MXPA05004087A

MXPA05004087A - Acopladores de datos inductivos altamente aislados.

Info

Publication number: MXPA05004087A
Application number: MXPA05004087A
Authority: MX
Inventors: Cern Yehuda
Original assignee: Ambient Corp
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-06-08
Also published as: CN1706175A; JP4361488B2; WO2004036772A2; EP1552678A2; CA2502107A1; WO2004036879A3; CA2502547A1; WO2004036813A3; EA007883B1; CA2502547C; KR20050055763A; CA2502104A1; AU2003277438A1; KR20050049548A; JP2006507721A; JP2006503508A; US20040085171A1; WO2004036601A3; EP1556947A2; BR0315492A

Abstract

Se proporciona un acoplador inductivo para acoplar una senal a una linea de energia. El acoplador inductivo incluye un nucleo magnetico para colocarse en torno de la linea de energia, una bobina enrollada alrededor de una porcion del nucleo magnetico, y un revestimiento semiconductor que encapsula al nucleo y esta en contacto con la linea de energia. La senal se acopla a la bobina.

Description

ACOPLADORES DE DATOS INDUCTIVOS ALTAMENTE AISLADOS Campo de la Invención La presente invención se relaciona con comunicaciones a través de líneas de energía, y más en particular, con un acoplador de datos que se aisla en una forma que minimiza descargas disruptivas. Antecedentes de la Invención Un acoplador inductivo para comunicaciones a través de líneas de energía acopla una señal de datos entre la línea de energía y un dispositivo de comunicación tal como un módem. El acoplador inductivo puede sufrir de descarga disruptiva o parcial del aislamiento a voltajes de línea inadecuadamente bajos. La descarga disruptiva o parcial generalmente ocurrirá en una ubicación en el acoplador en donde el campo eléctrico se concentra en un material aislante o en donde se crea un campo excesivamente alto a través del aire. La figura 1 muestra una sección transversal de un acoplador inductivo de técnicas anteriores. Una línea de energía 800, por ejemplo, una línea de fase, sirve como un devanado primario para el acoplador inductivo, y por lo tanto pasa a través de una abertura de un circuito magnético con un núcleo configurado con una porción de núcleo superior que incluye una sección de núcleo 805 y una porción de núcleo inferior que incluye una sección de núcleo 810, y espacios de Ref.: 163505 aire 830 y 835. Un devanado secundario 820 también pasa a través de una abertura, rodeado por un material aislante 825. La línea de energía 800 toca la sección de núcleo 805 en un punto de contacto 855, mientras que el devanado secundario 820 está aterrizado. Las secciones de núcleo 805 y 810 están hechos de un material de núcleo magnético. Un campo eléctrico dentro de secciones de núcleo 805 y 810 depende de la conductividad y permisividad del material de núcleo. Para el caso de una línea de energía 800 desnuda, el voltaje de fase completo se aplica al acoplador, específicamente entre el punto de contacto 855 y el devanado secundario 820. Con referencia a la figura 2, para el caso de la línea de energía 800 revestida con aislamiento, se muestra la línea de energía 800 con un aislante 860 que contacta la sección de núcleo 805 en un punto de contacto 865. Un divisor de voltaje capacitivo está formado entre (a) un capacitor formado entre la línea de energía 800, un aislante 