DE19643848A1 - Elektrische Steckverbindung für die Nachrichten- und/oder Energieübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Steckverbindung für die Nachrichten- und/oder Energieübertragung mit mindestens zwei elektrischen Steckern.

Zur Datenübertragung sind Kupferleitungen, Koaxialkabel und Lichtwellenleiter seit langem bekannt. Dabei erfolgt die Verbindung von z. B. zwei Kupferleitungen durch eine galvanische Steckverbindung. Bei hochfrequenten Datenübertragungen tritt dabei das Problem auf, daß zur Vermeidung von Reflexionen die Wellenwiderstände der Leitungen mit denen der Stecker angepaßt werden müssen. Außerdem müssen in manchen Fällen unsymmetrische (Koaxialkabel) und symmetrische ("Twisted Pair") Kabel und Leitungen mit unterschiedlichen Wellenwiderständen zusammengeschaltet werden. Die dabei notwendige elektrische Anpassung wird mit separaten Übertragern oder "Baluns" (von engl. balanced und unbalanced) realisiert. Ein weiterer Nachteil einer galvanisch kontaktierenden Verbindung besteht darin, daß Nachrichten- bzw. Energieüber­ tragungen in hermetische Gehäuse mechanisch sehr aufwendig sind.

Aus den "VDI-Nachrichten, Nr. 8, 1995" ist eine galvanisch entkoppelte Steckver­ bindung bekannt, bei der die Kopplung induktiv durch Verwendung einer Primär- und einer Sekundärwicklung realisiert wird. Die Wirkungsweise der induktiven Steckverbindung beruht auf der Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes durch einen elektrischen Strom in der Primärwicklung. Der Magnetische Kern führt dieses Magnetfeld zur Sekundärwicklung. Aufgrund des Induktionsgesetzes wird in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, in deren Folge ein elektrischer Strom fließt. Beim Zusammenfügen der zwei Stecker treffen die offenen Teile des Kerns zur magnetischen Feldführung stumpf aufeinander. Diese "face to face"- Typen lassen sich im Vergleich mit Rotationsübertragern und koaxialen Aufbauten kostengünstiger herstellen. Als Kern werden dabei amorphe Legierungen mit einem hohen Gehalt am Kobalt und Nickel vorgeschlagen, wodurch die Steckver­ bindung auch für höhere Frequenzen geeignet und korrosionsbeständig ist. Da induktive Stecker durch die aufwendige Herstellung wesentlich teurer als her­ kömmliche Stecker mit galvanischen Kontakten sind, bietet sich ihr Einsatz insbe­ sondere in leitfähigen und korrosiven Flüssigkeiten und zur Einkopplung von elektrischen Signalen durch dünne Wände an. Nachteilig an der bekannten Steck­ verbindung ist, daß bei den realisierbaren Übertragungsraten unverhältnismäßig aufwendige Speziallegierungen notwendig sind und die erreichbaren Frequenz­ bereiche von ca. 400 kHz für Nachrichtenübertragungen mit hohen Daten raten zu gering sind.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine verbesserte elektrische Steckverbindung für Übertragungen mit hohen Daten raten zu schaffen.

Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Durch die Ausbildung der elektrischen Stecker als galvanisch entkoppelte Schwingkreise können Übertragungsraten von über 100 MBit/s realisiert werden. Des weiteren können die beiden Stecker vollkommen gleich aufgebaut werden (sexless, hermaphroditische Konstruktion), so daß diese günstig in hoher Stückzahl gefertigt werden können. Bei entsprechender Dimensionierung der Schwingkreise entfällt eine Impedanztransformation oder die Zwischenschaltung eines "Baluns". Des weiteren ist die Übertragung in hermetisch dichte Gehäuse und der Einsatz in rauher Umgebung (z. B. im Freiland) möglich. Durch Variation der Werte der Spulen bzw. der Kondensatoren kann der Wellenwiderstand der Stecker eingestellt werden, so daß jeweils eine optimale Anpassung zur Vermeidung von Reflexionen erreicht wird. Weiter weist der elektrische Stecker gute Filtereigenschaften bezüglich Bandbreite und Einschwingzeit auf. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Schwingkreis als Reihenschwingkreis ausgebildet. Durch die Ausbildung der Spulen und/oder der Kondensatoren als planare Bauelemente kann der Schwingkreis und damit der elektrische Stecker mit geringen Abmessungen und damit sehr kostengünstig aufgebaut werden. Um die elektrischen Stecker vor z. B. Umwelteinflüssen zu schützen, können diese ge­ kapselt ausgeführt sein. Dabei kann die Kapselung z. B. mittels eines Kunststoffes realisiert werden. In einer weiteren Ausführungsform ist an der Verkapselung einer Vorrichtung zur lösbaren Verbindung der elektrischen Stecker angeordnet, so daß die beiden elektrischen Stecker sicher, in einem definierten Abstand zueinander, angeordnet werden können, wobei die Vorrichtung auch in die Verkapselung, z. B. in Form von Nut und Feder, integriert sein kann. In einer weiteren Ausführungs­ form der kann Abstand zwischen den elektrischen Steckern durch die Vorrichtung variiert werden. Zur Verbesserung der Kopplung der Schwingkreise kann als Verkapselungsmaterial ein Ferrit verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht der galvanisch entkoppelten Steckverbindung und

