DE102009012786B4

DE102009012786B4 - Method and device for transmitting electrical signals

Info

Publication number: DE102009012786B4
Application number: DE102009012786.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Tonner Friedemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2029-03-14
Also published as: DE102009012786A1

Abstract

Verfahren zur Übertragung von elektrischen Signalen unter Ausnutzung des Skineffekts über einen elektrisch leitenden Träger (14) zwischen einer die Signale einspeisenden Betreibereinrichtung (13) und zumindest einem die Signale abgreifenden Versorgungsmodul (19), wobei – durch die Betreibereinrichtung (13) über erste Kontakteinrichtungen (16, 18), die an den Träger (14) an unter Abstand liegenden ersten Orten (20, 21) angeordnet sind, eine Basis-HF-Wechselspannung angelegt wird, und – durch das Versorgungsmodul (19), das zumindest zweite Kontakteinrichtungen (22, 23) umfasst, an einer Oberfläche des Trägers (14) und mit Abstand zueinander und elektrisch zwischen den ersten Orten (20, 21) liegenden zweiten Orten (24, 25) eine Abgriffsspannung abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Energieversorgung von zumindest einem Verbraucher (12), der dem elektrisch leitenden Träger (14) zugeordnet ist, das Signal durch die Betreibereinrichtung (13) mit zumindest einem Treiber (15) eingespeist wird, – dass die Abgriffsspannung von dem zumindest einen Versorgungsmodul (19), welches zumindest eine Verbindungseinrichtung (28) zum Anschluss von zumindest einem Verbraucher (12) oder einen Verbraucher (12) umfasst, abgegriffen wird, – dass die Basis-HF-Wechselspannung eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, hat, und – dass die Basis-HF-Wechselspannung eine Spannung hat, die kleiner als die Schutzspannung für elektrisch nicht isolierte Träger (14) im Bereich von ≤ 24 V ist und – wobei die Frequenz der Basis-HF-Wechselspannung und die Spannung so gewählt wird, dass die Impedanz des Trägers (14) unter Ausnutzung des Skineffekts und/oder der Selbstinduktion in einen Bereich erhöht wird, um den Strom durch den Treiber (15) und den Träger (14) zu reduzieren und gleichzeitig die geeignete Leistung für den Betrieb des Verbrauchers (14) zu erzeugen.Method for transmitting electrical signals by utilizing the skin effect via an electrically conductive carrier (14) between an operating device (13) supplying the signals and at least one supply module (19) tapping the signals, wherein - by the operating device (13) via first contact devices ( 16, 18) arranged on the carrier (14) at spaced first locations (20, 21), a base RF AC voltage is applied, and - by the supply module (19), the at least second contact means (22 , 23), on a surface of the carrier (14) and at a distance from each other and electrically between the first locations (20, 21) lying second locations (24, 25) a tap voltage is tapped, characterized - that for the energy supply of at least a consumer (12), which is assigned to the electrically conductive carrier (14), the signal by the operating device (13) with at least one T. the tap voltage of the at least one supply module (19), which at least one connecting device (28) for connecting at least one consumer (12) or a consumer (12), is tapped, - that the Base RF AC voltage has a frequency in the range of 1 MHz to 10 MHz, and, - that the base RF AC voltage has a voltage which is smaller than the protection voltage for electrically non-insulated support (14) in the range of ≤ 24 V. and - wherein the frequency of the base RF AC voltage and the voltage is selected so that the impedance of the carrier (14) is increased by utilizing the skin effect and / or the self-induction in a range to the current through the driver (15 ) and the carrier (14) and at the same time to produce the appropriate power for the operation of the consumer (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Verbrauchern, die einem elektrisch leitenden Träger zuordenbar sind.The invention relates to a method and a device for supplying energy to consumers, which can be assigned to an electrically conductive carrier.

Neue Verfahren zur Übertragung von Energie und Information zu und von Sensoren oder Aktoren erfahren eine große Nachfrage. Anwendungsfelder sind beispielsweise Prozessautomatisierung und Überwachung in Industrie und Gebäudetechnik.New methods of transmitting energy and information to and from sensors or actuators are in high demand. Areas of application include process automation and monitoring in industry and building technology.

Verteilte Sensoren, die beispielsweise in Automatisierungsanlagen eingesetzt werden, sind bisher auf eine Versorgung durch Kabel, Batterien oder lokale Energiegeneratoren angewiesen. Diese Sensoren werden auf einem metallischen Träger befestigt oder in Gewindelöcher eingeschraubt (beispielsweise Näherungssensoren). Oft kommt es vor, dass Sensoren neu eingerichtet werden müssen und damit ihr Montageort gewechselt werden muss. Dabei sind die fest installierten Stromversorgungen nachteilig.Distributed sensors, which are used, for example, in automation systems, so far rely on a supply of cables, batteries or local energy generators. These sensors are mounted on a metallic carrier or screwed into threaded holes (eg, proximity sensors). It often happens that sensors have to be re-equipped and their installation site has to be changed. The permanently installed power supplies are disadvantageous.

Die Wandlung von Umgebungsenergie in elektrische Energie ist eine Energieversorgungs-Methode für Sensoren, um die Nachteile der fest installierten Stromversorgung zu vermeiden. Neben der Nutzung von Licht und mechanischen Änderungen setzen Thermowandler Temperaturgradienten in elektrische Spannungsgradienten um, Vibrationswandler nutzen akustische Schwingungen. Diese Verfahren sind jedoch nur in Nischen mit der entsprechenden vorhandenen Energieform einsetzbar. Entweder steht kein geeigneter Temperaturgradient, keine geeignete Lichteinstrahlung oder Vibration zur Verfügung oder die Nutzung ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht sinnvoll. Zudem kann keine Mindestleistung garantiert beziehungsweise nur in Einzelfällen abgeschätzt werden.The conversion of ambient energy into electrical energy is a power supply method for sensors to avoid the disadvantages of fixed power supply. In addition to the use of light and mechanical changes, thermal transducers convert temperature gradients into electrical voltage gradients, and vibration transducers use acoustic vibrations. However, these methods can only be used in niches with the corresponding existing energy form. Either there is no suitable temperature gradient, no suitable light irradiation or vibration available or the use is not useful from an economic point of view. In addition, no minimum performance can be guaranteed or estimated only in individual cases.

Daneben sind aktive Speisungen über Licht- (Infrarot, sichtbar) und Radiowellen bekannt, die jedoch eine sichtbare bzw. ungeschirmte Anbringung eines Sensors erfordern. Für den Echtzeit-Betrieb von Funksensorik oder Aktorik wird ein Leistungsbereich von ca. 10 mW benötigt. Dieser kann nur durch eine geführte Leitung von Licht (Lichtleiter) oder eine große Gesamtleistung (WISA-System von ABB) erreicht werden. Die Firma EnOcean vertreibt bereits solarzellenbetriebene Funksensormodule und durch den mechanischen Tastendruck energetisch versorgte Funktaster für die Gebäudeautomatisierung.In addition, active feeds via light (infrared, visible) and radio waves are known, but require a visible or unshielded mounting of a sensor. For the real-time operation of radio sensors or actuators, a power range of approx. 10 mW is required. This can only be achieved by using a guided cable of light (optical fiber) or a large total power (ABB's WISA system). The company EnOcean already sells solar cell operated radio sensor modules and the push buttons for building automation, which are energetically supplied by the mechanical key press.

Im Bereich der aktiven Versorgung von Sensoren sind induktive und strahlungsbasierte Energieübertragungseinrichtungen bekannt. Auch wird elektromagnetische Strahlung von einigen MHz bis GHz verwendet, um Tags oder Sensoren kontaktlos mit Energie zu versorgen. Ein bekanntes System nutzt magnetische Felder im mittleren Frequenzbereich von einigen Kilohertz bis wenigen Megahertz, um ganze Fertigungszellen mit drahtloser Energie zu versorgen (WISA). Die Akzeptanz von Freiraumenergieübertragungssystemen ist nicht nur rein technisch, sondern auch psychologisch problematisch: Insbesondere für eine große Gesamtleistung, bei der die Energiedichte im Raum hoch ist, bestehen ähnliche Bedenken, auch wenn die berufsgenossenschaftlichen Grenzwerte in jedem Fall eingehalten werden.In the field of active supply of sensors inductive and radiation-based energy transfer devices are known. Also, electromagnetic radiation of several MHz to GHz is used to provide tags or sensors without contact with energy. One known system uses magnetic fields in the mid-frequency range of a few kilohertz to a few megahertz to provide whole manufacturing cells with wireless power (WISA). Acceptance of free energy transmission systems is not only technically problematic but also psychologically problematic: Similar concerns exist especially for a large total output, where the energy density in the room is high, even if the occupational association limits are adhered to in any case.

