DE102016106425A1 - Transmission device for transmitting an AC voltage signal - Google Patents
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Abstract
Eine Übertragungseinrichtung (10) zum Übertragen eines Wechselspannungssignals (U12) umfasst eine entlang einer Erstreckungsebene (E) flächig erstreckte Leiterplatte (105), eine an der Leiterplatte (105) angeordnete, erste Elektrode (E1), die mit einem ersten Anschluss (A1) verbunden ist, und eine an der Leiterplatte (105) angeordnete, zweite Elektrode (E2), die mit einem zweiten Anschluss (A2) verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Anschluss (A1) und dem zweiten Anschluss (A2) ein primärseitiges Wechselspannungssignal (U12) anlegbar ist, und eine an der Leiterplatte (105) angeordnete, dritte Elektrode (E3), die mit einem dritten Anschluss (A3) verbunden ist, und einer an der Leiterplatte (105) angeordnete, vierte Elektrode (E4), die mit einem vierten Anschluss (A4) verbunden ist, wobei zwischen dem dritten Anschluss (A3) und dem vierten Anschluss (A4) ein sekundärseitiges Wechselspannungssignal (U34) empfangbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die erste Elektrode (E1) und die zweite Elektrode (E2), betrachtet entlang einer Höhenrichtung (H) senkrecht zur Erstreckungsebene (E), auf einer ersten Höhe (H1) und die dritte Elektrode (E3) und die vierte Elektrode (E4), betrachtet entlang der Höhenrichtung (H), auf einer zweiten Höhe (H2) angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Übertragungseinrichtung bereitgestellt, die eine galvanische Trennung bereitstellt und dabei eine hohe Isolationsspannung aufweisen und kostengünstig realisiert werden kann.A transmission device (10) for transmitting an alternating voltage signal (U12) comprises a printed circuit board (105) extending flat along an extension plane (E), a first electrode (E1) arranged on the printed circuit board (105) and connected to a first connection (A1). and a second electrode (E2) arranged on the printed circuit board (105), which is connected to a second terminal (A2), wherein a primary-side AC voltage signal (U12) is connected between the first terminal (A1) and the second terminal (A2) ), and a third electrode (E3) connected to the printed circuit board (105) and connected to a third terminal (A3) and a fourth electrode (E4) arranged on the printed circuit board (105) are provided with a third electrode (E3) fourth terminal (A4) is connected, wherein between the third terminal (A3) and the fourth terminal (A4), a secondary-side AC voltage signal (U34) is receivable. It is provided that the first electrode (E1) and the second electrode (E2), viewed along a height direction (H) perpendicular to the extension plane (E), at a first height (H1) and the third electrode (E3) and the fourth Electrode (E4), viewed along the height direction (H), at a second height (H2) are arranged. In this way, a transmission device is provided which provides a galvanic separation and thereby have a high insulation voltage and can be realized cost-effectively.
Description
Die Erfindung betrifft eine Übertragungseinrichtung zum Übertragen eines Wechselspannungssignals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a transmission device for transmitting an alternating voltage signal according to the preamble of
Eine derartige Übertragungseinrichtung umfasst eine entlang einer Erstreckungsebene flächig erstreckte Leiterplatte. An der Leiterplatte sind eine erste Elektrode, die mit einem ersten Anschluss verbunden ist, und eine zweite Elektrode, die mit einem zweiten Anschluss verbunden ist, angeordnet. Zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss kann ein primärseitiges Wechselspannungssignal angelegt werden. Zudem sind an der Leiterplatte eine dritte Elektrode, die mit einem dritten Anschluss verbunden ist, und eine vierte Elektrode, die mit einem vierten Anschluss verbunden ist, angeordnet. Zwischen dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss kann ein sekundärseitiges Wechselspannungssignal empfangen werden.Such a transmission device comprises a printed circuit board which extends over a plane of extent on an extent plane. On the circuit board, a first electrode, which is connected to a first terminal, and a second electrode, which is connected to a second terminal, arranged. Between the first terminal and the second terminal, a primary-side AC signal can be applied. In addition, a third electrode connected to a third terminal and a fourth electrode connected to a fourth terminal are arranged on the printed circuit board. Between the third terminal and the fourth terminal, a secondary-side AC signal can be received.
