DE102008021012A1

DE102008021012A1 - Datenübertragungseinrichtung und Verwendung einer Datenübertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE102008021012A1
Application number: DE200810021012
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Simon; Zhidong Dr. Hua; Philipp Braunbarth
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-26
Also published as: DE102008021012B4

Abstract

Bei einer Datenübertragungseinrichtung wird vorgeschlagen, eine Kapazität durch eine Sekundärinduktivität zu einem Parallelschwingkreis zu ergänzen, wobei die Sekundärinduktivität zur induktiven Ankopplung an einen Primärleiter vorgesehen ist und die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises auf die Mittenfrequenz des zur Datenübertragung vorgesehenen Datenfrequenzbereichs abgestimmt ist. Durch wenigstens einen nachgeschalteten Bandpass ist ein die Sekundärinduktivität umfassender Übertragerkopf gebildet, in den ein im Datenfrequenzbereich Signalreflexionen vermeidendes und Störungen der Datenübertragung durch ein im Primärleiter in einem vom Datenfrequenzbereich beabstandeten Frequenzbereich übertragenes Leistungssignal zur Energieversorgung vermeidendes Anpassungsglied integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Datenübertragungseinrichtung mit einer an einen Primärleiter induktiv gekoppelten Sekundärinduktivität, einem Anpassungsglied und einer Signalverarbeitungseinheit, wobei das Anpassungsglied an die Sekundärinduktivität angeschlossen ist, das Anpassungsglied wenigstens eine Kapazität umfasst, die einen Tiefpass für die Signale von der Sekundärinduktivität darstellt, und das Anpassungsglied wenigstens einen Ausgang hat, und wobei die Signalverarbeitungseinheit an den wenigstens einen Ausgang des Anpassungsglieds angeschlossen ist und wenigstens zum Empfang über die Sekundärinduktivität von auf den Primärleiter aufmodulierten Datensignalen in einem Datenfrequenzbereich ausgebildet ist.
Derartige Datenübertragungseinrichtungen sind beispielsweise bei Systemen mit berührungsloser Energieübertragung bekannt, wobei die Sekundärinduktivität von einem Übertragerkopf umfasst ist, der an einen Primärleiter induktiv gekoppelt ist, und an den Übertragerkopf ein Anpassungsglied angeschlossen ist, welches die Anpassung der nachfolgenden Signalverarbeitungseinheit an den Übertragerkopf bewirkt. Die bekannten Anpassungsnetzwerke erlauben eine schmalbandige Anpassung und bilden selbst wieder eine unerwünschte Filterstruktur.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Datenübertragungseinrichtung mit verbesserter Signalübertragung weiterzubilden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Datenübertragungseinrichtung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und bei der Verwendung der Datenübertragungseinrichtung nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung einer Datenübertragungseinrichtung sind, dass die Kapazität durch die Sekundärinduktivität zu einem Parallelschwingkreis ergänzt ist und dass die Resonanzfrequenz dieses Parallelschwingkreises auf den Datenfrequenzbereich abgestimmt ist, insbesondere im Wesentlichen gleich der Mittenfrequenz des Datenfrequenzbereichs oder dem arithmetischen oder geometrischen Mittel der oberen und unteren Grenzfrequenz des Datenfrequenzbereichs ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Induktivität im Anpassungsglied verzichtbar ist, dass also die Induktivität des Übertragerkopfes die erste Induktivität des Anpassungsgliedes ersetzt, das Anpassungsglied also keine weitere Induktivität hat, die den Parallelschwingkreis bildet. Hierdurch ist die Anpassung der nachfolgenden Signalverarbeitungseinheit breitbandig erreicht. Die Signalverarbeitungseinheit umfasst vorzugsweise