Bisher fehlte eine breit einsetzbare, praktikable Lösung zum Betrieb von Verbrauchern, wie beispielsweise von Aktoren und von Sensoren, im Leistungsbereich von wenigen Milliwatt, die an einem metallischen Träger befestigt sind und einen Betrieb von Aktoren und Sensoren ermöglichen.So far, there has been a lack of a viable, practical solution for operating consumers, such as actuators and sensors, in the power range of a few milliwatts, which are attached to a metallic carrier and allow operation of actuators and sensors.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung von zumindest einem Verbraucher zu schaffen, der einem metallischen Träger zuordenbar und der Ort des Verbrauchers auf dem metallischen Träger in einfacher Weise veränderbar ist.The invention is therefore based on the object of providing a method and a device for supplying energy to at least one consumer, which can be assigned to a metallic carrier and the location of the consumer on the metallic carrier can be changed in a simple manner.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Durch dieses Verfahren wird somit ein Betrieb von Verbrauchern, insbesondere von Sensoren und Aktoren, an oder auf einem Träger durch die direkte elektrische Speisung des Trägers ermöglicht. Dieses Verfahren kann auch Skin-Effekt-Induktiv-Power-Verfahren genannt werden, bei dem die grundsätzlich nachteiligen Effekte des Skin-Effektes zusammen mit der Selbstinduktion als Vorteil für das Verfahren zur Energieversorgung des Verbrauchers genützt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Energieversorgung ermöglicht somit eine kabellose Energieversorgung an Orten, die bisher wirtschaftlich, organisatorisch oder technisch nur schwer erreichbar waren. Dadurch kann auch eine Flexibilität erzielt werden, sofern erforderlich wird, dass der oder die Verbraucher, insbesondere Aktoren und Sensoren, an anderen Orten benötigt werden. Statt auf lokale Energiegeneratoren, Batterien oder neu zu verlegende Kabel zurückzugreifen, können somit solche Verbraucher über den metallischen Träger selbst elektrisch versorgt werden. Da die in vielen Anwendungsszenarien vorhandene fest installierte Metallstruktur, an der ein Sensor/Aktor befestigt ist, zur Energieübertragung genutzt wird, kann der Vorteil der hohen Leistungsdichte einer aktiven Speisung erhalten bleiben bei gleichzeitiger Einsparung einer Verkabelung. Die eingangs beschriebene Energieversorgungslücke kann somit gefüllt und eine Mindestleistung für jeden Verbraucher garantiert werden.This method thus enables an operation of consumers, in particular of sensors and actuators, on or on a carrier by the direct electrical supply of the carrier. This method can also be called skin-effect-inductive-power method, in which the fundamentally adverse effects of the skin effect are used together with the self-induction as an advantage for the method of supplying energy to the consumer. The inventive method for power supply thus allows a wireless power supply in places that were previously difficult economically, organizationally or technically difficult to reach. As a result, flexibility can also be achieved if it is necessary for the consumer (s), in particular actuators and sensors, to be needed at other locations. Instead of relying on local energy generators, batteries or cables to be laid new, thus such consumers can be electrically powered by the metallic support itself. Because in many If existing fixed metal structures, where a sensor / actuator is attached, are used for energy transfer, the advantage of the high power density of an active power supply can be maintained while at the same time saving on cabling. The energy supply gap described above can thus be filled and guaranteed a minimum performance for each consumer.

Zur Erzeugung der Basis-HF-Wechselspannung mit der Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz stehen Hochfrequenz-Leistungs-MOSFETs mit kleinen Innenwiderständen zur Verfügung.High frequency power MOSFETs with small internal resistances are available for generating the base RF AC voltage with the frequency in the range of 1 MHz to 10 MHz.

Wenn die Basis-HF-Wechselspannung kleiner als die Schutzspannung für elektrisch nicht isolierte Träger im Bereich von ≤ 24 V ist, vorzugsweise im Bereich von 5 V bis 10 V gewählt wird, kann damit in vorteilhafter Weise in einen zulässigen Bereich gelegt werden.If the base RF AC voltage is smaller than the protection voltage for electrically non-insulated supports in the range of ≦ 24 V, preferably in the range of 5 V to 10 V, it can be advantageously placed within a permissible range.

Somit kann auch eine geringe Abstrahlung von Energie in den Freiraum gegeben sein. Die Energie wird in der Metalloberfläche geleitet. Die auftretenden Spannungen sind sehr gering. Beispielsweise fallen über einem Handteller max. 0,5 V ab, die vorgesehenen 5 V bis 10 V maximaler Spannungsdifferenz verteilen sich beispielsweise auf mehrere Meter. Die einzuhaltende Schutzspannung von 24 V wird daher nie erreicht. Es ist zudem praktisch unmöglich, das System kurzzuschließen, da der metallische Träger gewissermaßen schon einen Kurzschluss darstellt. In Bezug auf die Sicherheit und psychologische Unbedenklichkeit hat die Erfindung daher eindeutige Vorteile.Thus, a small radiation of energy in the free space can be given. The energy is conducted in the metal surface. The occurring voltages are very low. For example, fall above a palm max. 0.5 V from, the proposed 5 V to 10 V maximum voltage difference, for example, spread over several meters. The to be maintained protection voltage of 24 V is therefore never reached. It is also virtually impossible to short circuit the system since the metallic carrier is in a sense already short circuiting. In terms of safety and psychological safety, the invention therefore has clear advantages.

Des Weiteren kann durch dieses erfindungsgemäße Verfahren zumindest ein Verbraucher, insbesondere Sensoren und Aktoren, an rotierenden Maschinenteilen, die im metallischen Kontakt einen Stator besitzen, angeordnet werden.Furthermore, by means of this method according to the invention, at least one consumer, in particular sensors and actuators, can be arranged on rotating machine parts which have a stator in metallic contact.

Der Skineffekt oder auch die Stromverdrängung ist ein Effekt in von hochfrequenten Wechselstrom durchflossenen elektrischen Leitern, durch den die Stromdichte im inneren eines Leiters niedriger ist als an der Oberfläche, und dieser Skineffekt ist seit Langem bekannt. In der Hochfrequenztechnik stellt der Skineffekt ein Problem dar. Um die Auswirkung des Skineffekts so klein wie möglich zu halten, werden daher in der Hochfrequenztechnik Leitungen mit möglichst großer Oberfläche eingesetzt. Wenn großflächige Leiter zwischen Sender und Empfänger bei einer Hochfrequenzanwendung liegen, eignen sich daher der Skineffekt zur Übertragung von Daten zwischen Sender und Empfänger.The skin effect or displacement is an effect in electrical conductors through which high-frequency alternating current flows, as a result of which the current density inside a conductor is lower than at the surface, and this skin effect has long been known. In the high-frequency technique, the skin effect is a problem. In order to keep the effect of the skin effect as small as possible, therefore, cables with the largest possible surface area are used in high-frequency technology. If large-area conductors between the transmitter and receiver in a high-frequency application, therefore, the skin effect for transmitting data between the transmitter and receiver are suitable.

Ein Beispiel für die Datenübertragung auf der Grundlage des Skineffekts ist die US 5 437 058 A , bei der Daten über beispielsweise eine Schottwand, die eine entsprechend große Oberfläche hat, von einer Seite der Schottwand zur anderen Seite der Schottwand übertragen werden. Die zu übertragenden Daten werden über einen Einzelpunktstrom in eine Stahlplatte bei einer Schottwand injiziert und an der gegenüberliegenden Seite der Schottwand durch entsprechende Elektroden aufgenommen. Durch den Skineffektstrom wird ein elektrisches Feld induziert, welches sich um die Kante einer Öffnung in der Schottwand ausbreitet und ein Muster von Oberflächenströmen auf der gegenüberliegenden Seite der Schottwand erzeugt, wo er durch eine Kopplungsschleife abgetastet wird. Damit das über die Schottwand übertragene Datensignal am Empfänger angezeigt werden kann, muss es mindestens zweistufig verstärkt werden, was darauf beruht, dass ein modelliertes elektrisches Signal außerordentlich geringer Spannung durch das Magnetfeld erzeugt und von einer Empfangsschleife empfangen wird. Eine Energieübertragung zur Speisung eines Verbrauches, beispielsweise der Empfangsschaltung, ist auf diese Weise nicht möglich und auch nicht beabsichtigt.An example of the data transfer based on the skin effect is the US 5 437 058 A in which data about, for example, a bulkhead, which has a correspondingly large surface area, is transmitted from one side of the bulkhead to the other side of the bulkhead. The data to be transmitted are injected via a single-point current into a steel plate at a bulkhead and received on the opposite side of the bulkhead by corresponding electrodes. The skin effect current induces an electric field which propagates around the edge of an opening in the bulkhead and creates a pattern of surface currents on the opposite side of the bulkhead where it is scanned by a coupling loop. For the data signal transmitted over the bulkhead to be displayed at the receiver, it must be amplified at least in two stages, based on the fact that a modeled electrical signal of extremely low voltage is generated by the magnetic field and received by a receiving loop. An energy transfer to feed a consumption, such as the receiving circuit is not possible in this way and not intended.