Die Übertragungseinrichtung dient dazu, ein primärseitiges Wechselspannungssignal, das über die ersten beiden Anschlüsse angelegt wird, in ein sekundärseitiges Wechselspannungssignal zu übertragen. Das sekundärseitige Wechselspannungssignal kann zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss abgegriffen werden, um weitergeleitet und beispielsweise in einer elektronischen Einrichtung verarbeitet zu werden.The transmission device serves to transmit a primary-side AC voltage signal, which is applied via the first two terminals, into a secondary-side AC voltage signal. The secondary-side AC voltage signal can be tapped between the third and the fourth terminal to be forwarded and processed, for example, in an electronic device.
Die Übertragungseinrichtung wirkt kapazitiv. Dazu sind die primärseitigen Elektroden und die sekundärseitigen Elektroden galvanisch voneinander getrennt; eine Signalübertragung erfolgt durch kapazitive Kopplung der ersten und zweiten Elektrode mit der dritten und vierten Elektrode.The transmission device acts capacitively. For this purpose, the primary-side electrodes and the secondary-side electrodes are galvanically separated from each other; Signal transmission occurs by capacitive coupling of the first and second electrodes to the third and fourth electrodes.
Eine solche Übertragungseinrichtung kann beispielsweise Bestandteil eines sogenannten Trennverstärkers sein, der dazu dient, beispielsweise im Rahmen einer Industrieanlage eine erste elektrische Einrichtung mit einer zweiten elektrischen Einrichtung zu verbinden, um Signale von der ersten elektrischen Einrichtung hin zu der zweiten elektrischen Einrichtung zu übertragen. Bei der ersten elektrischen Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine Sensoreinrichtung handeln, beispielsweise einen Temperatursensor, einen Drucksensor oder einen Drehzahlsensor, der Sensorsignale erzeugt und damit einen Zustand einer elektrischen Anlage, eine Umgebungsbedingung oder dergleichen anzeigt. Bei der zweiten elektrischen Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine Steuereinrichtung handeln, die die Sensorsignale aufnimmt und verarbeitet, um beispielsweise abhängig von den Sensorsignalen Steuersignale zu generieren, mit dem Zweck, eine oder mehrere elektrische Anlagen zu steuern oder zu regeln.Such a transmission device may for example be part of a so-called isolation amplifier, which serves, for example, in the context of an industrial plant to connect a first electrical device with a second electrical device to transmit signals from the first electrical device to the second electrical device. The first electrical device can be, for example, a sensor device, for example a temperature sensor, a pressure sensor or a rotational speed sensor which generates sensor signals and thus indicates a state of an electrical system, an ambient condition or the like. By way of example, the second electrical device may be a control device which receives and processes the sensor signals, for example in order to generate control signals as a function of the sensor signals, with the purpose of controlling or regulating one or more electrical systems.
Mit einem Trennverstärker werden Signale konditioniert, beispielsweise gefiltert, und verstärkt. Zudem stellt ein Trennverstärker eine galvanische Trennung zwischen einer sendenden, ersten elektrischen Einrichtung und einer empfangenden, zweiten elektrischen Einrichtung bereit, die erforderlich ist, um eine Erdschleife aufzutrennen. Weil die erste elektrische Einrichtung und die zweite elektrische Einrichtung unter Umständen auf unterschiedlichen Erdpotenzialen liegen können, könnte ohne galvanische Trennung es aufgrund der Potenzialdifferenz zu einem Stromfluss auf einer Signalleitung zwischen der ersten elektrischen Einrichtung und der zweiten elektrischen Einrichtung kommen, der das eigentliche zu übertragende Signal stören könnte. Durch die galvanische Trennung wird ein solcher Stromfluss unterbunden.With an isolation amplifier signals are conditioned, for example, filtered, and amplified. In addition, an isolation amplifier provides galvanic isolation between a transmitting first electrical device and a receiving second electrical device required to separate a ground loop. Because the first electrical device and the second electrical device may possibly be at different ground potentials, a galvanic separation could lead to a current flow on a signal line between the first electrical device and the second electrical device due to the potential difference, which is the actual signal to be transmitted could disturb. The galvanic separation prevents such a flow of current.