860, y una sección de núcleo 805, y (b) una capacitancia entre el punto de contacto 865 y un devanado secundario 820. El esfuerzo eléctrico entre los puntos de contacto 865 y a tierra es entonces menor que el voltaje de fase completo. Un plano en donde el devanado secundario 820 sale de la sección de núcleo 810, la sección de núcleo 810 presenta una esquina afilada. En general, pueden haber dos ubicaciones susceptibles a la ionización y a la descarga disruptiva, (1) un entrehierro de aire 840 entre la línea de energía 800 y el material aislante 825, y (2) una región entre las esquinas de la sección de núcleo 810 y la salida del devanado secundario 820 de la sección de núcleo 810. El entrehierro de aire 840 es susceptible a ionización y a descarga disruptiva, de la siguiente manera. El material aislante 825 es probable que se construya de plástico u otro material con una permisividad de 2.5 - 3.5. Una división de voltaje capacitivo de una diferencia de voltaje entre la línea de energía 800 y el devanado secundario 820 colocará la mayor parte de la diferencia de voltaje en el entrehierro de aire 840, y relativamente poco de la diferencia de voltaje a través del entrehierro aislante 850. La capacidad aislante del aire es inferior a la del plástico o de otro material aislante, de tal manera que al aumentar el voltaje en la línea de energía 800, se tiene una disrupción con más probabilidad a través del entrehierro 840. La figura 3 muestra una sección transversal horizontal dibujada a través de un devanado secundario 820 tal como el mostrado en la figura 1. La porción de núcleo inferior se muestra estando configurada con una pluralidad de secciones de núcleo, es decir las secciones de núcleo 810, 811, 812 y 813. El devanado secundario 820 pasa a través de secciones de núcleo 810, 811, 812 y 813. Las regiones 1000, 1005, 1010 y 1015 representan regiones de concentración de campos eléctricos y podrían ocasionar una ruptura del aislamiento inicial a un voltaje en la línea de energía 800 que es mucho menor que lo deseado. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un acoplador de datos que es aislado en una forma que minimiza las descargas disruptivas. Una modalidad de la presente invención es un acoplador inductivo para acoplar una señal a una línea de energía. El acoplador inductivo incluye un núcleo magnético para colocarse en torno de la línea de energía, una bobina enrollada alrededor de una porción del núcleo magnético, y un revestimiento semiconductor que encapsula al núcleo y está en contacto con la línea de energía. La señal se acopla a la bobina . Otra modalidad de un acoplador inductivo para acoplar una señal a una línea de energía incluye un núcleo magnético para colocarse en torno de la línea de energía, y una bobina enrollada alrededor de una porción del núcleo magnético. La bobina incluye un cable coaxial que tiene un conductor externo al potencial de la línea de energía, y el cable incluye un extremo con un cono de esfuerzo. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 muestra una sección transversal de un acoplador inductivo de una técnica anterior, perpendicular a una línea de energía. La figura 2 muestra una sección transversal de otra modalidad de un acoplador inductivo de una técnica anterior.