Der Skineffekt wurde auch bereits zur Strukturüberwachung an schwingend beanspruchten, ferromagnetischen Werkstoffen durch Messen elektrischer Größen mittels Potentialsondenverfahren angewendet, wie beispielsweise in DE 4119001 A1 offenbart ist, um die Messgenauigkeit bei der Strukturüberwachung zu verbessern. Bei dieser Technik werden nur zwei Elektroden unter Abstand an dem Werkstück angesetzt. Aus den Charakteristiken der elektrischen Ströme zwischen den beiden Elektroden unter Ausnutzung des Skineffekts kann auf Strukturfehler an der Oberfläche des Werkstücks, beispielsweise Risse oder dergleichen geschlossen werden. Hier handelt es sich um eine reine Strukturmessung mit nur zwei angesetzten Elektroden, wobei eine Energieübertragung zu Versorgungszwecken nicht beabsichtigt ist.The skin effect has also been used for structure monitoring on vibrationally stressed, ferromagnetic materials by measuring electrical quantities by means of potential probe method, such as in DE 4119001 A1 is disclosed in order to improve the measurement accuracy in the structure monitoring. In this technique, only two electrodes are attached at a distance to the workpiece. From the characteristics of the electric currents between the two electrodes utilizing the skin effect, structural defects on the surface of the workpiece, such as cracks or the like, may be inferred. This is a pure structure measurement with only two attached electrodes, wherein an energy transfer for supply purposes is not intended.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die an dem Träger abgegriffene Abgriffsspannung direkt als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird oder dass die am Träger abgegriffene Abgriffsspannung nach einer Energieumwandlung als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird. In Abhängigkeit der erforderlichen Leistung für den Verbraucher kann somit gegebenenfalls eine sehr einfache Bereitstellung erfolgen, indem die Abgriffsspannung als Versorgungsspannung verwendet wird. In anderen Fällen kann eine Energieumwandlung erfolgen, um die entsprechende Leistung für den Verbraucher bereitzustellen.According to an advantageous embodiment of the method, it is provided that the tap voltage tapped on the carrier is provided directly as a supply voltage for the consumer or that the tap voltage tapped on the carrier is provided after a power conversion as a supply voltage for the consumer. Depending on the required power for the consumer can thus possibly be made a very simple provision by the tap voltage as Supply voltage is used. In other cases, energy conversion may be done to provide the appropriate power to the consumer.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Basis-HF-Wechselspannung an dem Träger für den Verbraucher resistiv, kapazitiv oder induktiv abgegriffen wird. Dadurch kann die Flexibilität in den möglichen Anbringungsorten des Verbrauchers erhöht und an die jeweiligen Ein- oder Anbausituationen angepasst werden.A further advantageous embodiment of the method provides that the base RF AC voltage is tapped on the carrier for the consumer resistive, capacitive or inductive. As a result, the flexibility in the possible mounting locations of the consumer can be increased and adapted to the respective installation or mounting situations.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Abgriffsspannung für die Energieumwandlung, insbesondere Spannungswandlung, in eine Versorgungsspannung für den Verbraucher im Bereich von 0,5 V bis 24 V, vorzugsweise im Bereich von 1 V bis 3,6 V, umgesetzt wird. Dieser Bereich deckt den vom Verbraucher, wie Sensoren, Aktoren und dergleichen, benötigten Bereich ab.A further advantageous embodiment of the method provides that the tap voltage for energy conversion, in particular voltage conversion, in a supply voltage for the consumer in the range of 0.5 V to 24 V, preferably in the range of 1 V to 3.6 V, is implemented , This area covers the area required by the consumer, such as sensors, actuators, and the like.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die abgegriffene Versorgungsspannung von dem Verbraucher moduliert und die Modulation in einer Detektoreinrichtung in einer Steuereinheit detektiert oder die Basis-HF-Wechselspannung von einer Steuereinheit moduliert und die Modulation in einer Detektoreinrichtung im Verbraucher detektiert.According to a further advantageous embodiment of the method, the tapped supply voltage is modulated by the consumer and detects the modulation in a detector device in a control unit or modulates the base RF AC voltage from a control unit and detects the modulation in a detector device in the consumer.

Die gewonnenen Messdaten bei Sensoren oder die Steuerdaten bei Aktoren können, wie bereits bekannt, per Funk übermittelt werden. Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Daten jedoch nicht über Funk, sondern durch eine Leistungsmodulation des Sensors, beispielsweise analog zu RF-ID im Funkbereich, bei der der Verbraucher seine elektrische Last variiert und die Versorgerstation dies detektiert, übertragen. Um beispielsweise digitale Daten von dem Sensor zu einer Detektorschaltung zu übertragen, wird der Widerstand des Sensors aktiv vom Sensor geändert. Die Detektorschaltung in der Versorgungseinheit detektiert dann diesen Lastwechsel. Bei der Übertragung von Steuerdaten an die Aktoren wird die HF-Wechselspannung moduliert und damit den Aktoren/Sensoren Steuerdaten übertragen, die in einer Detektorschaltung detektiert werden.The measured data obtained with sensors or the control data with actuators can, as already known, be transmitted by radio. In an advantageous embodiment of the invention, however, the data is not transmitted by radio, but by a power modulation of the sensor, for example analogous to RF-ID in the radio range, in which the consumer varies his electrical load and the utility station detects this, transmitted. For example, to transmit digital data from the sensor to a detector circuit, the resistance of the sensor is actively changed by the sensor. The detector circuit in the supply unit then detects this load change. When transmitting control data to the actuators, the HF alternating voltage is modulated and thus the actuators / sensors transmit control data which are detected in a detector circuit.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Impedanz des Treibers pulsartig geändert wird. Dabei kann eine Spannungsänderung auf dem Träger nach Art eines DC/DC-Wandlers erfolgen. Dieser Betrieb eignet sich für die Selbstinduktion und ermöglicht, dass durch die Änderung des Stromes durch den Träger eine hohe Spannung im Träger induziert wird, die unmittelbar durch ein Versorgungsmodul abgegriffen werden kann.According to a further advantageous embodiment of the method, it is provided that the impedance of the driver is changed in a pulse-like manner. In this case, a voltage change on the carrier in the manner of a DC / DC converter. This operation is suitable for self-induction and allows the change of the current through the carrier to induce a high voltage in the carrier, which can be tapped directly by a supply module.

Analog zum Vorstehenden wird die Aufgabe durch die Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.Analogously to the above, the object is achieved by the device according to claim 9.