Bei einer aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Übertragungseinrichtung bereitzustellen, die eine galvanische Trennung bereitstellt, dabei eine hohe Isolationsspannung aufweisen und kostengünstig realisiert werden kann.Object of the present invention is to provide a transmission device that provides a galvanic isolation, while having a high isolation voltage and can be realized inexpensively.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an article having the features of
Demnach ist vorgesehen, dass
- – die erste Elektrode und die zweite Elektrode, betrachtet entlang einer Höhenrichtung senkrecht zur Erstreckungsebene, auf einer ersten Höhe und
- – die dritte Elektrode und die vierte Elektrode, betrachtet entlang der Höhenrichtung, auf einer zweiten Höhe
- The first electrode and the second electrode, viewed along a height direction perpendicular to the plane of extension, at a first height and
- The third electrode and the fourth electrode, viewed along the height direction, at a second height
Die Übertragungseinrichtung wirkt kapazitiv. So wird das primärseitige, zu übertragende Wechselspannungssignal zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss und damit an die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt. Durch kapazitive Kopplung wird an der dritten Elektrode und der vierten Elektrode ein sekundärseitiges Wechselspannungssignal erzeugt, das zwischen dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss abgegriffen und auf diese Weise empfangen werden kann. Weil die Übertragungseinrichtung rein kapazitiv wirkt, ist die Primärseite (mit dem primärseitigen ersten und zweiten Anschluss) galvanisch von der Sekundärseite (mit dem sekundärseitigen dritten und vierten Anschluss) getrennt. Eine Gleichspannung (die beispielsweise durch eine Potenzialdifferenz zwischen der Primärseite und der Sekundärseite bewirkt werden kann) wird somit über die Übertragungseinrichtung nicht übertragen. Über die Übertragungseinrichtung werden ausschließlich Wechselspannungssignale übertragen.The transmission device acts capacitively. Thus, the primary-side, to be transmitted alternating voltage signal between the first terminal and the second terminal and thus applied to the first electrode and the second electrode. By capacitive coupling, a secondary-side AC voltage signal is generated at the third electrode and the fourth electrode, which can be tapped between the third terminal and the fourth terminal and received in this way. Because the transmission device acts purely capacitively, the primary side (with the primary-side first and second connection) is galvanically isolated from the secondary side (with the secondary side third and fourth connection). A DC voltage (which can be effected for example by a potential difference between the primary side and the secondary side) is thus not transmitted via the transmission device. About the transmission device only AC signals are transmitted.
Dadurch, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf einer ersten Höhe und die dritte Elektrode und die vierte Elektrode auf einer anderen, zweiten Höhe angeordnet sind, können die primärseitigen Elektroden und die sekundärseitigen Elektroden sich paarweise gegenüberliegen. So kann die dritte Elektrode beispielsweise der ersten Elektrode zugeordnet und der ersten Elektrode, betrachtet entlang der Höhenrichtung, gegenüberliegen. Demgegenüber kann die vierte Elektrode der zweiten Elektrode zugeordnet und der zweiten Elektrode, betrachtet entlang der Höhenrichtung, gegenüberliegen. Die erste Elektrode und die dritte Elektrode sowie die zweite Elektrode und die vierte Elektrode sind somit kapazitiv miteinander gekoppelt, sodass ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anliegendes, primärseitiges Wechselspannungssignal in ein zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode anliegendes, sekundärseitiges Wechselspannungssignal übertragen wird.By arranging the first electrode and the second electrode at a first height and the third electrode and the fourth electrode at a different, second height, the primary-side electrodes and the secondary-side electrodes may face each other in pairs. For example, the third electrode may be associated with the first electrode and opposed to the first electrode when viewed along the height direction. On the other hand, the fourth electrode may be assigned to the second electrode and opposed to the second electrode as viewed along the height direction. The first electrode and the third electrode as well as the second electrode and the fourth electrode are thus capacitively coupled to each other so that a primary-side alternating voltage signal applied between the first electrode and the second electrode is transmitted to a secondary-side alternating voltage signal applied between the third electrode and the fourth electrode becomes.
