WO2017174354A1 - Übertragungseinrichtung zum übertragen eines wechselspannungssignals - Google Patents

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Frank Freund
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Definitions

  • Transmission device for transmitting an AC voltage signal
  • the invention relates to a transmission device for transmitting an alternating voltage signal according to the preamble of claim 1.
  • Such a transmission device comprises a printed circuit board which extends over a plane of extent on an extent plane.
  • a first electrode which is connected to a first terminal
  • a second electrode which is connected to a second terminal, arranged.
  • a primary-side AC signal can be applied.
  • a third electrode connected to a third terminal and a fourth electrode connected to a fourth terminal are arranged on the printed circuit board. Between the third terminal and the fourth terminal, a secondary-side AC signal can be received.
  • the transmission device serves to transmit a primary-side AC voltage signal, which is applied via the first two terminals, into a secondary-side AC voltage signal.
  • the secondary-side AC voltage signal can be tapped between the third and the fourth terminal to be forwarded and processed, for example, in an electronic device.
  • the transmission device acts capacitively.
  • the primary-side electrodes and the secondary-side electrodes are galvanically separated from each other; Signal transmission occurs by capacitive coupling of the first and second electrodes to the third and fourth electrodes.
  • Such a transmission device may for example be part of a so-called isolation amplifier, which serves, for example, in the context of an industrial plant to connect a first electrical device with a second electrical device to transmit signals from the first electrical device to the second electrical device.
  • the first electrical device may be, for example, a sensor device, for example a temperature sensor, a pressure sensor or a rotational speed sensor, the sensor signals generates and thus indicates a state of an electrical system, an environmental condition or the like.
  • the second electrical device may be a control device which receives and processes the sensor signals, for example in order to generate control signals as a function of the sensor signals, with the purpose of controlling or regulating one or more electrical systems.
  • an isolation amplifier signals are conditioned, for example, filtered, and amplified.
  • an isolation amplifier provides galvanic isolation between a transmitting first electrical device and a receiving second electrical device required to separate a ground loop. Because the first electrical device and the second electrical device may possibly be at different ground potentials, a galvanic separation could lead to a current flow on a signal line between the first electrical device and the second electrical device due to the potential difference, which is the actual signal to be transmitted could disturb. The galvanic separation prevents such a flow of current.
  • Object of the present invention is to provide a transmission device that provides a galvanic isolation, while having a high isolation voltage and can be realized inexpensively. This object is achieved by an article having the features of claim 1.
  • the first electrode and the second electrode viewed along a height direction perpendicular to the extension plane, at a first height
  • the third electrode and the fourth electrode viewed along the height direction, at a second height
  • the transmission device acts capacitively.
  • the primary-side to be transmitted alternating voltage signal between the first terminal and the second terminal and thus applied to the first electrode and the second electrode.
  • a secondary-side AC voltage signal is generated at the third electrode and the fourth electrode, which can be tapped between the third terminal and the fourth terminal and received in this way.
  • the transmission device acts purely capacitively, the primary side (with the primary-side first and second connection) is galvanically isolated from the secondary side (with the secondary-side third and fourth connection).
  • a DC voltage (which can be effected for example by a potential difference between the primary side and the secondary side) is thus not transmitted via the transmission device.
  • About the transmission device only AC signals are transmitted.
  • the primary-side electrodes and the secondary-side electrodes may face each other in pairs.
  • the third electrode may be associated with the first electrode and opposed to the first electrode when viewed along the height direction.
  • the fourth electrode may be assigned to the second electrode and opposed to the second electrode as viewed along the height direction. The first electrode and the third electrode as well as the second electrode and the fourth electrode are thus capacitively coupled to each other so that a primary-side alternating voltage signal applied between the first electrode and the second electrode is transmitted to a secondary-side alternating voltage signal applied between the third electrode and the fourth electrode becomes.
  • the first electrode is preferably spaced along a transverse direction transverse to the height direction to the second electrode by a distance.
  • the third electrode is spaced from the fourth electrode along the transverse direction.
