WO2016037881A1 - Anordnung und verfahren zur galvanisch getrennten energieübertragung - Google Patents

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WO2016037881A1
WO2016037881A1 PCT/EP2015/069841 EP2015069841W WO2016037881A1 WO 2016037881 A1 WO2016037881 A1 WO 2016037881A1 EP 2015069841 W EP2015069841 W EP 2015069841W WO 2016037881 A1 WO2016037881 A1 WO 2016037881A1
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waveguide
dielectric
arrangement according
arrangement
decoupling
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Application number
PCT/EP2015/069841
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik ERGIN
Dennie Lange
Sebastian Martius
Benjamin Sewiolo
Andreas Ziroff
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to US15/509,332 priority patent/US9876263B2/en
Priority to CN201580060581.0A priority patent/CN107078371B/zh
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/16—Dielectric waveguides, i.e. without a longitudinal conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for galvanically separated energy transmission according to the preamble of claim 1, as well as a method for galvanically isolated energy transmission according to the preamble of claim 12.
  • These components may e.g. Switching elements, electronic modules or measuring points, which must be isolated against ground potential.
  • the energy transfer takes place mainly wirelessly, for example via the so-called “Radio Frequency Identification (RFID)” technology or optical fiber.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • the received power is well below one watt, mostly in the 10 OmW range. This is due to the fact that the diode-based rectifiers used for this purpose have limitations with regard to current and voltage peaks as well as heat dissipation. For this reason, only the supply of a consumer with low power consumption is possible.
  • the object of the invention is to provide a method and an arrangement which overcome the disadvantages of the aforementioned solutions.
  • This object is achieved by an arrangement for galvanically separated energy transmission according to the features of claim 1 and by a method for galvanically isolated energy transmission according to the features of claim 12.
  • the arrangement according to the invention for galvanically separated energy transmission with voltages in the high-voltage range is designed in such a way that the energy transmission takes place through a dielectric waveguide. This ensures that the received power, that is the pre-consumer ⁇ scheduled performance, namely up to 10 watts or higher, is significantly higher than the prior art allows.
  • the use of the dielectric waveguide according to the invention also offers the possibility of supplying several consumers in such a way that the power is divided between them.
  • the dielectric waveguide is preferably designed such from ⁇ that it comprises at least a first rectifier device and at least a second rectifying means a functional connection in such a way that the first rectifier means on the input side to a verorteten along the length of the waveguide first Auskop ⁇ pelstelle along the Length of the dielectric waveguide has a conductive connection and the second rectifier ⁇ ter realized input side to a located along the length of the waveguide second decoupling a leit ⁇ de compound and the signal input of Wellenlei ⁇ ters and each other have a distance.
  • the dielectric waveguide at least one electrically insulating shield device is arranged, the creep ⁇ distance so-called, so the path from caused usually of environmental influences, in particular on the surface of Dielektri ⁇ Kums extending, electric currents prolongs and thereby minimize the loss.
  • the training can, in such a way that the insulating From ⁇ tungsUNE is designed such that its dielectric constant is smaller than the dielectric ⁇ constant of the dielectric waveguide and is mounted directly on the waveguide, preferably be used.
  • the low dielectric constant ensured here that the directly attached to shield means does not, at least not disturbing influences the egg ⁇ properties of the dielectric waveguide.
  • the insulating shield device is arranged such that a space between the dielectric -Create Wel ⁇ lenleiter and the shield means the distance exists. This will be particularly advantageous if the dielectric constant of the shielding device is greater than or equal to the dielectric constant of the dielectric waveguide.
  • this space is filled with particular egg ⁇ nem solid, liquid or gaseous insulating medium, in particular having a dielectric constant that is lower than the dielectric constant of the dielectric waves ⁇ conductor, as in the rule room will be available and a corresponding filling can be used advantageously in the rule.
  • egg ⁇ nem solid, liquid or gaseous insulating medium in particular having a dielectric constant that is lower than the dielectric constant of the dielectric waves ⁇ conductor
  • the waveguide is formed from at least one square and / or round, rod-shaped body. This is advantageous, for example, since it is well researched and thus easy to model with regard to optimum function, in particular transmission values.
  • the dielectric waveguide is formed from materials, in particular aluminum oxide or Teflon, with a dielectric constant> 1.