Die erste Elektrode ist vorzugsweise entlang einer Querrichtung quer zur Höhenrichtung zur zweiten Elektrode um einen Abstand beabstandet. Um den gleichen Abstand ist vorzugsweise die dritte Elektrode zur vierten Elektrode entlang der Querrichtung beabstandet. Die dritte Elektrode liegt hierbei vorzugsweise der ersten Elektrode und die vierte Elektrode der zweiten Elektrode gegenüber.The first electrode is preferably spaced along a transverse direction transverse to the height direction to the second electrode by a distance. At the same distance, preferably, the third electrode is spaced from the fourth electrode along the transverse direction. In this case, the third electrode preferably lies opposite the first electrode and the fourth electrode faces the second electrode.
Die Elektroden der Übertragungseinrichtung sind an der Leiterplatte angeordnet. Die Elektroden sind hierbei vorzugsweise quadratische oder rechteckige Flächenelemente aus einem metallenen Werkstoff, zum Beispiel Kupfer, hergestellt. Die die Elektroden verwirklichenden Flächenelemente erstrecken sich hierbei in Ebenen parallel zur Erstreckungsebene der Leiterplatte.The electrodes of the transmission device are arranged on the printed circuit board. The electrodes are in this case preferably square or rectangular surface elements made of a metal material, for example copper. The surface elements realizing the electrodes in this case extend in planes parallel to the plane of extent of the printed circuit board.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Elektroden in der Leiterplatte eingebettet. Die Leiterplatte ist beispielsweise mehrschichtig aus dielektrischen, elektrisch isolierenden Schichten des gleichen Materials oder unterschiedlicher Materialien ausgebildet.In an advantageous embodiment, the electrodes are embedded in the printed circuit board. The printed circuit board is formed, for example, in multiple layers from dielectric, electrically insulating layers of the same material or different materials.
In einer konkreten Ausgestaltung sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode beispielsweise zwischen einer ersten dielektrischen Schicht und einer zweiten dielektrischen Schicht der Leiterplatte angeordnet. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode befinden sich somit in einer Zwischenlage zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht der Leiterplatte. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode liegen demgegenüber zwischen der zweiten dielektrischen Schicht und einer dritten dielektrischen Schicht der Leiterplatte, befinden sich also in Zwischenlage zwischen der zweiten dielektrischen Schicht und der dritten dielektrischen Schicht. Die zweite dielektrische Schicht bildet auf diese Weise eine Schicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einerseits und der dritten Elektrode und der vierten Elektrode andererseits. Mittels der ersten dielektrischen Schicht sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode demgegenüber nach außen hin verdeckt, während mittels der dritten dielektrischen Schicht die dritte Elektrode und die vierte Elektrode nach außen hin überdeckt sind.In a specific embodiment, the first electrode and the second electrode are arranged, for example, between a first dielectric layer and a second dielectric layer of the printed circuit board. The first electrode and the second electrode are thus in an intermediate position between the first dielectric layer and the second dielectric layer of the printed circuit board. The third electrode and the fourth electrode, in contrast, lie between the second dielectric layer and a third dielectric layer of the printed circuit board, that is, they are in an intermediate position between the second dielectric layer and the third dielectric layer. The second dielectric layer thus forms a layer between the first electrode and the second electrode on the one hand and the third electrode and the fourth electrode on the other hand. By contrast, the first electrode and the second electrode are concealed toward the outside by means of the first dielectric layer, while the third electrode and the fourth electrode are covered to the outside by means of the third dielectric layer.