Mittel zur Durchführung einer schnellen Fourier-Transformation, einen vor Ort programmierbarer Logikbaustein oder field programmable gate array zur Auswertung der Ergebnisse der schnellen Fourier-Transformation und/oder zur Generierung von Datenreihen, die von dem Mittel zur schnellen Fourier-Transformation in Datensignale für den Primärleiter umgewandelt werden, und weitere Mittel zur Ansteuerung des Logikbausteins. Die Mittel zur schnellen Fourier-Transformation dienen zur Analyse von in der Sekundärinduktivität induzierten Signalen vom Primärleiter im Datenfrequenzbereich und/oder zur Generierung von Datensignalen, die mittels der Sekundärinduktivität auf den Primärleiter moduliert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Anpassungsglied einen Bandpass hat, der zwischen der Kapazität und dem wenigstens einen Ausgang des Anpassungsgliedes angeordnet ist, insbesondere wobei die Mittenfrequenz des Bandpasses im Wesentlichen, also bis auf Abweichungen von höchstens 20%, vorzugsweise 10%, gleich der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises ist und/oder dass der Bandpass durch einen Reihenschwingkreis aus wenigstens einer Bandpasskapazität und einer Bandpassinduktivität gebildet ist. Durch den Bandpass wird vorteilhaft ein Bandpassfilter 4. Ordnung gebildet, wobei die Sekundärinduktivität des Übertragerkopfs Bestandteil der Bauelemente des Bandpassfilters ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Anpassungsglied einen ohmschen Widerstand hat, der parallel zu der Kapazität des Anpassungsgliedes geschaltet ist. Hierdurch ist die Anpassung des Anpassungsglieds verbesserbar, insbesondere ist die Breite des für die Datensignale nutzbaren Datenfrequenzbereichs vergrößerbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Kapazität des Anpassungsglieds, die Bandpasskapazität, die Bandpassinduktivität und gegebenenfalls der ohmsche Widerstand so dimensioniert sind, dass sich bei dem gewählten Induktivitätswert der Sekundärinduktivität eine Übertragungsfunktion zwischen dem Spannungssignal über der Sekundärinduktivität und dem an dem wenigstens einen Ausgang anliegenden Spannungssignal ergibt, die der Übertragungsfunktion eines Bandpassfilters entspricht, dessen obere und untere Grenzfrequenz den Datenfrequenzbereich definieren und dessen Flankensteilheit beidseitig wenigstens –40 d6/Dekade beträgt. Unter einer Dekade wird in dieser Schrift eine Größenordnung oder Zehnerpotenz einer Messgrößer, hier der Frequenz, verstanden. Mit der vorteilhaften Ausgestaltung ist somit eine ausreichende Signaldämpfung außerhalb des Datenfrequenzbereichs bewirkt, die störende Einflüsse von Signalen im Primärleiter, deren Frequenzen wenigstens eine Dekade unterhalb oder oberhalb des Datenfrequenzbereichs liegen, vermindert sind, während innerhalb des Datenfrequenzbereichs eine gute Anpassung der Signalverarbeitungseinheit an den Primärleiter erreicht ist.
Die Datenübertragung vom und an den Primärleiter ist vorteilhaft ausführbar, wenn die Signalverarbeitungseinheit zur Erzeugung und Bereitstellung am Ausgang des Anpassungsgliedes von über die Sekundärinduktivität auf den Primärleiter aufmodulierten Datensignalen im Datenfrequenzbereich ausgebildet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Signalverarbeitungseinheit zum Senden und Empfangen auf mehreren Frequenzkanälen ausgebildet ist und dass die Frequenzkanäle den Datenfrequenzbereich in gleiche Abschnitte unterteilen, insbesondere linear gleichmäßig oder logarithmisch linear gleichmäßig, also mit gleichen Verhältnissen zwischen benachbarten Unterteilungswerten. Insbesondere ist ein Mehrträger-Verfahren wie beispielsweise OFDM, also orthogonal frequency division multiplex, vorteilhaft einsetzbar.