  • the energy is transmitted via a dielectric waveguide.
  • the inventive method sets by its features the basis for the development of the advantages of the erfindungsge ⁇ Permitted arrangement and its developments.
  • FIG. 2 shows a simplified circuit representation of an exemplary embodiment of the invention in a preferred field of use
  • FIG. 1 shows two of the possible configurations of the dielectric conductor.
  • RECTANGULAR are both rod-shaped in the length drawn solid body ⁇ , wherein the first embodiment variant CYLINDRICAL has a round cross-section, while the second Ausure ⁇ tion variant has a rectangular cross-section.
  • the shown rod-shaped solid body CYLINDRICAL and RECTANGULAR can also be formed by stringing together to form a longer overall construct.
  • FIG. 2 shows a simplified circuit diagram of an exemplary embodiment of the arrangement according to the invention, which also reproduces an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • the illustrated inventionsbei ⁇ game be developed such that the frequencies of the high frequency signal in the ISM band 2.45 GHz and 5.8 GHz are located. Furthermore, it is advantageous to use a material with a low tan ⁇ in such a frame of the transmission frequency for efficient energy transmission.
  • the dielectric constant s r is set as high as possible.
  • Example ⁇ materials, with which this development of the invention is achieved, are aluminum oxide or Teflon.
  • the dielectric waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER shown in the exemplary embodiment has the property of supplying not only one consumer ENDGER, but several, since, according to the invention, power can already be coupled out before the end of the conductor and fed to another consumer.
  • this arrangement has the property that not only an energy required for switching can be transmitted, but also data such as Zeitinforma ⁇ tion, since this is the high-frequency electrical signals of the RF source HF_SIGNAL_GENERATOR can be used.
  • this bar both power and a communication signal, for example, can transmit the timing signal at the same time via the electromagnetic wave, the rod via a so-called.
  • Waveguide transition SHAFT guide coupling is Example ⁇ example via a coaxial cable also microstrip line or similar this function Providing facilities to the frequency generator (signal source)
  • FIG. 3 shows embodiments according to the invention shown on an excerpt from the preceding illustration, which result as a further advantage of the dielectric waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER and lie therein. that the dielectric waveguide DIELECTRIC WAVEGUIDE can technically not only play out its conductor property between its two end points, but that it can also be used to transmit it one-to-one with only a single conductor.
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER has on the left side of the figure, removed and fed via a rectifier device RECTIFIER to the respective consumer or in the simplest case without the material of the waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER to structure, in conjunction with metallic conductor structures, can be coupled.
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER dielectric waveguide may be at different electrical potential and are due to the dielectric waveguide's insulating properties
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER (equal) voltage decoupled from each other.
  • the potential differences occurring in principle can be very large and can be achieved by design measures even under conditions of use.
  • the energy transported in the waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER decreases according to the decoupled power.
  • the weaker from the wave feed hereafter considered first output to perform later than the following (represented by the smaller dimension of the slot or the opening), for example to realize that at all decoupling points the removed Performance is the same value if desired.
  • W watt
  • the first coupling for example in the ratio of the dimension to each other 1/3, the second 1/2 and the third 1 should be.
  • FIG. 4 shows embodiments which further develop the invention in such a way that they lengthen the so-called creepage distance between HV potential and GND potential (see FIG.
  • the waveguide with umbrellas. That for example, to be sheathed by an insulator.
  • This variant can be seen in the figure 4 on the left side.
  • HIGH VOLTAGE_I SOLATOR can, if the s r of the insulator
  • HIGH VOLTAGE_I SOLATOR is small compared to that of the waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER and therefore the properties are not affected, directly at the waveguide
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER (not shown) may be appropriate. If the screen HIGH VOLTAGE_I SOLATOR as Darge ⁇ represents is located at a certain distance. Since the pipe diameter is larger than the diameter of the waveguide
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER in this space generated by the distance generally a solid, liquid or gaseous insulating medium can be introduced in such a way that the properties of the waveguide
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER which conduct electromagnetic wave in the dielectric, is not affected, but rather the transmission is even optimized.