Somit besteht die Vorrichtung aus einer ersten Einheit, welche den Treiber zur Bereitstellung einer Basis-HF-Wechselspannung sowie erste Kontakteinrichtungen umfasst, um die Basis-HF-Wechselspannung an dem Träger anzulegen. Des Weiteren ist eine zweite Einheit vorgesehen, welche zweite Kontakteinrichtungen und eine Verbindungseinrichtung umfasst, um daran den oder die Verbraucher wahlweise anzuschließen. Durch die zweite Kontakteinrichtung wird die bereitgestellte Basis-HF-Wechselspannung als Abgriffsspannung abgegriffen und kann für den Verbraucher bereitgestellt werden, um diesen zu betreiben.Thus, the device consists of a first unit which includes the driver for providing a base RF AC voltage and first contact means for applying the base RF AC voltage to the carrier. Furthermore, a second unit is provided, which comprises second contact devices and a connection device in order to optionally connect the consumer or consumers. By the second contact means, the provided base RF AC voltage is tapped as a tap voltage and can be provided to the consumer to operate it.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen beschrieben, wobei ebenfalls die oben genannten Vorteile erzielt werden können.Advantageous embodiments of the device according to the invention are described in the dependent subclaims, wherein likewise the above-mentioned advantages can be achieved.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die am Träger abgegriffene Abgriffsspannung direkt als Versorgungsspannung für den Verbrauch bereitgestellt wird oder, dass die Angriffsspannung nach einer Energieumwandlung durch zumindest einen Energiewandler als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird. Die Bereitstellung für den Verbrauch ist abhängig von der vom Verbraucher benötigten Leistung als auch der Impedanz des Trägers sowie die Leistung des Treibers.A further preferred embodiment of the invention provides that the tap voltage tapped on the carrier is provided directly as a supply voltage for the consumption or that the attack voltage is provided after energy conversion by at least one energy converter as the supply voltage for the consumer. The provision for consumption depends on the power required by the consumer as well as the impedance of the carrier and the performance of the driver.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht darauf, dass der Impedanzwandler ein Serien-Spulen-Kondensator-Schwingkreis, der resonant angesteuert ist, oder ein Hochfrequenztransformator mit hohem Übersetzungsverhältnis von vorzugsweise 1:100 ist.A further advantageous embodiment of the device according to the invention is based on the fact that the impedance converter is a series coil-capacitor resonant circuit, which is resonantly driven, or a high-frequency transformer with a high transmission ratio of preferably 1: 100.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen also eine kabellose Energieversorgung an Orten, die bisher wirtschaftlich, organisatorisch oder technisch nicht erreichbar waren. Typische Einsatzgebiete sind verteilte Sensorik und Aktorik (allg.: Verbraucher). Strom wird nicht lokal aus Umgebungsenergie gewonnen oder durch Leitungen zum Verbraucher geleitet, sondern durch einen metallischen oder hoch leitfähigen Träger bereitgestellt. An der Oberfläche des Trägers greift das Versorgungsmodul oder der Verbraucher die Energie ab. Da an der ganzen Oberfläche die Energieversorgung zur Verfügung steht, kann der Kontaktort und damit der Ort des Verbrauchers ohne Probleme gewechselt werden. Das Versorgungsmodul beziehungsweise der Verbraucher kann auf dem Träger aufliegen oder permanent befestigt sein – etwa durch Verschraubung.The method according to the invention and the device according to the invention therefore make it possible to provide a wireless power supply in places that were hitherto not economically, organizationally or technically attainable. Typical fields of application are distributed sensors and actuators (generally: consumers). Electricity is not gained locally from ambient energy or passed through lines to the consumer, but through a metallic or highly conductive support provided. On the surface of the carrier, the supply module or the consumer uses the energy. Since the entire surface of the power supply is available, the place of contact and thus the place of the consumer can be changed without problems. The supply module or the consumer can rest on the carrier or be permanently attached - such as by screwing.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Sensor oder ein Aktor, die auf einem metallisch leitenden Träger zu montieren sind, eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Verbrauchern beziehungsweise ein Versorgungsmodul umfasst.A further embodiment of the invention provides that a sensor or an actuator, which are to be mounted on a metallically conductive carrier, comprises a device for supplying energy to consumers or a supply module.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:The invention and further advantageous embodiments and developments thereof are described in more detail below with reference to the examples shown in the drawings and explained. The features to be taken from the description and the drawings can be applied individually according to the invention individually or in combination in any combination. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung eines Sensors als Verbraucher, der auf einem metallisch leitenden Träger vorgesehen ist, 1 An embodiment of an inventive device for powering a sensor as a consumer, which is provided on a metallically conductive support,

2 ein schematisches Schaltbild eines Treibers, 2 a schematic diagram of a driver,

3 ein schematisches Schaltbild eines komplexen Energiewandlers und 3 a schematic diagram of a complex energy converter and

4 ein Diagramm mit dem Verlauf der Versorgungsspannung für den Verbraucher bei der Spannungswandlung mit dem Energiewandler nach 3. 4 a diagram with the course of the supply voltage for the consumer in the voltage conversion with the energy converter after 3 ,

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zur Energieversorgung eines Verbrauchers 12, insbesondere eines Aktuators, Sensors oder dergleichen. Die Vorrichtung 11 umfasst zumindest eine Betreibereinrichtung 13 und zumindest ein Versorgungsmodul 19, wobei vorzugsweise eine Betreibereinrichtung 13 und eine Vielzahl von Versorgungsmodulen 19 vorgesehen sind. Bei Versorgungsmodulen 19 sind zu dessen Betrieb auf einem elektrisch leitende, insbesondere metallisch leitende Träger 14 vorgesehen. Die Betreibereinrichtung 11 weist einen Treiber 15, z. B. einen HF-Wechselstromgenerator auf, der über erste Kontakteinrichtungen 16, 18 mit dem Träger 14 verbunden ist. Die Kontakteinrichtungen 16, 18 umfassen zumindest elektrische Leitungen, die einerseits an dem Treiber 15 angeschlossen sind und an den gegenüberliegenden Enden bspw. elektrische Kontakte umfassen, durch welche eine Basis-HF-Wechselspannung des Treibers 15 angelegt wird. Bevorzugt sind resistive Kontaktstellen vorgesehen, die daran angelegt, angesteckt oder angeklebt werden können. Diese Kontakte werden an dem Träger 14 an unter Abstand liegenden ersten Orten 20, 21 aufgebracht, um die Basis-HF-Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 50 Hz bis 100 MHz, vorzugsweise im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, und einer Spannung kleiner gleich 24 V für elektrisch nicht isolierte Träger anzulegen. Zweite Kontakteinrichtungen 22, 23 des Versorgungsmoduls 19 werden mit einer Oberfläche des Trägers 14 an unter Abstand zueinander und elektrisch zwischen den ersten Orten 20, 21 liegenden zweiten Orten 24, 25 angeschlossen. Diese zweiten Kontakteinrichtungen 22, 23 können resistiv, kapazitiv oder induktiv eine Basis-HF-Wechselspannung an dem Träger 14 abgreifen. An den zweiten Kontakteinrichtungen 22, 23 ist bevorzugt ein Energiewandler 26 angeschlossen, der die abgegriffene Abgriffsspannung zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für den Verbraucher durch eine Energieumsetzung, insbesondere eine Impedanzumsetzung als auch Spannungs-Hochwandlung von Wechselspannung zur Gleichspannung unterwirft. Die zweite Kontakteinrichtung 22, 23 kann an zwei oder mehreren Angriffsstellen bzw. Orten die Basis-HF-Wechselspannung am Träger 14 abgreifen. Die vom Energiewandler 26 umgesetzte Abgriffsspannung wird über eine Verbindungseinrichtung 28, insbesondere Anschlussleitungen mit daran angeordneten Kontaktstellen dem Verbraucher 12 zugeführt bzw. an dem Verbraucher 12 angeschlossen. Der Energiewandler 26 und der Verbraucher 12 sind gegenüber dem Träger 14 beispielsweise durch eine Isolierschicht 30 isoliert oder getrennt. Die Isolierschicht kann Teil des Versorgungsmoduls 19 sein. 1 shows an embodiment of a device according to the invention 11 to supply energy to a consumer 12 , in particular an actuator, sensor or the like. The device 11 includes at least one operator device 13 and at least one supply module 19 , wherein preferably an operator device 13 and a variety of utility modules 19 are provided. For supply modules 19 are for its operation on an electrically conductive, in particular metallically conductive carrier 14 intended. The operator device 11 has a driver 15 , z. As an RF alternator, via first contact means 16 . 18 with the carrier 14 connected is. The contact devices 16 . 18 comprise at least electrical lines, on the one hand to the driver 15 are connected and at the opposite ends, for example, comprise electrical contacts through which a base RF AC voltage of the driver 15 is created. Preferably, resistive contact points are provided which can be applied, plugged or glued thereto. These contacts will be on the carrier 14 at spaced first places 20 . 21 applied to apply the base RF alternating voltage with a frequency in the range of 50 Hz to 100 MHz, preferably in the range of 1 MHz to 10 MHz, and a voltage equal to or less than 24 V for electrically non-insulated carrier. Second contact devices 22 . 23 of the supply module 19 be with a surface of the vehicle 14 at a distance from each other and electrically between the first locations 20 . 21 lying second places 24 . 25 connected. These second contact devices 22 . 23 may be resistive, capacitive or inductive, a base RF AC voltage to the carrier 14 tap. At the second contact devices 22 . 23 is preferably an energy converter 26 connected, which subjects the tapped tap voltage for providing a supply voltage for the consumer by an energy conversion, in particular an impedance conversion and voltage up-conversion of AC voltage to DC voltage. The second contact device 22 . 23 can at two or more points of attack or locations the base RF AC voltage on the carrier 14 tap. The energy converter 26 converted tap voltage is via a connection device 28 , In particular connecting lines with contact points arranged thereon the consumer 12 supplied or to the consumer 12 connected. The energy converter 26 and the consumer 12 are opposite the wearer 14 for example, by an insulating layer 30 isolated or isolated. The insulating layer can be part of the supply module 19 be.

