases of switch S0. For example, the occurrence of the rectangular pulse can be evaluated as a zero state and its absence as a 1 state. On the other hand, they can derive a clock signal (output signal AT) from the negative rectangular pulse that is always present during the closing phases of switch S0.



  In order to transmit data from the peripheral unit PE to the central unit ZE, the switch S2 must be switched in a suitable manner by the control signal B2. The transmission in the opposite direction takes place by means of the switch S1. The control signals B1 or B2 can e.g. are generated by transmission units in the central or peripheral unit. The transmission units or at least parts of these, like the receivers E1 or E2, could of course also be parts of the device V.



  The capacitor C is dimensioned with regard to the frequency of the clock signal generated by the generator G (preferably of the order of magnitude of 250 KHz) in such a way that the modulation of the positive signal component of the signal UT, which is also used exclusively for energy transfer, is practical for the continuity of the energy transmission not noticeable (it should only be mentioned here that the polarities and zero positions are chosen arbitrarily in the present example).



  FIG. 3 shows how the concept of energy and data transmission described above can be transmitted via a modified flyback converter to the connection of more than just two units. 3 shows a device V with two transformers T1 and T2. The winding W11 of the transformer T1 and the winding W12 of the transformer T2 can be connected to a voltage source U1 again via a two-wire bus via a switch S0 controlled by a generator. On the same core with the winding W11, the transformer T1 is provided with three further windings W21, W22 and W24. The transformer T2 is also provided with a winding W24. The circuit labeled SKZ contains the elements in FIG. 1 connected to winding W1 and the circuits labeled SK1 to SK4 each contain the elements connected to winding W2 in FIG. 1.

  In this respect, the SKZ circuit e.g. a central unit ZE and peripheral units PE, each according to FIG. 1, can be connected to the circuits SK1 to SK4. The units mentioned are not shown in FIG. 3 itself.



  Also in the device of FIG. 4, energy is transmitted from the voltage source U1 to the peripheral units connected to the circuits SK1 to SK4 (voltage U2). In addition, data can be transmitted in both directions between the peripheral units and a central unit connected to the SKZ circuit. The control signals, generally designated B, each serve to send data. In contrast, the signals generally designated A are the data or clock signals derived by the receiving units in the circuits from the voltage pulse sequence UT supplied to them.



   In the device V of FIG. 3, moreover, data transmission between the peripheral units with one another is also possible. Several central units could also be provided. It goes without saying that the data transmission must be controlled and synchronized by control units contained in the device V. For example, Always send only one unit of data, which is then received by all others at the same time.

Claims

1. Device for the transmission of energy and binary coded data between at least two electrically and / or electronically separated electrical and / or electronic units (ZE, PE), characterized in that they have a flyback converter with at least two galvanically separated windings (W1, W2) on one Has common core, which are each individually connected to one of the units, at least one of the windings (W1) can be periodically connected to a DC voltage source (U1) via a first switch (S0), the switch being closed via this winding (s) energy stored in the associated converter core after opening the switch via the other winding (s) (W2) arranged on the same core and via rectifying means (GD, C) with this or

this connected unit (s) is at least partially transferable and in at least one winding circuit for the purpose of transmitting the data means (S1, D1 or S2, D2) for modulating the windings after opening the switch (S0) induced voltage pulses are provided.

2. Device according to claim 1, characterized in that the modulation means are means for largely short-circuiting the winding (s) during the opening phases of the first switch.

3rd

Device according to Claim 2, characterized in that the modulation means have a diode (D1, D2) and a second switch (S1, S2) which can be controlled by a data signal (B1, B2) in series between the winding connections, the diode being polarized in such a way that that it only allows the current (I-) caused by the voltage pulses generated after opening the first switch (S0).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the modulation means is or are preferably provided in the winding circuit (s), which cannot be periodically connected to a DC voltage source (U1) via the first switch / are.

5.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that modulation means for largely short-circuiting the windings during the opening phases of the first switch (S0) are provided in all winding circuits.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the voltage signal generated in it by the periodic opening and closing of the first switch and possibly modulated by the modulation means is tapped on at least one winding and a receiving unit (E1, E2) is fed.

