DE10026175C2 - Arrangement for the contactless transmission of electrical signals or energy between a fixed unit and several portable units - Google Patents
Arrangement for the contactless transmission of electrical signals or energy between a fixed unit and several portable unitsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf 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.The invention frequently relates to contacting portable facilities. For contacting Moving facilities are often still mechanical connectors used. Such me Chanan contact systems are of a wide type diversity on the market. Regularly a relatively ho forth effort to operate the contact systems To protect environmental influences. Here aspects like Protection against contact, protection against penetrating liquids such as water, oil or moisture are important ge role. Special requirements are in explosions protected areas. To meet such requirements contact facilities must meet the requirements encapsulated in a complex and costly manner become. This significantly increases the design and handling is difficult. Especially with frequent ones Mating cycles have such connectors serious Disadvantages. There is also a mechanical Ver wear of the contacts, which is initially at a height their contact resistance up to total failure 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 A1 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.A major improvement here is contactless Connection systems. Contactless on inductive Kop Transmission-based transmission systems are diverse Executions known. Exemplary in the German The patent application DE 197 01 357 A1 is an induc tive coupling based system described. It ver avoids the main disadvantage of contacting systems however, relatively high manufacturing costs. Here is for each transmission device has its own alternating chip voltage generator and on the opposite side appropriate rectifier necessary. Especially with An with a large number of contact devices this leads to prohibitively high costs.
Ein weiterer Nachteil derartiger Anordnungen, wie sie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 25 145 A1 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.Another disadvantage of such arrangements as they for example in the German patent application DE 41 25 145 A1 is the demand for one relatively tight coupling with low leakage inductance between the two contact partners. Especially with convents tional circuitry for inductive transmission The leakage inductance arises, which is also Equivalent circuit shown as series inductance can be found to be disruptive because their impedance maximum transferable current limited. A leakage inductor Low-quality construction sets the lowest possible Air gap between the transmission elements ahead. This usually means a high mechanical effort and low flexibility in use.
In Seelig, Anton: "Berührungslose Energieübertragung bei Mittelfrequenz" in DE-Z de/der elektromeister + deutsches elektrohandwerk, Heft 3/93, S. 150-153 so wie in der DE 42 36 340 C2 sind induktive Übertragungs systeme mit auf Primärseite und Sekundärseite zu Reso nanzkreisen ergänzten Übertragern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart. Auch in Kelley, Arthur. W.: "Connectorless Power Supply for an Aircraft-Passenger Entertainment System" in US-Z. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 4, No. 3, July 1989, S 348-354 ist ein induktives Übertragungssystem offenbart, bei dem mehrere Einheiten induktiv angekop pelt sind, deren Sekundärkreis mit einer Kapazität zu einem Resonanzkreis ergänzt ist. Diese Resonanzsysteme haben den Nachteil, dass sich bei Änderungen des Ab stands der gekoppelten Einheiten auch die Resonanzfre quenz ändert. Sie fordern daher eng tolerierte Abstände bzw. geringe Luftspalte zwischen den Übertragungspart nern.In Seelig, Anton: "Non-contact energy transmission at medium frequency" in DE-Z de / der elektromeister + deutsches elektrohandwerk, issue 3/93, pp. 150-153 as well as in DE 42 36 340 C2 are inductive transmission systems with primary and Secondary side to resonance circles complementary transmitters disclosed according to the preamble of claim 1. Also in Kelley, Arthur. W .: "Connectorless Power Supply for an Aircraft-Passenger Entertainment System" in US-Z. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 4, No. 3, July 1989 , S 348-354, an inductive transmission system is disclosed in which several units are inductively coupled, the secondary circuit of which is supplemented with a capacitance to form a resonance circuit. These resonance systems have the disadvantage that the resonance frequency also changes when the distance between the coupled units changes. They therefore demand closely tolerated distances or small air gaps between the transmission partners.
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.Therefore, the task arises, an arrangement for con to represent tactless transmission, which in particular inexpensive for a large number of transmission points is feasible, with a size at the same time air gap between the transmission partners should be able to be.
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 µr < 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.In this representation, the term core, ferrite core or iron core is used synonymously for the magnetic medium. In the most general case, this designates a magnetic medium with µ r <1. Likewise, no distinction is expressly made between signal and energy transmission, since without energy no signal can be transmitted and transmitted energy can also contain information.