Zur Kontaktierung des Verbrauchers 12 zum Träger 14 kann vorgesehen sein, dass der Verbraucher 12 lediglich auf dem Träger 14 aufliegt oder permanent befestigt wird, wie beispielsweise durch eine Verschraubung oder Klemmung, so dass dann die gesamte Oberfläche des Trägers 14 für die Energieversorgung zur Verfügung steht. Der Kontaktort des Verbrauchers 12 zum Träger 14 und damit der Ort des Verbrauchers 12 kann flexibel gewechselt werden.For contacting the consumer 12 to the carrier 14 can be provided that the consumer 12 only on the carrier 14 rests or permanently attached, such as by a screw or clamp, so that then the entire surface of the wearer 14 is available for the power supply. The contact point of the consumer 12 to the carrier 14 and thus the place of the consumer 12 can be changed flexibly.

Zur Erläuterung wird beispielsweise der Fall betrachtet, dass ein als Sensor vorgesehener Verbraucher 12 über den Träger 14 mit Gleichstrom versorgt werden soll. Wird an dem Träger 14 eine Spannung U(a1, a2) angelegt (an möglichst weit voneinander entfernten Stellen a1 und a2), so fließt über den Träger 14 ein Strom I(a1, a2) = U(a1, a2)/Z(a1, a2), wobei der Scheinwiderstand Z(a1, a2) den Betrag der komplexen Impedanz Z = R + i X, bestehend aus Realteil R und Imaginärteil X, des Trägers 14 darstellt. Prinzipiell ist es möglich, an verschiedenen Stellen b1 und b2 (zwischen den Stellen a1 und a2) des Träger 14 eine Spannung U(b1, b2) = Z(b1, b2)·I(a1, a2) abzugreifen, wobei Z(b1, b2) den effektiven Scheinwiderstand des Trägers 14 zwischen den Stellen b1 und b2 darstellt. By way of illustration, for example, the case is considered that provided as a sensor consumer 12 over the carrier 14 to be supplied with DC power. Is attached to the carrier 14 a voltage U (a1, a2) applied (at as far apart from each other points a1 and a2), so flows over the carrier 14 a stream I (a1, a2) = U (a1, a2) / Z (a1, a2), wherein the impedance Z (a1, a2) the amount of the complex impedance Z = R + i X, consisting of real part R and imaginary part X, of the carrier 14 represents. In principle, it is possible at different points b1 and b2 (between the points a1 and a2) of the carrier 14 a tension U (b1, b2) = Z (b1, b2) · I (a1, a2) where Z (b1, b2) is the effective impedance of the carrier 14 between positions b1 and b2.

Soll die abgegriffene Spannung direkt genutzt werden, treten praktisch folgende Probleme dabei auf:

1. Die Spannung U(b1, b2) soll in einem Bereich liegen, die für Sensoren verwendbar ist (1 V oder mehr).
2. U(a1, a2) muss daher viel größer als U(b1, b2) gewählt werden (dies ist abhängig vom Verhältnis (a2 – a1)/(b2 – b1)).
3. Der Strom I(a1, a2) ist wegen der anzulegenden großen Spannung U(a1, a2) und des sehr geringen Widerstands des Träger bei Gleichspannung (sehr dicker elektrischer Leiter) R(a1, a2) ebenfalls sehr groß.
4. Die nötige Leistung P(a1, a2) = U^2(a1, a2)/Z(a1, a2) ist daher ebenfalls sehr groß (R wird im Bereich unter 0,001 Ohm liegen. U(a1, a2) bei 10 V bis 100 V, die Leistung daher 100 kW bis 10 MW).

If the tapped voltage is to be used directly, the following practical problems occur:

1. The voltage U (b1, b2) should be in a range usable for sensors (1 V or more).
2. U (a1, a2) must therefore be chosen much larger than U (b1, b2) (this depends on the ratio (a2 - a1) / (b2 - b1)).
3. The current I (a1, a2) is also very large because of the large voltage to be applied U (a1, a2) and the very low resistance of the carrier at DC voltage (very thick electrical conductor) R (a1, a2).
4. The required power P (a1, a2) = U ^ 2 (a1, a2) / Z (a1, a2) is therefore also very large (R will be in the range below 0.001 ohms, U (a1, a2) at 10 V up to 100 V, the power therefore 100 kW to 10 MW).

Die Erfindung löst diese Problematik durch die Verwendung einer niedrigen Spannung U(a1, a2), hoher Frequenzen der Basis-HF-Wechselspannung und damit von größeren Impedanzen Z(a1, a2) unter Ausnutzung des Skin-Effekts und/oder der Selbstinduktion bei Wechselspannungen hoher Frequenzen und einer Impedanztransformationsschaltung, die die sehr kleinen Wechselspannungen U(b1, b2) bei niedrigen Impedanzen in nutzbare Spannungen bei höheren Impedanzen (ca. 2 V) transformiert.The invention solves this problem by the use of a low voltage U (a1, a2), high frequencies of the base RF AC voltage and thus of larger impedances Z (a1, a2) taking advantage of the skin effect and / or the self-induction at AC voltages high frequencies and an impedance transformation circuit, which transforms the very small alternating voltages U (b1, b2) at low impedances into usable voltages at higher impedances (about 2 V).

Da in die Leistung P(a1, a2) die Spannung quadratisch eingeht, werden die Spannungen im Bereich von ca. 1 V (bis ca. 5 V) benötigt, um die Gesamtleistung im Rahmen zu halten.Since the power enters the power P (a1, a2) square, the voltages in the range of about 1 V (to about 5 V) are needed to keep the overall performance in the frame.

Bei höheren Frequenzen durchfließt ein Wechselstrom effektiv nur noch die oberste Schicht des Leiters. Die Skintiefe entspricht der Dicke des Materials, das dem Widerstand bei Gleichstrom entsprechen würde. Die Skintiefe lässt sich wie folgt ausdrücken:

wobei: ω = Kreisfrequenz, σ = elektrische Leitfähigkeit des Materials, f = Frequenz, μ = Magnetische Permeabilität, μ₀ = Magnetische Permeabilitätskonstante des Vakuums, μ_r = relative magnetische Permeabilitätszahl des Materials.At higher frequencies, an alternating current effectively only flows through the top layer of the conductor. The skin depth corresponds to the thickness of the material that would correspond to the resistance at DC. The skin depth can be expressed as follows:

where: ω = angular frequency, σ = electrical conductivity of the material, f = frequency, μ = magnetic permeability, μ ₀ = magnetic permeability constant of the vacuum, μ _r = relative magnetic permeability of the material.

Typische Skintiefen sind bei Kupfer und 50 Hz etwa 8 mm, bei 1 MHz etwa 66 μm und bei 10 MHz etwa 21 μm. Bei magnetischen Materialien wie Stahl oder Eisen mit μ_r >> 1 ist die Skintiefe geringer als bei unmagnetischen Materialien wie Kupfer (μ_r ≈ 1). Daher sind magnetische Materialien wie Stahl oder Eisen für die Träger, an denen die Sensoren angebracht und elektrisch versorgt werden, in Bezug auf den resistiven Skin-Effekt besonders geeignet.Typical skin depths are about 8 mm for copper and 50 Hz, about 66 μm for 1 MHz and about 21 μm for 10 MHz. For magnetic materials such as steel or iron with μ _r >> 1, the skin depth is lower than for non-magnetic materials such as copper (μ _r ≈ 1). Therefore, magnetic materials such as steel or iron are particularly suitable for the wearers on which the sensors are mounted and electrically powered with respect to the resistive skin effect.

Der Realteil R der Impedanz ergibt sich für einen rechteckigen Leiter mit Höhe h, Breite w und der Länge l und einer Spannungsquelle, die über die volle Seite w angelegt wird, zu (nach M. K. Kazimierczuk, RF Power Amplifiers, John Wiley & Sons, Ltd, West Sussex, UK, 2008)

The real part R of the impedance results for a rectangular conductor with height h, width w and length l and a voltage source applied across the full side w (according to MK Kazimierczuk, RF Power Amplifiers, John Wiley & Sons, Ltd , West Sussex, UK, 2008)

Für eine Kupferplatte (l = 400 mm × b = 100 mm × h = 3 mm, μ_r = 1) ergibt sich R = 0,00104 Ohm.For a copper plate (l = 400 mm × b = 100 mm × h = 3 mm, μ _r = 1) R = 0.00104 ohms.