Grundsätzlich können auch mehr als vier Elektroden vorhanden sein. Beispielsweise können, in einer Weiterbildung, eine mit dem ersten Anschluss verbundene, fünfte Elektrode und eine mit dem zweiten Anschluss verbundene, sechste Elektrode zusätzlich vorgesehen sein, die gemeinsam auf einer (von der ersten Höhe und der zweiten Höhe unterschiedlichen) dritten Höhe angeordnet sind. Auf diese Weise wird beispielsweise eine Anordnung geschaffen, bei der, betrachtet entlang der Höhenrichtung, die dritte Elektrode zwischen der ersten Elektrode und der fünften Elektrode und die vierte Elektrode zwischen der zweiten Elektrode und der sechsten Elektrode angeordnet ist. Dadurch, dass die erste Elektrode und die fünfte Elektrode mit dem ersten Anschluss verbunden sind, liegt an diesen Elektroden das (primärseitige) Potenzial des ersten Anschlusses an. Dadurch, dass die zweite Elektrode und die sechste Elektrode zudem mit dem zweiten Anschluss verbunden sind, liegt an diesen Elektroden das (primärseitige) Potenzial des zweiten Anschlusses an. Durch Anlegen des primärseitigen Wechselspannungssignals zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss wird, aufgrund der kapazitiven Kopplung der ersten und fünften Elektrode mit der dritten Elektrode und der zweiten und sechsten Elektrode mit der vierten Elektroden, dieses primärseitige Wechselspannungssignal in ein sekundärseitiges Wechselspannungssignal zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode übertragen, das zwischen dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss abgegriffen werden kann.In principle, more than four electrodes may be present. For example, in a development, a fifth electrode connected to the first connection and a sixth electrode connected to the second connection may additionally be provided, which are arranged together on a third height (different from the first height and the second height). In this way, for example, an arrangement is provided in which, as viewed along the height direction, the third electrode is disposed between the first electrode and the fifth electrode and the fourth electrode is disposed between the second electrode and the sixth electrode. Because the first electrode and the fifth electrode are connected to the first terminal, the (primary-side) potential of the first terminal is applied to these electrodes. Due to the fact that the second electrode and the sixth electrode are also connected to the second terminal, the (primary-side) potential of the second terminal is applied to these electrodes. By applying the primary-side AC voltage signal between the first terminal and the second terminal, due to the capacitive coupling of the first and fifth electrodes to the third electrode and the second and sixth electrodes to the fourth electrode, this primary-side AC voltage signal becomes a secondary-side AC voltage signal between the third electrode and the fourth electrode, which can be tapped between the third terminal and the fourth terminal.
Durch Vorsehen einer Schirmfläche an einer Seite der Leiterplatte oder zweier Schirmflächen an beiden Seiten der Leiterplatte können die Elektrode nach außen hin elektrisch geschirmt sein, um auf diese Weise die Übertragungseinrichtung weniger empfindlich gegen Störungen zu machen und zudem das Abstrahlen elektrischer Signale zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu verringern. Zur Bereitstellung der Schirmfläche kann die Leiterplatte an einer Außenseite beispielsweise in einem Bereich, in dem die Elektroden in die Leiterplatte eingebettet sind, metallisiert sein (beispielsweise mit einem Kupferwerkstoff), sodass die Leiterplatte zumindest abschnittsweise mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff überdeckt ist. Die Schirmflächen überdecken hierbei die Außenseiten der Leiterplatte, während die Elektroden im Inneren der Leiterplatte eingebettet sind.By providing a shielding surface on one side of the printed circuit board or two shielding surfaces on both sides of the printed circuit board, the electrode may be electrically shielded outwardly so as to make the transmission device less susceptible to interference and also to radiate electrical signals Improve electromagnetic compatibility (EMC). To provide the shielding surface, the printed circuit board can be metallized on an outer side, for example in a region in which the electrodes are embedded in the printed circuit board (for example with a copper material), so that the printed circuit board is at least partially covered with an electrically conductive material. The screen surfaces cover the outer sides of the printed circuit board, while the electrodes are embedded in the interior of the printed circuit board.
Die Übertragungseinrichtung kann, in einer Ausgestaltung, auch eine filternde Funktion aufweisen. So kann beispielsweise an einen primärseitigen Anschluss oder an beide primärseitigen Anschlüsse (seriell) ein Widerstandselement angeschlossen sein. Auf diese Weise erhält die Übertragungseinrichtung Übertragungseigenschaften eines Tiefpasses. Zusätzlich oder alternativ kann mit einem sekundärseitigen Anschluss oder mit beiden sekundärseitigen Anschlüssen ein Widerstandselement (parallel) verbunden sein, sodass die Übertragungseinrichtung (zusätzlich oder alternativ) Übertragungseigenschaften eines Hochpasses erhält. Ist sowohl primärseitig ein Widerstandselement als auch sekundärseitig ein Widerstandselement vorgesehen, weist die Übertragungseinrichtung die Charakteristik eines Bandpasses auf, der Signale in einem definierten Frequenzband durchlässt, andere Signale aber herausfiltert.The transmission device can, in one embodiment, also have a filtering function. For example, a resistance element can be connected to a primary-side connection or to both primary-side connections (serially). In this way, the transmission device receives transmission characteristics of a low-pass filter. Additionally or alternatively, a resistance element (parallel) can be connected to a secondary-side connection or to both secondary-side connections, so that the transmission device receives (additionally or alternatively) transmission properties of a high-pass filter. If both a resistance element on the primary side and a resistance element on the secondary side, the transmission device has the characteristic of a bandpass filter which passes signals in a defined frequency band but filters out other signals.