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.This arrangement according to the invention consists of several Resonance transformers based on inductive coupling. For this purpose, the individual inductive transformers are re sonorous elements added. This can be a single ne capacitance for all inductors or also an An order in which each individual inductance or egg A group of inductors each have a capacitance assigned. These are then preferably from egg ner fed common feeder. This Spei The device contains a device which the Controls AC voltage or current source in such a way that this is at a resonant frequency of the transmission arrangement works.
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.Another advantageous embodiment of the invention is that the parasitic capacitance of the inductive Coupling elements are designed such that they make a significant contribution to the resonance capacity contribute. In extreme cases, these are parasitic capacitors would be so high that resonance capacities completely can be dispensed with. This can be done anyway Take advantage of existing winding capacity.
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.In a further advantageous embodiment of the Er the inductive coupling elements are found by ent speaking capacities to series resonance circuits supplemented. This design of the series resonance circuits can either on the primary or secondary side or on both sides of the inductive coupling element gen. In addition to a series resonance of the circuit results usually at least one other parallel resonance. It is essential with this arrangement that the Feeding device is designed such that a Spei solution in the vicinity of the series resonance frequency.
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.Another embodiment of the invention consists in that the inductive transmission elements correspond by capacities connected in parallel to parallel resonance nanzkreise be supplemented. This supplement can ever because either on primary, secondary or on the sides of the inductive coupling elements. ne ben a parallel resonance of the circuit results usually at least one other series response. Wesent What is Lich with this arrangement is that the feed device is designed such that a feed in close to the parallel resonance frequency.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung sind zusätzliche kapazitive Koppelelemente zur Übertragung weiterer Informationen vorgesehen.In a further advantageous embodiment of the Er are additional capacitive coupling elements Transfer of further information provided.
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 a further embodiment of the invention, a magneti not yet used for energy transfer path of the inductive coupling element for transmission further information used. For example be the outer surface of the core, then the magnetic flux continues across the area surrounding the core done by air. In the case of a multi-legged ker nes can the magnetic flux over the two outer Leg or more.
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.In another embodiment of the invention is a Modulation or demodulation unit for transmission further information is provided in which the Infor mations modulated by means of a carrier frequency or be demodulated sufficiently by the frequencies the feed device is sufficiently far away. Such a transfer of further information in one different frequency band than that for energy transmission frequency band used is easily possible here, because the energy through the resonance circuits is only narrowband is transmitted. This can be done through the same coupling ment in the same magnetic path as the energy transfer an information transfer takes place. But even in the case of transmission using capacitive Coupling surfaces as well as in the transmission by one this arrangement creates another magnetic path increased signal-to-noise ratio.
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.Another embodiment of the invention consists in that these capacitive coupling elements in the immediate Coupling area of the inductive coupling elements arranged are. With such an arrangement there is very much space Economical construction possible, because for the capacitive cop no additional space is required. Such an arrangement of the capacitive coupling elements in magnetic field of inductive transmission equipment tion enables independent transmission of both Signals. This is in the arrangement according to the invention possible without any problems, because electrical and magneti fields do not influence each other. Is in a further advantageous embodiment of the Erfin the capacitive coupling device here as a conductor plate, it offers an additional me mechanical protection of the inductive coupling device. in the Contrary to that in the German published application DE 41 25 145 arrangement shown, represents the inventions arrangement according to the invention a complete coverage of the inductive coupling element.
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 A1 beschrieben.In a further advantageous embodiment of the Er Invention, the control element is designed such that it together with the AC voltage or current source and the resonance circuits a self-oscillating performance oscillator results. The principle of such an arrangement is in the German patent application DE 197 01 357 A1 described.
In einer anderen Ausgestaltung gibt das Steuerelement eine feste Frequenz für die Wechselspannungs- bzw. Stromquelle vor.In another embodiment, the control element a fixed frequency for the AC voltage or Power source before.
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 a further advantageous embodiment of the Er is on the receiving end of at least one Receiver a circuit consisting of an equal judge provided with a downstream linear regulator. So that the ripple of the transmitted voltage re reduced and regulated to a constant value become.
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 a further advantageous embodiment of the Er invention, a synchronous rectifier is used controlled by an appropriate phase controller is heard. Such synchronous rectifiers have the Advantage that they have active switched elements achieve much lower losses than passive ones Rectifier.
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 a further advantageous embodiment of the Er With at least one receiver, the invention is a syn chrome rectifier provided with a phase control, which with the help of the phase controller the Leis flow from the secondary circuit controls.
