CN107548537A - 功率/数据电耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率/数据电耦合器，该功率/数据电耦合器包括：‑发送变压器(30)，该发送变压器(30)由用于接收数据信号的绕组(31)和连接在一起的两个绕组(32和33)构成，所述两个绕组(32和33)具有公共点和两个端子，所述两个端子旨在连接到总线(B)的第一对线(T)，以便在差模下向所述对线(T)传送存在于第一绕组(31)的端子处的数据信号；‑接收变压器(50)，该接收变压器(50)由串联连接在一起的两个绕组(52和53)以及用于传送所述数据信号的绕组(51)构成，所述两个绕组(52和53)具有公共点和两个端子，所述两个端子旨在连接到所述总线(B)的第二对线(R)，以便在差模下接收存在于所述总线(B)的所述对线(R)上的数据信号。该功率/数据电耦合器还包括电流隔离变压器(170)，该电流隔离变压器(170)具有：第一绕组(171)，该第一绕组的端子连接到所述耦合器(21和22)的电源引脚接触件；以及串联连接在一起的第二绕组和第三绕组(172和173)，其中，所述第二绕组和第三绕组(172和173)的公共点连接到机械接地，并且所述第二绕组和第三绕组(172和173)的各自由端子连接到发送变压器(30)的绕组(32和33)的公共端子，以及连接到接收变压器(50)的绕组(52和53)的公共端子。

Description

功率/数据电耦合器
本发明涉及一种功率/数据电耦合器。这种电耦合器被设计为通过总线发送由外围设备(peripheral)传送的数据信号并从所述总线接收数据信号且将它们传送到外围设备。还提供了向所述总线传送交流电源电压或从所述总线接收交流电源电压。例如，这种功率/数据耦合器用于通过形成数据和电源传输网络来将电致动器经由总线耦合到控制单元和电源。例如，这种网络被安装在飞机上。
已知这种功率/数据电耦合器的各种实施方式，并且利用示例的方式可以对专利公开DE 102008007023和FR 2993106中描述的那些功率/数据电耦合器进行参照。为了更佳地呈现本发明寻求解决的问题，关于图1描述另一个等效实施方式。
图1示出了这种数据和电源传输网络。该网络包括致动器10和根据现有技术的两个功率/数据电耦合器2001和2002。致动器10连接到电致动器2001，以便首先在上面由电耦合器2001的电源引脚21和22供电，其次经由引脚23通过网络发送数据，或者经由引脚24从网络接收数据。同样，电耦合器2002包括电源引脚21和22，所述电源引脚21和22旨在连接到另一个致动器(未示出)的电源端子或连接到供电电源的端子二者之一。电耦合器2002还包括用于分别接收和发送例如来自外围设备(诸如，致动器)或控制单元(诸如，计算机)的数据的引脚23和24。电耦合器2001和2002经由各自的引脚25、26、27以及28连接到由两对线T和R构成的总线B，以便首先用于由外围设备发送的数据和打算为其他外围设备所用的数据的各自传输，并且其次用于由供电电源或连接到网络的源传送且被供给到连接到网络的致动器的电源电流的流动。除了所示出的电耦合器之外的电耦合器可以连接到总线B以用于其他致动器或外围设备。如下文中将看到的，尽管数据在差模(differential mode)下在各对线T和R上来传输，但电源电流就其本身而言在共模(common mode)下传输。
详述了电耦合器2002的结构。该结构对于网络中的所有电耦合器相同。它包括被称为发送变压器的第一变压器30，该第一变压器30的绕组31的端子经由相应阻抗匹配电阻器连接到放大器40的两个输出端，放大器40在其输入处接收存在于引脚23上的数据信号。该绕组31产生激励发送变压器30的两个其他相同绕组32和33的磁通量。这些绕组32和33彼此串联连接，所述绕组32和33具有公共端子和两个其他端子，所述两个其他端子连接到引脚25和26且由此连接到总线B的一对线T。这些绕组被缠绕为使得它们从绕组31接收相同的磁通量，并且在它们自己的端子(参见由两个符号点为此目的表示)处传送同一信号。
