SE527342C2 - Signalkopplings-/-avkopplingsanordning, system samt metoder - Google Patents

Description

20 25 30 35 527 342 2 ett datornåtverk. Emellertid är tekniken applicerbar inom alla miljöer där en dator eller datanätverk behövs, Användningen av kraftledningskablar som kommunikationsmedium har fördelar med låg kostnad, enkel installation, och är en känd process inom installationsprocessen.

Ett problem som dock är associerat med användning av kraftledningskablar är i regel störande omgivning. Många olika typer av utrustningar kopplas till ledningarna och nägra av dessa genererar en mängd stömingar, t.ex. från kopplingstransformatorer, datorer och elektriska motorer. Det finns även en svårighet genom det faktum att denna typ av koppling har en stor dämpning av kommunikationssignaler vid höga frekvenser.

Detta är därför viktigt att erhålla en hög signalbrusförhàllande (S/N) av datasignalen som kommuniceras över kraftledningen.

Ett liknande men inte exakt samma koncept som kommer att beskrivas nedan för föreliggande uppflnning har används i kraftomvandlingssystem där magnetriska kärnelement har monterats på kretskort för att erhålla en bättre kvalitetskoppling mellan sekundära och primära lindningar. T.ex. diskuteras iWO 03/088285 ett system för lågprofil magnetiskt element. Den magnetiska kärnan monteras i hål i kretskortet och lindningar formas pà kretskortet. Lösningen enligt detta dokument har en nackdel genom att endast C- eller l-kärnor kan användas och hela systemet är gjort för kraftomvandling där flera lindningar i serie omger kärnans ben för att öka transformatoms effektivitet.

En annan lösning beskrivs is US 6.466.454, i vilket små magnetriska kärnelement är placerade pà kretskortet för att kunna lokaliseras elektroniska högfrekvensswitchkomponenter nära kärnan. Kärnkomponenterna bildar inte i detta fall en optimal magnetisk slinga eftersom kärnkomponenterna finns endast i kretskortets hål framställda för detta ändamål. Käman sträcker sig inte på båda sidorna av kretskortet och bildar inte en stängd slinga.

Kortfattad beskrivning av uppfinningen 10 15 20 25 30 527 342 3 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en kopplingskrets med minimal dämpning för kommunikationssignal i en kraftledningslösning.

Ett andra ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en kostnadseffektiv och enkel produktion av en sådan lösning.

Dessa och andra ändamàl enligt föreliggande uppfinning uppnàs medelst en anordning koppling av en signal tilllfràn en kraftledning genom användning av ett kretskort eller en liknande bärarstruktur med integrerade spolar och en magnetisk kärna direkt ansluten pà ett kretskort. Den magnetiska käman kan vara av en typ som är rund. Kärnan är en tillverkad av en till viss del rundade delar fràn en kärna med mer rundhet än vanliga standard kärnor. l ett fördelaktigt utförande är en anordning för koppling av en signalkälla till en kraftledning tillhandahàllen sä att en primär och sekundär lindning är utformade pà ett kretskort eller liknande bärarstruktur genom etsning eller liknande materialborttagning fràn ett eller flera ledande lager pà kretskortet, och nämnda lindningar är placerade i närheten av varandra och en magnetisk kärna är placerad i närheten av lindningarna på kretskortet.

Den magnetiska kärnan är monterad i hål anordnade på kretskortet och för att underlätta monteringsprocessen kan den magnetiska käman delas itvà eller flera delar och under monteringsprocessen kan de två eller flera delama fästas samman.

De två lindningama representerar en kraftledning respektive en signalledning.

Kontakter för anslutning av kraftledningen till anordningen och kontakter för anslutning av kommunikationssignalen kan anordnas.

Kretskortet kan vara ett flerlagerskort. l ett andra utförande är ett system tillhandahället för liknade ändamål som beskrevs ovan, vilket system innefattar: - ett kretskort, - en primär lindning anordnad i ett ledande lager på ett kretskort, 10 15 20 25 30 35 527 342 4 - en sekundär lindning anordnad i ett ledande lager pà ett kretskort, vilken sekundär lindning är anordnad i närheten av nämnda primära lindning, och - en magnetisk kärna direkt fäst till kretskortet i närheten av nämnda primära och sekundära lindningar.

System kan dessutom innefatta ett EMC-/EMI-filter och kontakter för koppling av kraftledningen och/eller kommunikationssignalen till systemet.

Uppfinningen beskriver även en metod för tillverkning av en apparat för liknande ändamål som beskrevs ovan vari en primär lindning formas i ett ledande lager på ett kretskort och en sekundär lindning formas också på ett ledande lager pà samma kretskort eller ett annat kretskort som sedan fästes till det första kortet. En magnetisk kärna monteras i hàl utformade på kretskortet/-korten och för bekvämlighet under installation kan kärnan vara delad i tvà eller flera delar och under monteringen kommer de tvà eller flera delarna fästas samman för att forma en effektiv induktiv koppling. De tvà lindningama bör formas på ett sådant sätt att när apparaten monteras, placeras dessa med fördel i närheten av varandra och en del av kärnan omges av de tvà lindningama.

Metoden innefattar även montering av kontakter för anslutning till kraftledningen och/eller kommunikationssignalen. Kommunikationssignalen kan produceras medelst ett kommunikationsmodem anslutet till en kontakt eller direkt anslutet till en kommunikationsledning.

Apparaten eller anordningen kan monteras i ett hus eller hölje.

Dessa ändamål och andra funktioner och fördelar kommer att uppenbaras genom följande beskrivning och medföljande ritningar.

Kortfattad beskrivning av ritningar Fig. 1a visar en schematisk sidovy över ett kretskort med lindningar och en kärna, Fig. 1b visar en vy fràn ovan över layouten av en induktiv kopplare integrerad i kretskortet, Fig. 2 visar ett alternativt utförande av uppfinningen, och 10 15 20 25 30 35 527 342 5 Fig. 3 visar ett blockdiagram visande ett utförande av en induktiv kretskortskopplare för användning i en PLC-applikation.

Detaljerad beskrivning av utföringsexemplen En lösning för modulerlng/demodulering av en AC kraftledning med en överliggande kommunikationssignal som använder en lág dämpande induktivkoppling mellan signalkällan och AC-ledningen beskrives i det följande detaljerad på beskrivning.

Som framgår av Fig. 1 a och 1b består ett kretskort 101 eller en bärarstruktur av vilken typ som helst lämplig för att bära elektriska komponenter eller ledare, av en primär lindning 102 och en sekundär lindning 103. Lindningarna är uppbyggda genom ett eller flera ledande lager på kretskortet. Den sekundära lindningen 103 består av första och andra distanserade delar 103a och 103b. Den sekundära lindningen 103 kan placeras innanför den primära lindningen 102 på en eller flera nivàeri kretskortet 101 vid användning av ett flerlagerskort eller flera kretskort. Kretskortet innefattar dessutom ett eller flera hål eller öppningar 105 vid huvudsakligen mitten av de tvâ lindningarna 102 och 103. En ferrit (eller liknande magnetisk) kärna 104 är monterad genom hålen och utgör således tillsammans med lindningarna en kopplare/avkopplare för att förbättra transformatorns kopplingseffektivitet. Denna transformator används för att isolera kommunikationssignalsgenererande utrustning från en AC-ledning och underlätta överlagring av en modulerad kommunikationssignal pà AC-ledningen.

Den primära lindningen 102 är ansluten till en kraftledning och den sekundära lindningen 103 till en signalledning.

I fallen med Fig. 1a och 1b används en huvudsakligen cirkulär magnetkärna 104.

För att kunna montera den magnetiska kärnan 104 delas den i två eller flera delar och vid montering pà kretskortet fästes delarna samman, t.ex. medelst lim eller pà annat sätt. Företrädesvis kan sammanfästningen av kämdelarna ske i närheten av hålen i kretskortet för en enkel installation.

Den magnetiska kärnan 104 ger en effektiv koppling mellan de två lindningarna och som i en normal transformatorkoppling och därför är kärnan 104 med fördel monterad 10 15 20 25 30 35 i 527 342 6 pà kretskortet på ett sådant sätt att benen av kärnan 104 passerar genom öppningarna. Den primära ledningen 102 och den sekundära 103 omger med fördel kärnans ben för att ge en effektiv induktiv koppling. Kärnan kan vara av ferrit eller annan lämplig typ som väl förstås av en fackman.

Fördelama med att använda denna konstruktion med en integrerad ferrit eller annan magnetisk kärna pà ett kretskort, med primära och sekundära lindningarna, är t.ex. lätt och kostandseffektivt produktion, enkel montering och att resultatet är en effektiv transformatorkopplare mellan AC-ledningen och den högfrekvens modulerade kommunikationssignalen.

De primära 102 och sekundära 103 lindningarna kan utfonnas på olika kretskort och kretskorten kan monteras samman pà ett sådant sätt att de två lindningarna placeras i närheten av varandra. De två kretskorlen kan sandwichlamineras.

Det ledande lagret på kretskortet kan bestå av vilken lämplig typ som helst men med fördel tillverkas av koppar, aluminium eller liknande högt elektriskt ledande material.

Fig. 2A och 2B visar ett annat utförande av uppfinningen. l vilket två väsentligen cirkulära ferriter 204a och 204b är anordnade pà olika sidor av kretskortet och fästa samman medelst fästorgan 2041a och 2041b. Fästorganen är tillverkade av samma material som kärnan och tillsammans med ferriten utgör kärnan. Även detta utförande består av primära och sekundära lindningar kopplade till kraftledningen resp. signalledningen.

I Fig. 3 visas ett exempel på en applikation för den föredragna uppfinningen för ett kraftledningskommunikationssystem. En signalledning 303 som bär data signaler anslutes till en sekundär lindning 303 kring en primär lindning 302 ansluten till kraftledningen. Lindningarna är utformade på ett kretskort medelst ett ledande lager.

Kommunikationssignalen är överlagrad på signalen i den primära lindningen 302, i detta fall en AC-kraftledning. Kärnan 304 som ör monterad pà kretskortet underlättar kopplingen. Ett valfritt filter eller EMC/EMI avskärmning 307 kan kopplas till den primära kretsen 302 och även en valfri kapacitans kan också kopplas mellan de två ledningarna (fas och neutral) iden primära kretsen 302 sá som visas i det schematiska blockdiagrammet i Fig. 3. Den kombinerade AC kraftspänningen och 10 15 20 25 30 35 527 342 7 kommunikationssignalen är vidare kopplad/avkopplad till/fràn kraftledningens ledningssystem 308.

Kretskorten 101, 201 kan användas som en del av ett modem och kopplas inne i ett hölje eller hus (ej visat) av säkerhets- och estetiska skäl. Detta hölje har även en huvudledningskontakt, d.v.s. nàgra kopplare anslutande anordningen till kraftledningen pà ett lämpligt sätt och en kommunikationssignalkontakt innefattande, men inte begränsad till, en Ethernet-kontakt (RJ45 eller liknande) eller USB-kontakt (Univeral Serial Bus kontakt) för kommunikation med externa enheter innefattande, men ej begränsad till, en persondator eller liknande datoranordning.

Ovannämnd anordning kan även användas i applikationer där ett antal sensorer är anslutna till en kraftledning och sensorsignalerna och mätningarna överföres på kraftledningen till en central inforrnationsgenererande anordning. Detta kan t.ex. vara en applikation för automatisk fjär elmätare hemma eller vid industrier, vilket underlättar dagens ofta manuella avläsnlngar av elmätare. Lagstiftningen i många länder riktar dessutom beaktande till sådana lösningar där automatisk avläsning av elmätarna är av intresse.

Den modulerade kommunikationssignalen kan genereras medelst standard utrustning och teknik kända för en fackman och kommer inte att visas i denna illustration eller diskuteras i detta dokument. Alla typer av frekvensmodulationssystem kan också användas. lett kraftledningskommunikationssystem kan den modulerade kommunikationssignalen matas ett kommunikationsmodem och kopplings- /avkopplingsanordningen kan införlivas i ett kommunikationsmodem eller vilken annan lämplig kommunikationsanordning som helst. l ett komplett kommunikationssystem är kopplings-/avkopplingsanordningen ansluten till ett kommunikationsmodem, vilket l sin tur är anslutet till en datorenhet eller någon signalgenererande/-konsumerande anordning såsom, men ej begränsad till, en persondator, elmätare eller en hushàllsapparat. Kopplings-/avkopplingsanordningen anslutes till en kraftledning genom en kraftledningsanslutning i enlighet med lokala bestämmelser.

Kommunikationssignalen kan krypteras och har ingen betydelse för uppfinningen. i 527 342 Det bör förstås att ovannämnda utföranden är givna endast för illustrativa ändamål och ska inte begränsa föreliggande uppfinning, men det borde vara uppenbart att andra modifikationer och variationer kan framställas utan att avlägsnas från uppflnningens skyddsomfáng som framlägges i följande krav.

Claims (21)

1. 0 15 20 25 30 5277542 PATENTKRAV .

2. En signalkopplings-l- avkopplingsanordning för koppling/avkoppling av en signal till/fràn en AC-kraftledning, kännetecknad av, att anordningen innefattar: - en bärarstruktur (101, 201) innefattande en första och en andra sida, - ett första ledande lager (102, 202, 302) för en AC-kraftledning som har en första lindning anordnad pà nämnda bärarstruktur, - ett andra ledande lager (103, 203, 303) för signalledning innefattande en andra lindning anordnad på nämnda bärarstruktur, - hål som sträcker sig från nämnda första sida till nämnda andra sida, och - en första magnetisk kärndel som sträcker sig i nämnda hàl och ansluten till en andra magnetisk kärndel, vilka magnetiska kämdelar formar en väsentligen sluten magnetisk krets (104, 204, 304). .

3. Anordning enligt krav 1, vari nämnda bärarstruktur är ett kretskort (101, 201). _ Anordning enligt krav 2, vari nämnda kretskort (101, 201) är ett flerlagers kort. .

4. Anordning enligt nàgot av kraven 1-3, vari nämnda andra ledande lager (103, 203, 303) är anordnat mellan nämnda första och nämnda andra sida. .

5. Anordning enligt något av kraven 1-3, vari nämnda första ledande lager (102, 202, 302) är anordnat mellan nämnda första och/eller andra sida. .

6. Anordning enligt något av föregående krav, vari nämnda signal är en AC- modulerad signal. .

7. Anordning enligt nàgot av föregående krav, dessutom innefattande åtminstone en kontakt för anslutning av nämnda kommunikationssignal till nämnda andra ledande lager 10 15 20 25 30 35 527 342 /Û

8. Anordning enligt något av föregående krav, dessutom innefattande en kraftledningskontakt för anslutning av nämnda kraftledning till nämnda första ledande lager.

9. Anordning enligt något av föregående krav anordnad inne i ett hölje.

10. Ett system för kommunikation av data över en AC-kraftledning kännetecknat av att systemet innefattar: en kopplings-lavkopplingsanordning innefattande: - ett första ledande lager (102, 202, 302) för en AC-kraftöverföring anordnat i ett första plan av en bärarstruktur, - ett andra ledande lager (103, 203, 303) för signalöverföring anordnat i ett andra plan av en bärarstmktur, - ett hål i nämnda bärarstruktur eller strukturer, - en del av nämnda första och andra ledande lager (102, 202, 303, 103, 203, 303) omgivande åtminstone delvis nämnda hål, och - en första magnetisk kårndel som sträcker sig i nämnda hål och ansluten till en andra magnetisk kärndel, vilka magnetiska kårndelar formar en väsentligen sluten magnetisk krets (104, 204, 304), och - en kommunikationsanordning ansluten till nämnda kopplings/avkopplingsanordning.

11. Ett system enligt krav 10, dessutom innefattande ett EMC-/EMl-filter (307) anordnat i nämnda kopplings-/avkopplingsanordning.

12. Ett system enligt krav 10, dessutom innefattande en kommunikationskontakt.

13. Ett system enligt krav 10, dessutom innefattande en kraftledningskontakt.

14. Ett system enligt krav 10, dessutom innefattande en datorenhet ansluten till nämnda kommunikationsanordning.

15. En metod för att producera en anordning för effektiv koppling/avkoppling av en kommunikationssignal till/från en AC-kraftledning, vilken metod innefattar följande steg: 10 15 20 25 30 35

16.

17.

18.

19.

20.

21. 527 342 // - utforma ett första ledande lager (102, 202, 302) för AC kraftöverföring lett första plan i en bärarstruktur, - utforma ett andra ledande lager (103, 203, 303) för signalöverföring i ett andra plan i en bärarstruktur, - utforma hål (105, 205) i nämnda bärarstruktur eller strukturer, och - montera en första magnetisk kärndel som sträcker sig i nämnda hål och kontaktar en andra magnetisk kärndel, vilka magnetiska kämdelar utformar en del av en väsentligen sluten krets (104, 204, 304). Metod enligt krav 15 dessutom innefattande steget att utforma nämnda andra ledande lager i nämnda bärarstruktur. Metod enligt krav 15 dessutom innefattande steget att utforma nämnda första ledande lager externt på nämnda bärarstruktur. Metod enligt krav 15 dessutom innefattande steget att montera en kommunikationskopplare till nämnda andra ledande lager. Metod enligt krav 15 dessutom innefattande steget att montera en kraftledningskopplare till nämnda första ledande lager. Metod enligt något av kraven 15-19 dessutom innefattande steget att montera nämnda anordning i ett hölje. En metod för att förbättra koppling/avkoppling av signaler till en AC-kraftledning innefattande stegen att: tillhandahålla en koppling/avkopplingsanordnig innefattande en bärarstruktur (101 ,201) som har en första och en andra yta, ett första ledande lager (102, 202, 302) för en AC-kraftledning med en första lindning anordnad på nämnda bärarstruktur, en andra ledande struktur (103, 203, 303) för signalledning med en andra lindning anordnad pä nämnda bärarstruktur, hål som sträcker sig frán nämnda första yta till nämnda andra yta, och en första magnetisk kärndel som sträcker sig i nämnda hål och ansluten till en andra magnetisk kärndel, vilka magnetiska kärndelar formar en väsentligen sluten magnetisk krets (104, 204, 304); 527 342 h? överföra eller mottaga en modulerad signal, indikativ av kommunikationssignaler, pà nämnda andra ledande lager (103, 203, 303) vilken modulerad signal överligger pà nämnda kraftledning, och förbättra koppling eller avkoppling av nämnda signal mellan nämnda AC-kraftledning och signalledning medelst nämnda magnetiska krets.