Der Imaginärteil der Impedanz X = X_L + X_C wird in typischen Geometrien von der Induktivität des Leiters dominiert: X_L = ω L. The imaginary part of the impedance X = X _L + X _C is dominated in typical geometries by the inductance of the conductor: X _L = ω L.

Kapazitive Anteile X_C = –1/(ω C) können auftreten, der Strom wird jedoch bei hohen Frequenzen w vom induktiven Anteil limitiert.Capacitive components X _C = -1 / (ω C) can occur, but the current is limited at high frequencies w of the inductive component.

Die Induktivität resultierend aus der Selbstinduktion eines länglichen rechteckigen Leiters ist bei Vernachlässigung des Skin-Effektes gegeben durch (siehe F. W. Grover, Inductance Calculations: Working Formulas and Tables, Dover Publications, New York, NY, 1962)

The inductance resulting from the self-induction of an elongated rectangular conductor is neglected by the skin effect (see FW Grover, Inductance Calculations: Working Formulas and Tables, Dover Publications, New York, NY, 1962).

Beispielsweise ist für eine Kupferplatte (l = 400 mm × w = 100 mm × h = 3 mm) als Träger L = 211 nH. Der Imaginärteil liegt für f = 1 MHz bei X_L = 1,33 Ohm. Für den Beispielfall mit großer Länge l im Vergleich zu Breite b und Höhe h ist Z = (0,00104 + i 1,33) Ohm, es überwiegt der induktive Anteil.For example, for a copper plate (l = 400 mm × w = 100 mm × h = 3 mm) as the carrier L = 211 nH. The imaginary part is at f = 1 MHz at X _L = 1.33 ohms. For the example case with a long length l compared to width b and height h, Z = (0.00104 + i 1.33) ohms, the inductive component predominates.

Bevorzugt ist, dass die Dimension des Trägers 14 wesentlich kleiner als die resultierende elektromagnetische Welle bei der vorgegebenen Frequenz ist. Dies kann bspw. durch die Wahl der Frequenz oder einer komplexen Anpassung des Treibers 15 oder sonstigen Komponenten erreicht werden. Typischerweise wird die Frequenz der Basis-HF-Wechselspannung verringert oder die Dimension des Trägers 15 wird begrenzt.It is preferred that the dimension of the carrier 14 is much smaller than the resulting electromagnetic wave at the given frequency. This can be, for example, by the choice of frequency or a complex adaptation of the driver 15 or other components. Typically, the frequency of the base RF AC voltage is reduced or the dimension of the carrier 15 is limited.

Sowohl der Skin-Effekt als auch die Selbstinduktion reduziert den Scheinwiderstand Z des Trägers deutlich. Der Widerstand R hängt zudem nicht mehr vom Gesamtvolumen des Trägers ab, durch den der Strom fließt, sondern nur noch von einer dünnen Oberflächenhaut des durchströmten Trägers. Diese skaliert linear mit dem Durchmesser und der Länge des Trägers. Neben der Reduktion der Wirkleistung durch R kann durch den induktiv dominierten Anteil X die Scheinleistung reduziert werden. Ist der Blindwiderstands-Anteil X groß gegenüber R, kann eine höhere Spannung durch den Verbraucher abgegriffen werden, ohne dass am Träger mehr Energie dissipiert wird. Es ist neben dem resistiven Skin-Effekt auch ein induktiver Skin-Effekt bekannt, der zu einer Verringerung der Induktivität L bei hohen Frequenzen führt.Both the skin effect and self-induction significantly reduces the impedance Z of the wearer. In addition, the resistance R no longer depends on the total volume of the carrier through which the current flows, but only on a thin surface skin of the carrier through which it flows. This scales linearly with the diameter and length of the beam. In addition to the reduction of the active power by R can be reduced by the inductively dominated component X, the apparent power. If the reactance component X is large compared to R, a higher voltage can be tapped by the consumer, without more energy being dissipated on the carrier. In addition to the resistive skin effect, an inductive skin effect is known, which leads to a reduction of the inductance L at high frequencies.

Bei radioferngespeisten und optisch gespeisten Systemen fällt die Intensität von Licht und allgemein Strahlung quadratisch mit dem Abstand ab, und da die Energie im ganzen Raum verfügbar ist, ist die Energiedichte daher gering. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Erfindung eine Leitung der Energie durch einen beliebig geformten Träger (Platte, Stab, Balken, etc.). Die Leistung wird nur an der Oberfläche des Trägers durch den Anteil R dissipiert. Beispielsweise bedingt eine verdoppelte Länge des Stabes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung etwa eine doppelte Schein- und Wirkleistung gegenüber einer vierfachen Leistung bei doppelter Entfernung für ein strahlungsgespeistes System.In radio-fed and optically powered systems, the intensity of light and generally radiation falls quadratically with distance, and since the energy is available throughout the space, the energy density is therefore low. In contrast, the invention makes it possible to conduct the energy through an arbitrarily shaped carrier (plate, bar, beams, etc.). The power is dissipated only at the surface of the carrier by the portion R. For example, a doubled length of the rod in the inventive device about a double apparent and active power compared to a fourfold performance at twice the distance for a radiation-fed system.

Bei der Auslegung des Verfahrens ist die Abstimmung der Leistung des Treibers 15 auf den zu treibenden Träger 14 wesentlich. Der Realteil R der Impedanz des Trägers 14 gibt zusammen mit der HF-Wechselspannung des Treibers 15 die maximale Wirkleistung vor. Die Scheinleistung wird durch Z bestimmt. Am Sensorort, also an demjenigen Ort, an welchem die zweiten Kontakteinrichtungen 22, 23 an dem Träger 14 angreifen, muss die abgegriffene Wechselspannung ebenfalls eine passende Impedanz haben. Es sind also drei Größen über die Frequenz und die Basis-HF-Wechselspannung einzustellen: Die Gesamtleistung des Treibers 15 bzw. des Trägers 14, deren Wirkleistungsanteil möglichst klein sein sollen, um effizient zu sein, die Leistung des Verbrauchers 12, wobei ein Minimalwert erforderlich ist, um den Verbraucher 12 zu betreiben und die Spannung am Abgriff am Träger 14, die nach unten beschränkt durch die Wandlungstechnologie ist.In the design of the method is the tuning of the performance of the driver 15 on the carrier to be driven 14 essential. The real part R of the impedance of the carrier 14 gives along with the driver's rf ac voltage 15 the maximum active power. The apparent power is determined by Z. At the sensor location, ie at the location where the second contact devices 22 . 23 on the carrier 14 attack, the tapped AC voltage must also have a matching impedance. So there are three sizes to adjust over the frequency and the base RF AC voltage: The overall performance of the driver 15 or the carrier 14 , whose effective power share should be as small as possible to be efficient, the performance of the consumer 12 , where a minimum value is required to the consumer 12 to operate and the voltage at the tap on the carrier 14 which is limited down by the conversion technology.

Es können darüber hinaus mehrere Verbraucher versorgt werden. Die Anzahl ist nur durch die verwendete Leistungsdichte bzw. benötigte Fläche pro Verbraucher begrenzt (bestimmt durch die Gesamtleistung und Gesamtoberfläche des Trägers). Die pro Verbraucher zur Verfügung stehende Leistung kann Werte erreichen, die bisher nur bei drahtgebundenen Systemen bekannt waren: Einige Milliwatt pro Quadratzentimeter scheinen realisierbar. Dadurch sind auch aktorische Anwendungen denkbar. Fern- oder umgebungsgespeiste Systeme bewegen sich eher im Mikrowattbereich.In addition, several consumers can be supplied. The number is limited only by the power density or area required per consumer (determined by the total power and total surface area of the carrier). The power available per consumer can reach levels previously known only in wired systems: a few milliwatts per square centimeter seem feasible. As a result, actuarial applications are conceivable. Remote or environmental systems tend to be in the microwatt range.

Zur Verifikation der Erfindung wurden Simulationen mit LTspice (Quelle: Linear.com) durchgeführt, um beispielsweise den Transistor-Treiber an einem rein resistiven Träger und die LC-Impedanzwandlerschaltung zu simulieren. Für Träger mit größeren Scheinwiderstandsanteilen und damit Impedanzen kann die Schaltung vorteilhaft angepasst werden. Der Treiber wird beispielsweise in diesem Fall ein RF-Leistungsverstärker sein, der geeignet ist, eine induktive Last zu treiben. Im Folgenden werden die Bezugszeichen für die Bauteile wie in 1 verwendet.For verification of the invention, simulations have been performed with LTspice (source: Linear.com) to simulate, for example, the transistor driver on a purely resistive carrier and the LC impedance converter circuit. For carriers with larger impedance components and thus impedances, the circuit be adapted advantageously. For example, in this case, the driver will be an RF power amplifier capable of driving an inductive load. Hereinafter, the reference numerals for the components as in 1 used.