电耦合器2002还包括被称为接收变压器的第二变压器50，该第二变压器50的两个相同绕组52和53彼此串联连接，所述两个相同绕组52和53具有第一公共端子和两个其他端子，所述两个其他端子连接到引脚27和28且由此连接到总线B的一对线R。第二变压器50包括第三绕组51，该第三绕组51的端子经由阻抗匹配电阻器连接到放大器60的输入端，该放大器60的输出端连接到电耦合器2002的引脚24，以便向外围设备传送数据。绕组52和53被缠绕为使得它们的磁通量相加，以便激励绕组51(参见为此目的的符号点)。
电耦合器2002还包括电流隔离变压器160，该电流隔离变压器160的绕组161连接到电源引脚22和21，外围设备连接到该电源引脚22和21，以便从其供电，或者交流电压电源V连接到电源引脚22和21。关于变压器160的绕组162，它具有连接到发送变压器30的绕组32和33的公共端子的端子和连接到接收变压器50的绕组52和53的公共端子的另一个端子。
应注意，电流隔离变压器160可以不被包括在如图1所示的电耦合器2002中，而是相反可以安装为与该电耦合器2002间隔一距离。
当供电电源连接到电源引脚21和22时，它传送的电压被发现在电流隔离变压器160的绕组161的端子处，然后在变压器160的变换因子(通常等于1)内，处于其绕组162的端子处。由此，绕组162的端子中的一个的电位被发现处于发送变压器30的绕组32和33的公共端子上，因此处于总线B的一对线T的各个线上，而绕组162的另一个端子的电位被发现处于接收变压器50的绕组52和53的公共端子上，因此处于总线B的一对线R的各个线上。相反，当致动器连接到电源引脚21和22以便从其供电时，存在于对T的各个线上的电位被发现处于绕组32和33的公共点处，因此处于绕组162的第一端子上，而存在于对R的各个线上的电位被发现处于绕组52和53的公共点处，因此处于变压器160的绕组162的另一个端子上。这一点的结果是处于变压器160的绕组161的端子处且因此处于电源引脚21和22上的电源电压。这是共模。
存在于引脚23处的数据信号在由放大器40放大之后激励发送变压器30的绕组31，该绕组31生成由绕组32和33捕获的磁通量，所述绕组32和33在总线B的一对绕组T的各线上生成相反振幅的数据信号。同样，分别存在于总线B的一对线R的线上的相反振幅的数据信号被发现在接收变压器30的绕组52和53的端子处，这生成然后激励绕组51的磁通量，该磁通量然后生成在放大后被供给到旨在外围设备所用的引脚24的数据信号。这然后是差模。
由此，数据在差模下在各对线T和R上来传输，而在共模下在一个方向或另一个方向上传输用于该部分的电源电流。
电源电压是交流的，与数据的传输频率(例如，对于以太网类型的传输为数百MHz)相比具有相对低的频率(例如，小于1MHz)。
电耦合器(诸如，图1中的电耦合器2001和2002)的该特定结构可能在寄生电流在对线T或R上流动时引起问题。在存在闪电时或在高频测试(诸如，由标准DO-160推荐的高频测试)期间可能特别是这种情况。通常在共模下在发送变压器30的绕组32和33以及接收变压器30的绕组52和53中传输的这些寄生电流被发现在电流隔离变压器160的绕组162的端子处并因此在其绕组161的端子处而且在电源引脚21和22上。它们然后可能损坏连接于此的致动器或供电电源。
本发明的目的是提出一种诸如刚刚已经关于图1描述的电耦合器但具有使得可以解决上面提及的问题的结构的电耦合器。
为此，本发明涉及一种功率/数据电耦合器，该功率/数据电耦合器包括：
发送变压器，该发送变压器由用于接收数据信号的绕组和彼此串联连接的两个绕组构成，所述两个绕组具有公共点和两个端子，所述两个端子旨在连接到总线的第一对线T，以便在差模下向所述对线传送存在于第一绕组的端子处的数据信号；以及
接收变压器，该接收变压器由彼此串联连接的两个绕组以及用于传送所述数据信号的绕组构成，所述两个绕组具有公共点和两个端子，所述两个端子旨在连接到所述总线的第二对线R，以便在差模下接收存在于总线的一对线上的数据信号。
该功率/数据电耦合器还包括电流隔离变压器，该电流隔离变压器本身包括：第一绕组，该第一绕组的端子连接到所述耦合器的电源引脚；以及彼此串联连接的第二绕组和第三绕组，所述第二绕组和第三绕组的公共点连接到机械接地，并且所述第二绕组和第三绕组的各自由端子连接到发送变压器的绕组的公共端子，以及连接到接收变压器的绕组的公共端子。