  • the indicated in the figure 4 on the right side meander structure of the dielectric waveguide
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER extends the path of the creepage path by shaping the waveguide
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER can therefore do without insulator HOCHSPANNUNGS_I SOLATOR.
  • the invention is not limited to thetientsbeispie ⁇ le shown, but rather comprises all of the claims covered embodiments, which use a dielectric waveguide for energy transmission in high-voltage systems (HV environment) instead of an opti ⁇ cal fiber and, inter alia, the beneficial effects unfolded
  • HV environment high-voltage systems
  • Waveguide for the simultaneous removal of Informati ⁇ one (for example, timing signals) at different locations and similar or different services at different potentials are possible, and further improvements of this approach of using the dielekt ⁇ step waveguide for information and / or Leis ⁇ tung transmission in HV environment due to shielding and / or meander structure can be used to generate microwave power in the range of a few watts and this with low hardware costs, which also applies to the transmission of the power with the dielectric conductor,
  • the waveguides are also inexpensive if they are manufactured by plastic injection molding or extrusion. If they are made of ceramics, eg aluminum oxide, Manufactured, the waveguide can be used at the same time for the Entvetin of circuit parts, as well as given that redundancy concepts are realized very easily, for example, if necessary, two or more n high-frequency sources on the source side simultaneously on the waveguide and / or outcoupling if necessary, two or more more independent coupler can be realized, all of which remove the required operating power and the timing signal independently from the Wel ⁇ lenleiter.

Landscapes

  • Waveguides (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)
  • Waveguide Connection Structure (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung, bei denen die Energie über einen dielektrischen Wellenleiter übertragen wird.

Description

Beschreibung
Anordnung und Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Es ist allgemein bekannt, dass in energietechnischen Anlagen Komponenten angesteuert und mit Energie versorgt werden müs¬ sen. Hierbei muss sichergestellt sein, dass Systemkomponenten gegen ein Hochspannungspotential isoliert sind, weshalb ein galvanisch getrennter Aufbau notwendig wird.
Diese Komponenten können z.B. Schaltelemente, Elektronik- Baugruppen oder Messstellen sein, welche gegen das Erdpotenzial isoliert werden müssen. Die Energieübertragung erfolgt dabei vor allem drahtlos, beispielsweise über die so genannte „Radio Frequency Identification (RFID) " Technologie oder über Lichtwellenleiter .
Die empfangene Leistung liegt dabei deutlich unter einem Watt, zumeist im 10 OmW-Bereich . Dies liegt daran, dass die hierfür genutzten diodenbasierten Gleichrichter bzgl. Strom- und Spannungsspitzen sowie Entwärmung Limitierungen aufweisen. Aus diesem Grund ist lediglich die Versorgung eines Verbrauchers mit geringer Leistungsaufnahme möglich.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die die Nachteile der vorgenannten Lösungen überwinden. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12. Die erfindungsgemäße Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung mit Spannungen im Hochvoltbereich ist derart ausgestaltet, dass die Energieübertragung durch einen dielektrischen Wellenleiter erfolgt. Hierdurch wird erreicht, dass die empfangene Leistung, also die für Verbraucher vorge¬ sehene Leistung deutlich höher, nämlich bis zu 10 Watt oder höher, ist, als es der Stand der Technik ermöglicht. Der erfindungsgemäße Einsatz des dielektrischen Wellenleiters bietet auch die Möglichkeit, mehrere Verbraucher derart zu versorgen, dass die Leistung auf sie aufgeteilt wird. Hierzu wird vorzugsweise der dielektrische Wellenleiter derart aus¬ gestaltet, dass er mit mindestens einer ersten Gleichrichter- einrichtung und mindestens einer zweiten Gleichrichtereinrichtung eine funktionale Verbindung derart aufweist, dass die erste Gleichrichtereinrichtung eingangsseitig zu einer entlang der Länge des Wellenleiters verorteten ersten Auskop¬ pelstelle entlang der Länge des dielektrischen Wellenleiters eine leitende Verbindung aufweist und die zweite Gleichrich¬ tereinrichtung eingangsseitig zu einer entlang der Länge des Wellenleiters verorteten zweiten Auskoppelstelle eine leiten¬ de Verbindung aufweist und zum Signaleingang des Wellenlei¬ ters sowie zueinander einen Abstand aufweisen. Hiermit wird also als weiterer Freiheitsgrad ein Auskoppeln der übertrage¬ nen Leistung bereits vor dem Ende des dielektrischen Wellenleiters realisiert, wobei die zweite Auskoppelstelle oder ei¬ ne etwaige weitere Auskoppelstelle mit Gleichrichtereinrich¬ tung am Ende angeordnet sein kann. Durch die unterschiedli- chen Abstände wird dabei die Aufteilung der Leistung erzeugt, die dann über die Gleichrichtereinrichtung an den jeweiligen Verbraucher weitergegeben wird.