7. The device according to claim 6, characterized in that means for generating a clock signal from the voltage pulses generated during the periodic closing phases of the first switch (S0) are provided in the receiving unit (E1, E2).

8th.

Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that means for generating a binary data signal from the voltage pulses generated during the periodic opening phases of the first switch (S0) are provided in the receiving unit (E1, E2).

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the rectifying means comprise a diode (GD) and a capacitor (C), the diode being poled in such a way that it is only connected to the one after the opening of the first switch (S0) generated voltage pulses causes current (I-) to pass.

10th

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that between the winding connections of the winding (s) (W1) which can be periodically connected to the DC voltage source (U1) via the first switch (S0), limiting means (Z, D1) for the voltage (s) induced in this winding (s) during the opening phase of the first switch.

11. The device according to claim 10, characterized in that the limiting means have a diode (D1) and a Zener diode (Z) in series.

12.

Device according to claims 3 and 11, characterized in that the diode (D1) of the limiting means (Z, D1) in winding circuits (W1), in which modulation means (S1, D1) are provided at the same time, also serves as a diode (D1) of the modulation means and that the zener diode (Z) is connected in parallel to the second switch (S1) of the modulation means.

13. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that when more than just one winding (W11, W12) is periodically connected to the DC voltage source (U1) via the first switch (S0), this connection is designed as a two-wire bus is. 1. Device for the transmission of energy and binary coded data between at least two electrically and / or electronically separated electrical and / or electronic units (ZE, PE), characterized in that they have a flyback converter with at least two galvanically separated windings (W1, W2) on one Has common core, which are each individually connected to one of the units, at least one of the windings (W1) can be periodically connected to a DC voltage source (U1) via a first switch (S0), the switch being closed via this winding (s) energy stored in the associated converter core after opening the switch via the other winding (s) (W2) arranged on the same core and via rectifying means (GD, C) with this or

this connected unit (s) is at least partially transferable and in at least one winding circuit for the purpose of transmitting the data means (S1, D1 or S2, D2) for modulating the windings after opening the switch (S0) induced voltage pulses are provided. 2. Device according to claim 1, characterized in that the modulation means are means for largely short-circuiting the winding (s) during the opening phases of the first switch. 3rd

Device according to Claim 2, characterized in that the modulation means have a diode (D1, D2) and a second switch (S1, S2) which can be controlled by a data signal (B1, B2) in series between the winding connections, the diode being polarized in such a way that that it only allows the current (I-) caused by the voltage pulses generated after opening the first switch (S0). 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the modulation means is or are preferably provided in the winding circuit (s), which cannot be periodically connected to a DC voltage source (U1) via the first switch / are. 5.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that modulation means for largely short-circuiting the windings during the opening phases of the first switch (S0) are provided in all winding circuits. 6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the voltage signal generated in it by the periodic opening and closing of the first switch and possibly modulated by the modulation means is tapped on at least one winding and a receiving unit (E1, E2) is fed. 7. The device according to claim 6, characterized in that means for generating a clock signal from the voltage pulses generated during the periodic closing phases of the first switch (S0) are provided in the receiving unit (E1, E2). 8th.

Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that means for generating a binary data signal from the voltage pulses generated during the periodic opening phases of the first switch (S0) are provided in the receiving unit (E1, E2). 9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the rectifying means comprise a diode (GD) and a capacitor (C), the diode being poled in such a way that it is only connected to the one after the opening of the first switch (S0) generated voltage pulses causes current (I-) to pass. 10th

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that between the winding connections of the winding (s) (W1) which can be periodically connected to the DC voltage source (U1) via the first switch (S0), limiting means (Z, D1) for the voltage (s) induced in this winding (s) during the opening phase of the first switch. 11. The device according to claim 10, characterized in that the limiting means have a diode (D1) and a Zener diode (Z) in series. 12.

Device according to claims 3 and 11, characterized in that the diode (D1) of the limiting means (Z, D1) in winding circuits (W1), in which modulation means (S1, D1) are provided at the same time, also serves as a diode (D1) of the modulation means and that the zener diode (Z) is connected in parallel to the second switch (S1) of the modulation means. 13. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that when more than just one winding (W11, W12) is periodically connected to the DC voltage source (U1) via the first switch (S0), this connection is designed as a two-wire bus is.