DE10026173A1 - Power kontaktlos-Schaltregler - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Basisstation und mehreren an verschiedenen Positionen der Basisstation kontaktlos ankoppelbaren externen Einheiten. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an jeder Anschlussposition der Zentraleinheit die primärseitige Beschaltung einer potentialgetrennten Stromversorgung vorhanden ist und jede der externen Einheiten die entsprechende sekundärseitige Beschaltung enthält, wobei die Leistungsübertragung über ein induktives Koppelelement erfolgt, welches den sonst in einer derartigen Stromversorgung eingesetzten Transformator ersetzt und die Übertragung der Rückkopplungssignale mittels eines weiteren kontaktlosen Koppelelementes von den externen Einheiten zur Basiseinheit zurück erfolgt.

Description

Zur Kontaktierung häufig ortsveränderlicher Einrichtun­ gen werden oft noch mechanische Steckverbindungen ein­ gesetzt. Derartige mechanische Kontaktsysteme sind in einer breiten Typenvielfalt auf dem Markt. Regelmäßig muß ein relativ hoher Aufwand getrieben werden, um die Kontaktsysteme vor Umwelteinflüssen zu schützen. Hier stellen Aspekte wie Berührungsschutz, Schutz vor ein­ dringenden Flüssigkeiten, wie Wasser, Öl oder auch Feuchtigkeit eine wichtige Rolle. Besondere Anforderun­ gen werden in explosionsgeschützten Bereichen gestellt. Um solchen Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Kontakteinrichtungen in aufwendiger und kostenintensi­ ver Weise gekapselt werden. Dadurch vergrößert sich die Bauform wesentlich und die Handhabung wird erschwert. Gerade bei häufigen Steckzyklen weisen solche Steckver­ binder gravierende Nachteile auf.

Eine wesentliche Verbesserung stellen hier kontaktlose Verbindungssysteme dar. Kontaktlose auf induktiver Kop­ pelung basierende Übertragungssysteme sind in vielfäl­ tigen 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.

Daher stellt sich die Aufgabe, eine Anordnung zur kon­ taktlosen Übertragung darzustellen, welche insbesondere bei einer großen Anzahl von Übertragungsstellen kosten­ günstig realisierbar ist.

Diese erfindungsgemäße Anordnung besteht aus jeweils einem Schaltregler pro Kontaktstelle.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer getak­ teten Stromversorgung zur potentialfreien Energieüber­ tragung, wobei die potentialtrennenden Elemente als kontaktlose Übertragungseinrichtungen ausgeführt sind. Dem Stand der Technik entsprechende potentialtrennende Stromversorgungen besitzen in der Regel eine primärsei­ tige Leistungsschaltstufe, welche eine Wechselspannung erzeugt. Diese wird dann mittels eines potentialtren­ nenden Transformators auf die Sekundärseite übertragen. Dort erfolgt eine Gleichrichtung und Messung der Aus­ gangsgrößen. Aus diesen wiederum wird ein Rückkoppelsi­ gnal erzeugt, welches potentialfrei auf die Primärseite zur Steuerung des Leistungsgenerators übertragen wird. Derartige Anordnungen besitzen zwei Strecken in denen eine Potentialtrennung notwendig ist. Dies ist einer­ seits der Pfad des Leistungsflusses von der Primär- auf die Sekundärseite und andererseits der Rückkoppelpfad zur Regelung einer konstanten Ausgangsgröße von der Se­ kundär- auf die Primärseite. Bei einer erfindungsgemä­ ßen kontaktlosen Übertragungseinrichtung werden nun beide potentialtrennenden Strecken durch berührungslose Übertragungselemente ersetzt. Im Falle des Leistungs­ pfades wird der ohnehin schon vorhandene potentialtren­ nende Transformator aufgesplittet in zwei Teile, wobei jedes dieser Teile eine Wicklung und einen Ferrit- bzw. Eisenkern zur Steuerung des magnetischen Flusses ent­ hält. Primär- und Sekundärseite können nun auf einfache Weise voneinander getrennt und wieder zusammengesetzt werden. Im Falle der potential getrennten Rückkoppel­ strecke von der Sekundär- auf die Primärseite erfolgt die Übertragung vorzugsweise über ein kapazitives Kop­ pelelement. Alternativ kann diese Information aber auch induktiv oder optisch übertragen werden. Bevorzugte ka­ pazitive Koppelelemente sind Gegenstand der deutschen Patentanmeldung DE 197 00 110.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung wird die Schaltung zur Energieübertragung als Resonanzwandler ausgeführt. Derartige Wandler haben hier wesentliche Vorteile. Auftrennbare Transformato­ ren, bei denen Primär- und Sekundärseite voneinander getrennt werden können haben durch den meist schwanken­ den Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärseite eine variable Streuinduktivität. Diese begrenzt durch ihre Impedanz den Stromfluss im Übertrager. Wird diese Streuinduktivität durch eine entsprechende Kapazität kompensiert, so kann im Resonanzfall eine beliebig niedrige Impedanz erreicht werden. Durch Ausnutzung dieses Effektes können Resonanzwandler hier wesentlich effizienter arbeiten.