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.In a further advantageous embodiment of the Er invention is the same for at least one recipient judge with a downstream switching regulator especially low-loss conversion of the output voltage into others Values provided.
Die Erfindung wird nachstehend 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:The invention is based on execution examples with reference to the drawing exempla risch described on the rest of the Revelation of all not explained in the text explicitly referenced details becomes. Show it:
Fig. 1 Beispielhaftes Schaltbild einer erfindungsgemä ßen Anordnung mit Parallelresonanzkreisen Fig. 1 Exemplary circuit diagram of an inventive arrangement with parallel resonance circuits
Fig. 2 Schematischer mechanischer Aufbau einer erfin dungsgemäßen Anordnung Fig. 2 Schematic mechanical structure of an inventive arrangement according to the invention
Fig. 3 Aufbau einer kombinierten Anordnung mit indukti ver und kapazitiver Übertragung Fig. 3 structure of a combined arrangement with indukti ver and capacitive transmission
Fig. 4 Beispielhafte Anordnung mit Serienresonanzkrei sen Fig. 4 exemplary arrangement with series resonance circles
Fig. 5 zeigt eine bespielhafte Anordnung mit einem Gleichrichter und nachgeschaltetem Linearregler Fig. 5 shows a recordable an arrangement with a rectifier and a downstream linear regulator
Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Anordnung mit einem Syn chrongleichrichter Fig. 6 shows an example of an arrangement with a synchro rectifier
Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Gleich richters mit nachgeschaltetem Schaltregler. Fig. 7 shows an exemplary arrangement of a rectifier with a downstream switching regulator.
Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzli cher Signalübertragung im Falle eines geschlos senen Eisen- bzw. Ferritkernes Fig. 8 shows an exemplary arrangement with additional signal transmission in the case of a closed iron or ferrite core
Fig. 9 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzli cher Signalübertragung im Falle eines mehr schenkligen Eisen- bzw. Ferritkernes. Fig. 9 shows an exemplary arrangement with additional signal transmission in the case of a multi-leg iron or ferrite core.
In 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 den Sender gekoppelt und die Sekundärwicklungen ei genständigen mit dem Sender 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.In Fig. 1 an arrangement according to the invention is exemplified Darge. In the transmitter, an AC voltage source with an integrated control element ( 1 ) feeds the inductive coupling elements, which each consist of a primary winding ( 2 , 3 , 4 ) and a secondary winding ( 22 , 23 , 24 ). Here, several primary windings are coupled to the transmitter and the secondary windings are assigned to receivers that are in contact with the transmitter in loose mechanical contact. In order to obtain a circuit that is capable of resonance in parallel, the inductance is optionally supplemented on the primary winding and / or on the secondary winding to form a parallel resonance circuit with corresponding capacitances. The capacities on the primary side ( 12 , 13 , 14 ) are assigned to the transmitter, while the secondary-side capacities ( 32 , 33 , 34 ) are each assigned to a receiver.
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. 2 shows an example schematically a mechanical construction on an arrangement according to the invention. It shows how the individual receivers are assigned to the corresponding positions of the transmitter, so that magnetic coupling of the primary-side inductors, consisting of a ferrite or iron core ( 50 , 51 ) and the associated primary windings ( 2 , 3 ) and the with these corresponding secondary inductors, consisting of the ferrite or iron cores ( 40 , 41 ) and the associated windings ( 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. 3 shows the structure of a combined arrangement with in ductive and capacitive transmission. The primary-side ferrite core ( 51 ) corresponds to the secondary-side ferrite core ( 50 ). A circuit board, which contains conductor structures for capacitive signal transmission, is arranged on each side between the two core halves. These circuit boards are located at a short distance from each other, so that electrical signals can be transmitted due to the resulting high capacitance between the transmitter and receiver side. An example of an arrangement of two Lei terflächen ( 61 , 62 ) is shown in plan view.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit Serienresonanz kreisen. Fig. 4 shows an exemplary arrangement with series resonance circles.
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. In the transmitter, an AC voltage source with an integrated control element ( 1 ) feeds the inductive coupling elements, each of which consists of a primary winding ( 2 , 3 , 4 ) and a secondary winding ( 22 , 23 , 24 ). Several primary windings are coupled to one transmitter each and the secondary windings are assigned to receivers that are in loose mechanical contact with the transmitters. In order to obtain a circuit capable of parallel resonance, the inductance is optionally supplemented on the primary winding and / or on the secondary winding to form a parallel resonance circuit with corresponding capacities. The capacities on the primary side ( 12 , 13 , 14 ) are assigned to the transmitter, while the secondary-side capacities ( 32 , 33 , 34 ) are each assigned to a receiver.
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. 5 shows a typical arrangement of a secondary circuit according to the invention. Here the secondary winding ( 22 ) is used to decouple the electrical signals. The corresponding parallel resonance capacitance, as shown here for example in the case of a parallel resonance, is implemented by the capacitor ( 32 ). The signal applied to the parallel resonance circuit is rectified by means of a diode ( 80 ) and sieved in the capacitor ( 81 ). A subsequent linear regulator ( 82 ) controls the output voltage.
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. 6 shows an example of a corresponding circuit of a secondary side in the case of a parallel resonance with a synchronous rectifier. The signal is coupled out via the secondary inductance ( 22 ). Together with the parallel capacitance ( 32 ), this produces a parallel resonance circuit. In this case, for example, the synchronous rectifier consists of a controlled MOS-FET ( 83 ) which is controlled by a control unit ( 84 ). The output signal is smoothed over a capacitor ( 85 ).
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. 7 shows an example of a further Anord voltage according to the invention with a switching regulator at the output of the secondary circuit. Here, the signal decoupling takes place again by means of a secondary inductance ( 22 ) which is supplemented by a capacitor ( 32 ) connected in parallel to form a parallel resonance circuit. The signal on the parallel resonance circuit is rectified by a Schott ky diode ( 80 ) and filtered by a first filter capacitor ( 81 ). The subsequent regulation and conversion into other voltages is carried out by means of a clocked switching regulator ( 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. 8 shows an exemplary arrangement with additional Si signal transmission in the case of a closed iron or ferrite core. The magnetic core of the primary side ( 51 ) is coupled to the core of the secondary side ( 52 ). The magnetic flux for energy transmission according to claim is represented by the lines ( 90 ). The lines ( 91 ) show the magnetic flux for the transmission of additional signals. Here the magnetic field passes partly through the core, but partly through the surroundings of the core. As a rule, the stray field is negligible, since the magnetic field strength for the transmission of additional information is much lower than the field strength of the energy transmission. The coupling and decoupling for the transmission of additional information takes place via the windings ( 92 ) and ( 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. Fig. 9 shows an exemplary arrangement with additional Si signal transmission in the case of a multi-leg iron or ferrite core. The magnetic core of the primary side ( 51 ) is coupled to the core of the secondary side ( 52 ). The magnetic flux for energy transmission according to claim 1 is represented by the lines ( 90 ). The lines ( 91 ) show the magnetic flux for the transmission of additional signals. The coupling and decoupling for the transmission of additional information takes place via the windings ( 92 ) and ( 93 ). In this example, these windings are designed as differential windings, so that the voltages generated by the magnetic flux for energy transmission ( 90 ) cancel each other out.
Claims (14)
mittels induktiver Koppelelemente welche eine Primär seite (2, 3, 4), die der ersten Einheit zugeordnet ist und eine Sekundärseite (22, 232, 24), die der zweiten Einheit zugeordnet ist, besitzen,
wobei die Primärseiten der induktiven Koppelelemente miteinander verbunden sind und gleichzeitig vom Sen der (1) gespeist werden und
wobei die induktiven Koppelelemente durch zumindest eine zusätzliche diskrete bzw. parasitäre Kapazität (12, 13, 14) zu Resonanzkreisen ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sender (1) ein Steuerelement enthält, welches die Wechselspannungs- bzw. -stromquelle derart ansteuert, dass diese auf einer Resonanzfrequenz der zusammenge schalteten Koppelelemente arbeitet.1. Arrangement for the contactless transmission of electrical signals or energy between a fixed first unit with a transmitter ( 1 ) as AC voltage or current source, and several relative to this east-variable second units (E1, E2, E3), each with one receiver
by means of inductive coupling elements which have a primary side ( 2 , 3 , 4 ) which is assigned to the first unit and a secondary side ( 22 , 232 , 24 ) which is assigned to the second unit,
wherein the primary sides of the inductive coupling elements are connected to one another and are simultaneously fed by the sensor ( 1 ) and
the inductive coupling elements being formed by at least one additional discrete or parasitic capacitance ( 12 , 13 , 14 ) to form resonant circuits,
characterized in that
the transmitter ( 1 ) contains a control element which controls the AC voltage or current source in such a way that it operates at a resonance frequency of the interconnected coupling elements.
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