根据本发明的另一个有利特征，所述耦合器还包括隔离变压器，该隔离变压器由两个相同磁耦合绕组构成，所述两个相同磁耦合绕组的输入端子分别连接到电流隔离变压器的绕组的端子，并且所述两个相同磁耦合绕组的输出端子分别连接到所述电耦合器的电源引脚。
根据本发明的另一个有利特征，所述耦合器包括电容器，所述电容器分别并联连接到所述隔离变压器的绕组的端子，所述电容器与所述绕组形成处于与发送变压器和接收变压器的谐振频率或一个谐振频率对应的频率的带阻滤波器(rejection filter)。
根据本发明的另一个有利特征，发送变压器包括第四绕组，该第四绕组的端子分别连接到两个相同绕组的第一端子，该两个相同绕组的第二端子连接到机械接地，并且接收变压器包括第四绕组，该第四绕组的端子分别连接到两个相同绕组的第一端子，该两个相同绕组的第二端子连接到机械接地。
根据本发明的另一个有利特征，所述耦合器包括隔离变压器，该隔离变压器由两个相同磁耦合绕组构成，所述两个相同磁耦合绕组的输入端子旨在连接到一对线T，并且所述两个相同磁耦合绕组的输出端子分别连接到发送变压器的绕组的端子；以及隔离变压器，该隔离变压器由两个相同磁耦合绕组构成，所述两个相同磁耦合绕组的输入端子旨在连接到一对线R，并且所述两个相同磁耦合绕组的输出端子分别连接到接收变压器的绕组的端子。
本发明还涉及一种数据和电源传输网络，该数据和电源传输网络被设计为经由由两对线T和R构成的总线将电致动器耦合到外围设备和电源，其特征在于，该数据和电源传输网络包括如刚刚描述的至少两个电耦合器。
上面提及的本发明的特征以及其他特征将从示例实施方式的以下描述的阅读更清楚地显现，所述描述关于附图来给出，在附图中：
图1是包含现有技术的电耦合器的数据和电源传输网络的框图；
图2是根据本发明的第一实施方式的电耦合器的框图；
图3是根据本发明的第二实施方式的电耦合器的框图；以及
图4是根据本发明的第三实施方式的电耦合器的框图。
根据本发明的电耦合器旨在以与现有技术的电耦合器(诸如，图1中所示的耦合器2001和2002)相同的方式实施。
因此，图2示出了根据本发明的第一实施方式的电耦合器200。如可以看到的，电耦合器200包括与图1的电耦合器2001和2002相同的引脚，具体为用于向网络的总线B的一对线T发送数据的引脚25和26、用于从总线B的一对线R接收数据的引脚27和28、取决于电耦合器用于传送交流电源电压的供电电源或外围设备以便从其供电二者之一的用于连接的电源引脚21和22、以及用于分别接收由外围设备(诸如，致动器或控制单元)发送的数据或用于向这种外围设备发送数据的引脚23和24。
如可以看到的，电耦合器200包括已经存在于图1的电耦合器2002中的元件。因此，这些相同元件承载与图1处相同的附图标记，这里不再描述。
电耦合器200与关于图1描述的电耦合器的不同在于它包括电流隔离变压器170，而不是现有技术的电流隔离变压器160，该电流隔离变压器170包括：第一绕组171，该第一绕组171的端子连接到电源引脚21和22；以及第二绕组172和第三绕组173，所述第二绕组172和第三绕组173串联连接在一起，所述第二绕组172和第三绕组173的公共端子连接到机械接地(例如，内部安装网络的设备的机械接地)，并且其他各端子连接到发送变压器30的绕组32和33的公共端子以及接收变压器50的绕组52和53的公共端子。绕组172和173磁耦合到绕组171。而且，它们被缠绕为使得它们从绕组171接收相同磁通量，并且在它们自己的端子处传送同一信号(参见为此目的使用符号点的表示)。
如下起作用。总线B的一对线T被升至交变电位，该交变电位在发送变压器30中在共模下切换到变压器170的第二绕组172的自由端子上。总线B的一对线R就其本身而言被升至另一个交变电位，该交变电位也在接收变压器50中在共模下切换到变压器170的第三绕组173的自由端子上。如果这些电位不同，则变压器170在差模下起作用，使得在绕组172和173的自由端子处的电位差在变压器170的变换因子(大体等于1)内，被发现处于绕组171的端子处，因此处于电源引脚21和22上，这逐渐形成电源电压V。