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 Koppe­ leinrichtung kein zusätzlicher Platz benötigt wird. Ei­ ne solche Anordnung der kapazitiven Koppelelemente im magnetischen Feld der induktiven Übertragungseinrich­ tung ermöglicht eine unabhängige Übertragung beider Si­ gnale. Dies ist in der erfindungsgemäßen Anordnung pro­ blemlos möglich, da sich elektrische und magnetischen Felder gegenseitig nicht beeinflussen.

Wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die kapazitive Koppeleinrichtung hier als Leiterplatte ausgeführt, so bietet sie einen zusätzli­ chen mechanischen Schutz der induktiven Koppeleinrich­ tung. Im Gegensatz zu der in der deutschen Offenle­ gungsschrift DE 41 25 145 dargestellten Anordnung, stellt die erfindungsgemäße Anordnung eine vollständige Abdec­ kung des induktiven Koppelelements dar.

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 ein beispielhaftes Blockschaltbild einer erfin­ dungsgemäßen Anordnung.

Beschreibung der Figur

In Fig. 1 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung darge­ stellt. Die primärseitige Beschaltung (1) einer poten­ tialgetrennten Stromversorgung wird über kontaktlose Koppelelemente mit der sekundärseitigen Beschaltung verbunden. Im Leistungspfad zur Energieübertragung wird ein Transformator, dessen Primärseite (3) von der Se­ kundärseite (4) mechanisch trennbar ist, verwendet. Der Signalfluß zur Rückkoppelung der Ausgangsgröße erfolgt in diesem Beispiel mittels eines kapazitiven Koppelele­ mentes, dessen Sendeseite (6) Signale von der sekundär­ seitigen Beschaltung (2) mittels der Empfangsseite (5) an die primärseitigen Beschaltung (1) weiterleitet.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Basisstation und mehreren an verschiede­ nen Positionen der Basisstation kontaktlos ankoppelba­ ren externen Einheiten, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Anschlussposition der Zentraleinheit die pri­ märseitige Beschaltung einer potentialgetrennten Strom­ versorgung vorhanden ist und jede der externen Einhei­ ten die entsprechende sekundärseitige Beschaltung ent­ hält, wobei die Leistungsübertragung über ein indukti­ ves Koppelelement erfolgt, welches den sonst in einer derartigen Stromversorgung eingesetzten Transformator ersetzt und die Übertragung der Rückkoppelungssignale mittels eines weiteren kontaktlosen Koppelelementes von den externen Einheiten zur Basiseinheit zurück erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitige sowie sekundärseitige Beschaltung der potentialgetrennten Stromversorgung einem Resonanzwand­ ler entspricht.

3. Anordnung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement zur Signalrückkoppelung ein indukti­ ves, kapazitives oder optisches Koppelelement ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen kapazitiven Elemente zur Übertragung der zusätzlichen Signale im Bereich des magnetischen Feldes des induktiven Koppelelementes angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen kapazitiven Koppelelemente in eine Leiterplatte integriert sind, welche gleichzeitig eine mechanische Abdeckung der induktiven Koppelelemente darstellt.