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Steckverbindung.

Die galvanisch entkoppelte Steckverbindung 1 umfaßt zwei voneinander beabstandete elektrische Stecker 2, 3. Der Stecker 2 umfaßt eine planare Spule L1, einen in Reihe zur Spule L1 geschalteten Kondensator C1 und zwei Steckeranschlüsse 4 zur elektrischen Verbindung des nicht dargestellten Kabels mit dem elektrischen Stecker 2. Der Stecker 3 umfaßt eine planare Spule L2, einen in Reihe zur Spule geschalteten Kondensator C2 und zwei Steckeran­ schlüsse 5 zur elektrischen Verbindung des nicht dargestellten Kabels mit dem elektrischen Stecker 3. Die Planarspulen L1 und L2 werden z. B. durch eine strukturierte Kupferschicht auf der Oberseite eines geeigneten Trägermaterials wie z. B. FR4, Polyimid oder Polypropylen gebildet. Die Kondensatorplatten der Kondensatoren C1 und C2 können ebenfalls als Kupferschicht auf der Ober- und Unterseite des Trägermaterials gebildet werden, wobei dann das Trägermaterial als Dielektrikum wirkt. Dadurch ist ein vollkommen planarer Aufbau der Stecker 2, 3 und damit der Steckverbindung 1 möglich.

Bringt man die Stecker 2, 3 in einen definierten Abstand zueinander, so entsteht aufgrund der Gegeninduktivität M der Planarspulen L1 und L2 ein gekoppelter Schwingkreis. Durch entsprechende Kapselung der beiden Stecker 2,3 wird ein definierter Abstand zwischen den Spulen L1 und L2 eingestellt, der den Wert der Gegeninduktivität M bestimmt. Durch die Geometrie der Spulen L1, L2 ,deren Abstand zueinander, den Werten der Kondensatoren C1, C2 und/oder durch Ferritmaterialien als Kapselung können beliebige Dimensionierungen und Anpassungen an spezielle Eigenschaften vorgenommen werden.

In Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild der Steckverbindung 1 dargestellt, wobei die Steckeranschlüsse 4, 5 mit Leitungen abgeschlossen sind. Die Übertragungsfunk­ tion F(jω) an den Steckeranschlüssen ergibt sich mit den Verlustwiderständen RL1, RL2 der Spulen L1, L2 und den Wellenwiderständen Z1, Z2 der Leitungen zu:

Durch entsprechende Wahl und Dimensionierung der einzelnen Bauelemente können die gewünschten Übertragungseigenschaften eingestellt werden.

Claims (7)

1. Elektrische Steckverbindung für die Nachrichten- und/oder Energieüber­ tragung, umfassend mindestens zwei elektrische Stecker, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Stecker (2, 3) als galvanisch entkoppelte Schwingkreise ausgebildet sind.

2. Elektrische Steckverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise der elektrischen Stecker (2, 3) als Reihen­ schwingkreise ausgebildet sind.

3. Elektrische Steckverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens ein die Schwingkreise der elektrischen Stecker (2, 3) bildendes Bauelement planar ausgebildet ist.

4. Elektrische Steckverbindung nach einer der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Stecker (2, 3) gekapselt sind.

5. Elektrische Steckverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verkapselungen Vorrichtungen zur lösbaren Verbindung der elektrischen Stecker (2, 3) angeordnet sind.

6. Elektrische Steckverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Vorrichtung zur lösbaren Verbindung der elektrische Stecker (2,3) der Abstand zwischen den Schwingkreisen variierbar ist.

7. Elektrische Steckverbindung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkapselung aus Ferritmaterial besteht.