Ein erhöhter Kopplungsfaktor für die Kopplung zwischen Sekundärinduktivität und Primärleiter ergibt sich, wenn die Sekundärinduktivität einen weichmagnetischen Kern hat.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Kern der Sekundärinduktivität U- oder E-förmig ausgebildet ist und/oder dass der Kern den Primärleiter zumindest teilweise umgreift. Somit ist das magnetische Streufeld um den Primärleiter im Bereich der induktiven Ankopplung der Sekundärinduktivität vermindert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Datenübertragungseinrichtung entlang des Primärleiters verschiebbar ist, wobei während des Verschiebens die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Primärleiter und Sekundärinduktivität im Wesentlichen konstant ist. Somit ist die Datenübertragungseinrichtung bei beweglichen Verbrauchern, beispielsweise fahrerlosen Transportsystemen, rotierenden Werktischen, Papiertransportwalzen mit mitdrehender elektromotorischer oder sensorischer Funktionalität oder dergleichen einsetzbar, ohne dass für die Signalübertragung Schleifkontakte, Schleppketten oder dergleichen oder gar Funkübertragung erforderlich ist/sind. Es ist eine verschleißarme Ankopplung an den Primärleiter, der als Datenbus für Kommunikations- und/oder Steuerungsaufgaben nutzbar ist, bereitgestellt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein Anschluss der Sekundärinduktivität, der Kapazität, des ohmschen Widerstands und/oder ein Anschluss der Signalverarbeitungseinheit mit Masse verbunden ist/sind. Die gemeinsame Masse bildet somit den Rückleiter, und der Materialeinsatz zur Fertigung einer Datenübertragungseinrichtung ist gering.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Anpassungsglied zwei Ausgänge hat, dass zwischen jedem Ausgang und je einem Anschluss der Kapazität des Anpassungsglieds ein Reihenschwingkreis angeordnet ist, dass die Sekundärinduktivität, die Kapazität und gegebenenfalls der ohmsche Widerstand in Parallelschaltung angeordnet sind und dass die Signalverarbeitungseinheit an beide Ausgänge des Anpassungsglieds angeschlossen ist, insbesondere wobei die Reihenschwingkreise identisch dimensioniert sind. Somit sind externe Störungen, die über einen Masseanschluss eingetragen würden, vermieden, und die Datenübertragungseinrichtung erreicht eine höhere Sicherheit, weil keine Signale über den Masseanschluss übertragen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass in einem Abschnitt, dessen Länge ein Vielfaches der Ausdehnung der Datenübertragungseinrichtung beträgt, der Primärleiter geradlinig, vorzugsweise einfach oder doppelt als Hin- und Rückleiter, verlegt ist und/oder als kreisförmige Schleife verlegt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass an dem wenigstens einem Ausgang, insbesondere zwischen den Ausgängen, des Anpassungsglieds ein weiterer ohmscher Widerstand angeordnet ist, dessen Widerstandswert im Wesentlichen gleich dem Widerstandswert des ohmschen Widerstands des Anpassungsgliedes ist, welcher parallel zu der Kapazität des Anpassungsgliedes geschaltet ist. Durch im Wesentlichen gleiche, also bis auf Unterschiede von höchstens 10% gleiche, oder sogar identische Dimensionierung ist eine optimale Leistungsanpassung der Datenübertragungseinrichtung erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Sekundärinduktivität und das Anpassungsglied in einem Übertragerkopf integriert sind, insbesondere eine kompakte bauliche Einheit bilden. Der Übertragerkopf weist somit wenigstens einen Ausgang, vorzugsweise zwei Ausgänge, auf, an dem/denen die in der Sekundärinduktivität induzierten Datensignale auswertbar beziehungsweise die für eine Aufmodulation auf den Primärleiter vorgesehenen Datensignale eingespeist werden. Der Übertragerkopf kann zusätzlich Anschlüsse für die Entnahme des in der Sekundärinduktivität induzierten Leistungssignals, also für einen Resonanzschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz des zur Energieversorgung bestimmten Leistungssignals, abgestimmt ist, aufweisen. Diese Energieversorung ist auch für den Betrieb der Signalverarbeitungseinheit nutzbar.
Die erfindungsgemäße Datenübertragungseinrichtung ist vorteilhaft einsetzbar bei einem System zur berührungslosen Energieübertragung, wobei auf den Primärleiter ein Leistungssignal mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz aufgeprägt wird und wobei der Datenfrequenzbereich wenigstens eine Dekade über der Frequenz des Leistungssignals liegt, insbesondere wobei die Frequenz des Leistungssignals zwischen 15 kHz und 150 kHz, vorzugsweise bei 25 kHz, liegt und/oder die Amplitude des Leistungssignals wenigstens 10 A, vorzugsweise 60 A beträgt. Die erfindungsgemäße Datenübertragungseinrichtung ist somit bei handelsüblichen Systemen zur berührungslosen Energieübertragung, die eine induktive, schwache Koppelung mit sekundärseitigem Resonanzschwingkreis einsetzen, verwendbar.