Die Übertragungseinrichtung kann, in einer vorteilhaften Ausgestaltung, beispielsweise Bestandteil eines Trennverstärkers sein. Mittels eines solchen Trennverstärkers können Wechselspannungssignale zwischen einer ersten elektrischen Einrichtung, beispielsweise einer Sensoreinrichtung im Rahmen einer Industrieanlage, an eine zweite elektrische Einrichtung, beispielsweise eine Steuereinrichtung, übertragen werden, wobei mittels des Trennverstärkers eine galvanische Trennung zwischen der ersten elektrischen Einrichtung und der zweiten elektrischen Einrichtung bereitgestellt wird.The transmission device can, for example, be part of an isolation amplifier in an advantageous embodiment. By means of such an isolation amplifier AC signals between a first electrical device, such as a sensor device in the context of an industrial plant, to a second electrical device, such as a control device, transmitted, wherein by means of the isolation amplifier, a galvanic isolation between the first electrical device and the second electrical device provided.
Ein solcher Trennverstärker kann beispielsweise – primärseitig – einen mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbundenen Sender zum Anlegen des primärseitigen Wechselspannungssignals und – sekundärseitig – einen mit dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss verbundenen Empfänger zum Verarbeiten des sekundärseitigen Wechselspannungssignals aufweisen. Der Sender kann hierbei beispielsweise eine geeignete Modulation, beispielsweise eine Frequenzmodulation, eine sogenannte Delta-Sigma-Modulation oder eine Amplitudenmodulation, des in die Übertragungseinrichtung einzuspeisenden Signals durchführen. Der Empfänger kann beispielsweise eine Komparator-Schaltung oder eine FlipFlop-Schaltung aufweisen, mittels derer eine Auswertung des empfangenen, sekundärseitigen Wechselspannungssignals erfolgt. Zudem kann der Empfänger eine geeignete Verstärkungseinrichtung zum Verstärken des Signals aufweisen.Such an isolating amplifier can have, for example-on the primary side-a transmitter connected to the first connection and the second connection for applying the primary-side alternating voltage signal, and-on the secondary side-a receiver connected to the third connection and the fourth connection for processing the secondary-side AC voltage signal. The transmitter can in this case, for example, carry out a suitable modulation, for example a frequency modulation, a so-called delta-sigma modulation or an amplitude modulation, of the signal to be fed into the transmission device. By way of example, the receiver can have a comparator circuit or a flip-flop circuit, by means of which an evaluation of the received, secondary-side AC voltage signal takes place. In addition, the receiver may have suitable amplifying means for amplifying the signal.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:The idea underlying the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures. Show it:
Die Sensoreinrichtung
Um einen Stromfluss IGL aufgrund der Potenzialdifferenz UGL zwischen der Sensoreinrichtung
Der Trennverstärker
Eine schematische Ansicht einer Komponente
Unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Übertragungseinrichtung
Die Übertragungseinrichtung
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Während die Elektroden E1–E4 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt sind, sind die Schichten
Die zweite Schicht
Die erste Elektrode E1 ist mit einem ersten Anschluss A1 und die zweite Elektrode E2 mit einem zweiten Anschluss A2 verbunden. Die erste Elektrode E1 und die zweite Elektrode E2 bilden die Primärseite der Übertragungseinrichtung
Die dritte Elektrode E3 ist mit einem dritten Anschluss A3 und die vierte Elektrode E4 mit einem vierten Anschluss A4 verbunden. Die dritte Elektrode E3 und die vierte Elektrode E4 bilden zusammen die Sekundärseite der Übertragungseinrichtung
Die erste Elektrode E1 liegt demzufolge auf dem Potenzial ϕ1 des ersten Anschlusses A1, während die zweite Elektrode E2 auf dem Potenzial ϕ2 des zweiten Anschlusses A2, die dritte Elektrode E3 auf dem Potenzial ϕ3 des dritten Anschlusses A3 und die vierte Elektrode E4 auf dem Potenzial ϕ4 des vierten Anschlusses A4 liegt.The first electrode E1 is therefore at the potential φ1 of the first terminal A1, while the second electrode E2 is at the potential φ2 of the second terminal A2, the third electrode E3 is at the potential φ3 of the third terminal A3, and the fourth electrode E4 is at the potential φ4 of the fourth terminal A4.
