LU93018B1 - Übertragungseinrichtung zum Übertragen eines Wechselspannungssignals - Google Patents

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. Fig. 3a 93018

Description

Übertragungseinrichtung zum Übertragen eines Wechselspannungssignals

Die Erfindung betrifft eine Übertragungseinrichtung zum Übertragen eines Wechselspannungssignals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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.

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.

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.

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.

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 storen könnte. Durch die galvanische Trennung wird ein solcher Stromfluss unterbunden.

Bei einer aus der DE10 2014 000 867 A1 bekannten Übertragungseinrichtung sind an einer Leiterplatte primärseitige und sekundärseitige Elektroden angeordnet, die sich jeweils paarweise gegenüberliegen.

Aus der DE10 2013 113 598 A1 ist eine Übertragungseinrichtung bekannt, bei der Signale induktiv über Spuien übertragen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Übertragungseinrichtung bereitzustellen, die eine galvanische Trennung bereitstellt, dabei eine hohe Isolationsspannung aufweisen und kostengünstig realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost.

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 angeordnet sind.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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 zusötzlich 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.

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 leitföhigen Werkstoff überdeckt ist. Die Schirmflächen überdecken hierbei die Außenseiten der Leiterplatte, während die Elektroden im Inneren der Leiterplatte eingebettet sind.

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 erhölt die Übertragungseinrichtung Übertragungseigenschaften eines Tiefpasses. Zusötzlich oder alternativ kann mit einem sekundärseitigen Anschluss oder mit beiden sekundärseitigen Anschlüssen ein Widerstandselement (parallel) verbunden sein, sodass die Übertragungseinrichtung (zusötzlich oder alternativ) Übertragungseigenschaften eines Hochpasses erhölt. 1st sowohl primörseitig ein Widerstandselement als auch sekundörseitig ein Widerstandselement vorgesehen, weist die Übertragungseinrichtung die Charakteristik eines Bandpasses auf, der Signale in einem definierten Frequenzband durchlasst, andere Signale aber herausfiltert.

Die Übertragungseinrichtung kann, in einer vorteilhaften Ausgestaltung, beispielsweise Bestandteil eines Trennverstörkers sein. Mittels eines solchen Trennverstörkers 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 Trennverstörkers eine galvanische Trennung zwischen der ersten elektrischen Einrichtung und der zweiten elektrischen Einrichtung bereitgestellt wird.

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.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soil nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung, bei der eine erste elektrische

Einrichtung (Sensor) über einen Trennverstärker mit einer zweiten elektrischen Einrichtung (Steuerung) verbunden ist;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Komponente eines Trennverstârkers mit einer erfindungsgemäßen Übertragungseinrichtung

Fig. 3A eine Schnittansicht durch eine Leiterplatte einer Übertragungseinrichtung;

Fig. 3B ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 3A;

Fig. 4A eine Schnittansicht durch eine Leiterplatte einer Übertragungseinrichtung, nach einem anderen Ausführungsbeispiel;

Fig. 4B ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 4A;

Fig. 5A eine Schnittansicht durch eine Leiterplatte einer Übertragungseinrichtung, nach einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel;

Fig. 5B ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 5A;

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Trennverstärkerkomponente (wie in Fig. 2) mit einem Ersatzschaltbild der Übertragungseinrichtung

Fig. 7 eine grafische Ansicht einer Übertragungsfunktion eines Bandpasses,

Fig. 8 den Einfluss der Übertragungseinrichtung auf ein Rechtecksignal bei verschiedenen Grenzfrequenzen.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Anordnung, wie sie beispielsweise Bestandteil einer Industrieanlage sein kann. lm Rahmen der Anordnung ist eine erste elektrische Einrichtung in Form einer Sensoreinrichtung 2 über einen Trennverstârker mit einer zweiten elektrischen Einrichtung 3 in Form einer Steuereinrichtung 3 verbunden. Bei der Sensoreinrichtung 2 kann es sich beispielsweise um einen Temperatursensor, einen Drucksensor oder einen Drehzahlsensor oder dergleichen handeln. Die Sensoreinrichtung 2 dient dazu, Sensorsignale zu erzeugen, die einen Betriebszustand einer elektrischen Anlage, beispielsweise eines Motors oder dergleichen, oder eine Umgebungsbedingung (Temperatur Luftfeuchtigkeit etc.) anzeigen. Über den Trennverstärker 1 werden diese Sensorsignale hin zu der Steuereinrichtung 3 übertragen, sodass die Sensorsignale auf Seiten der Steuereinrichtung 3 ausgewertet und weiterverarbeitet werden können, um beispielsweise Steuersignale zum Steuern oder Regeln von Komponenten der Industrieanlage zu erzeugen.

Die Sensoreinrichtung 2 und die Steuereinrichtung 3 können, insbesondere im Rahmen einer Industrieanlage, örtlich entfernt voneinander aufgestellt sein, können über getrennte elektrische Versorgungsnetze elektrisch versorgt werden und können demzufolge auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen liegen. Hieraus folgt, dass eine Masseleitung der Sensoreinrichtung 2 und eine Masseleitung der Steuereinrichtung 3 eine Potenzialdifferenz UGL zueinander aufweisen können.

Um einen Stromfluss IGL aufgrund der Potenzialdifferenz UGL zwischen der Sensoreinrichtung 2 und der Steuereinrichtung 3 über eine Erdschleife zu vermeiden, besteht eine wesentliche Funktion des Trennverstärkers 1 darin, eine galvanische Trennung zwischen der Sensoreinrichtung 2 und der Steuereinrichtung 3 bereitzustellen. Eine Erdschleife zwischen der Sensoreinrichtung 2 und der Steuereinrichtung 3 wird somit aufgetrennt, sodass die Potenzialdifferenz UGL keinen Stromfluss (IGL=0) zwischen der Sensoreinrichtung 2 und der Steuereinrichtung 3 bewirken kann.

Der Trennverstärker 1 kann zudem eine Signalaufbereitung und eine Verstärkung des übertragenen Signals bereitstellen.

Eine schematische Ansicht einer Komponente 1 eines Trennverstärkers 1 zeigt Fig. 2. Der Trennverstärker 1 weist eine Übertragungseinrichtung 10 auf, die einen primärseitigen Sender 11 mit einem sekundärseitigen Empfänger 12 koppelt, dabei aber galvanisch den Sender 11 von dem Empfänger 12 trennt. Über die Übertragungseinrichtung 10 können somit Wechselspannungssignale übertragen werden, Gleichspannungssignale hingegen werden blockiert.

Unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Übertragungseinrichtung 10 zeigen Fig. 3A, 3B, 4A, 4B und 5A, 5B.

Die Übertragungseinrichtung 10 weist bei diesen Ausführungsbeispielen eine Leiterplatte 105 auf, in die Elektroden E1-E4 (bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3A, 3B und 4A, 4B) bzw. E1, ET, E2, E2’, E3, E4 (bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5A, 5B) eingebettet sind. Die Leiterplatte 105 erstreckt sich flächig entlang einer Erstreckungsebene E und weist, entlang einer Höhenrichtung H senkrecht zur Erstreckungsebene E, eine Dicke d auf. Die Dicke d der Leiterplatte 105 ist hierbei klein im Vergleich zu den Dimensionen der Leiterplatte 105 in der Erstreckungsebene E.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3A, 3B sind vier Elektroden E1-E4 vorgesehen, die in die Leiterplatte 105 eingebettet sind. Eine erste Elektrode E1 und eine zweite Elektrode E2 befinden sich hierbei auf einer ersten Höhe H1 und sind zwischen einer ersten Schicht 100 und einer zweiten Schicht 101 der Leiterplatte 105 angeordnet. Eine dritte Elektrode E3 und eine vierte Elektrode E4 befinden sich demgegenüber auf einer zweiten Höhe H2 und sind zwischen der zweiten Schicht 101 und einer dritten Schicht 102 der Leiterplatte 105 angeordnet. Während die Elektroden E1-E4 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt sind, sind die Schichten 100-102 der Leiterplatte 105 elektrisch isolierend und dazu aus einem dielektrischen Werkstoff gefertigt. Die Schichten 100-102 können hierbei aus dem gleichen dielektrischen Werkstoff oder auch aus unterschiedlichen dielektrischen Werkstoffen hergestellt sein.

Die zweite Schicht 101 weist eine Dicke d1 auf. Dadurch, dass die Elektroden E1, E2 und E3, E4 beidseits dieser Schicht 101 angeordnet sind, sind die primärseitigen Elektroden E1, E2 und die sekundärseitigen Elektroden E3, E4 um die Dicke d1 der Schicht 101 zueinander beabstandet.

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 10 aus. Zwischen dem ersten Anschluss A1 und dem zweiten Anschluss A2 kann ein primärseitiges Wechselspannungssignal U12 angelegt werden, das über die Übertragungseinrichtung 10 übertragen werden soil.

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 10 aus. Zwischen dem dritten Anschluss A3 und dem vierten Anschluss A4 kann ein aus dem primärseitigen Wechselspannungssignal U12 resultierendes, sekundärseitiges Wechselspannungssignal U34 abgegriffen und somit empfangen werden.

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.

Die Übertragungseinrichtung 10 wirkt kapazitiv. Die primärseitigen Elektroden E1, E2 sind auf der gleichen Höhe H1 angeordnet und dabei entlang einer Querrichtung Q quer zur Höhenrichtung H um einen Abstand a zueinander beabstandet. Der ersten Elektrode E1 liegt die dritte Elektrode E3 gegenüber, wöhrend der zweiten Elektrode E2 die vierte Elektrode E4 gegenüberliegt. Die dritte Elektrode E3 und die vierte Elektrode E4 sind auf der gleichen Höhe H2 angeordnet und ebenfalls um den Abstand a entlang der Querrichtung Q zueinander beabstandet.

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 105 erstreckt.

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.

Fig. 3B zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Übertragungseinrichtung 10 gemäß Fig. 3A. Zwischen dem ersten Anschluss A1 und dem dritten Anschluss A3 wirkt die Kapazität C13, bereitgestellt durch die Elektroden E1, E3. Zwischen dem zweiten Anschluss A2 und dem vierten Anschluss A4 wirkt demgegenüber die Kapazität C24, bewirkt durch die Elektroden E2, E4.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3A, 3B ergibt sich im unbelasteten Zustand zumeist näherungsweise ein Übersetzungsverhältnis Ü zu 1: Ü = U34/U12 = 1 lm belasteten Zustand ist das Übertragungsverhältnis Ü kleiner als 1, wobei das Übertragungsverhältnis von der Last und der Frequenz des zu übertragenden Wechselspannungssignals abhängt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4A, 4B sind beidseits der Leiterplatte 105 Schirmflächen S1, S2 angeordnet, die dazu dienen, die Elektroden E1-E4 innerhalb der Leiterplatte 105 elektrisch zu schirmen. Auf diese Weise kann die Störempfindlichkeit der Übertragungseinrichtung 10 reduziert und zudem zur verbesserten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) eine Abstrahlung von der Übertragungseinrichtung 10 vermindert werden.

Die Schirmflächen S1, S2 sind beidseits durch Metallisierung der Außenseiten der Leiterplatte 105 hergestellt. Die Schirmflächen S1, S2 erstrecken sich hierbei entlang der Erstreckungsebene E beidseits der Leiterplatte 105 und überdecken die Leiterplatte 105 zumindest in dem Bereich, in dem die Elektroden E1-E4 innerhalb der Leiterplatte 105 eingebettet sind.

Die Elektrodenanordnung der Elektroden E1-E4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel identisch dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3A. Aufgrund der Wechselwirkung mit den Schirmflächen S1, S2 ergibt sich jedoch das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4B, bei dem Kapazitäten C15, C25 die (nicht zu vernachlässigende) kapazitive Wechselwirkung zwischen den Elektroden E1, E2 und der Schirmfläche S1 und Kapazitäten C36, C46 die kapazitive Wechselwirkung zwischen den Elektroden E3, E4 und der Schirmfläche S2 beschreiben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich ein reduziertes Übersetzungsverhältnis Ü kleiner 1, zum Beispiel in einem Bereich zwischen 0,6 und 0,7.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5A, 5B sind zusätzlich eine fünfte Elektrode E1 ‘, die mit dem ersten Anschluss A1 verbunden ist, und eine sechste Elektrode E2‘, die mit dem zweiten Anschluss A2 verbunden ist, vorgesehen. Die zusätzlichen Elektroden ET, E2’ befinden sich auf einer gemeinsamen Höhe HT, sind zwischen einer zusätzlichen Schicht 10T und der dritten Schicht 102 der Leiterplatte 105 angeordnet und liegen der dritten Elektrode E3 und der vierten Elektrode E4 jenseits der zusätzlichen Schicht 10T deckungsgleich gegenüber.

Die fünfte Elektrode ET und die sechste Elektrode E2’ bilden zusammen mit der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 die primârseitigen Elektroden, die bei diesem Ausführungsbeispiel die sekundârseitigen 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 ET angeordnet. Die vierte Elektrode E4 ist demgegenüber zwischen der zweiten Elektrode E2 und der sechsten Elektrode E2’ angeordnet. Es ergibt sich das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 5B.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5A, 5B ist die wirksame Flâche der Kapazitâten C13, C24 verdoppelt, wodurch sich die Kapazitâten C13, C24 verdoppeln. Dies ermöglicht beispielsweise die Elektroden E1, ET, E2, E2‘, E3, E4 in ihrer Flâche zu verkleinern, sodass sich der Bauraum der Übertragungseinrichtung 10 verringern kann.

Zudem wird, im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4A, 4B, die Kapazitât zwischen den sekundârseitigen Elektroden E3, E4 und den Schirmflâchen S1, S2 minimiert, was ein Übersetzungsverhältnis Ü von zumindest nâherungsweise 1 ermöglicht: Ü = U34/U12 = 1

Durch Verschalten der wirksamen Kapazitâten der Übertragungseinrichtung 10, wie schematisch in Fig. 6 dargestellt, mit Widerstandselementen RE (auf der Primârseite) und RL (auf der Sekundârseite) kann die Übertragungseinrichtung 10 eine Bandpass-Charakteristik erhalten, mit einer Übertragungsfunktion, wie sie schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Primârseitig können hierbei ein oder mehrere Widerstandselemente , hier zusammengefasst zu RE, seriell mit den Anschlüssen A1 und/oder A2 verbunden werden, während sekundärseitig ein oder mehrere Widerstandselemente, zusammengefasst zu RL, parallel zu den Anschlüssen A3 und/oder A4 angelegt werden. Primârseitig wirkt die Übertragungseinrichtung 10 auf diese Weise als Tiefpass, wâhrend sekundârseitig sich ein Hochpassverhalten ergibt. Insgesamt weist die Übertragungseinrichtung 10 damit ein Bandpass-Verhalten auf, bei dem in einem

Frequenzband zwischen Grenzfrequenzen fmin, fmax (siehe Fig. 7) Signale durchgelassen werden, Signale außerhalb des durch die Grenzfrequenzen fmin, fmax bestimmten Frequenzbands jedoch herausgefiltert werden.

Die Auswirkungen der Filterwirkung der Übertragungseinrichtung auf ein digitales Signal sind in Figur 8 beispielhaft an einem Rechtecksignal dargestellt. Auf der linken Seite der Abbildung ist, mit a) gekennzeichnet, das Eingangssignal der Übertragungseinrichtung in Form eines idealen Rechtecks dargestellt. Die Grundfrequenz des Rechtecksignals betrâgt in diesem Fall 100 kHz.

Auf der rechten Seite sind die Ausgangssignal b) bis c) auf der Sekundârseite 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 Dâmpfung der niederfrequenten Anteile zu einer Abnahme des Spannungspegels führt.

Die zusätzlichen Auswirkungen des Tiefpassverhaltens der Strecke sind in c) dargestellt. Die obéré Grenzfrequenz betrâgt 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.

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.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschrânkt, sondern lâsst sich grundsätzlich auch in gänzlich andersgearteter Weise verwirklichen.

Grundsätzlich ist eine Übertragungseinrichtung der hier beschriebenen Art nicht auf die Verwendung in einem Trennverstârker beschrânkt, sondern kann auch in ganz anderen Geräten, bei denen eine Signalübertragung unter galvanischer Trennung der Signalleitung erreicht werden soil, verwendet werden.

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.

Bezugszeichenliste 1 Komponente des Trennverstärker 10 Übertragungseinrichtung 100, 101, 101‘, 102 Schicht 103, 104 Widerstand 105 Leiterplatte 11 Sender 12 Empfänger 2 Sensoreinrichtung 3 Steuereinrichtung a Abstand A1-A4 Anschluss C13, C24, C15, C25, C36, C46 Kapazität d, d1 Dicke E Erstreckungsebene E1, E1‘, E2, E2‘, E3, E4 Elektrode φ1-φ5 Potential H Höhenrichtung H1,H1', H2 Höhe Q Querrichtung RE, RL Widerstand S1,S2 Schirmfläche U12, U34 Spannung

Claims (10)

1. Übertragungseinrichtung (10) zum Übertragen eines Wechselspannungssignals (U12), mit - einer entlang einer Erstreckungsebene (E) flâchig erstreckten Leiterplatte (105), einer an der Leiterplatte (105) angeordneten, ersten Elektrode (E1), die mit einem ersten Anschluss (A1) verbunden ist, und einer an der Leiterplatte (105) angeordneten, zweiten 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 einer an der Leiterplatte (105) angeordneten, dritten Elektrode (E3), die mit einem dritten Anschluss (A3) verbunden ist, und einer an der Leiterplatte (105) angeordneten, vierten Elektrode (E4), die mit einem vierten Anschluss (A4) verbunden ist, wobei zwischen dem dritten Anschluss (A3) und dem vierten Anschluss (A4) ein sekundârseitiges Wechselspannungssignal (U34) empfangbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (E1) und die zweite Elektrode (E2), betrachtet entlang einer Hôhenrichtung (H) senkrecht zur Erstreckungsebene (E), auf einer ersten Hôhe (H1) und - die dritte Elektrode (E3) und die vierte Elektrode (E4), betrachtet entlang der Hôhenrichtung (H), auf einer zweiten Höhe (H2) angeordnet sind.

2. Übertragungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (A1) und der zweite Anschluss (A2) galvanisch von dem dritten Anschluss (A3) und dem vierten Anschluss (A5) getrennt sind.

3. Übertragungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, entlang einer Querrichtung (Q) quer zur Hôhenrichtung (H), die erste Elektrode (E1) zur zweiten Elektrode (E2) und die dritte Elektrode (E3) zur vierten Elektrode (E4) um einen Abstand (a) beabstandet ist.

4. Übertragungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, betrachtet entlang der Höhenrichtung (H), die dritte Elektrode (E3) der ersten Elektrode (E1) und die vierte Elektrode (E4) der zweiten Elektrode (E2) gegenüberliegt.

5. Übertragungseinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (E1) und die zweite Elektrode (E2) zwischen einer ersten dielektrischen Schicht (100) und einer zweiten dielektrischen Schicht (101) der Leiterplatte (105) und die dritte Elektrode (E3) und die vierte Elektrode (E4) zwischen der zweiten dielektrischen Schicht (101) und einer dritten dielektrischen Schicht (101‘; 102) der Leiterplatte (105) angeordnet sind.

6. Übertragungseinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Leiterplatte (105) angeordnete, mit dem ersten Anschluss (A1) verbundene, fünfte Elektrode (E1‘) und eine an der Leiterplatte (105) angeordnete, mit dem zweiten Anschluss (A2) verbundene, sechste Elektrode (E2 j betrachtet entlang der Höhenrichtung (H) auf einer dritten Höhe (HT) angeordnet sind derart, dass die dritte Elektrode (E3) zwischen der ersten Elektrode (E1) und der fünften Elektrode (ET) und die vierte Elektrode (E4) zwischen der zweiten Elektrode (E2) und der sechsten Elektrode (E2‘) angeordnet ist.

7. Übertragungseinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ersten Seite der Leiterplatte (105) eine erste elektrisch leitende Schirmfläche (S1) und/oder an einer zweiten Seite der Leiterplatte (105) eine zweite elektrisch leitende Schirmfläche (S2) erstreckt ist, wobei die Elektroden (E1-E4) betrachtet entlang der Höhenrichtung (H) zu der ersten Schirmfläche (S1) und/oder der zweiten Schirmfläche (S2) beabstandet sind.

8. Übertragungseinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Anschluss (A1) und/oder dem zweiten Anschluss (A2) ein erstes Widerstandselement (RE) und mit dem dritten Anschluss (A3) und/oder dem vierten Anschluss (A4) ein zweites Widerstandselement (RL) verbunden sind, sodass die Übertragungseinrichtung (10) als Bandpass wirkt.

9. Trennverstârker zum Übertragen eines elektrischen Signals (U12) zwischen einer ersten elektrischen Einrichtung (2) und einer zweiten elektrischen Einrichtung (3), mit einer Übertragungseinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

10. Trennverstârker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennverstârker einen mit dem ersten Anschluss (A1) und dem zweiten Anschluss (A2) verbundenen Sender (11) zum Anlegen des primärseitigen Wechselspannungssignals (U12) und einen mit dem dritten Anschluss (A3) und dem vierten Anschluss (A4) verbundenen Empfänger (12) zum Verarbeiten des sekundärseitigen Wechselspannungssignals (U34) aufweist.