La figura 3 muestra una sección transversal horizontal dibujada a través de un devanado secundario de un acoplador inductivo tal como el de la figura 1. La figura 4 es una sección transversal de un acoplador de datos inductivo altamente aislado, perpendicular a una línea de energía. La figura 5 muestra una sección transversal horizontal dibujada a través de una porción de núcleo inferior de un acoplador de datos inductivo altamente aislado, tal como el de la figura 4. La figura 6 es una sección transversal vertical a través de un arreglo que emplea un acoplador inductivo que tiene un revestimiento semiconductor. La figura 7 es una sección transversal de un acoplador de datos inductivo de alto voltaje que incorpora un cable como devanado secundario. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Un acoplador de datos inductivo altamente aislado, de conformidad con la presente invención, elimina virtualmente campos eléctricos elevados a través de entrehierros de aire, y limita esos campos a ubicaciones rellenadas con material dieléctrico. Las geometrías redondeadas se emplean en todos los cuerpos energizados para eliminar cualquier característica puntual que pudiera generar un campo local elevado. Asimismo, las porciones de núcleo superior e inferior se colocan dentro de una sola envolvente equipotencial común, haciendo al acoplador indiferente a propiedades dieléctricas de núcleos magnéticos, y elimina campos eléctricos dentro de los núcleos y entre porciones de núcleo superior e inferior. La figura 4 es una sección transversal de un acoplador de datos inductivo altamente aislado de conformidad con la presente invención. El acoplador incluye un núcleo magnético para colocarse en torno de una línea de energía 800. El núcleo magnético se configura con una porción de núcleo superior que incluye una sección de núcleo 805 y una porción inferior que incluye la sección de núcleo 810. La designación de porciones de núcleo que son "superior" e "inferior" se refiere simplemente a sus posiciones respectivas en los dibujos de la presente descripción, y tal designación no es necesariamente descriptiva de una relación física real de las porciones de núcleo. El devanado secundario 820 se conecta a un dispositivo de comunicación (no mostrado) tal como un módem, y por lo tanto, el acoplador permite que una señal de datos se acople entre la línea de energía 800 y el dispositivo de comunicación. Cada sección de núcleo 805 y la sección de núcleo 810 se encapsulan en fundas o revestimientos 900 y 905 elaborados de un material semiconductor. Ejemplos de materiales semiconductores adecuados son plásticos o hules impregnados con grafito o carburo de silicio para proveer una resistividad másica deseada. Se hace un contacto eléctrico 910 entre el revestimiento 900 y el revestimiento 905. Las secciones de núcleo 805 y 810 y los revestimientos 900 y 905 se convierten entonces en un solo cuerpo esencialmente equipotencial . Una superficie 915 de material aislante 825 se recubre con un revestimiento semiconductor 945, el cual traslapa al revestimiento 905 y hace contacto eléctrico con el revestimiento 905. El potencial del revestimiento 945 se hace entonces esencialmente igual a la superficie de la línea de energía 800, eliminando o reduciendo grandemente el voltaje a través de un entrehierro de aire 940. Esto permite que un acoplador inductivo que incluye un devanado secundario 820 y secciones de núcleo 805 y 810, y que emplea una línea de energía 800 como un devanado primario, se use con seguridad en voltajes primarios mayores que estarían posiblemente sin revestimiento semiconductor 945. La figura 5 muestra una sección transversal horizontal a través de una porción de núcleo inferior de un acoplador de datos inductivo altamente aislado, tal como el de la figura 4. La porción de núcleo inferior está, a su vez, configurada con una pluralidad de secciones de núcleo, es decir las secciones de núcleo 810, 811, 812 y 813. El acoplador de datos inductivo de la figura 5, cuando se compara con el de la figura 3, experimenta una reducción de la concentración de campos en la región 1105, en comparación con la región 1000, a la salida del devanado secundario 820 de la sección de núcleo 813. El revestimiento 905 está equipado con un perfil redondeado 1100, el cual provee una extensión redondeada a los lados de la sección de núcleo 813. El redondeo de las formas de cuerpos energizados, tal como la sección de núcleo 813, reduce el campo eléctrico máximo en la región 1105 para un voltaje dado llevado en la línea de energía 800 (figura 1) . De igual manera, para un material aislante dado 825 (figura 1) que tiene un valor de descarga disruptiva máximo, el voltaje aplicado en la línea de energía 800 puede incrementarse, en relación con lo permisible cuando están presentes las esquinas afiladas. El devanado secundario 820 se muestra en la figura 5 con un solo paso a través del núcleo. En la práctica, el devanado secundario 820 puede configurarse como una bobina, enrollada alrededor de una porción del núcleo. Por lo tanto se provee un acoplador inductivo para acoplar una señal a una línea de energía. El acoplador inductivo incluye (a) un núcleo magnético para colocarse en torno de la línea de energía, (b) una bobina enrollada alrededor de una porción del núcleo magnético, en donde la señal se acopla a la bobina, y (c) un revestimiento semiconductor que encapsula el núcleo y está en contacto con la línea de energía. El núcleo tiene un extremo longitudinal, y por lo tanto el acoplador inductivo también incluye un cuerpo semiconductor redondeado que cubre el extremo longitudinal y está en contacto eléctrico con el revestimiento semiconductor. La bobina tiene un conductor que emerge del núcleo, y por ello el acoplador inductivo incluye también una capa semiconductora sobre el extremo, para reducir esfuerzos eléctricos entre la línea de energía y una superficie de un revestimiento aislante de la bobina. La figura ß es una sección transversal vertical a través de un arreglo que emplea un acoplador inductivo que tiene un revestimiento semiconductor. Un entrehierro de aire 1200 es susceptible a ionización y disrupción entre la línea de energía 800 y una superficie 1210 de una capa aislante 1225 que rodea un devanado secundario aterrizado 1220. Una diferencia de potencial entre la línea de energía 800 y un devanado secundario 1220 está capacitivamente dividido entre el entrehierro de aire 1200 y la capa aislante 1225. Una mayor proporción de la diferencia de potencial tiene lugar a través del entrehierro de aire 1200 en comparación con la diferencia de potencial a través de la capa aislante 1225, y el entrehierro de aire 1200 es también el aislante más pobre.