  • the third electrode preferably lies opposite the first electrode and the fourth electrode faces the second electrode.
  • the electrodes of the transmission device are arranged on the printed circuit board.
  • the electrodes are in this case preferably square or rectangular surface elements made of a metal material, for example copper.
  • the the electrodes realizing surface elements extend in planes parallel to the plane of extension of the circuit board.
  • the electrodes are embedded in the printed circuit board.
  • the printed circuit board is formed, for example, in multiple layers from dielectric, electrically insulating layers of the same material or different materials.
  • the first electrode and the second electrode are arranged, for example, between a first dielectric layer and a second dielectric layer of the printed circuit board.
  • the first electrode and the second electrode are thus in an intermediate position between the first dielectric layer and the second dielectric layer of the printed circuit board.
  • the third electrode and the fourth electrode lie between the second dielectric layer and a third dielectric layer of the printed circuit board, that is, they are in an intermediate position between the second dielectric layer and the third dielectric layer.
  • the second dielectric layer thus forms a layer between the first electrode and the second electrode on the one hand and the third electrode and the fourth electrode on the other hand.
  • the first electrode and the second electrode are concealed toward the outside by means of the first dielectric layer, while the third electrode and the fourth electrode are covered to the outside by means of the third dielectric layer.
  • a fifth electrode connected to the first connection and a sixth electrode connected to the second connection may additionally be provided, which are arranged together on a third height (different from the first height and the second height).
  • a third height different from the first height and the second height.
  • the third electrode is disposed between the first electrode and the fifth electrode and the fourth electrode is disposed between the second electrode and the sixth electrode. Because the first electrode and the fifth electrode are connected to the first terminal, the (primary-side) potential of the first terminal is applied to these electrodes. Due to the fact that the second electrode and the sixth electrode are also connected to the second terminal, the (primary-side) potential of the second terminal is applied to these electrodes.
  • this primary side AC signal is transferred to a secondary AC signal between the third electrode and the fourth electrode connected between the third terminal and the fourth electrode fourth connection can be tapped.
  • the electrode may be electrically shielded outwardly to make the transmission device less susceptible to interference and also to radiate electrical signals to improve electromagnetic compatibility (EMC).
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the printed circuit board can be metallized on an outer side, for example in a region in which the electrodes are embedded in the printed circuit board (for example with a copper material), so that the printed circuit board is at least partially covered with an electrically conductive material.
  • the screen surfaces cover the outer sides of the printed circuit board, while the electrodes are embedded in the interior of the printed circuit board.
  • the transmission device can, in one embodiment, also have a filtering function.
  • a resistance element can be connected to a primary-side connection or to both primary-side connections (serially). In this way, the transmission device receives transmission characteristics of a low-pass filter.
  • a resistance element parallel can be connected to a secondary-side connection or to both secondary-side connections, so that the transmission device receives (additionally or alternatively) transmission properties of a high-pass filter. If both a resistance element on the primary side and a resistance element on the secondary side, the transmission device has the characteristic of a bandpass filter which passes signals in a defined frequency band but filters out other signals.
  • the transmission device can, for example, be part of an isolation amplifier in an advantageous embodiment.
  • an isolation amplifier AC signals between a first electrical device, such as a sensor device in the context of an industrial plant, to a second electrical device, such as a control device, transmitted, wherein by means of the isolation amplifier, a galvanic isolation between the first electrical device and the second electrical device provided.
  • Such an isolating amplifier can have, for example-on the primary side-a transmitter connected to the first connection and the second connection for applying the primary-side alternating voltage signal, and-on the secondary side-a receiver connected to the third connection and the fourth connection for processing the secondary-side AC voltage signal.
  • the transmitter can in this case, for example, carry out a suitable modulation, for example a frequency modulation, a so-called delta-sigma modulation or an amplitude modulation, of the signal to be fed into the transmission device.