例如由闪电生成或在高频测试或其他测试期间注入的、将存在于总线B的对线T和T的线上的寄生电流由于它们在总线B的各线上具有大体相同的振幅而在一方面由发送变压器30的绕组32和33在共模下切换至变压器170的绕组172和173的端子，并且在另一方面由接收变压器50的绕组52和53切换至变压器170的绕组172和173的端子。除了这些端子上的相等振幅之外，首先它们在共模下切换至连接到这些绕组172和173的公共点的机械接地上，其次在绕组171的端子处在变压器170的差模下没有效果。由此，使连接到电源引脚21和22的任意外围设备免于这些寄生电流之害。
在闪电或注入高频测试信号的情况下，讨论中的寄生信号可以具有高频率。所涉及的电压然后可能具有高振幅，特别是在这些信号的频率位于包括谐振频率或发送变压器30和接收变压器50的谐振频率的频带中时。在总线B的各对线R和T上的这些信号无法具有严格相等的各自的振幅。因为如此，这些信号的残留可以在差模下传输到变压器170的绕组171，因此传输到耦合器200的电源引脚21和22上，这可能打扰连接到这些引脚21和22的设备。
图3所示的电耦合器200的实施方式使得它可以解决该问题。该电耦合器包括由两个相同磁耦合绕组181和182构成的隔离变压器180，所述两个相同磁耦合绕组的输入端子(由点来标记)分别连接到变压器170的绕组171的端子，并且所述两个相同磁耦合绕组的输出端子分别连接到电源引脚21和22。在共模下经由该隔离变压器180传输的信号被高度衰减，而在差模下传输的信号不被高度衰减。
另外，与变压器180的绕组181、182中的每一个平行的，电容器191和192被连接，然后根据本发明，与变压器180的各绕组181和182形成与发送变压器30和接收变压器50的谐振频率对应的频率下的带阻滤波器。
图4所示的第三实施方式与第二实施方式的不同在于：发送变压器30现在包括第四绕组34，该第四绕组34的端子分别连接到两个相同绕组71和72的第一端子，所述相同绕组71和72的第二端子连接到机械接地(例如，内部安装网络的设备的机械接地)。绕组71和72磁耦合，并且沿不同的方向缠绕(参见与这些绕组有关的符号点)。同样，接收变压器50包括第四绕组54，该第四绕组54的端子分别连接到两个相同绕组91和92的第一端子，所述相同绕组91和92的第二端子连接到机械接地(例如，内部安装网络的设备的机械接地)。绕组91和92磁耦合，并且沿不同的方向缠绕(参见与这些绕组有关的符号点)。
绕组34形成在一方面绕组31与在另一方面绕组32和33之间的电容屏蔽(capacitive screen)，这具有大幅提高与发送变压器30的寄生电容有关的谐振频率F0的效果。而且，在例如由闪电生成或在高频测试期间注入的、将存在于一对线T中的线上的高频电流中，具有谐振频率F0的那些电流在发送变压器30处具有高振幅。它们激励绕组34，该绕组34然后经由在共模下具有低阻抗的绕组71和72将电流切换至机械接地。由此，使放大器40免于可能出现在发送变压器30的绕组31的端子处的任何过压。在这些频率之外，绕组71和72具有高阻抗，使得绕组34不再形成屏蔽。放大器40的功能然后不被干扰。
同样，绕组54形成在一方面绕组51与在另一方面绕组52和53之间的电容屏蔽，这具有大幅提高与接收变压器50的寄生电容有关的谐振频率F0的效果。同样，在例如由闪电生成或在高频测试期间注入的、将存在于一对线T中的线上的高频电流中，具有谐振频率F0的那些电流在接收变压器50处通过谐振放大。它们激励绕组54，该绕组然后经由在共模下具有低阻抗的绕组91和92将电流切换至机械接地。在这些频率之外，绕组91和92具有高阻抗，使得绕组54不再形成屏蔽。
另外，图4所示的电耦合器200对于与总线B的一对线T对应的路径包括由两个相同磁耦合绕组构成的隔离变压器140，所述两个相同磁耦合绕组的输入端子(由点来标记)连接到耦合器的旨在连接到一对线T的引脚25和26，并且所述两个相同磁耦合绕组的输出端子分别连接到发送变压器30的绕组32和33的端子。在共模下经由该隔离变压器140传输的信号(通常为寄生信号)被高度衰减，而在差模下传输的信号(这里为数据信号)不被高度衰减。同样，对于与总线的一对线R对应的路径，图5的电耦合器200包括具有与隔离变压器140的结构和功能相同的结构和功能的隔离变压器150。
作为图2和图4的对象的电耦合器被设计用于低频交流电源(例如，低于1MHz，即，比数据信号的频率(例如，大于100MHz)低若干数量级)。

Claims (6)

1.一种功率/数据电耦合器(20T；20R)，该功率/数据电耦合器包括：
-发送变压器(30)，该发送变压器(30)由用于接收数据信号的绕组(31)和彼此串联连接的两个绕组(32和33)构成，所述两个绕组(32和33)具有公共点和两个端子，所述两个端子旨在连接到总线(B)的第一对线(T)，以便在差模下向该对线(T)传送存在于第一绕组(31)的端子处的所述数据信号；
-接收变压器(50)，该接收变压器(50)由彼此串联连接的两个绕组(52和53)以及用于传送数据信号的绕组(51)构成，所述两个绕组(52和53)具有公共点和两个端子，所述两个端子旨在连接到所述总线(B)的第二对线(R)，以便在差模下接收存在于所述总线(B)的该对线(R)上的所述数据信号；以及
-电流隔离变压器，
其特征在于，所述电流隔离变压器(170)包括：第一绕组(171)，该第一绕组(171)的端子连接到所述耦合器的电源引脚(21和22)；以及彼此串联连接的第二绕组和第三绕组(172和173)，其中，所述第二绕组和所述第三绕组(172和173)的公共点连接到机械接地，并且所述第二绕组和所述第三绕组(172和173)的各自由端子连接到所述发送变压器(30)的所述绕组(32和33)的所述公共端子，以及连接到所述接收变压器(50)的所述绕组(52和53)的所述公共端子。
2.根据权利要求1所述的电耦合器，其特征在于，所述电耦合器还包括隔离变压器(180)，该隔离变压器(180)由两个相同磁耦合绕组构成，所述两个相同磁耦合绕组的输入端子分别连接到所述电流隔离变压器(170)的所述绕组(171)的所述端子，并且所述两个相同磁耦合绕组的输出端子分别连接到所述电耦合器的所述电源引脚(21和22)。
3.根据权利要求2所述的电耦合器，其特征在于，所述电耦合器包括多个电容器，所述电容器分别并联连接到所述隔离变压器(180)的所述绕组的所述端子，所述电容器与所述绕组形成处于与所述发送变压器和所述接收变压器(30和50)的谐振频率或一个谐振频率对应的频率的带阻滤波器。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的电耦合器，其特征在于，所述发送变压器(30)包括第四绕组(34)，该第四绕组(34)的端子分别连接到两个相同绕组(71和72)的第一端子，所述两个相同绕组(71和72)的第二端子连接到机械接地，并且所述接收变压器(50)包括第四绕组(54)，该第四绕组(54)的端子分别连接到两个相同绕组(91和92)的第一端子，所述两个相同绕组(91和92)的第二端子连接到所述机械接地。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的电耦合器，其特征在于，所述电耦合器包括隔离变压器(140)，该隔离变压器(140)由两个相同磁耦合绕组构成，所述两个相同磁耦合绕组的输入端子旨在连接到该对线(T)，并且所述两个相同磁耦合绕组的输出端子分别连接到所述发送变压器(30)的所述绕组(32和33)的所述端子；以及隔离变压器(150)，该隔离变压器(150)由两个相同磁耦合绕组构成，所述两个相同磁耦合绕组的输入端子旨在连接到该对线(R)，并且所述两个相同磁耦合绕组的输出端子分别连接到所述接收变压器(50)的所述绕组(52和53)的所述端子。
6.一种数据和电源传输网络，该数据和电源传输网络被提供用于经由由两对线(T和R)构成的总线(B)将电致动器耦合到外围设备和电源，其特征在于，所述数据和电源传输网络包括至少两个根据权利要求1至5中任意一项所述的电耦合器。
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