Para mitigar esta situación, se emplea una técnica similar a la usada en conos de esfuerzo. Un cono de esfuerzo se usa en la terminación de dos cables conductores y provee un disminución gradual del potencial eléctrico capaz de reducir concentraciones de campos que pudieran dar lugar a ruptura del aislamiento. Esto se ilustra en la mitad derecha de la figura 6. Una capa semiconductora 1230 integrada en la capa aislante 1225 está intercalada entre el devanado secundario 1220 y una superficie 1215 de la capa aislante 1225, y conectada al revestimiento 905 de las secciones de núcleo 805 y 810. La capa semiconductora 1230 incluye una combinación de resistencia en serie y capacitancia parásita que ocasiona que el potencial disminuya con la distancia desde el extremo longitudinal del revestimiento de núcleo semiconductor 905, evitando cualquier concentración de esfuerzo eléctrico excesivo en el borde distante de la capa semiconductora 1230. La capa semiconductora 1230 eleva entonces el potencial de la superficie 1215 para que esté cercano al potencial primario de la línea de energía 800, reduciendo en gran medida la diferencia de potencial a través del entrehierro de aire 1205, y evitando la disrupción a voltajes primarios inaceptablemente bajos en la línea de energía 800. El devanado secundario 1220 se muestra en la figura 6 con un solo paso a través del núcleo. En la práctica, el devanado secundario 1220 puede configurarse como una bobina, enrollada alrededor de una porción del núcleo. La eliminación de grandes diferencias de potencial a través de entrehierros de aire y la eliminación de puntos de esfuerzo eléctrico elevado puede lograrse mediante una combinación de técnicas. En una técnica, los núcleos se revisten por medio de una capa semiconductora, como se describió anteriormente en asociación con las figuras 4 y 5. Para otra técnica, se emplea una sección de cable de alto voltaje o se moldea especialmente para el acoplador. El cable tiene una capa semiconductora externa que es energizada por un contacto conductor o capacitivo con núcleos magnéticos revestidos. El cable tiene un conductor central que está aterrizado. En los dos extremos de un devanado secundario, los conos de esfuerzo proveen una terminación del cable. Se pueden usar conos de esfuerzo de interiores sin separaciones si el secundario está integrado en el aislante. De otra manera, se pueden usar los conos de esfuerzo con separaciones para aumentar la línea de fuga. La figura 7 tiene una sección transversal de otra modalidad de un acoplador de datos inductivo de alto voltaje 1345, de conformidad con la presente invención. El acoplador 1345 usa un cable de alto voltaje como devanado secundario. La línea de energía 800 pasa a través de la sección de núcleo 805, la cual está revestida mediante una capa semiconductora 900. Un devanado secundario 1300, es decir, un conductor interno de un cable secundario 1305, se aterriza a través de una bobina de autoinducción (no mostrada) , y pasa a través de una sección de núcleo 810, la cual está encapsulada en una capa semiconductora 905. El cable secundario 1305 está revestido con una capa semiconductora 1310, la cual se conecta a una porción semiconductora 1315 de un cono de esfuerzo 1320. La totalidad de la porción inferior del acoplador 1345 está encapsulada en un cuerpo aislante 1325 el cual se separa 1330 para proporcionar una línea de fuga larga entre la línea de energía 800 y el devanado secundario aterrizado 1300. Funcionalmente, la línea de energía 800, o su aislante, está en contacto con la capa semiconductora 900 y lleva el potencial de la capa semiconductora 900 cerca del potencial de la línea de energía 800. Los términos "espacio" y "espacio de aire" se usan para indicar un espaciador no magnético o una región no magnética entre partes de un núcleo, para incrementar la capacidad de manejo de corriente y la fuerza magnetomotriz máxima antes de la saturación. La capa semiconductora 900 está en contacto con la capa semiconductora 905 en un espacio 1350 entre las secciones de núcleo 805 y 810, respectivamente, llevando a la capa semiconductora 905 cerca del potencial de la línea de energía 800. El cable secundario 1305 tiene su capa semiconductora 1310 en contacto directo con la capa semiconductora 905, por lo tanto llevando también a la capa semiconductora 1310 hasta un potencial cercano al de la línea de energía 800. En cada extremo de un cable secundario 1305, un cono de esfuerzo 1320 es la terminación del cable secundario 1305, permitiendo que el devanado secundario 1300 salga del acoplador 1345 sin esfuerzo eléctrico local indebido. Un entrehierro de aire 1340 no puentea un potencial alto, estando el potencial de la superficie del acoplador 1345 cerca del potencial de la línea de energía 800 debido a la capa semiconductora energizada subyacente 1310. El cable secundario 1305 se muestra en la figura 7 con un solo paso a través del núcleo. En la práctica, el cable secundario 1305 puede configurarse como una bobina, enrollada alrededor de una porción del núcleo. Por lo tanto se provee otra modalidad de un acoplador inductivo para acoplar una señal a una línea de energía. El acoplador inductivo incluye (a) un núcleo magnético para colocarse en torno de la línea de energía, (b) una bobina enrollada alrededor de una porción del núcleo magnético, en donde la señal se acopla a la bobina, y (c) un revestimiento semiconductor que encapsula el núcleo y está en contacto con la línea de energía. Además, la bobina tiene una sección de cable de alto voltaje revestido con material semiconductor, estando el material semiconductor en contacto conductivo o capacitivo con el revestimiento semiconductor, y el acoplador inductivo también incluye un cono de esfuerzo en un extremo de la bobina. Se entenderá que las varias alternativas, combinaciones y modificaciones de las enseñanzas descritas en la presente podrían imaginarlas aquellos con experiencia en la técnica. La presente invención pretende incluir todas esas alternativas, modificaciones y variantes que caen dentro del alcance de las reivindicaciones anexas. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere.