  • a suitable modulation for example a frequency modulation, a so-called delta-sigma modulation or an amplitude modulation
  • the receiver can have a comparator circuit or a flip-flop circuit, by means of which an evaluation of the received, secondary-side AC voltage signal takes place.
  • the receiver may have suitable amplifying means for amplifying the signal.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an arrangement in which a first electrical device (sensor) is connected via a buffer amplifier to a second electrical device (control); a schematic view of a component of an isolation amplifier with a transmission device according to the invention a sectional view through a circuit board of a transmission device; an electrical equivalent circuit diagram of the arrangement of FIG. 3A; a sectional view through a printed circuit board of a transmission device, according to another embodiment; an electrical equivalent circuit diagram of the arrangement of FIG. 4A; a sectional view through a printed circuit board of a transmission device, according to yet another embodiment; an electrical equivalent circuit diagram of the arrangement of FIG.
  • FIG. 5A a schematic view of an isolating amplifier component (as in Fig. 2) with an equivalent circuit diagram of the transmission device, a graphical view of a transfer function of a bandpass, the influence of the transmission device on a square wave signal at different cutoff frequencies.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an arrangement, as it may for example be part of an industrial plant.
  • a first electrical device in the form of a sensor device 2 is connected via a buffer amplifier to a second electrical device 3 in the form of a control device 3.
  • the sensor device 2 may be, for example, a temperature sensor, a pressure sensor or a speed sensor or the like act.
  • the sensor device 2 is used to generate sensor signals indicating an operating state of an electrical system, such as a motor or the like, or an environmental condition (temperature humidity, etc.).
  • these sensor signals are transmitted to the control device 3, so that the sensor signals can be evaluated and further processed on the part of the control device 3, for example, to generate control signals for controlling or regulating components of the industrial plant.
  • the sensor device 2 and the control device 3 in particular in the context of an industrial plant, be placed locally remote from each other, can be electrically powered by separate electrical supply networks and can therefore be at different electrical potentials. It follows that a ground line of the sensor device 2 and a ground line of the control device 3 may have a potential difference UGL to each other.
  • the isolation amplifier 1 may also provide signal conditioning and amplification of the transmitted signal.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a component 1 of an isolating amplifier 1.
  • the isolating amplifier 1 has a transmission device 10 which couples a primary-side transmitter 11 to a secondary-side receiver 12, but galvanically separates the transmitter 11 from the receiver 12. Thus, AC signals can be transmitted via the transmission device 10, DC signals, however, are blocked.
  • FIGS. 3B, 4A, 4B and 5A, 5B Different embodiments of a transmission device 10 are shown in FIGS. 3B, 4A, 4B and 5A, 5B.
  • the transmission device 10 has in these embodiments, a circuit board 105, in the electrodes E1-E4 (in the embodiments of FIGS. 3A, 3B and 4A, 4B) and E1, E1 ⁇ E2, E2 ⁇ E3, E4 (in the embodiment according to FIG. 5A, 5B) are embedded.
  • the printed circuit board 105 extends flat along an extension plane E and, along a height direction H perpendicular to the plane of extension E, has a thickness d.
  • the thickness d of the printed circuit board 105 is small compared to the dimensions of the printed circuit board 105 in the plane of extension E.
  • a first electrode E1 and a second electrode E2 are in this case at a first height H1 and are arranged between a first layer 100 and a second layer 101 of the printed circuit board 105.
  • a third electrode E3 and a fourth electrode E4 are located at a second height H2 and are arranged between the second layer 101 and a third layer 102 of the printed circuit board 105.
  • the layers 100-102 of the printed circuit board 105 are electrically insulating and made of a dielectric material.
  • the layers 100-102 may be made of the same dielectric material or of different dielectric materials.
  • the second layer 101 has a thickness d1. Characterized in that the electrodes E1, E2 and E3, E4 are arranged on both sides of this layer 101, the primary-side electrodes E1, E2 and the secondary-side electrodes E3, E4 by the thickness d1 of the layer 101 are spaced from each other.
  • the first electrode E1 is connected to a first terminal A1 and the second electrode E2 to a second terminal A2.