Bei dem System kann vorgesehen sein, dass die Datenübertragungseinrichtung durch einen elektrischen Antrieb entlang des Primäreiters verschiebbar ist, wobei der elektrische Antrieb induktiv an den Primärleiter gekoppelt ist und aus dem Leistungssignal gespeist wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Es zeigt
1 eine Anlage mit berührungsloser Energieversorgung nach dem Stand der Technik,
2 eine Anpassungsschaltung nach dem Stand der Technik,
3 eine erfindungsgemäße Datenübertragungseinrichtung,
4 die Filterfunktion der Schaltung nach 3,
5 eine erfindungsgemäße Datenübertragungseinrichtung mit symmetrischer Anpassungsschaltung,
6 eine Datenübertragung im Mehrträger-Verfahren und
7 orthogonale Signale im OFDM-Verfahren.
1 zeigt die Prinzipskizze einer Anlage mit berührungsloser Energieversorgung. Ein Generator 15 ist an einen langgestreckt mit parallel geführten Hin- und Rückleiter ausgebildeten Primärleiter 16 angeschlossen. Der Generator 15 erzeugt ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz von konstant 25 kHz und einer Amplitude von konstant 60 A. Dieses Wechselstromsignal, das Leistungssignal, wird in den Primärleiter 16 eingespeist.
Der Primärleiter 16 bildet eine Induktivität mit hohem Streuanteil. Im Verlauf des Primärleiters 16 sind an verschiedenen Stellen elektrische Verbraucher 11, 12, 13, 14 angeordnet, die entlang des Primärleiters 16 beweglich sind.
Die elektrischen Verbraucher 11, 12, 13, 14 haben jeweils eine nicht weiter gezeigte Sekundärinduktivität, über die sie induktiv an den Primärleiter 16 gekoppelt sind. Zur Verstärkung der Kopplung haben die Sekundärinduktivitäten jeweils einen weichmagnetischen Kern, der den Primärleiter 16 zumindest teilweise umgreift, aber die Beweglichkeit der Verbraucher 11, 12, 13, 14 entlang des Primärleiters 16 nicht beschränkt.
Jeder Verbraucher 11, 12, 13, 14 hat weiter einen Resonanzschwingkreis, der von der Sekundärinduktivität gespeist wird und dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz des Leistungssignals abgestimmt ist. Die elektrischen Verbraucher 11, 12, 13, 14 entnehmen die zu ihrem Betrieb erforderliche Energie aus diesem Resonanzschwingkreis. Durch die resonante Kopplung ist ein hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung vom Primärleiter an die beweglichen Verbraucher erreichbar.
Zur Reduzierung von Leitungen bei der Anlage kann vorgesehen sein, dass die beweglichen Verbraucher 11, 12, 13, 14 untereinander oder mit einer stationären Steuerung, beispielsweise dem Generator 15, über den Primärleiter 16 zusätzlich Datensignale austauschen. Hierzu sind die erforderlichen Signalerarbeitungseinheiten der beweglichen Verbraucher 11, 12, 13, 14 an die jeweilige Sekundärspule oder an eine weitere Sekundärspule, die ebenfalls induktiv an den Primärleiter 16 gekoppelt ist, angeschlossen. Die Datensignale werden somit auf den Primärleiter 16 aufmoduliert beziehungsweise von diesem abgenommen.
Da für die Datenübertragung über die induktive Ankopplung der beweglichen Verbraucher 11, 12, 13, 14 an den Primärleiter 16 eine verhältnismäßig lange, insbesondere in Bezug auf die üblichen Übertragungsraten, Symboldauer der übertragenen Symbole erforderlich ist, wird für die Datenübertragung ein Mehrträger-Verfahren eingesetzt, wie es in 6 in einer Prinzipskizze dargestellt ist.
Bei dem Mehrträger-Verfahren gemäß 6 stellt der Primärleiter 16 mehrere Kommunikationskanäle 18, 19, 20, 21 bereit, beispielsweise als Frequenzbereiche oder Frequenzen für Signale auf einem Leiter oder als mehradriges Kabel. Die hier beispielhaft gezeigten beweglichen Verbraucher 11, 12 können über eine induktive Kopplung 17 mit den Kommunikationskanälen 18, 19, 20, 21 Daten austauschen und so miteinander oder mit einer stationären Einheit kommunizieren.
7 zeigt beispielhaft einige bei einem OFDM-Verfahren, also orthogonal frequency divison multiplexing-Verfahren, verwendeten Signale im Zeitverlauf. Dargestellt sind sinusförmige Signale, deren Frequenzen Vielfache einer Grundfrequenz sind und die daher im mathematischen Sinne orthogonal zueinander sind. Jede der dargestellten Frequenzen repräsentiert ein Bit. Die zu übertragenden Symbole werden durch An- und Abschalten der betreffenden Signale binär übertragen, und es wird die längere Symboldauer durch ein gleichzeitiges Übertragen mehrerer Bits kompensiert. Die verwendeten Frequenzen teilen einen Frequenzbereich, den Datenfrequenzbereich, in geometrisch gleiche Teile ein, die Grenzen der einzelnen Teile gehen also durch Multiplikation mit einer festen Zahl auseinander hervor.
Zur Vermeidung von Signalreflexionen und zur Trennung von Datensignalen und Leistungssignal ist eine Anpassungsschaltung nach 2 erforderlich, bei der eine in einer Sekundärspule induzierte Eingangsspannung U_e in eine Ausgangsspannung U_a für eine Signalverarbeitungseinheit umgesetzt wird oder umgekehrt. Diese Anpassungsschaltung ist durchlässig im Frequenzbereich der Datensignale, dem Datenfrequenzbereich, und weist eine schnell ansteigende Dämpfung oberhalb und unterhalb dieses Bereichs auf. R₁ ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle U_e, L₁, L₂, C₁, C₂ definieren Filterstufen, die gemeinsam das gewünschte Bandpassverhalten bewirken.
Die in 3 dargestellte, erfindungsgemäße Anpassungsschaltung sieht dagegen eine Stromquelle I_e vor, die über dem Widerstand R₁ einen Spannungsabfall bewirkt, welcher der über die Spannungsquelle in 2 eingespeisten Spannung U_e entspricht. Es gilt I_e = U_e/R₁.
Die Erfindung sieht weiter vor, dass die Stromquelle I_e und die zu der Anpassungsschaltung gehörende Induktivität L₁ durch den Übertragerkopf 2 realisiert werden, wobei die Induktivität L₁ durch die Sekundärinduktivität des Übertragerkopfes realisiert wird.
Der Widerstand R₁ wird dagegen nicht wie in 1 in Reihe mit dem Fluss der Datensignale zum Ausgang 3, sondern parallel zu diesem angeordnet und ist Bestandteil des Anpassungsgliedes 1, welches weiter die Kapazitäten C₁ und C₂, die Induktivität 12 und die ohmschen Widerstände R₁ und R₂ umfasst. Die räumlich von dem Anpassungsglied 1 getrennt angeordnete Sekundärinduktivität L₁ des Übertragerkopfes 2 ergänzt die Kapazität C₁ des Anpassungsgliedes 1 zu einem Parallelschwingkreis, wobei die Kapazität C₁ als Tiefpass für die Datensignale wirkt.
Zur optimalen Leistungsanpassung wird R₁ = R₂ gewählt.
Bei durch die Sekundärinduktivität vorgegebenem L₁ sind R₁, R₂, C₁, C₂ und L₂ so bestimmt, dass für die Frequenzabhängigkeit der Filterfunktion A(s) die folgende Gleichung gilt, in der s die auf die Grenzfrequenz beziehungsweise Mittenfrequenz normierte komplexe Frequenz bezeichnet.
Für eine Sekundärinduktivität von 67 μH ergibt sich beispielsweise R₁ = R₂ = 900 Ω, C₁ = 125 pF, C₂ = 83 pF, L₂ = 101 μH. Aus diesen Werten ergibt sich eine Mittenfrequenz von ungefähr 1,73 MHz, die gleich der Resonanzfrequenz des durch L₁ und C₁ gebildeten Resonanzschwingkreises und gleich der Resonanzfrequenz des durch L₂ und C₂ gebildeten Bandpasses sind.
Insgesamt ergibt sich so eine Filter- oder Übertragungsfunktion gemäß 4, wobei die obere Darstellung den Betrag und die untere die Phase in Abhängigkeit jeweils von der Frequenz angibt.
Das Anpassungsglied 1 ist somit so dimensioniert, dass es gemeinsam mit der Sekundärinduktivität L₁ des Übertragerkopfes 2 die Datenübertragungseinrichtung gemäß 3 für die Datenkommunikation im Bereich um die Mittenfrequenz 1,73 MHz, also 1,1 × 10 rad/s, in einem Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 3 MHz, also zwischen den Grenzfrequenzen der 4, erlaubt, während das Leistungssignal bei 25 kHz oder 1,57 × 10⁵ rad/s herausgefiltert wird. Somit sind auch Rückwirkungen der elektrischen Verbraucher 11, 12, 13, 14 auf das Leistungssignal herausgefiltert.