Will man eine l:n Leistungsteilung realisieren, wobei n die Anzahl der Verbraucher/Auskoppelstellen ist, ist es daher von Vorteil, wenn die Anordnung derart weitergebildet ist, dass die Ausgestaltung der Auskopplung der ersten Auskoppelstelle und/oder der Abstand der ersten Auskoppelstelle zum Signal- eingang des Wellenleiters und die Ausgestaltung der Auskopp¬ lung der ersten Auskoppelstelle und/oder der Abstand der ersten Auskoppelstelle zum Signaleingang des Wellenleiters der¬ art zueinander variiert ausgestaltet sind, dass der Wert ei- ner an der ersten und zweiten Auskoppelstelle entnommenen Leistung gleich ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen erhält man, wenn bei einer Weiterbildung, bei der die funktionale Verbindung als am Abstand verortete zur Auskopplung von Leistung ausgestaltete Löcher, Schlitze und/oder an der Auskoppelstelle angebrachte Leiter¬ strukturen ausgebildet sind. Diese Ausbildungen sind insbe¬ sondere für die genannte Variation der Auskopplung besonders geeignet .
Durch eine Weiterbildung derart, dass am dielektrischen Wellenleiter mindestens eine elektrisch isolierende Abschirmungseinrichtung angeordnet ist, wird die so genannte Kriech¬ strecke, also der Weg von in der Regel von Umwelteinflüssen verursachten, insbesondere auf der Oberfläche des Dielektri¬ kums verlaufenden, elektrischen Strömen, verlängert und hierdurch der Verlust minimiert.
Beispielsweise, um die Dimension der Anordnung klein zu hal- ten, kann die Weiterbildung, derart, dass die isolierende Ab¬ schirmungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass dessen Dielektrizitätskonstante kleiner ist als das Dielektrizitäts¬ konstante des dielektrischen Wellenleiters und unmittelbar am Wellenleiter angebracht ist, vorteilhaft eingesetzt werden. Die geringe Dielektrizitätskonstante gewährleistet dabei, dass die direkt angebrachte Abschirmungseinrichtung die Ei¬ genschaften des dielektrischen Wellenleiters nicht, zumindest nicht störend, beeinflusst. Alternativ kann es von Vorteil sein, die Erfindung derart weiterzubilden, dass die isolierende Abschirmungseinrichtung derart angeordnet ist, dass zwischen dem dielektrischen Wel¬ lenleiter und der Abschirmungseinrichtung ein Raum erzeugen- der Abstand besteht. Dies wird insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Dielektrizitätskonstante der Abschirmungseinrichtung größer oder gleich der Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Wellenleiters ist.
Alternativ oder ergänzend ist es von Vorteil, die Erfindung derart weiterzubilden, dass dieser Raum mit insbesondere ei¬ nem festen, flüssigen oder gasförmigen Isolationsmedium, insbesondere mit einer Dielektrizitätskonstante, die niedriger als die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Wellen¬ leiters ist, gefüllt ist, da in der Regel Raum vorhanden sein wird und eine entsprechende Füllung in der Regel vorteilhaft eingesetzt werden kann. Beispielsweise, weil sie ebenso wie die anderen Weiterbildungen zusätzliche Freiheitsgrade zur Einstellung eines optimalen Verhaltens der Übertragung liefert .
Vorzugsweise ist der Wellenleiter aus mindestens einem als eckigem und/oder rundem, stabförmigen Körper ausgebildet. Dies ist beispielsweise von Vorteil, da es gut erforscht und somit gut hinsichtlich optimaler Funktion, insbesondere Übertragungswerte, modellierbar ist.