  • the first electrode E1 and the second electrode E2 form the primary side of the transmission device 10.
  • a primary-side alternating voltage signal U12 can be applied, which is to be transmitted via the transmission device 10.
  • the third electrode E3 is connected to a third terminal A3 and the fourth electrode E4 is connected to a fourth terminal A4.
  • the third electrode E3 and the fourth electrode E4 together form the secondary side of the transmission device 10.
  • Between the third terminal A3 and the fourth terminal A4 can be tapped off a secondary-side AC voltage signal U34 resulting from the primary-side AC voltage signal U12 and thus received.
  • the first electrode E1 is at the potential ⁇ 1 of the first terminal A1, while the second electrode E2 is at the potential ⁇ 2 of the second terminal A2, the third electrode E3 at the potential ⁇ 3 of the third terminal A3, and the fourth electrode E4 at the potential ⁇ 4 the fourth port A4 is located.
  • the transmission device 10 acts capacitively.
  • the primary-side electrodes E1, E2 are arranged at the same height H1 and thereby spaced along a transverse direction Q transversely to the height direction H by a distance a to each other.
  • the first electrode E1 is opposite the third electrode E3, while the second electrode E2 is opposite the fourth electrode E4.
  • the third electrode E3 and the fourth electrode E4 are arranged at the same height H2 and also spaced apart by the distance a along the transverse direction Q.
  • the electrodes E1-E4 are each formed as surface elements, for example, have a square or rectangular surface shape and are parallel to the plane E extending within the circuit board 105.
  • the third electrode E3 of the first electrode E1 and the fourth electrode E4 of the second electrode E2 congruent opposite are pairs - viewed along the height direction H - in exact, overlapping counter-coupling
  • An alternating voltage signal U12 applied between the first electrode E1 and the second electrode E2 is thus coupled into the third and fourth electrodes E3, E4 by the electric fields effected between the electrodes E1-E4 and can be used as a secondary-side alternating voltage signal U34 between the third terminal A3 and the third fourth port A4 be tapped.
  • FIG. 3B shows the equivalent electrical circuit diagram of the transmission device 10 according to FIG. 3A.
  • a transmission ratio U to 1 results, for the most part, approximately:
  • the transmission ratio Ü is less than 1, the transmission ratio depending on the load and the frequency of the AC signal to be transmitted.
  • screen surfaces S1, S2 are arranged on both sides of the printed circuit board 105, which serve to electrically protect the electrodes E1-E4 within the printed circuit board 105.
  • the susceptibility of the transmission device 10 can be reduced and, in addition, for improved electromagnetic compatibility (EMC), radiation from the transmission device 10 can be reduced.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the shielding surfaces S1, S2 are produced on both sides by metallization of the outer sides of the printed circuit board 105.
  • the shielding surfaces S1, S2 extend along the extension plane E on both sides of the printed circuit board 105 and cover the printed circuit board 105 at least in the region in which the electrodes E1-E4 are embedded within the printed circuit board 105.
  • the electrode arrangement of the electrodes E1-E4 in this embodiment is identical to the embodiment according to FIG. 3A. Due to the interaction with the shielding surfaces S1, S2, however, the equivalent circuit of FIG.
  • a fifth electrode E1 ' which is connected to the first terminal A1
  • a sixth electrode E2' which is connected to the second terminal A2, provided.
  • the additional electrodes ⁇ 1 ', E2' are located at a common height H1 ', are arranged between an additional layer 101' and the third layer 102 of the printed circuit board 105, and lie beyond the third electrode E3 and the fourth electrode E4 beyond the additional layer 101 '. congruent with.
  • the fifth electrode E1 'and the sixth electrode E2' form, together with the first electrode E1 and the second electrode E2, the primary-side electrodes which, in this embodiment, receive the secondary-side electrodes E3, E4 between them as viewed along the direction H.
  • the third electrode E3 is thus arranged between the first electrode E1 and the fifth electrode E1 '.