Die Mittenfrequenz 1,73 MHz ist also im Ausführungsbeispiel durch das geometrische Mittel der Grenzfrequenzen gegeben.
Der Datenfrequenzbereich zwischen 1 MHz und 3 MHz wird durch 32 Frequenzkanäle gleichmäßig unterteilt, die von einem Busprotokoll mit beschriebenem OFDM-Verfahren genutzt werden.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die ohmschen Widerstände R₁ und R₂ und die Kapazität C₁ nicht mit einer gemeinsamen Masse, sondern durch eine von Masse getrennte Leitung mit dem zweiten Anschluss der Sekundärinduktivität L₁, also des Übertragerkopfes, verbunden. Das Anpassungsglied weist demzufolge zwei Ausgänge 3 auf, zwischen denen ein Widerstand R₂ angeordnet ist, und zwischen denen die Ausgangsspannung U_a abgreifbar ist. Das Anpassungsglied ist symmetrisch aufgebaut, insbesondere ist zwischen jedem Ausgang 3 und je einem Anschluss der Kapazität C₁ ein Bandpass, gebildet durch die Reihenschaltung einer Kapazität C₂ und einer Induktivität ₁₂ _, angeordnet. C₂ und L₂ bestimmen über die bekannte Formel 2πf = 1/(√L₂√C₂) eine Resonanzfrequenz, die gleich der Mittenfrequenz des Datenfrequenzbereichs gewählt ist.
Die Erfindung sieht weiter vor, bei einer Datenübertragungseinrichtung eine Kapazität C₁ durch eine Sekundärinduktivität L₁ zu einem Parallelschwingkreis zu ergänzen, wobei die Sekundärinduktivität L₁ zur induktiven Ankopplung an einen Primärleiter 16 vorgesehen und in einem Übertragerkopf 2 integriert ist und die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises auf die Mittenfrequenz des zur Datenübertragung vorgesehenen Datenfrequenzbereichs abgestimmt ist. Durch wenigstens einen nachgeschalteten Bandpass (C₂, L₂) ist ein die Sekundärinduktivität L₁ umfassender Übertragerkopf 2 gebildet, in den ein im Datenfrequenzbereich Signalreflexionen vermeidendes und Störungen der Datenübertragung durch ein im Primärleiter in einem vom Datenfrequenzbereich beabstandeten Frequenzbereich übertragenes Leistungssignal zur Energieversorgung vermeidendes Anpassungsglied 1 integriert ist.

1: Anpassungsglied
2: Übertragerkopf
3: Ausgang
11, 12, 13, 14: Verbraucher
15: Generator
16: Primärleiter
17: Induktive Kopplung
18, 19, 20, 21: Kommunikationskanal

Claims

Datenübertragungseinrichtung mit einer an einen Primärleiter induktiv gekoppelten Sekundärinduktivität, einem Anpassungsglied und einer Signalverarbeitungseinheit, wobei das Anpassungsglied an die Sekundärinduktivität angeschlossen ist, das Anpassungsglied wenigstens eine Kapazität umfasst, die einen Tiefpass für die Signale von der Sekundärinduktivität darstellt, und das Anpassungsglied wenigstens einen Ausgang hat, und wobei die Signalverarbeitungseinheit an den wenigstens einen Ausgang des Anpassungsglieds angeschlossen ist und wenigstens zum Empfang von auf den Primärleiter aufmodulierten und in der Sekundärinduktivität induzierten Datensignalen in einem Datenfrequenzbereich ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität durch die Sekundärinduktivität zu einem Parallelschwingkreis ergänzt ist und dass die Resonanzfrequenz dieses Parallelschwingkreises auf den Datenfrequenzbereich abgestimmt ist, insbesondere im Wesentlichen gleich der Mittenfrequenz des Datenfrequenzbereichs oder dem arithmetischen oder geometrischen Mittel der oberen und unteren Grenzfrequenz des Datenfrequenzbereichs ist.
Datenübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsglied einen Bandpass hat, der zwischen der Kapazität und dem wenigstens einen Ausgang des Anpassungsgliedes angeordnet ist, insbesondere wobei die Mittenfrequenz des Bandpasses im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises ist und/oder der Bandpass durch einen Reihenschwingkreis aus wenigstens einer Bandpasskapazität und einer Bandpassinduktivität gebildet ist.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsglied einen ohmschen Widerstand hat, der parallel zu der Kapazität des Anpassungsgliedes geschaltet ist.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Anpassungsglieds, die Bandpasskapazität, die Bandpassinduktivität und gegebenenfalls der ohmsche Widerstand so dimensioniert sind, dass sich bei dem gewählten Induktivitätswert der Sekundärinduktivität eine Übertragungsfunktion zwischen dem Spannungssignal über der Sekundärinduktivität und dem an dem wenigstens einen Ausgang anliegenden Spannungssignal ergibt, die der Übertragungsfunktion eines Bandpassfilters entspricht, dessen obere und untere Grenzfrequenz den Datenfrequenzbereich definieren und dessen Flankensteilheit beidseitig wenigstens –40 dB/Dekade beträgt.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit zur Erzeugung und Bereitstellung am Ausgang des Anpassungsgliedes von über die Sekundärinduktivität auf den Primärleiter aufmodulierten Datensignalen im Datenfrequenzbereich ausgebildet ist.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit zum Senden und Empfangen auf mehreren Frequenzkanälen ausgebildet ist und dass die Frequenzkanäle den Datenfrequenzbereich in gleiche Abschnitte unterteilen, insbesondere linear gleichmäßig oder logarithmisch linear gleichmäßig.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärinduktivität einen weichmagnetischen Kern hat, insbesondere wobei der Kern der Sekundärinduktivität U- oder E-förmig ausgebildet ist und/oder der Kern den Primärleiter zumindest teilweise umgreift.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungseinrichtung entlang des Primärleiters verschiebbar ist, wobei während des Verschiebens die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Primärleiter und Sekundärinduktivität im Wesentlichen konstant ist.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss der Sekundärinduktivität, der Kapazität, des ohmschen Widerstands und/oder ein Anschluss der Signalverarbeitungseinheit mit Masse verbunden ist/sind.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsglied zwei Ausgänge hat, dass zwischen jedem Ausgang und je einem Anschluss der Kapazität des Anpassungsglieds ein Reihenschwingkreis angeordnet ist, dass die Sekundärinduktivität, die Kapazität und gegebenenfalls der ohmsche Widerstand in Parallelschaltung angeordnet sind und dass die Signalverarbeitungseinheit an beide Ausgänge des Anpassungsglieds angeschlossen ist, insbesondere wobei die Reihenschwingkreise identisch dimensioniert sind.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt, dessen Länge ein Vielfaches der Ausdehnung der Datenübertragungseinrichtung beträgt, der Primärleiter geradlinig, vorzugsweise einfach oder doppelt als Hin- und Rückleiter, verlegt ist und/oder als kreisförmige Schleife verlegt ist.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem wenigstens einem Ausgang, insbesondere zwischen den Ausgängen, des Anpassungsglieds ein weiterer ohmscher Widerstand angeordnet ist, dessen Widerstandswert im Wesentlichen gleich, vorzugsweise genau gleich, dem Widerstandswert des ohmschen Widerstands des Anpassungsgliedes ist, welcher parallel zu der Kapazität des Anpassungsgliedes geschaltet ist.
Datenübertragungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärinduktivität und das Anpassungsglied in einen Übertragerkopf integriert sind.
Verwendung einer Datenübertragungseinrichtung, wobei die Datenübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist, bei einem System zur berührungslosen Energieübertragung, wobei auf den Primärleiter ein Leistungssignal mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz aufgeprägt wird und wobei der Datenfrequenzbereich wenigstens eine Dekade über der Frequenz des Leistungssignals liegt, insbesondere wobei die Frequenz des Leistungssignals zwischen 15 kHz und 150 kHz, vorzugsweise bei 25 kHz, liegt und/oder die Amplitude des Leistungssignals wenigstens 10 A, vorzugsweise 60 A beträgt.
Verwendung einer Datenübertragungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungseinrichtung durch einen elektrischen Antrieb entlang des Primäreiters verschiebbar ist, wobei der elektrische Antrieb induktiv an den Primärleiter gekoppelt ist und aus dem Leistungssignal gespeist wird.