Um beispielsweise neben der Übertragung der Energie bzw. Zur- verfügungstellung elektrischer Leistung auch Datenübertragung, wie beispielsweise Übertragung von Timinginformationen, zu realisieren, ist es von Vorteil, die Weiterbildung vorzusehen, bei der die Anordnung derart ausgestaltet ist, dass an einem Ende des dielektrischen Wellenleiters ein so genannter, insbesondere als Koaxialkabel oder Mikrostreifenleiter ausge¬ stalteter, Wellenleiterübergang funktional verbunden ist.
Damit die Übertragung mit hoher Frequenz erfolgen und seine erfindungsgemäße Wirkung, insbesondere im Hochvoltbereich, entfalten kann, wird es von Vorteil sein, die Erfindung dahingehend weiterzubilden, dass der dielektrische Wellenleiter aus Materialien, insbesondere Aluminiumoxid oder Teflon, mit einer Dielektrizitätskonstante > 1 gebildet ist. Durch diese Weiterbildung wird schließlich auch sichergestellt, dass die Effizienz der Energieübertragung weiter erhöht wird, da Ab- strahlung, also ungewollter Leistungsverlust reduziert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung mit Spannungen im Hochvoltbereich wird die Energie über einen dielektrischen Wellenleiter übertragen. Das erfindungsgemäße Verfahren legt durch seine Merkmale die Grundlage zur Entfaltung der Vorteile durch die erfindungsge¬ mäße Anordnung und deren Weiterbildungen.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt die
Figur 1 als Ausführungsbeispiele erfindungsgemäße Ausge¬ staltungen des dielektrischen Wellenleiters,
Figur 2 eine vereinfachte schaltungstechnische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in einem bevorzugten Einsatzgebiet,
Figur 3 als Ausführungsbeispiele zwei Varianten für eine
Auskoppelanordnung gemäß Weiterbildungen der Erfindung,
Figur 4 als Ausführungsbeispiel zwei Varianten der Verlän¬ gerung der Kriechstrecke gemäß Weiterbildungen der Erfindung .
In Figur 1 sind zwei der möglichen Ausgestaltungen des dielektrischen Leiters dargestellt. Eine erste Ausführungsvari¬ ante CYLINDRICAL und eine zweite Ausführungsvariante
RECTANGULAR sind beides stabförmig in die Länge gezogene mas¬ sive Körper, wobei die erste Ausführungsvariante CYLINDRICAL einen runden Querschnitt aufweist, während die zweite Ausfüh¬ rungsvariante einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Die gezeigten stabförmigen massiven Körper CYLINDRICAL und RECTANGULAR können dabei auch durch Aneinanderreihen zu einem längeren Gesamtkonstrukt gebildet werden.
In der Figur 2 ist eine vereinfachte schaltungstechnische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zu sehen, welche auch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt.
Zu erkennen ist eine Energieübertragungsanordnung in einem Hochspannungs- (Hochvolt-, HV-) System, welche ausgehend von einem Hochfrequenzsignalgenerator HF_SIGNAL_GENERATOR über einen Hochfrequenzverstärker HF_VERSTÄRKER unter Nutzung eines dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER die galvanische Trennung und Übertragung der Energie zu einer Gleichrichtereinrichtung GLEICHRICHTER derart bereitstellt, dass die per Wellenleiter übertragene Energie einer Gleichrichtung unterworfen wird, so dass die der Gleichrichtereinrichtung entnehmbare gleichgerichtete, also als Gleichspan¬ nung vorliegende, Spannung einem an einer Hochspannungslei- tung (HV Leitung) anliegenden Endgerät ENDGERÄT verfügbar ist .
Um die Effizienz der elektronischen Bauteile möglichst hoch zu halten und aufgrund von regulatorischen Bedingungen bzgl. des Abstrahlverhaltens kann das dargestellte Ausführungsbei¬ spiel derart weitergebildet sein, dass sich die Frequenzen des Hochfrequenzsignals im Rahmen des ISM-Bandes 2,45 GHz und 5,8 GHz befinden. Ferner ist es von Vorteil, wenn man zur effizienten Energieübertragung ein Material mit einem niedrigen tan δ in einem solchen Rahmen der Übertragungsfrequenz verwendet .
Um den Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER möglichst kompakt zu halten und die Abstrahlung zu minimieren, ist die Dielektrizitätskonstante sr möglichst hoch gewählt. Beispiel¬ materialien, mit denen diese erfindungsgemäße Weiterbildung erreicht wird, sind Aluminiumoxid oder Teflon. Bei dem gezeigten Beispiel wird deutlich, dass es durch die Erfindung möglich wird, anstelle durch mehrere unabhängige Lichtwellenleiter, durch einen Wellenleiter Energie zu übertragen. Dabei birgt der im Ausführungsbeispiel gezeigte di- elektrische Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER die Eigenschaft, nicht nur einen Verbraucher ENDGERÄT zu versorgen, sondern mehrere, da erfindungsgemäß vor dem Ende des Leiters DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER bereits Leistung ausgekoppelt und einem weiteren Verbraucher zugeführt werden kann.
Zusätzlich birgt diese Anordnung die Eigenschaft, dass sich nicht nur eine zum Schalten benötigte Energie übertragen werden kann, sondern auch Daten wie beispielsweise Zeitinforma¬ tion, da hierfür die hochfrequenten elektrischen Signale der HF-Quelle HF_SIGNAL_GENERATOR genutzt werden kann.
Dies ist eben möglich, da der dargestellte dielektrische Wel¬ lenleiter erfindungsgemäß eingesetzt wird, in dem er elektro¬ magnetische Wellen hoher Frequenz im mm-Wellen oder Mikrowel- lenbereich in einem runden oder eckigen (vgl. Figur 1) stab- förmig ausgeführten Material mit einer Dielektrizitätskons¬ tante > 1 führt .
Damit dieser Stab über die elektromagnetische Welle gleich- zeitig sowohl Energie als auch ein Kommunikationssignal, z.B. das Timing-Signal , übertragen kann, wird der Stab über einen sog. Wellenleiterübergang WELLENLEITEREINKOPPLUNG, beispiels¬ weise über ein Koaxialkabel, auch Mikrostreifenleitung oder ähnliche diese Funktion zur Verfügung stellenden Einrichtun- gen, an den Frequenzgenerator (Signalquelle)
HF_SIGNAL_GENERATOR mit geeignet gewählter und modulierbarer Ausgangsleistung des Frequenzgenerators HF_SIGNAL_GENERATOR angeschlossen . In Figur 3 sind an einem Auszug der vorhergehenden Darstellung dargestellte erfindungsgemäße Weiterbildungen zu sehen, die sich als ein weiterer Vorteil des dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER ergeben und darin liegen, dass der dielektrische Wellenleiter DIELEKTRISCHER WELLENREITER seine Leitereigenschaft technisch nicht nur zwischen seinen zwei Endpunkten ausspielen kann, sondern sich auch mit ihm eine l:n Übertragung mit nur einem einzigen Lei- ter durchführen lässt.
Dies kann so ausgeführt sein, dass das Signal aus dem Wellen¬ leiter über Löcher, wie sie der dielektrische Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER auf der rechten Seite aufweist, oder Schlitze, wie sie der dielektrische Wellenleiter
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER auf der linken Seite der Figur aufweist, entnommen und über eine Gleichrichtereinrichtung GLEICHRICHTER zu dem jeweiligen Verbraucher zugeführt wird oder im einfachsten Fall ganz ohne das Material des Wellenleiters DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER zu strukturieren, in Verbindung mit metallischen Leiterstrukturen, ausgekoppelt werden kann.
Diese, an verschiedenen Punkten auf dem dielektrischen Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER verorteten Auskopplungen für die Feldenergie können auf unterschiedlichem elektrischem Potential liegen und sind aufgrund der Isolationseigenschaften des dielektrischen Wellenleiters
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER (gleich- ) spannungsmäßig voneinander entkoppelt. Die dabei auftretenden Potentialdifferenzen können prinzipbedingt sehr groß sein und durch konstruktive Maßnahmen auch unter Anwendungsbedingungen erreicht werden.