  • the fourth electrode E4 is disposed between the second electrode E2 and the sixth electrode E2 '.
  • the transmitter 10 can obtain a bandpass characteristic with a transfer function as shown schematically in FIG Fig. 7 is shown.
  • one or more resistance elements, here combined to form RE can be connected in series with the terminals A1 and / or A2, while on the secondary side one or more resistance elements, combined to RL, are applied in parallel to the terminals A3 and / or A4.
  • the transmission device 10 acts in this way as a low-pass filter, while the secondary side results in a high-pass behavior.
  • the transmission device 10 thus has a bandpass behavior, in which in one Frequency band between cutoff frequencies fmin, fmax (see Fig. 7) are passed signals, but signals outside of the frequency bands determined by the cutoff frequencies fmin, fmax are filtered out.
  • the effects of the filter effect of the transmission device on a digital signal are shown in FIG. 8 by way of example on a rectangular signal.
  • the input signal of the transmission device is shown in the form of an ideal rectangle.
  • the fundamental frequency of the square wave signal in this case is 100 kHz.
  • fmin 10kHz
  • the additional effects of the low-pass behavior of the route are shown in c).
  • the suppression of the high-frequency signal component leads to a flattening of the edges. This behavior can be used specifically to reduce high-frequency interference.
  • the filter effect means that only the high-frequency components of the flanks in the form of positive and negative pulses remain of the rectangular signal.
  • a transmission device of the type described here is not restricted to use in an isolating amplifier, but can also be used in completely different devices in which a signal transmission with galvanic separation of the signal line is to be achieved.
  • a buffer amplifier can be used not only in an industrial plant, but also, for example, in other areas, such as building technology or in other electrical installations.

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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.

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 stören 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 Spulen 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 gelöst.
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 zusätzlich 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 leitfähigen 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 erhält die Übertragungseinrichtung Übertragungseigenschaften eines Tiefpasses. Zusätzlich oder alternativ kann mit einem sekundärseitigen Anschluss oder mit beiden sekundärseitigen Anschlüssen ein Widerstandselement (parallel) verbunden sein, sodass die Übertragungseinrichtung (zusätzlich oder alternativ) Übertragungseigenschaften eines Hochpasses erhält. Ist sowohl primärseitig ein Widerstandselement als auch sekundärseitig ein Widerstandselement vorgesehen, weist die Übertragungseinrichtung die Charakteristik eines Bandpasses auf, der Signale in einem definierten Frequenzband durchlässt, andere Signale aber herausfiltert.
Die Übertragungseinrichtung kann, in einer vorteilhaften Ausgestaltung, beispielsweise Bestandteil eines Trennverstärkers sein. Mittels eines solchen Trennverstärkers 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 Trennverstärkers 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 soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen: eine schematische Ansicht einer Anordnung, bei der eine erste elektrische Einrichtung (Sensor) über einen Trennverstärker mit einer zweiten elektrischen Einrichtung (Steuerung) verbunden ist; eine schematische Ansicht einer Komponente eines Trennverstärkers mit einer erfindungsgemäßen Übertragungseinrichtung eine Schnittansicht durch eine Leiterplatte einer Übertragungseinrichtung; ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 3A; eine Schnittansicht durch eine Leiterplatte einer Übertragungseinrichtung, nach einem anderen Ausführungsbeispiel; ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 4A; eine Schnittansicht durch eine Leiterplatte einer Übertragungseinrichtung, nach einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel; ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 5A; eine schematische Ansicht einer Trennverstärkerkomponente (wie in Fig. 2) mit einem Ersatzschaltbild der Übertragungseinrichtung eine grafische Ansicht einer Übertragungsfunktion eines Bandpasses, 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. Im Rahmen der Anordnung ist eine erste elektrische Einrichtung in Form einer Sensoreinrichtung 2 über einen Trennverstärker 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 1 1 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 Ubertragungseinrichtung 10 zeigen Fig 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 , E1\ 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 soll. 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, während 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
Im 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 Ε1', E2' befinden sich auf einer gemeinsamen Höhe H1', sind zwischen einer zusätzlichen Schicht 101 ' und der dritten Schicht 102 der Leiterplatte 105 angeordnet und liegen der dritten Elektrode E3 und der vierten Elektrode E4 jenseits der zusätzlichen Schicht 101' deckungsgleich gegenüber.