Um an dem elektrisch leitenden Träger 14 eine Spannung abgreifen zu können, ist eine wirksame Erhöhung der Impedanz des Trägers 14 nötig, was durch die Basis-HF-Wechselspannung erreicht wird, die von dem Treiber 15 nach 2 an den Träger 14 angelegt wird.To the electrically conductive support 14 Being able to pick up a voltage is an effective increase in the impedance of the wearer 14 needed, which is achieved by the basic rf ac voltage supplied by the driver 15 to 2 to the carrier 14 is created.

In dem Treiber 15 ist gemäß 2 ein Funktionsgenerator 32 vorgesehen, der beispielsweise im Rechteckbetrieb als Rechteck-Frequenzgenerator verwendet wird, und der einen RF-MOSFET 34 treibt, der eine Gleichstromquelle 36 für eine Spannung von 1 V schaltet. Der Widerstand des Trägers 14 ist mit R2 bezeichnet und liegt zwischen Vcc und dem MOSFET 34. An den Widerstand R2 wird durch den Impedanzwandler 26 die Basis-HF-Wechselspannung abgegriffen.In the driver 15 is according to 2 a function generator 32 provided, which is used for example in rectangular operation as a rectangular frequency generator, and an RF MOSFET 34 that drives a DC source 36 switches for a voltage of 1V. The resistance of the carrier 14 is denoted by R2 and lies between Vcc and the MOSFET 34 , To the resistor R2 is through the impedance converter 26 tapped the base RF AC voltage.

Der Energiewandler 26, insbesondere Spannungswandler ist ein LC-Serien-Schaltkreis mit passivem Impedanzwandler, einem Gleichrichter und einem Siebkondensator und erzeugt aus der abgegriffenen Wechselspannung von etwa 50 mV bei sehr niedriger Impedanz << 0,1 Ohm eine Gleichspannung von ca. 2 V, wie aus 4 ersichtlich ist, bei einer Leistung im Milliwatt-Bereich. R1 modelliert hier den Verbraucher 12.The energy converter 26 , in particular voltage converter is an LC series circuit with passive impedance converter, a rectifier and a filter capacitor and generates from the tapped AC voltage of about 50 mV at very low impedance << 0.1 ohms a DC voltage of about 2 V, as shown 4 it can be seen with a performance in the milliwatt range. R1 models the consumer here 12 ,

Der Impedanzwandler 26 nach 3 umfasst eine Induktivität L1 und eine Kapazität C1, die in Reihe zwischen den zweiten Kontakteinrichtungen 22, 23 geschaltet sind. Eine Diode D1 (Standard-SMD-Siliziumdiode 1N4148) ist zwischen einem Schaltungspunkt zwischen der Induktivität L1 und der Kapazität C1 und einer Parallelschaltung aus einer weiteren Kapazität C2 einem weiteren Widerstand R1 angeschlossen und dient der Gleichrichtung. Ein Parallelkondensator bzw. die Kapazität C2 bildet ein Sieb- oder Glättungselement. Der Widerstand R1 ist der Verbraucher. Bei dieser Schaltung kann eine Leistung von ca. 0,8 mW dem Verbraucher 12 bzw. dem Sensor zur Verfügung gestellt werden.The impedance converter 26 to 3 comprises an inductor L1 and a capacitor C1 connected in series between the second contactors 22 . 23 are switched. A diode D1 (standard SMD silicon diode 1N4148) is connected between a node between the inductance L1 and the capacitor C1 and a parallel circuit of a further capacitor C2 to another resistor R1 and serves for rectification. A parallel capacitor or the capacitor C2 forms a sieving or smoothing element. The resistor R1 is the consumer. In this circuit, a power of about 0.8 mW the consumer 12 or the sensor are made available.

Die am Träger 14 abgegriffenen Spannungen bewegen sich typischerweise im Bereich von 10 mV bis 100 mV. Für eine Verwendung dieser Spannung müssen diese in höhere Spannungen gewandelt werden. Hierzu dient ein Serien-Spulen-Kondensator-Schwingkreis, der resonant angesteuert wird (Beispiel: L = 1 μH, C = 220 pF, f_res = 10,8 MHz). Eine optimale Wahl der Werte für L und C ergibt sich aus bekannten Optimierungsgleichungen für L-Impedanzwandler-Glieder. Alternativ kann dazu auch ein Hochfrequenztrafo mit hohem Übersetzungsverhältnis dienen (1:100). Da die Versorgungsspannungsquelle sehr niederohmig ist, wird ein sehr niederohmiger Wandler (R₁ ist << 1 Ohm) benötigt.The on the carrier 14 tapped voltages typically range from 10 mV to 100 mV. To use this voltage, they must be converted to higher voltages. For this purpose, a series coil-capacitor resonant circuit is used, which is driven in a resonant manner (example: L = 1 μH, C = 220 pF, f _res = 10.8 MHz). An optimal choice of the values for L and C results from known optimization equations for L-impedance converter elements. Alternatively, it can also serve a high-frequency transformer with high transmission ratio (1: 100). Since the supply voltage source is very low, a very low-impedance converter (R ₁ is << 1 ohm) is required.

Die nötigen Leistungen von 1 mW bis 10 mW pro Verbraucher 12, insbesondere Sensor (10 mW: Dauerbetrieb eines Sensors) können mit diesem Verfahren erreicht werden. Die Wirk- bzw. Scheinleistung des Gesamtsystems von 1 bis 100 W wird sich auf den gesamten Träger 14 verteilen und daher bis zu 1000 bis 10000 Verbraucher 12 versorgen können.The required power from 1 mW to 10 mW per consumer 12 , in particular sensor (10 mW: continuous operation of a sensor) can be achieved with this method. The effective or apparent power of the entire system from 1 to 100 W will affect the entire carrier 14 distribute and therefore up to 1,000 to 10,000 consumers 12 can provide.

4 zeigt beispielhaft den Verlauf der Versorgungsspannung für den Verbraucher 12 bei der Simulation der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 mit dem Energiewandler 26 nach 3. Ersichtlich steht die Nutzspannung von ca. 2 V wenige Mikrosekunden nach dem Einschalten der Vorrichtung 11 zur Verfügung und ist hinreichend konstant. 4 shows an example of the course of the supply voltage for the consumer 12 in the simulation of the device according to the invention 11 with the energy converter 26 to 3 , As can be seen, the useful voltage of about 2 V a few microseconds after switching on the device 11 available and is sufficiently constant.

In einem Experiment konnte nachgewiesen werden, dass an einem Mutternschlüssel aus Chrom-Vanadium-Edelstahl, and den die beschriebene Spannung angelegt wurde, über der Hälfte des Schlüssels genügend Leistung abgegriffen werden kann, um eine rote Leuchtdiode, die als Last fungierte, zum Leuchten zu bringen. Der Werkzeugschlüssel diente somit als ein Beispiel für einen Träger 14, an dem Verbraucher 12 befestigt werden können. Der Verbraucher 12 war beispielsweise durch Drähte 22, 23 und entsprechende Versorgungskontakte 20, 21 an dem Werkzeugschlüssel angeschlossen, so dass die Spannung an einem Teil des Schlüssels resistiv durch die LC-Schaltung abgegriffen wurde. Die an die LC-Schaltung angeschlossene LED leuchtete auf, sobald die LC-Schaltung Kontakt mit dem Werkzeugschlüssel bekam. Auch bei diesem Experiment wurde, wie oben beschrieben, die Niedrigimpedanz-Hochfrequenzquelle durch eine LC-Serienresonanzschaltung im pedanzgewandelt und durch einen Kondensator gesiebt. Somit konnte am Schraubenschlüssel genügend Leistung abgegriffen werden, um die LED als Verbraucher 12 zu betreiben.In one experiment, it could be demonstrated that enough power could be tapped over half of the wrench on a chrome vanadium stainless steel master wrench applied to the described voltage to light up a red light emitting diode acting as a load bring. The tool key thus served as an example of a carrier 14 to the consumer 12 can be attached. The consumer 12 was for example by wires 22 . 23 and corresponding supply contacts 20 . 21 connected to the tool key so that the voltage on a part of the key was resistively tapped by the LC circuit. The LED connected to the LC circuit lit up as soon as the LC circuit got in contact with the tool key. Also in this experiment, as described above, the low impedance high frequency source was pedally converted by a series LC resonant circuit and sieved by a capacitor. Thus, enough power could be tapped on the wrench to the LED as a consumer 12 to operate.