Durch das Vorhandensein mehrerer Auskoppelstellen entlang des Wellenleiters DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER sinkt die im Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER transportierte Energie entsprechend der ausgekoppelten Leistung ab. Hierfür sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, die von der Welleneinspeisung (in der Figur 3 mit den Pfeilen gekennzeichnet) her betrachtet erste Auskopplung schwächer als die später folgenden auszuführen (durch die kleinere Dimension der des Schlitzes bzw. der Öffnung dargestellt), um damit beispielsweise zu realisieren, dass an allen Auskoppelstellen die entnommene Leistung den gleichen Wert aufweist, wenn dies gewünscht ist. Beispielsweise könnte also pro Auskoppelstelle 1 Watt (W) bei einer Signalleistung von insgesamt 3 W entnommen werden, damit muss die erste Auskopplung, beispielsweise im Verhältnis der Dimension zueinander 1/3, die zweite 1/2 und die dritte 1 betragen .
Diese Möglichkeit ist bei Wellenleiterübergängen und Auskopp¬ lungen gemäß der Erfindung im Allgemeinen gegeben und kann zusammen mit der Möglichkeit mehrerer Auskopplungen als wesentlicher Vorteil der dargestellten Ausführungsform angesehen werden.
In Figur 4 sind schließlich Ausgestaltungen dargestellt, die die Erfindung derart weiterbilden, dass sie die so genannte Kriechstrecke zwischen HV-Potential und GND-Potential (vgl. Figur 2) verlängern.
Hierzu gibt es beispielsweise die Möglichkeit, den Wellenlei- ter mit Schirmen zu versehen. D.h. beispielsweise durch einen Isolator zu ummanteln. Diese Variante ist in der Figur 4 auf der linken Seite zu erkennen. Diese Beschirmung
HOCHSPANNUNGS_I SOLATOR kann, falls das sr des Isolators
HOCHSPANNUNGS_I SOLATOR klein gegenüber dem des Wellenleiters DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER ist und somit die Eigenschaften nicht beeinflusst werden, direkt am Wellenleiter
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER (nicht dargestellt) angebracht sein. Wenn sich der Schirm HOCHSPANNUNGS_I SOLATOR wie darge¬ stellt in einem gewissen Abstand befindet. Da der Rohrdurch- messer größer ist als der Durchmesser des Wellenleiters
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER, kann in diesem durch den Abstand erzeugten Raum allgemein ein festes, flüssiges oder gasförmiges Isolationsmedium einbracht werden und zwar derartig, dass die Eigenschaften des Wellenleiters
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER, die elektromagnetische Welle im Dielektrikum zu führen, nicht beeinträchtigt wird, sondern vielmehr die Übertragung sogar noch optimiert wird. Die in der Figur 4 auf der rechten Seite angedeutete Mean- derstruktur des dielektrischen Wellenleiters
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER verlängert den Weg der Kriechstrecke durch Formgebung des Wellenleiters
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER und kann daher auch ohne Isolator HOCHSPANNUNGS_I SOLATOR auskommen.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispie¬ le beschränkt, sondern umfasst vielmehr alle durch die An- sprüche umfassten Ausführungsformen, welche für die Energieübertragung in Hochvoltsystemen (HV-Umfeld) statt einer opti¬ schen Faser einen dielektrischen Wellenleiter verwenden und u.a. die vorteilhaften Wirkungen entfaltet,
• dass eine oder mehr Auskoppelstellen des dielektrischen
Wellenleiters zur gleichzeitigen Entnahme von Informati¬ on (z.B. Timing-Signale) an unterschiedlichen Stellen und gleicher oder unterschiedlicher Leistungen auf verschiedenen Potentialen möglich sind, sowie weitere Verbesserungen dieses Ansatzes der Verwendung des dielekt¬ rischen Wellenleiters zur Informations- und/oder Leis¬ tungsübertragung im HV-Umfeld aufgrund Beschirmung und/oder Meanderstruktur erreicht werden, genutzt wer- den, dass Mikrowellenleistung im Bereich einiger Watt zu erzeugen ist und dies mit geringen Hardwarekosten, was ebenso für die Übertragung der Leistung mit dem dielektrischen Leiter gilt,
• ferner den Vorteil aufweist, dass Toleranzanforderungen bei der Montage entsprechender Komponenten entspannt sind und zudem die Stückelung eines dielektrischen Wellenleiters aus Einzelstäben kürzerer Länge einfach möglich ist und keine anspruchsvollen Fügetoleranzen erfordert,
• dass die Wellenleiter zudem kostengünstig ist, wenn sie durch Kunststoffspritzguss oder Extrusion hergestellt werden. Falls sie aus Keramik, z.B. Aluminiumoxid, ge- fertigt sind, kann der Wellenleiter gleichzeitig zum Entwärmen von Schaltungsteilen eingesetzt werden, sowie ferner gegeben ist, dass Redundanzkonzepte sehr einfach realisiert werden, wenn beispielsweise quellenseitig bei Bedarf zwei oder mehr n Hochfrequenzquellen gleichzeitig auf dem Wellenleiter arbeiten und/oder auskoppelseitig bei Bedarf auch zwei oder mehr unabhängige Koppler realisiert werden, die alle die geforderte Betriebsleistung und das Timingsignal unabhängig voneinander aus dem Wel¬ lenleiter entnehmen.

Claims

Patentansprüche
Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung mit Spannungen im Hochvoltbereich, derart ausgestaltet, dass die Energieübertragung durch einen dielektrischen Wellenleiter erfolgt.
Anordnung derart ausgestaltet, dass der dielektrische Wellenleiter mit mindestens einer ersten Gleichrichtereinrichtung und mindestens einer zweiten Gleichrichtereinrichtung eine funktionale Verbindung derart auf¬ weist, dass die erste Gleichrichtereinrichtung ein- gangsseitig zu einer entlang der Länge des Wellenlei¬ ters verorteten ersten Auskoppelstelle entlang der Länge des dielektrischen Wellenleiters eine leitende Ver¬ bindung aufweist und die zweite Gleichrichtereinrichtung eingangsseitig zu einer entlang der Länge des Wel¬ lenleiters verorteten zweiten Auskoppelstelle eine lei¬ tende Verbindung aufweist und zum Signaleingang des Wellenleiters sowie zueinander einen Abstand aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgestaltung der Auskopplung der ersten Auskoppelstelle zur und/oder der Abstand der ersten Auskoppel¬ stelle zum Signaleingang des Wellenleiters und die Aus¬ gestaltung der Auskopplung der ersten Auskoppelstelle und/oder der Abstand der ersten Auskoppelstelle zum Signaleingang des Wellenleiters derart zueinander variiert ausgestaltet sind, dass der Wert einer an der ers¬ ten und zweiten Ankoppelstelle entnommenen Leistung gleich ist.
Anordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionale Ver¬ bindung als am Abstand verortete zur Auskopplung von Leistung ausgestaltete Löcher, Schlitze und/oder an der Auskoppelstelle angebrachte Leiterstrukturen ausgebil¬ det sind.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am dielektrischen Wellenlei¬ ter mindestens eine elektrisch isolierende Abschir- mungseinrichtung angeordnet ist.
6. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, das die isolierende Abschirmungseinrich¬ tung derart ausgestaltet ist, dass dessen Dielektrizi- tätskonstante kleiner ist als die Dielektrizitätskons¬ tante des dielektrischen Wellenleiters und unmittelbar am Wellenleiter angebracht ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass die isolierende Abschirmungseinrich¬ tung derart angeordnet ist, dass zwischen dem dielekt¬ rischen Wellenleiter und der Abschirmung Raum erzeugender Abstand besteht.
8. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Raum mit, insbesondere einem festen, flüssigen oder gasförmigen, Isolationsmedium, insbesondere mit einer Dielektrizitätskonstante, die niedriger als die Dielektrizitätskonstante des dielekt- rischen Wellenleiters ist, gefüllt ist..
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter aus mindes¬ tens einem als, insbesondere eckigem und/oder rundem, stabförmigen Körper ausgebildet ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des dielektri¬ schen Wellenleiters ein so genannter, insbesondere als Koaxialkabel oder Mikrostreifenleiter ausgestalteter,
Wellenleiterübergang funktional verbunden ist.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Wellenlei¬ ter aus Materialien, insbesondere Aluminiumoxid oder Teflon, mit einer Dielektrizitätskonstante > 1 gebildet ist .
12. Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung, mit Spannungen im Hochvoltbereich, derart ausgestaltet, dass die Energie über einen dielektrischen Wellenleiter übertragen wird.
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