Die fünfte Elektrode E1 ' und die sechste Elektrode E2' bilden zusammen mit der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 die primärseitigen Elektroden, die bei diesem Ausführungsbeispiel die sekundärseitigen 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 E1 ' 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 Fläche der Kapazitäten C13, C24 verdoppelt, wodurch sich die Kapazitäten C13, C24 verdoppeln. Dies ermöglicht beispielsweise die Elektroden E1 , E1', E2, E2', E3, E4 in ihrer Fläche zu verkleinern, sodass sich der Bauraum der Übertragungseinrichtung 10 verringern kann. Zudem wird, im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4A, 4B, die Kapazität zwischen den sekundärseitigen Elektroden E3, E4 und den Schirmflächen S1 , S2 minimiert, was ein Übersetzungsverhältnis Ü von zumindest näherungsweise 1 ermöglicht: Ü = U34/U12 = 1
Durch Verschalten der wirksamen Kapazitäten der Übertragungseinrichtung 10, wie schematisch in Fig. 6 dargestellt, mit Widerstandselementen RE (auf der Primärseite) und RL (auf der Sekundärseite) kann die Übertragungseinrichtung 10 eine Bandpass- Charakteristik erhalten, mit einer Übertragungsfunktion, wie sie schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Primärseitig 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. Primärseitig wirkt die Übertragungseinrichtung 10 auf diese Weise als Tiefpass, während sekundärseitig 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 beträgt in diesem Fall 100 kHz.
Auf der rechten Seite sind die Ausgangssignal b) bis c) auf der Sekundärseite
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 Dämpfung der niederfrequenten Anteile zu einer Abnahme des Spannungspegels führt.
Die zusätzlichen Auswirkungen des Tiefpassverhaltens der Strecke sind in c) dargestellt. Die obere Grenzfrequenz beträgt hier fmax = 1 MHz. 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 beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch in gänzlich andersgearteter Weise verwirklichen.
Grundsätzlich ist eine Übertragungseinrichtung der hier beschriebenen Art nicht auf die Verwendung in einem Trennverstärker beschränkt, sondern kann auch in ganz anderen Geräten, bei denen eine Signalübertragung unter galvanischer Trennung der Signalleitung erreicht werden soll, 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

Patentansprüche
Ubertragungseinrichtung (10) zum Ubertragen eines Wechselspannungssignals (U12), mit
- einer entlang einer Erstreckungsebene (E) flächig 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 sekundärseitiges Wechselspannungssignal (U34) empfangbar ist, dadurch gekennzeichnet, 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.
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.
Übertragungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, entlang einer Querrichtung (Q) quer zur Höhenrichtung (H), die erste Elektrode (E1 ) zur zweiten Elektrode (E2) und die dritte Elektrode (E3) zur vierten Elektrode (E4) um einen Abstand (a) beabstandet ist. Ubertragungseinrichtung (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.
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.
Übertragungseinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Leiterplatte (105) angeordnete, mit dem ersten Anschluss (A1 ) verbundene, fünfte Elektrode (Ε1') und eine an der Leiterplatte (105) angeordnete, mit dem zweiten Anschluss (A2) verbundene, sechste Elektrode (Ε2') betrachtet entlang der Höhenrichtung (H) auf einer dritten Höhe (Η1 ') angeordnet sind derart, dass die dritte Elektrode (E3) zwischen der ersten Elektrode (E1 ) und der fünften Elektrode (Ε1') und die vierte Elektrode (E4) zwischen der zweiten Elektrode (E2) und der sechsten Elektrode (E2!) angeordnet ist.
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.
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.
Trennverstärker zum Ubertragen 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. Trennverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennverstärker 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.
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