Die Übertragungseinrichtung
Die Elektroden E1–E4 sind jeweils als Flächenelemente ausgebildet, weisen beispielsweise eine quadratische oder rechteckige Flächenform auf und sind parallel zur Erstreckungsebene E innerhalb der Leiterplatte
Dadurch, dass die dritte Elektrode E3 der ersten Elektrode E1 und die vierte Elektrode E4 der zweiten Elektrode E2 deckungsgleich gegenüberliegt (die Elektroden E1, E2 bzw. E3, E4 sind paarweise – betrachtet entlang der Höhenrichtung H – in exakter, überdeckender Gegenüberlage), koppelt die dritte Elektrode E3 kapazitiv mit der ersten Elektrode E1 und die vierte Elektrode E4 kapazitiv mit der zweiten Elektrode E2. Ein zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 anliegendes Wechselspannungssignal U12 wird somit durch die zwischen den Elektroden E1–E4 bewirkten elektrischen Felder in die dritte und vierte Elektrode E3, E4 eingekoppelt und kann als sekundärseitiges Wechselspannungssignal U34 zwischen dem dritten Anschluss A3 und dem vierten Anschluss A4 abgegriffen werden.Characterized in that the third electrode E3 of the first electrode E1 and the fourth electrode E4 of the second electrode E2 congruent opposite (the electrodes E1, E2 or E3, E4 are pairs - viewed along the height direction H - in exact, overlapping counter-coupling) coupled the third electrode E3 capacitively connected to the first electrode E1 and the fourth electrode E4 capacitively connected to the second electrode E2. An alternating voltage signal U12 applied between the first electrode E1 and the second electrode E2 is thus coupled into the third and fourth electrodes E3, E4 by the electric fields effected between the electrodes E1-E4 and can be used as a secondary-side alternating voltage signal U34 between the third terminal A3 and the third fourth port A4 be tapped.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Im belasteten Zustand ist das Übertragungsverhältnis Ü kleiner als 1, wobei das Übertragungsverhältnis von der Last und der Frequenz des zu übertragenden Wechselspannungssignals abhängt.In the loaded state, the transmission ratio Ü is less than 1, the transmission ratio depending on the load and the frequency of the AC signal to be transmitted.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Die Schirmflächen S1, S2 sind beidseits durch Metallisierung der Außenseiten der Leiterplatte
Die Elektrodenanordnung der Elektroden E1–E4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel identisch dem Ausführungsbeispiel gemäß
Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich ein reduziertes Übersetzungsverhältnis Ü kleiner 1, zum Beispiel in einem Bereich zwischen 0,6 und 0,7.In this embodiment results in a reduced transmission ratio Ü less than 1, for example in a range between 0.6 and 0.7.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Die fünfte Elektrode E1‘ und die sechste Elektrode E2’ bilden zusammen mit der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 die primärseitigen Elektroden, die bei diesem Ausführungsbeispiel die sekundärseitigen Elektroden E3, E4 – betrachtet entlang der Hinrichtung H – zwischen sich aufnehmen. Die dritte Elektrode E3 ist somit zwischen der ersten Elektrode E1 und der fünften Elektrode E1‘ angeordnet. Die vierte Elektrode E4 ist demgegenüber zwischen der zweiten Elektrode E2 und der sechsten Elektrode E2’ angeordnet. Es ergibt sich das Ersatzschaltbild gemäß
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Zudem wird, im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß
Durch Verschalten der wirksamen Kapazitäten der Übertragungseinrichtung
Die Auswirkungen der Filterwirkung der Übertragungseinrichtung auf ein digitales Signal sind in
Auf der rechten Seite sind die Ausgangssignal b) bis c) auf der Sekundärseite für unterschiedlich eingestellte Grenzfrequenzen der Übertragungseinrichtung abgebildet. Für b) sind die Grenzfrequenzen so gewählt, das sich nur der Hochpass mit fmin = 10kHz auswirkt. Hier ist zu erkennen, wie der Gleichanteil entfernt worden ist und die Dämpfung der niederfrequenten Anteile zu einer Abnahme des Spannungspegels führt. On the right side, the output signals b) to c) are shown on the secondary side for differently set cutoff frequencies of the transmission device. For b) the cut-off frequencies are chosen so that only the high pass with fmin = 10kHz is affected. Here it can be seen how the DC component has been removed and the attenuation of the low-frequency components leads to a decrease in the voltage level.