Die zahlreichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung können wie folgt zusammenfassend aufgezählt werden.

1. Es werden mehrere hundert Einzelversorgungen durch eine einzelne netzbetriebene Einheit ersetzt.
2. Der erzielbare Leistungsbereich liegt wesentlich höher als derjenige von Langzeit-Batterielösungen oder Energy-Harvesting-Verfahren. Selbst Aktoren könnten damit betrieben werden.
3. Der Verbraucherort ist nicht mehr vorab festgelegt. Der Träger ”ist” die Verkabelung.
4. Die Verbraucher können dauerhaft betrieben werden.
5. Es werden kleine Spannungen benötigt, es treten nur kleine Potentiale über dem Träger auf. ”Kurzschlüsse” am Träger sind praktisch ausgeschlossen, da der Träger stellt selbst diesen relativen Kurzschluss darstellt.
6. Die Frequenz des Systems kann so gewählt werden, dass möglichst wenig Funkabstrahlung erfolgt.
7. Technische Anwendungsgebiete sind: Automatisierungstechnik, Automotive Anwendungen, Strukturüberwachung, Gebäudeautomatisierung, Mikromanipulatoren, Versorgung von beweglichen Objekten, wie beispielsweise Mikroroboter, die sich beispielsweise auf einer Stahlplatte, die entsprechend versorgt wird, bewegen.
8. Da der Skin-Effekt an jeglicher Oberfläche auftritt, sind auch Verbraucher an inneren Oberflächen des Trägers möglich: Ein metallisch vollkommen abgeschirmter Sensor in einer Höhlung samt Kommunikation wird dadurch ermöglicht.
9. Soweit rotierende Maschinenteile (Rotor) metallischen Kontakt mit dem Stator besitzen, wie beispielsweise Lager jedweder Art, ist eine Energie/Daten-Übertragung auf den Rotor möglich.

The numerous advantages of the method and the device according to the invention can be summarized as follows.

1. Several hundred individual supplies are replaced by a single mains powered unit.
2. The achievable power range is much higher than that of long-term battery solutions or energy harvesting methods. Even actuators could be operated with it.
3. The place of consumption is no longer specified in advance. The carrier is the wiring.
4. Consumers can be operated permanently.
5. Small voltages are needed, there are only small potentials above the carrier. "Short circuits" on the carrier are virtually eliminated because the carrier itself represents this relative short circuit.
6. The frequency of the system can be chosen so that the least possible radio emission takes place.
7. Technical application areas are: automation technology, automotive applications, structural monitoring, building automation, micromanipulators, supply of moving objects, such as micro-robots, for example, move on a steel plate, which is supplied accordingly.
8. Since the skin effect occurs on any surface, consumers are also possible on the inner surfaces of the carrier: A fully metallic shielded sensor in a cavity including communication is thereby made possible.
9. As far as rotating machine parts (rotor) have metallic contact with the stator, such as bearings of any kind, an energy / data transmission to the rotor is possible.

Claims

Method for transmitting electrical signals using the skin effect via an electrically conductive carrier ( 14 ) between an operator device feeding the signals ( 13 ) and at least one supply module ( 19 ), whereby - by the operating device ( 13 ) via first contact devices ( 16 . 18 ) attached to the carrier ( 14 ) at spaced first locations ( 20 . 21 ), a base RF AC voltage is applied, and - by the supply module ( 19 ), the at least second contact devices ( 22 . 23 ), on a surface of the carrier ( 14 ) and at a distance from each other and electrically between the first locations ( 20 . 21 ) lying second places ( 24 . 25 ) a tapping voltage is tapped, characterized in that - for the energy supply of at least one consumer ( 12 ), which is the electrically conductive carrier ( 14 ), the signal is transmitted by the operator device ( 13 ) with at least one driver ( 15 ), that the tap voltage of the at least one supply module ( 19 ), which at least one connecting device ( 28 ) to connect at least one consumer ( 12 ) or a consumer ( 12 tapped, - that the base RF AC voltage has a frequency in the range of 1 MHz to 10 MHz, and - that the base RF AC voltage has a voltage which is lower than the protective voltage for electrically non-insulated carrier ( 14 ) is in the range of ≦ 24 V, and - wherein the frequency of the base RF AC voltage and the voltage is chosen such that the impedance of the carrier ( 14 ) is increased by taking advantage of the skin effect and / or the self-induction in a range to the current through the driver ( 15 ) and the carrier ( 14 ) and at the same time the appropriate performance for the operation of the consumer ( 14 ) to create.

Process according to Claim 1, characterized in that the 14 ) tapped tap voltage directly as the supply voltage for the consumer ( 12 ) or that the carrier ( 14 ) tapped tap voltage after energy conversion as the supply voltage for the consumer ( 12 ) provided.

A method according to claim 1, characterized in that the tap voltage by further contact means ( 22 . 23 ) of the supply module ( 19 ) is tapped resistively, capacitively or inductively.

Method according to Claim 1, characterized in that the base HF alternating voltage has a voltage which is lower than the protective voltage for non-insulated electrical supports ( 14 ) is in the range of 5V to 10V.

A method according to claim 2 and 3, characterized in that the tap voltage in the voltage conversion in a supply voltage in the range of 0.2 V to 24 V, preferably in the range of 1 V to 3.6 V, is implemented.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the tapped supply voltage from the consumer ( 14 ) and that the modulation is detected in a detector device in a control unit.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the base RF alternating voltage is modulated by a control unit, and that the modulation in a detector device in the consumer ( 14 ) is detected.

Method according to claim 1, characterized in that the impedance of the driver ( 15 ) is changed in a pulsed manner.

Device for transmitting electrical signals using the skin effect via an electrically conductive carrier ( 14 ) between an operator device feeding the signals ( 13 ) and a signal-taking supply module ( 19 ), wherein - the operator device ( 13 ) for applying a base HF AC voltage first contact means ( 16 . 18 ), which are attached to the carrier ( 14 ) spaced apart at first locations ( 20 . 21 ), and - the supply module ( 19 ) at least second contact devices ( 22 . 23 ) to a surface of the carrier ( 14 ) and at a distance from each other and electrically between the first locations ( 20 . 21 ) lying second places ( 24 . 25 ) tap off a tap voltage, characterized in that - for the energy supply of at least one consumer ( 12 ), which is the electrically conductive carrier ( 14 ), the signal applying operator device ( 13 ) with at least one driver ( 15 ), and - that the supply module tapping the signals ( 19 ), at least one connection device ( 28 ) to connect at least one consumer ( 12 ), and - that the operator equipment ( 13 ) is adapted to receive a base RF AC voltage having a frequency in a range of 1 MHz to 10 MHz and a voltage lower than the protection voltage for electrically non-isolated carriers ( 14 ) in the range of ≦ 24 V, - wherein the frequency of the base RF AC voltage and the voltage are chosen such that the impedance of the carrier ( 14 ) is increased by taking advantage of the skin effect and / or the self-induction in a range to the current through the driver ( 15 ) and the carrier ( 14 ), while ensuring the appropriate performance for the operation of the consumer ( 14 ) to create.

Device according to claim 9, characterized in that an energy converter ( 26 ), in particular an impedance converter, which is connected to the second contact devices ( 22 . 23 ) and the connection device ( 28 ) is contacted and adapted to the tapped tap voltage after an energy conversion as a supply voltage by a connecting device ( 28 ) for the consumer ( 12 ) or that the second contact devices ( 22 . 23 ) directly with the connection device ( 28 ) is contactable.

Apparatus according to claim 10, characterized in that the voltage for electrically non-insulated carrier ( 14 ) are in the range of 5V to 10V.

Device according to claim 10, characterized in that the energy converter ( 26 ) the tapped tap voltage is converted in the energy conversion into a supply voltage in the range of 0.5 V to 3.6 V, preferably in the range of 1 V to 2 V.

Device according to claim 10, characterized in that the energy converter ( 26 ) a series coil-capacitor resonant circuit, which is resonantly driven, or a high-frequency transformer with a high transmission ratio of preferably 1: 100, and preferably comprises a rectifier and filter capacitor.

Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the tapped supply voltage from the consumer ( 14 ) and that the modulation is detected in a detector device in a control unit.

Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the RF alternating voltage is modulated by a control unit, and that the modulation in a detector device, preferably in the consumer ( 14 ), is detected.

A sensor or actuator comprising a device according to any one of claims 9 to 15.