Claims

REIVINDICACIONES
Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un acoplador inductivo para acoplar una señal a una línea de energía, caracterizado porque comprende: un núcleo magnético para colocarse en torno de esa línea de energía; una bobina enrollada alrededor de una porción de ese núcleo magnético, en donde la señal se acopla con esa bobina; y un revestimiento semiconductor que encapsula al núcleo y está en contacto con la línea de energía. 2. Un acoplador inductivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo tiene un extremo longitudinal, y en donde el acoplador inductivo adicionalmente comprende un cuerpo semiconductor redondeado que cubre ese extremo longitudinal y está en contacto eléctrico con el revestimiento semiconductor.
3. Un acoplador inductivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo tiene un extremo longitudinal redondeado, y en donde el revestimiento semiconductor cubre el extremo longitudinal redondeado.
4. Un acoplador inductivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la bobina tiene un conductor que emerge del núcleo, en donde el conductor está revestido con una capa de aislante, y en donde el acoplador inductivo adicionalmente comprende una capa semiconductora sobre esa capa de aislante.
5. Un acoplador inductivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la bobina tiene un conductor que emerge del núcleo, y en donde el acoplador inductivo adicionalmente comprende una capa semiconductora sobre ese conductor.
6. Un acoplador inductivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la bobina tiene una sección de cable de alto voltaje revestido con material semiconductor, estando ese material semiconductor en contacto conductivo o capacitivo con ese revestimiento semiconductor, y en donde el acoplador inductivo adicionalmente comprende un cono de esfuerzo en un extremo de esa bobina.
7. Un acoplador inductivo para acoplar una señal a una línea de energía, caracterizado porque comprende: un núcleo magnético para colocarse en torno de la línea de energía; y una bobina enrollada alrededor de un a porción de ese núcleo magnético, en donde la bobina incluye un cable coaxial que tiene un conductor externo al potencial de la línea externa, y en donde el cable incluye un extremo con un cono de esfuerzo .