Die zusätzlichen Auswirkungen des Tiefpassverhaltens der Strecke sind in c) dargestellt. Die obere Grenzfrequenz beträgt hier fmax = 1MHz. Die Unterdrückung des hochfrequenten Signalanteils führt zu einer Abflachung der Flanken. Dieses Verhalten kann gezielt genutzt werden um hochfrequente Störungen zu reduzieren. The additional effects of the low-pass behavior of the route are shown in c). The upper limit frequency here is fmax = 1 MHz. The suppression of the high-frequency signal component leads to a flattening of the edges. This behavior can be used specifically to reduce high-frequency interference.
In d) ist der Effekt einer im Vergleich zu Signalfrequenz hohen unteren Grenzfrequenz von fmin = 100kHz dargestellt. Die Filterwirkung führt dazu, das von dem Rechtecksignal nur noch die hochfrequenten Anteile der Flanken in Form von positiven und negativen Impulsen übrig bleiben.D) shows the effect of a lower cut-off frequency of fmin = 100kHz compared to signal frequency. The filter effect means that only the high-frequency components of the flanks in the form of positive and negative pulses remain of the rectangular signal.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch in gänzlich andersgearteter Weise verwirklichen.The idea underlying the invention is not limited to the embodiments described above, but can in principle also be implemented in a completely different manner.
Grundsätzlich ist eine Übertragungseinrichtung der hier beschriebenen Art nicht auf die Verwendung in einem Trennverstärker beschränkt, sondern kann auch in ganz anderen Geräten, bei denen eine Signalübertragung unter galvanischer Trennung der Signalleitung erreicht werden soll, verwendet werden.In principle, a transmission device of the type described here is not restricted to use in an isolating amplifier, but can also be used in completely different devices in which a signal transmission with galvanic separation of the signal line is to be achieved.
Zudem kann ein Trennverstärker nicht nur in einer Industrieanlage eingesetzt werden, sondern beispielsweise auch in anderen Bereichen, beispielsweise der Gebäudetechnik oder in anderen elektrischen Anlagen.In addition, a buffer amplifier can be used not only in an industrial plant, but also, for example, in other areas, such as building technology or in other electrical installations.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Komponente des Trennverstärker Component of the isolation amplifier
- 1010
- Übertragungseinrichtung transmission equipment
- 100, 101, 101‘, 102100, 101, 101 ', 102
- Schicht layer
- 103, 104103, 104
- Widerstand resistance
- 105105
- Leiterplatte circuit board
- 1111
- Sender transmitter
- 1212
- Empfänger receiver
- 22
- Sensoreinrichtung sensor device
- 33
- Steuereinrichtung control device
- aa
- Abstand distance
- A1–A4A1-A4
- Anschluss connection
- C13, C24, C15, C25, C36, C46C13, C24, C15, C25, C36, C46
- Kapazität capacity
- d, d1d, d1
- Dicke thickness
- Ee
- Erstreckungsebene extension plane
- E1, E1‘, E2, E2‘, E3, E4E1, E1 ', E2, E2', E3, E4
- Elektrode electrode
- ϕ1–ϕ5φ1-φ5
- Potential potential
- HH
- Höhenrichtung height direction
- H1, H1‘, H2H1, H1 ', H2
- Höhe height
- Q Q
- Querrichtung transversely
- RE, RLRE, RL
- Widerstand resistance
- S1, S2S1, S2
- Schirmfläche umbrella area
- U12, U34U12, U34
- Spannung tension
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102014000867 A1 [0007] DE 102014000867 A1 [0007]
- DE 102013113598 A1 [0008] DE 102013113598 A1 [0008]
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-
2016
- 2016-04-08 DE DE102016106425.4A patent/DE102016106425A1/en not_active Ceased
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Legal Events
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---|---|---|---|
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |