WO2019193095A1 - Elektronisches ein-/ausgangsgerät der signal-, daten- und/oder energieübertragung mit galvanischer trennung - Google Patents

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WO2019193095A1
WO2019193095A1 PCT/EP2019/058502 EP2019058502W WO2019193095A1 WO 2019193095 A1 WO2019193095 A1 WO 2019193095A1 EP 2019058502 W EP2019058502 W EP 2019058502W WO 2019193095 A1 WO2019193095 A1 WO 2019193095A1
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housing
sub
output device
input
functional unit
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PCT/EP2019/058502
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Peter Scholz
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Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg
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Publication date
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    • H02J50/005—Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or receiving devices
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings

Definitions

  • the invention relates to an electronic input / output device of the signal, data and / or energy transmission with galvanic isolation.
  • Isolation amplifier are used, which are known to provide a galvanic isolation of multiple circuits and / or different
  • Can connect AC voltage levels, with planar transformers are often used in a particular form for energy transfer.
  • Planar transformers for example, also called planar transformers, are used, inter alia, for the galvanic isolation of circuits, wherein a planar transformer is a special feature of a transformer, which is characterized by its particularly flat design.
  • Planar transformers can have a height in the millimeter range and are preferably used in electrical modules or electrical appliances that are designed to be particularly compact in terms of their geometric dimensions.
  • planar transformers can transmit energy, signals and / or data as part of an input / output device designed as an isolating amplifier.
  • Planar transformer for example, in DE 10 2015 108 911 A1 described in more detail.
  • isolation amplifiers typically two or three galvanically separated potential groups are housed within a housing and internally, ie in the interior of the housing by means of galvanically separating coupling elements, such as transformers or transformers, optocouplers, etc. interconnected.
  • galvanically separating coupling elements such as transformers or transformers, optocouplers, etc. interconnected.
  • the structure of the isolation amplifier is very rigid and hardly changeable.
  • the invention accordingly proposes an electronic input / output device with galvanic isolation.
  • the input / output device has at least a first functional unit and a second functional unit, wherein the first functional unit is installed in a first partial housing and the second functional unit is installed in a second partial housing, wherein the two partial housing expediently form housing modules which are mechanically interconnected and in the mechanically interconnected state form a coupling region for electromagnetic fields at a common interface.
  • sub-housings makes a modularity of the electronic input / output device with galvanic isolation possible. This is thus flexibly buildable and in consequence can also be used and given conditions of use and
  • a functional unit is understood in this context to mean a unit which operates at a predetermined electrical potential.
  • a functional unit has a single potential group or even a single circuit of the input / output device, in particular an isolation amplifier.
  • the functional units are therefore arranged galvanically separated from each other.
  • the sub-housings can be mechanically connected to form an overall housing. It is also possible that the sub-housings are enclosed by a common additional housing.
  • Input / output devices designed as isolating amplifiers are often dimensioned for industrial applications.
  • sensors connected to the isolating amplifiers can also be used in potentially explosive areas. Therefore, the isolation amplifiers used for this purpose are according to relevant standards, e.g. according to the standard DIN EN 60079-11, designed and dimensioned.
  • Safety aspects also special requirements for the insulation properties relevant, which are divided into to be maintained air and creepage distances and solid insulation.
  • the standard DIN EN 60079-11 in particular in the version valid at the filing date, is used for the dimensioning and geometric design of planar transformers and isolating amplifiers.
  • electrical energy between the functional units with an inductive coupling device is transferable.
  • An inductive coupling unit can connect the two functional units in an electrical and / or magnetic manner.
  • electrical energy between the functional units via plates and / or coils as inductive
  • data and / or signals can also be transmitted via the radio link between the two sub-housings.
  • a radio link may be provided by a transmitter and a receiver.
  • the sub-housings are equipped with a transmitter and / or a receiver.
  • both sub-housing can each have a transmitter and a receiver for bidirectional data and / or
  • a radio link For data and / or signal transmission between the sub-housings antennas, coils and / or capacitors can be provided.
  • a radio link has the advantage that a galvanic separation of the two sub-housing is possible in a simple manner.
  • the two sub-housings have a common contact geometry.
  • a common contact geometry is to be understood as an area in which the first sub-housing comes into mechanical contact with the second sub-housing.
  • Contact geometry is advantageously designed so that the two sub-housings are mechanically connected to each other and advantageously also again easily separable without the contact geometry is mechanically destroyed.
  • a latching connection can be used which is easily connectable and then also detachable again.
  • the common contact geometry comprises magnetically conductive material for controlling an electromagnetic field.
  • the magnetic field can be influenced or guided at the contact geometry. In this way, the magnetic field can be passed from a part of the housing to an adjacent housing part largely without stray field.
  • Ferrites can be used, for example, as a ferrite foil or as a
  • Contact geometry is step-shaped.
  • a step-shaped contact geometry or at least a partially stepped contact geometry can, on the one hand, establish a secure mechanical contact, since, for example, the contact surface is enlarged by the shaping of the step.
  • a step is a means to fix elements, for example parts of a
  • Part housing accommodates an input module, an output module and / or a supply module of the electronic input / output device.
  • an electronic input / output device is used, for example, as an isolating amplifier in order to prepare and process sensor signals galvanically separated transfer.
  • an inventive electronic input / output device used as a buffer amplifier consequently transmits energy, signals and / or data in practical implementation.
  • An electronic input / output device provides a galvanic isolation between different areas or functional units, for example between the three areas input module / output module / supply module or
  • a sub-housing for different functions can be configured.
  • Multiple sub-enclosures having at least one functional unit installed therein may collectively provide a total function of the electronic input / output device.
  • each sub-housing is made of an electrically non-conductive material.
  • An electrically non-conductive material may be an insulating material.
  • the sub-housing can be made of an electrically insulating material, for example of a plastic material, which provides a galvanic separation between the
  • a plurality of input modules is connected to one of the sub-housings.
  • a plurality of output modules is connected to one of the sub-housings.
  • Such a sub-housing expediently provides a central in such a case
  • Base housing is, which has a variety of connection options for input modules and / or output modules, ie for connecting at least two as an input module and / or at least two formed as an output module further Functional modules. This increases the connection options and the modularity of the electronic input / output device.
  • an electronic input / output device e.g. a buffer amplifier, suitable for any relevant
  • Potential group has its own housing or is at least two different ones
  • the electronic input / output device has an error message contact for monitoring a mechanical contact between the sub-housings.
  • An error reporting contact may be electronically configured to monitor a contact force between the two mated sub-housings. Is the
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an electronic input / output device according to the invention, which can be used as a modular isolating amplifier, in a schematic diagram with three coupling regions according to the invention;
  • Fig. 2 shows a second embodiment of an insertable as a buffer amplifier electronic input / output device according to the invention in a schematic diagram with two coupling regions according to the invention
  • Fig. 3 shows an embodiment of a T rennverrestrs according to the
  • Fig. 5 shows an embodiment of a contact geometry of e.g. when
  • Isolation amplifier usable electronic input / output device according to the invention in a schematic diagram
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a functional unit which can be used as an I / O module (input / output module) within an electronic input / output device according to the invention in a schematic diagram;
  • FIG. 7 shows a more detailed view of a part of the interior of the functional unit according to FIG. 6 in a schematic diagram
  • FIG. 8 shows a more detailed view of the part of the functional unit according to FIG. 7 from the rear side in FIG.
  • Fig. 9 shows a further embodiment of a part housing with
  • FIG. 11 in cross section a further embodiment of a
  • FIG. 14 in cross section a further embodiment of a
  • the Fign. 3 and 4 show an embodiment of a buffer amplifier 100 with a 3-way separation according to the prior art.
  • a so-called 3-way separation three electrically isolated areas are connected to each other, for example, with two transformers, for example, this one
  • FIGS. 3 and 4 each show details of the isolation amplifier 100 in a top view, wherein different levels of the isolation amplifier 100 are illustrated.
  • 3 shows components of the isolation amplifier 100, in particular a single circuit board 110 of the isolation amplifier 100 with components arranged thereon, and
  • FIG. 4 shows conductor tracks of the isolation amplifier 100, in particular conductor tracks of an outer layer on this
  • a buffer amplifier with a 3-way isolation such as the isolation amplifier 100, usually has three galvanically separated areas as functional units, each functional unit forms its own potential group.
  • each functional unit forms its own potential group.
  • FIGS. 3 and 4 show a first functional unit 101, a second functional unit 102 and a third functional unit 103.
  • the first functional unit 101 is e.g. a
  • Input unit 107 the second functional unit 102, e.g. an output unit 108 and the third functional unit 103 e.g. a supply unit 109 for electrical
  • the buffer amplifier 100 transfers power from the supply side (see 103, Fig. 3, 109, Fig. 4) to the input side (see Fig. 101, Fig. 3, 107, Fig. 4) and the output side (see Fig. 101) , Fig. 3, 108, Fig. 4).
  • the isolation amplifier 100 for example, a coupling element 112 (Fig. 3) for transmitting electrical energy.
  • the coupling element 112 is designed in this embodiment as an inductive coupling element.
  • a capacitive or inductive component as a coupling element 111 which is designed as an integrated circuit, further transmits signals from the input unit 107 to the output unit 108 and, if desired, also vice versa.
  • Figs. 1 and 2 schematically show possible embodiments of a, e.g. as an isolating amplifier usable, electronic input / output device 115 or 115 'according to the invention.
  • individual functional units are in several, at least two
  • Part housings arranged, e.g. 1 in three individual sub-housings 104, 105, 106, which are shown in more detail in Fig. 1.
  • a sub-housing with a harbored functional unit or even a plurality of functional units housed forms a functional module.
  • individual functional units e.g. a first, within the scope of the invention e.g. when
  • Input module formed functional unit 117 a second, e.g. in the context of the invention as an output module formed functional unit 118 and a third, in the context of the invention, e.g.
  • the functional unit 119 designed as a supply module is now arranged according to the invention for galvanic separation from one another in a plurality of at least two partial housings, e.g. as shown in FIG. 1 in three individual
  • Part housings 104, 105, 106 which are shown in more detail in Fig. 1.
  • the three function units 117, 118, 119 which are thus designed as function modules according to FIG. 1, define galvanically separated electric circuits or potential groups between which isolation distances, eg. As creepage distances and creepage distances or solid insulation, are complied with by additional walls of sub-housings 104, 105, 106 are present.
  • isolation distances eg. As creepage distances and creepage distances or solid insulation, are complied with by additional walls of sub-housings 104, 105, 106 are present.
  • additional walls of sub-housings 104, 105, 106 are present.
  • a buffer amplifier in the invention in particular modular composite electronic input / output device in a simpler manner intrinsically safe, in particular in the sense of the standard DIN EN 60079-11, in particular in the version valid at the filing date, be configured. Consequently, a single printed circuit board 110 as shown in FIGS. 3 and 4 is within the scope of the invention and consequently also in the present invention
  • Embodiment of FIG. 1 is no longer given, but divided into several parts and thus has, for example, three individual, for reasons of clarity not shown on printed circuit boards.
  • Each of the (not shown) printed circuit boards is in this case arranged in a separate sub-housing 104, 105, 106, as shown in more detail in Lig. 1.
  • Lig. 1 shows a first embodiment of a, e.g. a buffer amplifier
  • each sub-housing 104, 105, 106 includes electronics (not shown) having a potential group.
  • the three sub-housings 104, 105, 106 are mechanically interconnected by mechanical fasteners. In Fig. 1, for example, such by the outside of the
  • Part housings 104, 105, 106 arranged and connecting them together
  • a mechanical connection can z. B. by grid connections. These connections are purely mechanical, but not electrical or galvanic. Since such mechanical connections are well known to the person skilled in the art in a variety of ways, compounds which can be used within the scope of the invention are not shown and described in further detail.
  • coupling regions 123 are provided at respectively common boundary surfaces 120 between the individual partial housings 104 and 105, 105 and 106 and 104 and 106.
  • the coupling regions 123 are configured constructively and electrically such that energy, signals and / or data can be exchanged between the individual sub-housings 104, 105, 106 and subsequently also between the individual functional modules defined by the sub-housings by means of electromagnetic fields.
  • Isolation requirements between the individual potential groups within different sub-housing 104, 105, 106 are inherently fulfilled by these measures and are therefore directly visible to the user.
  • the galvanic isolation is now directly visible.
  • multiple sub-housings 104, 105, 106 are mechanically connected to each other, but have no electrical contacts, it is easy for the user to recognize that a galvanic isolation is present. Due to the resulting flexibility and in particular also modularity of the electronic input / output device according to the invention, the respective specific function, e.g. that of an isolation amplifier, only with the assembly of several sub-housing 104, 105, 106 completed.
  • Function units 117, 118, 119 or the functional modules can therefore be carried out in such a way that no malfunctions can occur if the
  • Function modules 117, 118, 119 are not or only insufficiently mechanically connected to each other.
  • Installation environment with, for example, vibrating parts at any time a secure contact between the sub-housings can be monitored.
  • Output module for a 4-20 mA output current or another output module with a voltage range of 0-10 V can then be assembled on site as required.
  • Another form of modularity is z. B. various supply modules 119 comprehensive sub-housing 106 for different input voltages, z. B. 12 V DC, 24 V DC, 230 V AC, to connect to the same input and output modules. In the supply modules 119 are then depending on the variant different power supplies.
  • DIP dual in-line packagej switch or by means of near field communication (NFC)
  • NFC near field communication
  • the sub-modules can also be pre-assembled before use and before delivery.
  • the sub-modules can also be pre-assembled before use and before delivery.
  • metal housing for the inventive housing of functional units are not recommended, but rather plastic housing.
  • coupling elements such as the use of antennas, coils, capacitors or the like.
  • the ranges are usually not critical. Because often you have in data transmission in such systems small distances and therefore sufficient or even more range than necessary, especially if antennas are used.
  • the energy transfer between the individual housing parts is particularly suitably based on inductive energy transfer.
  • FIG. 1 has three functional units with a total of three sub-housings 104, 104, 105. It is also possible to implement an input / output device according to the invention with only two functional modules. In such a case, the modular isolating amplifier has two instead of three housing parts as a partial housing.
  • Function units or potential groups are possible. This is the case, for example, with a buffer amplifier as a signal doubler.
  • the signal doubler from an input signal can produce two identical or similar output signals to two outputs, with the modules supply / input / output 1 / output 2.
  • FIG. 2 shows another embodiment of a modular composite electronic input / output device 115 'according to the invention. This may e.g. also be used for system cabling or as a gateway.
  • the system cabling is effected by galvanic contacts.
  • Many subcomponents have a redundant structure in this design. This redundancy concerns, for example, power supplies that exist in each
  • FIG. 2 shows an example of a system cabling in which one or more functional unit (s) 117 designed as an input module (e) can be plugged into a housing 130 designed as a central base housing.
  • a part housing is defined in the context of the invention, which has a plurality of
  • the input and / or output modules or their sub-housing can be suitably each in the form of a function card 131, i. card-like be formed to flat next to each other or even in succession with respective sub-housings as narrow functional modules, so e.g. with respective sub-housings 132 as narrow
  • Input modules to be connected to a wider base housing 130.
  • the base housing 130 further has a further special characteristic of a part housing therein, in that several different functional units, for example in the form of an output unit 118 and a supply unit 119, are already pre-installed therein.
  • the base housing 130 additionally accommodates two different functional units in a common housing.
  • the base housing 130 according to FIG. 2 now has a multiplicity of connection options for input modules, with only one being available for reasons of clarity
  • Input module is shown with an enclosed with a sub-housing 132 input unit 117.
  • a sub-housing 132 may also comprise a plurality of input units 117 combined to form a module.
  • coupling regions 123 for coupling magnetic fields between the
  • Base housing 130 and a respective sub-housing 132 is provided, in particular to data and / or signals but expediently energy between the housings 130, 132 and thus according to FIG. 3 in particular between the respective functional units 117 and 118 and 117 and 119 exchange. Energy is expediently transmitted in particular between the respective functional units 119 and 117 as well as 119 and 118.
  • Coupling elements similar to the coupling element 111 or 112 according to FIG. 3, can be provided for the transmission of signals between the functional units 118 and 119, which are housed together in the base housing 130, in particular if the functional units 118 and 119 are arranged on a common printed circuit board are.
  • the base housing 130 has a power supply, such as 24V, and one or more outputs at the output unit 118.
  • a respective sub-housing 132 for one or more input units 117 is mechanically attached to the base housing and fixed (not shown for reasons of clarity), in which case no electrical or galvanic contact is formed.
  • each card-like or as function cards 131 as shown in FIG. 2 as
  • Input cards are formed to be connected to the base module 130.
  • the input modules can thus be e.g. flat side by side with respective sub-housings 132 may be connected as a narrow input modules to a wider base housing 130. Furthermore, such a formation of function cards not only in the case of
  • Input cards but also be provided analog for output modules.
  • output modules in a modification to FIG. 2, consequently several, in particular each card-like, output modules combined into output modules would be able to be connected to a common base housing.
  • sensor signals of all input cards 131 can be collected in the base housing 130 as a central unit and forwarded therefrom via another digital interface to a higher-level control system. This forwarding can be wired or as a radio connection.
  • FIG. 12 A similar, somewhat modified embodiment is shown by way of example in FIG. 12. There, a base housing marked with 130 'integrates a
  • the base housing integrated in the illustrated example at least one output unit and has for this an outwardly guided, designed as a wired or wireless connection interface, in particular a digital interface, in particular as Ethemet interface, e.g. in the form of an RJ45 socket and / or a WLAN connection.
  • Partial housings connected to the base module 130 '. Each sub-housing each
  • input module 117 'further includes an input interface, e.g. a digital input interface "DI" for digital input signals.
  • DI digital input interface
  • an electronic input / output device can thus be designed as a collection unit and several, e.g. six digital input signals by means of the input modules 117 '"collect” and e.g. forward via an Ethemet interface. It is expedient to additionally attach a mechanical fastening device (not shown) to the base housing
  • FIG. 13 shows an inventive embodiment of an electronic input / output device according to the invention, in which a 130 " marked
  • Base housing integrated a supply unit and this in turn
  • Supply terminals for a power supply for example, 24V has.
  • at least one logic and / or control unit is integrated in the base housing, so that with the embodiment shown in FIG. a small control is feasible.
  • the integrated in the base housing functional units thus act together as
  • Base module It is also possible to form a mechanical fastening device, not shown further, on the base housing 130 " , for example for attachment to a mounting rail 200.
  • the base housing 130 may have a plurality of
  • Function unit 118 shown. Depending on the version here can also
  • Each input module is identical and / or the output modules are each constructed identically.
  • such an input module has e.g. an analog input interface "AI" for analog input signals and such output module, e.g. a digital output interface "DO" for digital
  • Such an analog input interface "AI” may e.g. a sensor, e.g. a brightness sensor be turned on and / or over the
  • Input interface "AI” can detect voltage signals from 0 to 10V.
  • the logic and / or control unit integrated in the base housing 130 " according to FIG. 13 links any input modules 117 " or their inputs to output modules 118 " or their outputs. For example, an output over the outlined output interface "DO”, if an input, eg via the outlined input interface "AI", exceeds a set signal threshold (eg 6.5V).
  • a set signal threshold eg 6.5V
  • Input modules and / or output modules expediently each card-like design, so that they can be connected in a simple manner each flat side by side or behind each other as compared to the base housing narrower function modules to the relative to the input modules and / or output modules wider base housing.
  • the connection options on the base housing for the large number of input modules and / or output modules can in this case to the outside
  • Embodiments can thus in particular input modules and / or
  • an electronic input / output device therefore further comprises at least one
  • Function module i. one or more functional unit (s) housed together in a separate sub-housing, i. in particular entrance and / or
  • Part housing received.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a comparison with the embodiments of FIGS. 1 and 2 modified, even more useful contact geometry 140 for forming a coupling region on the example of another, eg modular composite as a buffer amplifier, electronic input / output device 115 " according to the invention, wherein the coupling region at a common interface of two sub-housings 141, 142 in sectional view is formed.
  • Coupling region between the two sub-housings 141, 142 provided.
  • the two sub-housings 141, 142 are again made of plastic and mechanically connected or fixed here.
  • sub-housings 141 and 142 overlap in an overlap area.
  • the overlapping area which may be suitably step-shaped, as shown, the individual sub-housings 141, 142 have approximately only half of their original height, so that a step area is limited to e.g. half of the
  • FIG. 5 shows exemplary dimensions in millimeters which form the step geometry.
  • At least one sub-housing 141 and / or 142 is in two parts, for example with a first part as a cover and a second part as a bottom, wherein the cover and bottom are preferably connected to one another via the contact geometry 140 and / or the contact geometry 140 is predetermined by a part of the first and / or second part of one or both partial housings 141, 142.
  • Each of the two sub-housings 141 and 142 encloses, as with the
  • Embodiments according to FIGS. Lund 2 further at least one circuit board 143 and 144, on each of which various electronic components to form a
  • Function unit are arranged.
  • an inductive coupling is now present in the coupling region predetermined by the overlap region.
  • the circuit board 143 and 144 on each of which the electronic components are arranged to form a functional unit, each having a further circuit board 145 and 146 electrically and mechanically connected, which, for. in each case via the formation of a contact point 149 for the common electrical and mechanical connection, as is known to those skilled in and can be done.
  • These further printed circuit boards 145 and 146 are in particular corresponding to the contact geometry 140 to the
  • Printed circuit boards 143 and, 144 arranged and each extending into the
  • circuit boards 145 and 146 each with
  • Equipped coupling elements in the present example for inductive coupling, eg each with at least one coil, which are not shown for reasons of clarity, however.
  • circuit boards 145 and 146 Located on or in the circuit boards 145 and 146
  • Coupling elements are arranged such that one or more on or in the circuit board 145 located s coupling element (s) with one or more coupling element (s) of the circuit board 146 is magnetically coupled to each other via an electro-magnetic field 147 or magnetic field or are, as by the of the circuit board 146 to
  • Circuit board 145 extending three arrows indicated. By using different circuit boards to form a functional unit and to carry coupling elements they can also be designed differently depending on the requirements.
  • Printed circuit boards 143, 144, to which the circuit boards 145, 146 are electrically and mechanically connected to the coupling elements for example, multi-layered, z. B. of the type of an 8-layer PCB (PCB-printed circuit board, printed circuit board).
  • the electrically and mechanically connected and extending in the overlap region boards 145 and 146 with the coupling elements may have a different structure and expediently have a lot of copper and / or many
  • the coupling elements located on or in the printed circuit boards 145 and 146 are in the case of coils, for example, as planar coils, e.g. designed as planar coils of a planar transformer.
  • the magnetic field 147 may further be influenced by magnetically conductive materials 148, such as ferrites, such that the coupling between the coupling elements located on or in the printed circuit boards 145 and 146 improves and electromagnetic fields are better shielded from the outside ,
  • magnetically conductive materials 148 such as ferrites
  • electrically poor or non-conductive materials 148 e.g. Ferrites, in particular in the form of films on the outer sides facing away from the interface 120
  • Feitplatten 145 and 146 may be attached or form a local outer layer of the printed circuit board 145 and 146, respectively.
  • the magnetic field 147 not only signals and / or data can be transmitted via inductive coupling, but in particular also energy or power can be transmitted from one to the other housing part through the sub-housings 141, 142.
  • the sub-housings 141, 142 are preferably plastic housings for improved transmission of the magnetic field. Depending on the configuration can thereby Efficiencies for transmission of over 80% and depending on performance and
  • the contact geometry 140 with a coupling region shown in FIG. 5 is merely one example of a multiplicity of possible contact geometries. Other geometries are also possible in a simple manner, for example, which have no step shape and / or have, for example as a mechanical connecting element, a latching device for fastening the two partial housings 141, 142 together. Furthermore, it is possible that monitoring is integrated in the contact geometry 140 in order to check whether the sub-housings are properly connected to one another. However, such monitoring is not shown for reasons of clarity.
  • inductive coupling e.g. also rod ferrites are used with wound coils and / or Schalenkeme.
  • any geometric shape can be used that allows a good mechanical connection between the housing parts and also provides a good magnetic connection or coupling.
  • the aim is the coupled coupling elements, ie in particular coils or
  • Planar coils and magnetic materials to be dimensioned such that expedient and the best possible transformer can be formed with a gap, the losses are minimal and the coupling is maximum.
  • FIG. 6 shows, in a sketch-like illustration, a further illustrative example of a functional unit 117 ' "designed in particular as an input module, from the outside onto its associated partial housing, so that the components, in particular the
  • housing part 133 projecting on the sub-housing of the housed functional unit 117 ''.
  • housing part 133 can consequently be used together with a housing part 133 complementarily formed part of a housing with the housed functional unit 117 ' " mechanically to be connected another housed functional unit a contact geometry with overlap region, similar to the above description be defined.
  • connecting elements 121 can be arranged on the lateral sides of the housing part, for example groove-like recesses into which complementary nose-like elevations can engage.
  • a coupling element or a plurality of coupling elements expediently turn a printed circuit board with a coupling element or more coupling elements according to the above description, arranged in common with a arranged inside a complementarily shaped housing part coupling element or even a plurality of coupling elements, appropriately in turn similar above description, arranged on or in a printed circuit board, to form an electromagnetic coupling region on the joint interface formed during mechanical connection.
  • the design and / or arrangement of coupling elements for transmitting energy, data and / or signals by means of electro-magnetic fields can be provided differently.
  • a design and arrangement of coupling elements may be contained inside the housing, with which a bidirectional transmission of data and a unidirectional transmission of energy for powering the housed functional unit 117 ' " can be made possible.
  • connection terminals 150 can be provided on the housed functional unit 117 ' " , which are connected to the in the
  • Housing interior electronics components e.g. are electrically connected such that e.g. a sensor, in particular for detecting temperature,
  • FIG. 7 likewise shows a partial view in a sketch-like illustration
  • FIG. 6 Anschauungsbeispiels a housed functional unit 117 ' " at least partially” glasses “sketched sub-housing.
  • FIG. 8 shows, in comparison with FIG. 7, a corresponding view from the rear side of the housed functional unit 117 ' " .
  • a printed circuit board 145 'arranged in the interior of the projecting housing part 133 is provided for coupling elements and two coupling elements 151 and 152 (Lig. 7) arranged on the printed circuit board 145', which are arranged in
  • the electromagnetic coupling surface provided in or for the coupling region thus comprises two coupling elements arranged juxtaposed according to FIG. 7. It should be noted at this point, however, that depending on the design, only one
  • Coupling element can be provided to form an electromagnetic coupling surface. Alternatively or additionally, however, a coupling element or even a plurality of coupling elements can be arranged in the interior of the printed circuit board 145 '.
  • Coupling element 151 according to Lig. 7 is for example formed, arranged and electrically connected to the other electronic components to allow the transmission of data, in particular bidirectional, and the coupling element 152 to allow the transmission of energy, in particular for powering the housed lunar unit 117 ' " if, with mechanical connection of the housed luncture unit 117 " 'with your other lurching unit, as described above, an electromagnetic coupling region at the mechanical connection
  • the printed circuit board 145 ' is thus further arranged and electrically connected to the printed circuit board 143', in particular according to a respective contact geometry, 149 '(FIG. 8), e.g. already explained with reference to FIG. 5.
  • a common circuit board for coupling elements and electronic components can be provided.
  • a magnetically conductive, but in particular electrically poor or non-conductive, material layer or foil for field shielding can again be arranged on the rear side of the circuit board 145 'sketched in FIG. 7, as shown by way of example in FIG. 8 and denoted by reference symbol 148'. Mistake.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a housing part 133 with coupling elements provided therein in accordance with FIGS. 6 to 8 of a complementary function module sub-housing 132 '.
  • a complementary function module sub-housing 132 ' To a sketched as in Fig. 9 sub-housing 132 ', however, in the example shown two, provided with housing parts 133
  • a recess or recess 134 complementary to a projecting housing part 133 is provided in the partial housing 132 '.
  • a recess or recess 134 complementary to a projecting housing part 133 is provided in the partial housing 132 '.
  • connecting elements 121 for example nose-like elevations, which can engage in complementary groove-like depressions on the housing parts 133.
  • a functional module of a function module partial housing 132 'sketched according to FIG. 9 therefore expediently has at least one supply unit with which two further connected functional modules can be supplied with energy via the energy coupling elements arranged on a printed circuit board 146' in the region of the recess eg an input module and an output module. about in each case at least one further signal and / or data coupling element which is arranged by way of example in the region of the recess can then be used to carry out transmission of signals and / or data by means of electromagnetic fields, bridging these and the respective subassemblies.
  • the coupling elements are outlined
  • Embodiment on or in a circuit board 146 ' which additionally carries the electronic components for forming the functional module with the sub-housing 132'.
  • the printed circuit board 146 'in this example is thus a common printed circuit board for both these electronic components and for the coupling elements.
  • FIG. 10 shows a sketch of a further exemplary embodiment of an electronic input / output device according to the invention comprising a functional module with partial housing 132 'assembled and mechanically connected to a trained functional unit 117' '' designed as an input module and a trained functional unit 118 designed as an output module '' '. As indicated, between the functional modules they can mechanically interconnect
  • Connecting elements 121 may be arranged.
  • the functional module with sub-housing 132 ' may e.g. to correspond to FIG. 9 and formed as an input module, encased functional unit 117 '' 'one according to the described with reference to FIGS. 6 to 8. Consequently, at the functional unit 117 '' ', input side, i. on the feeding side, a power input to be connected to a sensor, which may be located in particular in an Ex zone (hazardous area) due to the galvanic separation according to the invention.
  • the functional unit 117 "'in such a case thus forms the" Ex-side "of e.g. designed as an isolating amplifier input / output device.
  • Function unit 118 '' 'then provides e.g. depending on the respective signal applied via the sensor at the power input an output signal, e.g. one
  • the functional module with sub-housing 132 'thus also has expediently at least one supply unit and is about
  • Terminals connected to a power supply.
  • an encapsulated functional unit designed as an output module could also be used, an output signal, analog or digital, e.g. for switching an actuator, e.g. also an actor located within an Ex-zone.
  • a cushioned functional unit designed as an input module may receive an input signal instead of a sensor from another component, e.g. a logic and / or
  • the functional module with sub-housing 132 ' may thus be preferred, e.g. As indicated in FIG. 10, the functional unit 117 '"and the functional unit 118'" supply energy via respective coupling elements. Also, a signal and / or data transmission can via respective on
  • Coupling regions correspondingly arranged coupling elements in particular bidirectional, galvanically separated between functional module with sub-housing 132 'and functional unit 117' '' and between function module with sub-housing 132 'and functional unit 118' '' done.
  • the functional module with sub-housing 132 'thus has expediently further at least logic unit.
  • a coupling region with corresponding coupling elements can be directly connected to a common Interface between the functional unit 117 '' 'and the
  • a coupling region can also be designed for unidirectional, but in particular also for bidirectional transmission.
  • the respective circuit boards with the coupling elements for example, without forming an offset, in particular with a respective lateral side, be aligned with each other.
  • the coupling elements are then arranged, for example, on the respective same surfaces of the printed circuit boards and aligned with each other such that a magnetic field can form between these coupling elements
  • At least one functional module i. one or more functional unit (s) housed together in a separate sub-housing, i. in particular entrance and / or
  • Output units its electrical supply voltage not via a supply connection arranged thereon from the outside, but via an electromagnetic field coupling region at a common interface between its own sub-housing and another functional module or its sub-housing, i. from this other functional module, which thus expediently at least one
  • Supply unit owns. Particularly preferably obtained via such, a
  • Supply unit having functional module in the case of a plurality of connected thereto via corresponding coupling areas further functional modules, i.
  • input and / or output modules even more or all other functional modules their supply energy then via respectively provided for energy transfer coupling elements.
  • a functional module providing the power supply for further functional modules can thus again preferably be a basic module, in particular corresponding to those in this regard
  • input and output modules can thus be used in automation applications in appropriate training as "I / O modules” (input / output modules), from the professional circles of
  • I / O module Automation technology based on the English technical language usually also referred to as "I / O module", which in the context of an electronic input / output device used in automation technology a parent this
  • Automation system allow an interface or multiple interfaces to the outside world, in particular to the field level.
  • the sketched in Fig. 10 embodiment Consequently, also be used for the realization of eg an isolation amplifier with two I / O modules and a supply module.
  • FIG. 11 shows in cross section a further exemplary embodiment of a contact geometry for forming a coupling region, in the illustrated example of a coupling region with coupling elements arranged at least for the transmission of energy.
  • the functional unit 118 'incorporated as a functional module can thus be used e.g. be designed as output module or in the case of an I / O module as an output module and carries on and / or in a first Feiterplatte 143 required for this electronic components.
  • a contact point 149 at least electrically connected to the Feiterplatte 143 Feiterplatte 148 at least one provided for power supply coupling element 152 'is functionally arranged and electrically connected.
  • the Feiterplatte 146 ' also serves as a common Feiterplatte and consequently also carries at least one provided for power supply coupling element 152'. A between the coupling elements at the common interface 120 of
  • Material layers and / or foils 148 may be arranged.
  • the walls of the sub-housings of the housed functional units 118 'and 119' evidently form additional insulation stretches, designated in FIG. 11 by "first insulation section” and "second insulation section", by the isolation distances required or prescribed for galvanic isolation, in particular also when intrinsic safety is required to achieve.
  • Fig. 14 is a detail of a compared to FIG. 11, a slightly modified, another embodiment with contact geometries for forming a plurality
  • the exemplary embodiment in this case shows a section of a housing part 130 ' "designed as a base housing, into which a plurality of functional units each housed as an input module or output module, eg already in connection with FIG. 13
  • the housing 130 ' “designed as a base housing accommodates a multiplicity of printed circuit boards 146, each arranged one behind the other and at a distance from one another, each being arranged thereon and expediently oriented in the same direction
  • each complementary connecting elements 121 be provided. These connecting elements 121 may, for example, be designed to be complementary in such a way that they lock each other when the individual housing parts are assembled.
  • connecting elements 121 may, for example, be designed to be complementary in such a way that they lock each other when the individual housing parts are assembled.
  • FIG. 14 In an arrangement as sketched in FIG. 14 of functional modules accommodated successively or successively in the connection slots of the base housing l30 ' " , there are, for example, in each case a groove-like recess and a nose-like elevation on two opposite, provided for the formation of interfaces Surfaces of a housing part.
  • a respective nose-like elevation of a respective housing part can consequently engage in a respective groove-like indentation of an adjacent housing part in the formation of a respective common interface.
  • an electronic input / output device 115, 115% 115 " in which according to the invention galvanically isolated circuits or potential groups of respective or selected functional units are integrated into individual housing parts or sub-housings to this flexible way and to combine with each other.
  • An electronic input / output device according to the invention with galvanic isolation accordingly has a separate housing for each relevant functional unit or group of potential groups or is at least composed of two different partial housings.
  • the assembled housing parts are mechanically, but not electrically connected. Between the potential groups, energy, data and / or signals can be transmitted inductively and / or capacitively via coupling elements utilizing electromagnetic fields.
  • Modularity of electronic input / output devices with galvanic isolation is increased by the present invention. Furthermore, it is possible, e.g. To provide isolation amplifiers with system cabling.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät der Signal-, Daten- und/oder Energieübertragung mit galvanischer Trennung (115, 115', 115"). Das Gerät weist mindestens eine erste Funktionseinheit (117) und eine zweite Funktionseinheit (118) auf, wobei die erste Funktionseinheit (117) in einem ersten Teilgehäuse (104) installiert ist und die zweite Funktionseinheit (118) in einem zweiten Teilgehäuse (105) installiert ist. Hierbei sind die beiden Teilgehäuse (104), (105) mechanisch miteinander verbindbar und bilden einen Koppelbereich (123) für elektromagnetische Felder an einer gemeinsamen Grenzfläche (122) aus.

Description

Elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät der Signal-, Daten- und/oder
Energieübertragung mit galvanischer Trennung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät der Signal-, Daten- und/oder Energieübertragung mit galvanischer Trennung.
Als Beispiele von solchen gattungsbildenden Ein-/ Ausgangsgeräten können
Trennverstärker herangezogen werden, welche bekanntermaßen eine galvanische Trennung mehrerer Stromkreise bereitstellen und/oder auch verschiedene
Wechselspannungsniveaus verbinden können, wobei in einer besonderen Ausprägung zur Energieübertragung häufig Planartransformatoren eingesetzt werden.
Planartransformatoren beispielsweise, auch Planarübertrager genannt, dienen unter anderem der galvanischen Trennung von Stromkreisen, wobei ein Planartransformator eine besondere Ausprägung eines Transformators ist, der sich durch seine besonders flache Bauweise auszeichnet.
Planartransformatoren können eine Bauhöhe im Millimeterbereich aufweisen und werden vorzugsweise in elektrischen Modulen oder elektrischen Geräten verwendet, die besonders kompakt bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen gestaltet sein sollen. Hierbei können im Rahmen eines als Trennverstärker ausgebildeten Ein-/ Ausgangsgeräts Planartransformatoren Energie, Signale und/oder Daten übertragen. Durch die
Transformatoreigenschaft können auch Stromkreise mit unterschiedlichen
Wechselspannungsniveaus miteinander verbunden werden.
Ein Trennverstärker zur Energieübertragung in einer Ausprägung eines
Planartransformators, wird beispielsweise in DE 10 2015 108 911 A1 näher beschrieben.
Bei herkömmlichen Trennverstärkern sind typischerweise zwei oder drei galvanisch voneinander getrennte Potentialgruppen innerhalb eines Gehäuses untergebracht und intern, d.h. im Innern des Gehäuses mittels galvanisch trennenden Koppelelementen, wie Transformatoren bzw. Übertrager, Optokoppler, etc. miteinander verbunden. Hierbei ist der Aufbau des Trennverstärkers sehr starr und kaum veränderbar.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Einsatzflexibilität, insbesondere auch die Modularität von solchen gattungsbildenden Ein-/ Ausgangsgeräten zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit einem elektronischen Ein-/ Ausgangsgerät mit galvanischer Trennung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Funktionseinheit gemäß den Merkmalen des Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte oder zweckmäßige
Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schlägt demgemäß ein elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät mit galvanischer Trennung vor. Das Ein-/ Ausgangsgerät weist mindestens eine erste Funktionseinheit und eine zweite Funktionseinheit auf, wobei die erste Funktionseinheit in einem ersten Teilgehäuse installiert ist und die zweite Funktionseinheit in einem zweiten Teilgehäuse installiert ist, wobei die beiden Teilgehäuse zweckmäßig Gehäusemodule bilden, die mechanisch miteinander verbindbar sind und im mechanisch miteinander verbundenen Zustand einen Koppelbereich für elektromagnetische Felder an einer gemeinsamen Grenzfläche ausbilden.
Die Verwendung von Teilgehäusen macht eine Modularität des elektronischen Ein- /Ausgangsgeräts mit galvanisch Trennung möglich. Dieses ist somit flexibel aufbaubar und in Folge auch einsetzbar und an vorgegebene Einsatzbedingungen und
Anforderungen anpassbar.
Unter Modularität, auch Baukastenprinzip genannt, wird die Aufteilung eines Ganzen in Teile, die als Module bezeichnet werden, im Rahmen der Erfindung definiert. Bei einem modularisierten bzw. modularen Aufbau eines Ganzen, kann dieses Ganze folglich aus Modulen und also aus standardisierten Teilen zusammengesetzt werden kann, wobei die Module über entsprechende Schnittstellen miteinander interagieren und/oder entlang definierten Stellen zusammengesetzt werden. Unter einer Funktionseinheit wird in diesem Zusammenhang eine Einheit verstanden, die auf einem vorbestimmten elektrischen Potential arbeitet. Beispielsweise besitzt eine Funktionseinheit eine einzige Potentialgruppe oder auch einen einzigen Stromkreis des Ein-/ Ausgangsgerätes, insbesondere eines Trennverstärkers.
Die Funktionseinheiten sind folglich galvanisch voneinander getrennt angeordnet. Die Teilgehäuse können modular zu einem Gesamtgehäuse mechanisch verbunden werden. Auch ist es möglich, dass die Teilgehäuse von einem gemeinsamen zusätzlichen Gehäuse umschlossen werden.
Es wird demnach ein elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät, insbesondere zur Bereitstellung eines Trennverstärkers bereitgestellt, das eine galvanische Trennung durch eine
Verwendung von mindestens zwei Teilgehäusen mit jeweils wenigstens einer darin installierten Funktionseinheit sicherstellt. Vorteile durch die galvanische Trennung der in jeweils separaten Teilgehäusen installierten Funktionseinheiten sind beispielsweise Sicherheitsaspekte beim Betrieb des elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräts, z.B. eines Trennverstärkers. Ferner können durch eine galvanische Trennung Erdschleifen vermieden werden.
Elektronische, z.B. als Trennverstärker ausgebildete Ein-/ Ausgangsgeräte werden häufig für industrielle Anwendungen dimensioniert. Hierbei sollen beispielsweise auch an die Trennverstärker angeschlossene Sensoren in explosionsgefährdeten Zonen eingesetzt werden können. Deshalb werden die hierzu verwendeten Trennverstärker nach einschlägigen Normen, z.B. gemäß der Norm DIN EN 60079-11, ausgeführt und dimensioniert. Bei der Dimensionierung können neben verschiedenen
Sicherheitsaspekten auch spezielle Anforderungen an die Isolationseigenschaften relevant sein, die sich in einzuhaltenden Luft- und Kriechstrecken sowie festen Isolierungen gliedern. Hierbei wird im Rahmen der Erfindung für die Dimensionierung und geometrische Gestaltung von Planartransformatoren und Trennverstärkern die Norm DIN EN 60079-11, insbesondere in der zum Anmeldetag gültigen Fassung herangezogen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Ein- /Ausgangsgeräts ist elektrische Energie zwischen den Funktionseinheiten mit einer induktiven Kopplungseinrichtung übertragbar.
Eine induktive Kopplungseinheit kann die beiden Funktionseinheiten auf elektrische und/oder magnetische Weise verbinden. Hierbei kann beispielsweise elektrische Energie zwischen den Funktionseinheiten über Platten und/oder Spulen als induktive
Kopplungselemente übertragen werden.
Ferner kann in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, dass zwischen den beiden Teilgehäusen Daten und/oder Signale auch über eine Funkverbindung übertragbar sind.
Eine Funkverbindung kann durch einen Sender und einen Empfänger bereitgestellt werden. Je nach Daten- oder Signalflussrichtung werden die Teilgehäuse mit einem Sender und/oder einem Empfänger ausgestattet. So können auch beide Teilgehäuse jeweils einen Sender und einen Empfänger für bidirektionale Daten- und/oder
Signalübertragung haben. Für eine unidirektionale Daten- und/oder Signalübertragung genügen ein Sender und ein Empfänger, deren Installationsort die Richtung der
Funkverbindung bestimmen. Für eine Daten- und/oder Signalübertragung zwischen den Teilgehäusen können Antennen, Spulen und/oder Kondensatoren bereitgestellt werden. Eine Funkverbindung hat den Vorteil, dass eine galvanische Trennung der beiden Teilgehäuse auf einfache Weise möglich ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Ein- /Ausgangsgeräts kann vorgesehen werden, dass die beiden Teilgehäuse eine gemeinsame Kontaktgeometrie aufweisen.
Unter einer gemeinsamen Kontaktgeometrie ist ein Bereich zu verstehen, in dem das erste Teilgehäuse mit dem zweiten Teilgehäuse in mechanischen Kontakt kommt. Die
Kontaktgeometrie wird vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass die beiden Teilgehäuse mechanisch miteinander verbindbar sind und vorteilhafterweise auch wieder auf einfache Weise trennbar sind, ohne dass die Kontaktgeometrie mechanisch zerstört wird. Beispielsweise kann als Kontaktgeometrie eine Rastverbindung verwendet werden, die leicht verbindbar und danach auch wieder lösbar ist. Somit ist es möglich, die
Teilgehäuse für unterschiedliche Konfigurationen des erfindungsgemäßen elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräts zu verwenden bzw. für andere Konfigurationen wieder zu verwenden. Ein modularer Aufbau des erfindungsgemäßen elektronischen Ein- /Ausgangsgeräts ist somit möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass die gemeinsame Kontaktgeometrie magnetisch leitfähiges Material zur Steuerung eines elektro- magnetischen Feldes aufweist.
Durch magnetisch leitfähiges Material, wie beispielsweise Ferrite, kann das Magnetfeld an der Kontaktgeometrie beeinflusst bzw. geführt werden. Auf diese Weise kann das Magnetfeld von einem Teilgehäuse zu einem benachbarten Teilgehäuse weitgehend ohne Streufeld geleitet werden. Ferrite können beispielsweise als Ferritfolie oder als
Ferritplatte bereitgestellt werden.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass die gemeinsame
Kontaktgeometrie stufenförmig ausgebildet ist.
Eine stufenförmige Kontaktgeometrie oder zumindest eine teilweise stufenförmige Kontaktgeometrie kann einerseits einen sicheren mechanischen Kontakt herstellen, da beispielsweise die Kontaktfläche durch die Formung der Stufe vergrößert wird. Ferner ist eine Stufe ein Mittel, um Elemente zu fixieren, beispielsweise Teile einer
Potentialgruppe.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass eines der
Teilgehäuse ein Eingangsmodul, ein Ausgangsmodul und/oder ein Versorgungsmodul des elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräts beherbergt.
Somit wird ein erfindungsgemäßes elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät beispielsweise als Trennverstärker eingesetzt, um Sensorsignale galvanisch getrennt aufzubereiten und zu übertragen. Insbesondere ein als Trennverstärker eingesetztes erfindungsgemäßes elektronisches Ein-/ Ausgangsgeräts überträgt folglich in praktischer Umsetzung Energie, Signale und/oder Daten.
Ein elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät stellt eine galvanische Trennung zwischen verschiedenen Bereichen bzw. Funktionseinheiten bereit, beispielsweise zwischen den drei Bereichen Eingangsmodul/ Ausgangsmodul/V ersorgungsmodul bzw.
IN/OUT/POWER, wobei die drei Bereiche auch als Potentialgruppen verstanden werden können.
Demnach kann ein Teilgehäuse für unterschiedliche Funktionen konfiguriert werden. Mehrere Teilgehäuse mit mindestens einer darin installierten Funktionseinheit können gemeinsam eine Gesamtfünktion des elektronisches Ein-/Ausgangsgerät bereitstellen.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass jedes Teilgehäuse aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gefertigt ist.
Ein elektrisch nicht leitfähiges Material kann ein Isolierstoff sein. Demnach können die Teilgehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein, beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, das eine galvanische Trennung zwischen den
Funktionseinheiten sicherstellt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass an einem der Teilgehäuse eine Vielzahl von Eingangsmodulen angeschlossen ist.
Ergänzend oder alternativ kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass an einem der Teilgehäuse eine Vielzahl von Ausgangsmodulen angeschlossen ist.
Ein solches Teilgehäuse stellt in einem solchen Fall zweckmäßig ein zentrales
Basisgehäuse dar, das eine Vielzahl von Anschlussmöglichkeiten für Eingangsmodule und/oder für Ausgangsmodule aufweist, d.h. zum Anschluss von wenigstens zwei als Eingangsmodul und/oder wenigstens zwei als Ausgangsmodul ausgebildeten weiteren Funktionsmodulen. Hierdurch werden die Anschlussmöglichkeiten und die Modularität des elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräts erhöht.
Es wird demnach vorgeschlagen, die einzelnen galvanisch voneinander getrennten Bereiche von elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräten, insbesondere von Trennverstärkern, in einzelne Gehäuseteile bzw. Teilgehäuse zu integrieren und diese auf flexible Art und Weise miteinander zu kombinieren. Somit hat ein erfindungsgemäßes elektronisches Ein- /Ausgangsgerät, wie z.B. ein Trennverstärker, zweckmäßig für jede relevante
Potentialgruppe ein eigenes Gehäuse oder ist zumindest aus zwei verschiedenen
Teilgehäusen zusammengesetzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das elektronische Ein-/ Ausgangsgerät einen Fehlermeldekontakt zur Überwachung eines mechanischen Kontaktes zwischen den Teilgehäusen auf.
Ein Fehlermeldekontakt kann elektronisch ausgebildet sein, um eine Kontaktkraft zwischen den beiden zusammengefügten Teilgehäusen zu überwachen. Ist die
Kontaktkraft gering oder fehlt diese, so ist dies ein Signal dafür, dass das elektronische Ein-/ Ausgangsgerät noch nicht betriebsbereit ist.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines als modularer Trennverstärker einsetzbaren elektronisches Ein-/ Ausgangsgeräts nach der Erfindung in Prinzipskizze mit drei Koppelbereichen gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines als Trennverstärker einsetzbaren elektronisches Ein-/Aus gangsgeräts nach der Erfindung in Prinzipskizze mit zwei Koppelbereichen gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines T rennverstärkers gemäß Stand der
Technik, mit Bauteilen in der Draufsicht; Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des T rennver stärker s der Fig. 3 mit dargestellten Leiterbahnen;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Kontaktgeometrie eines z.B. als
Trennverstärker einsetzbaren elektronisches Ein-/ Ausgangsgeräts nach der Erfindung in Prinzipskizze;
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer als I/O-Modul (Ein-/ Ausgabe-Modul) innerhalb eines elektronisches Ein-/ Ausgangsgeräts einsetzbaren Funktionseinheit nach der Erfindung in Prinzipskizze;
Fig. 7 ein detailliertere Ansicht eines Teils des Inneren der Funktionseinheit gemäß Fig. 6 in Prinzipskizze;
Fig. 8 eine detailliertere Ansicht des Teils der Funktionseinheit gemäß Fig. 7 von der Rückseite in;
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teilgehäuses mit
Funktionseinheit in Prinzipskizze;
Fig. 10 eine weitere beispielhafte Ausführung elektronisches Ein-
/ Ausgangsgeräts nach der Erfindung in Prinzipskizze;
Fig. 11 im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Kontaktgeometrie;
Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektronisches Ein-
/ Ausgangsgeräts nach der Erfindung in Prinzipskizze;
Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektronisches Ein-
/Ausgangsgeräts nach der Erfindung in Prinzipskizze; und
Fig. 14 im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Kontaktgeometrie .
Die Fign. 3 und Fig. 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Trennverstärkers 100 mit einer 3-Wege -Trennung nach dem Stand der Technik. Bei einer sogenannten 3-Wege- Trennung werden drei galvanisch voneinander getrennte Bereiche miteinander verbunden, beispielsweise mit zwei Übertragern, beispielsweise hierbei ein
Energieübertrager bzw. Transformator und ein Signalübertrager. Fig. 3 und Fig. 4 zeigen jeweils in einer Draufsicht Einzelheiten des Trennverstärkers 100, wobei verschiedene Ebenen des Trennverstärkers 100 dargestellt sind. Fig. 3 zeigt Bauteile des Trennverstärkers 100, insbesondere eine einzige Leiterplatte 110 des Trennverstärkers 100 mit darauf angeordneten Bauteilen, und Fig. 4 zeigt Leiterbahnen des Trennverstärkers 100, insbesondere Leiterbahnen einer Außenlage auf dieser
Leiterplate.
Ein Trennverstärker mit einer 3-Wege-Trennung, wie z.B. der Trennverstärker 100, weist üblicherweise drei galvanisch voneinander getrennte Bereiche als Funktionseinheiten auf, wobei jede Funktionseinheit eine eigene Potential gruppe bildet. Beispielhaft sind solche Funktionseinheiten und damit die jeweiligen Potentialgruppen in drei galvanisch voneinander getrennten Bereichen in Fig. 3 und in Fig. 4 dargestellt. Die Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine erste Funktionseinheit 101, eine zweite Funktionseinheit 102 und eine dritte Funktionseinheit 103 auf. Hierbei ist die erste Funktionseinheit 101 z.B. eine
Eingangseinheit 107, die zweite Funktionseinheit 102 z.B. eine Ausgangseinheit 108 und die dritte Funktionseinheit 103 z.B. eine Versorgungseinheit 109 zur elektrischen
Energieversorgung des Trennverstärkers 100.
In der Draufsicht der Fig. 3 sind elektronische Bauteile auf der Leiterplatte 110 dargestellt. Zwischen den jeweiligen Potentialgruppen der Funktionseinheiten 101, 102, 103 können Energie und Signale über Koppelelemente 111 und 112 übertragen werden.
In dem Beispiel nach den Fign. 3 und 4 überträgt der Trennverstärker 100 Energie von der Versorgungsseite (vgl. 103, Fig. 3; 109, Fig. 4) zur Eingangsseite (vgl. 101, Fig. 3; 107, Fig. 4) und zur Ausgangsseite (vgl. 101, Fig. 3; 108, Fig. 4). Hierzu weist der Trennverstärker 100 z.B. ein Koppelelement 112 (Fig. 3) zur Übertragung elektrischer Energie auf. Das Koppelelement 112 ist in diesem Ausführungsbeispiel als induktives Koppelelement ausgeführt. Ein kapazitives bzw. induktives Bauteil als Koppelelement 111, welches als integrierte Schaltung ausgeführt ist, überträgt ferner Signale von der Eingangseinheit 107 zur Ausgangseinheit 108 und, falls dies gewünscht ist, auch umgekehrt. Bei herkömmlichen Trennverstärkern, wie z.B. beim Trennverstärker 100 gemäß Fign. 3 und 4 muss sich ein Anwender somit jedoch darauf verlassen, dass innerhalb des Gerätes die galvanische Trennung, insbesondere sichere galvanische Trennung, der jeweiligen Stromkreise bzw. Potentialgruppen gegeben ist und geforderte Isolationsabstände, z. B. Luft- und Kriechstrecken oder feste Isolierung, eingehalten werden, da er gewöhnlich nicht das Innere einsehen kann.
Ausgehend von dem Trennverstärker 100 der Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Fig. 1 und Fig. 2 schematisch mögliche Ausführungsvarianten eines, z.B. als Trennverstärker einsetzbaren, elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräts 115 bzw. 115‘ gemäß der Erfindung.
So sind gemäß Fig. 1 einzelne Funktionseinheiten in mehreren, zumindest zwei
Teilgehäusen angeordnet, z.B. gemäß Fig. 1 in drei einzelnen Teilgehäusen 104, 105, 106 angeordnet, die näher in Fig. 1 dargestellt sind. Definitionsgemäß bildet im Rahmen der Erfindung ein Teilgehäuse mit einer beherbergten Funktionseinheit oder auch mehreren beherbergten Funktionseinheiten ein Funktionsmodul aus. Folglich sind gemäß Fig. 1 einzelne Funktionseinheiten, z.B. eine erste, im Rahmen der Erfindung z.B. als
Eingangsmodul ausgebildete Funktionseinheit 117, eine zweite, z.B. im Rahmen der Erfindung als Ausgangsmodul ausgebildete Funktionseinheit 118 und eine dritte, im Rahmen der Erfindung z.B. als Versorgungsmodul ausgebildete Funktionseinheit 119 in Abkehr zu den bei Fig. 3 und 4 dargestellten Funktionseinheiten 101, 102 und 103 nunmehr gemäß der Erfindung zur Galvanischen Trennung voneinander in mehreren, zumindest zwei Teilgehäusen angeordnet, z.B. gemäß Fig. 1 in drei einzelnen
Teilgehäusen 104, 105, 106 angeordnet, die näher in Fig. 1 dargestellt sind.
Die drei gemäß Fig. 1 somit als Funktionsmodule ausgebildeten Funktionseinheiten 117, 118, 119 definieren galvanisch getrennte Stromkreise bzw. Potentialgruppen zwischen denen Isolationsabstände, z. B. Fuft- und Kriechstrecken oder feste Isolierung, eingehalten werden, indem zusätzlich Wände von Teilgehäusen 104, 105, 106 vorhanden sind. Auf diese Weise kann ein z.B. als Trennverstärker im Rahmen der Erfindung, insbesondere modular zusammengesetztes elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräts auf einfachere Weise eigensicher, insbesondere im Sinne der Norm DIN EN 60079-11, insbesondere in der zum Anmeldetag gültigen Fassung, ausgestaltet werden. Folglich ist dann eine wie in den Fig. 3 und Fig. 4 gezeigte einzige Leiterplatte 110 im Rahmen der Erfindung und folglich auch im vorliegenden, erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nicht mehr gegeben, sondern in mehrere Teile unterteilt und weist somit beispielhaft drei einzelne, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellte Leiterplatten auf. Jede der (nicht dargestellten) Leiterplatten ist vorliegend in einem eigenen Teilgehäuse 104, 105, 106 angeordnet, wie in Lig. 1 näher gezeigt ist.
Lig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines, z.B. einen Trennverstärker
bereitstehenden elektronischen Ein-/Ausgangsgeräts 115 nach der Erfindung, und zwar mit drei Teilgehäusen 104, 105, 106. Wie bereits erwähnt, bilden die einzelnen, z.B. drei Teilgehäuse galvanisch voneinander getrennte Bereiche z.B. ein Versorgungsmodul 119, ein Eingangsmodul 117 und ein Ausgangsmodul 118, die in drei verschiedenen Gehäusen als Teilgehäuse 104, 105, 106 untergebracht sind. Bei Fig. 1 beinhaltet jedes Teilgehäuse 104, 105, 106 eine Elektronik (nicht dargesteht) mit einer Potentialgruppe. Die drei Teilgehäuse 104, 105, 106 sind durch mechanische Verbindungselemente mechanisch miteinander verbunden. Bei Fig. 1 beispielsweise solche durch außen an den
Teilgehäusen 104, 105, 106 angeordnete und diese miteinander verbindende
Verbindungselemente 121 angedeutet. Eine mechanische Verbindung kann z. B. durch Rasterverbindungen erfolgen. Diese Verbindungen sind rein mechanisch, nicht aber elektrisch bzw. galvanisch. Da solche mechanischen Verbindungen dem Fachmann in vielfältiger Weise hinlänglich bekannt sind, sind auch im Rahmen der Erfindung einsetzbare Verbindungen nicht weiter detailliert dargestellt und beschrieben. Damit zwischen den einzelnen Teilgehäusen 104, 105, 106 dennoch Energie, Signale und/oder Daten ausgetauscht werden können, sind Koppelbereiche 123 an jeweils gemeinsamen Grenzflächen 120 zwischen den einzelnen Teilgehäusen 104 und 105, 105 und 106 und 104 und 106 vorgesehen.
Die Koppelbereiche 123 sind konstruktiv und elektrisch derart ausgestaltet, dass mittels elektromagnetischen Feldern Energie, Signale und/oder Daten zwischen den einzelnen Teilgehäusen 104, 105, 106 und in Folge auch zwischen den einzelnen durch die Teilgehäuse definierten Funktionsmodule ausgetauscht werden können.
Isolationsanforderungen zwischen den einzelnen Potentialgruppen innerhalb verschiedener Teilgehäuse 104, 105, 106 werden durch diese Maßnahmen inhärent erfüllt und sind somit auch für den Anwender direkt sichtbar.
Bei der vorliegenden Ausgestaltung in Fig. 1 ist die galvanische Trennung nun direkt ersichtlich. Indem mehrere Teilgehäuse 104, 105, 106 mechanisch miteinander verbunden werden, die aber keine elektrischen Kontakte haben, ist es für den Anwender leicht erkennbar, dass eine galvanische Trennung vorhanden ist. Durch die hierdurch erwirkte Flexibilität und insbesondere auch Modularität des elektronischen Ein- /Ausgangsgeräts nach der Erfindung ist ferner die jeweilige spezifische Funktion, z.B. die eines Trennverstärkers, erst mit Zusammenbau mehrerer Teilgehäuse 104, 105, 106 vervollständig.
Der Entwurf und die Entwicklung der mit einzelnen Teilgehäusen versehenen
Funktionseinheiten 117, 118, 119 bzw. der Funktionsmodule kann demnach so durchgeführt werden, dass keine Fehlfunktionen entstehen können, wenn die
Funktionsmodule 117, 118, 119 nicht oder nur unzureichend mechanisch miteinander verbunden sind. Die Funktionalität des modular, z.B. als Trennverstärker,
zusammengesetzten elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräts 115 gemäß Erfindung wird vorteilhafterweise erst freigeschaltet werden, wenn die Gehäuseteile und damit die einzelnen Funktionsmodule korrekt miteinander verbunden sind. Zweckmäßig sind dann die jeweiligen Grenzflächen mit den dort vorgesehenen Koppelbereichen exakt in vorbestimmter Weise zueinander ausgerichtet. Dies kann durch geeignete Maßnahmen sichergestellt sein, wie beispielsweise durch Rastverbindungen, deren Einrasten zweckmäßig auch sichtbar bzw. hörbar ist. Ferner können Mechanismen zur ständigen Kontaktüberwachung vorgesehen werden, so dass auch bei industrieller
Installationsumgebung mit beispielsweise vibrierenden Teilen jederzeit ein sicherer Kontakt zwischen den Teilgehäusen überwacht werden kann.
Es ergeben sich durch die Verwendung von Teilgehäusen 104, 105, 106 zahlreiche Vorteile. Neben der beschriebenen„Sichtbarkeit“ der galvanischen Trennung bietet sich durch die Auftrennung der Gehäuseteile eine vorteilhafte„Modularität“. So können z. B. unterschiedliche Industrie-Normsignale, wie 0-10 V, 4-20 mA, auf einfache Weise durch unterschiedliche Eingangsmodule und/oder Ausgangsmodule realisiert werden, also z.B. in weiterer Abwandlung zu Fig. 1 auch dasselbe Eingangsmodul mit einem
Ausgangsmodul für einen zu liefernden Ausgangsstrom von 4-20 mA oder einem anderen Ausgangsmodul mit Spannungsbereich von 0-10 V. Bei der Installation kann dann vor Ort die gewünschte Funktionalität nach Belieben zusammengebaut werden. Es können zweckmäßig auch die gleichen Ausgangsmodule, z.B. mit einem digitalen
Ausgangssignal, verwendet werden und daran unterschiedliche Eingangsmodule für unterschiedliche Sensoren angeschlossen werden. Eine weitere Form der Modularität ist es, z. B. verschiedene Versorgungsmodule 119 umfassende Teilgehäuse 106 für verschiedene Eingangsspannungen, z. B. 12 V DC, 24 V DC, 230 V AC, an dieselben Eingangs- und Ausgangsmodule anzuschließen. In den Versorgungsmodulen 119 befinden sich dann je nach Variante unterschiedliche Netzteile.
Ferner können unterschiedliche Konfigurationsarten, z.B. Parametrisierung mittels DIP (Dual in-line packagej-Schaltem oder mittels Nahfeldkommunikation (NFC) einfach durch unterschiedliche Teilmodule und also mit unterschiedlichen Teilgehäusen und darin beherbergten Funktionseinheiten realisiert werden. Auch ist es somit z.B. möglich, Fehlermeldekontakte optional für die einzelnen Gehäuseteile hinzuzunehmen.
In verschiedenen Ausführungsvarianten können die Teilmodule auch schon vor Gebrauch und vor Auslieferung kundenspezifisch vormontiert sein. Alternativ werden die
Teilgehäuse erst am Installationsort zusammengefügt, insbesondere zusammengesteckt.
Zwischen einzelnen Potentialgruppen und somit auch zwischen einzelnen Teilgehäusen werden Energie und/oder Signale und/oder Daten ausgetauscht. Eine Möglichkeit eines solchen Austausches über einzelne Teilgehäuse hinweg ist es hierbei, elektromagnetische Felder zu nutzen, die zwischen den isolierenden Wänden der einzelnen Gehäuse in einem Koppelbereich zur Übertragung von Energie und Signalen verwendet werden können. Dafür ist es allerdings hilfreich, die Gehäuseteile aus elektrisch nicht leitfähigem Material herzustellen, da sich sonst eine ungewollte Abschirmung von Feldern ergeben könnte.
Mit anderen Worten sind Metallgehäuse für die erfindungsgemäße Einhausung von Funktionseinheiten nicht empfehlenswert, sondern eher Kunststoffgehäuse. Für die Signalübertragung zwischen Teilgehäusen gibt es zahlreiche Möglichkeiten von Koppelelementen, wie z. B. die Verwendung von Antennen, Spulen, Kondensatoren oder ähnliches. Hierbei sind die Reichweiten in der Regel unkritisch. Denn oftmals hat man bei Datenübertragungen in solchen Systemen geringe Abstände und folglich genügend oder sogar mehr Reichweite als notwendig, insbesondere, wenn Antennen verwendet werden.
Für die Energieübertragung ist von Vorteil, induktive Koppelelemente zu verwenden, da hier bei geringen geometrischen Abständen hohe Wirkungsgrade erreicht werden können. Ferner bleiben die benötigten Magnetfelder zwischen den Teilgehäusen von
Außeneinflüssen unbeeinflusst, wie Kunststoffe, Schmutz, Staub, Flüssigkeiten. Dies ist besonders für industrielle Anwendungen von Vorteil. Somit basiert bevorzugter Weise die Energieübertragung zwischen den einzelnen Gehäuseteilen besonders zweckmäßig auf induktiver Energieübertragung.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist drei Funktionseinheiten mit insgesamt drei Teilgehäusen 104, 104, 105 auf. Es ist ferner auch möglich, ein Ein-/ Ausgangsgerät gemäß der Erfindung mit nur zwei Funktionsmodulen auszuführen. In einem solchen Fall weist der modulare Trennverstärker zwei statt drei Gehäuseteile als Teilgehäuse auf.
Auch weitere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung mit mehr als drei
Funktionseinheiten bzw. Potentialgruppen sind möglich. Dies ist beispielsweise bei einem Trennverstärker als Signalverdoppler der Fall. Hierbei kann der Signalverdoppler aus einem Eingangssignal zwei identische oder ähnliche Ausgangssignale an zwei Ausgängen erzeugen, mit den Modulen Versorgung / Eingang / Ausgang 1 / Ausgang 2.
Ferner gibt es Anwendungen für ein elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät gemäß der Erfindung, bei denen die Auswertung mehrerer Sensorsignale zusammengefasst werden soll. Hier bieten sich beispielsweise so genannte Systemverkabelungen oder Gateways an, ein Beispiel bilden die sogenannten Termination Carrier. Es ist ferner auch möglich, mehrere Funktionseinheiten als ein Modul mit einem gemeinsamen Teilgehäuse auszubilden.
Hierzu zeigt Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines modular zusammengesetzten elektronischen Ein-/ Ausgangsgerät 115' gemäß der Erfindung. Dieses kann z.B. auch für Systemverkabelung oder als Gateway verwendet werden.
Hierbei wird z.B. angestrebt, mehrere Signale zu bündeln und zu sammeln. In den bisher bekannten Ausführungsformen erfolgt beispielsweise die Systemverkabelung durch galvanische Kontakte. Viele Teilkomponenten sind in diesem Aufbau redundant aufgebaut. Diese Redundanz betrifft beispielsweise Netzteile, die in jeder
Funktionseinheit einen DC/DC Wandler haben. Die nun vorgeschlagene Lösung schlägt vor, z.B. bei Gateways und Systemverkabelungen gleiche Schaltungsteile
zusammenzufassen und nur ein oder wenige Male aufzubauen.
Hierbei zeigt Fig. 2 ein Beispiel für eine Systemverkabelung, bei der eine oder mehrere als Eingangsmodul(e) ausgebildete Funktionseinheit(en) 117 an ein als zentrales Basisgehäuse ausgebildetes Teilgehäuse 130 gesteckt werden kann. Als Basisgehäuse wird im Rahmen der Erfindung ein Teilgehäuse definiert, das eine Vielzahl von
Anschlussmöglichkeiten für Eingangsmodule und/oder für Ausgangsmodule aufweist. Hierfür können die Eingangs- und/oder Ausgangsmodule bzw. deren Teilgehäuse zweckmäßig jeweils in Art einer Funktionskarte 131, d.h. kartenartig ausgebildet sein, um flächig nebeneinander oder auch hintereinander mit jeweiligen Teilgehäusen als schmale Funktionsmodule, also z.B. mit jeweiligen Teilgehäusen 132 als schmale
Eingangsmodule an ein breiteres Basisgehäuse 130 angeschlossen zu sein.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist das Basisgehäuse 130 ferner eine weitere besondere Ausprägung eines Teilgehäuses darin auf, als in diesem bereits mehrere unterschiedliche Funktionseinheiten, z.B. in Art einer Ausgangseinheit 118 und einer Versorgungseinheit 119 vorinstalliert sind. Somit nimmt das Basisgehäuse 130 zusätzlich zwei unterschiedliche Funktionseinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse auf. Das Basisgehäuse 130 gemäß Fig. 2 weist nun eine Vielzahl von Anschlussmöglichkeiten für Eingangsmodule auf, wobei aus Gründen der Übersicht nur ein solches
Eingangsmodul mit einer mit einem Teilgehäuse 132 eingehausten Eingangseinheit 117 dargestellt ist. Je nach Ausführung kann ein solches Teilgehäuse 132 jedoch auch mehrere zu einem Modul zusammengefasste Eingangseinheiten 117 umfassen. Ferner sind Koppelbereiche 123, zur Kopplung von magnetischen Feldern zwischen dem
Basisgehäuse 130 und einem jeweiligen Teilgehäuse 132 vorgesehen, insbesondere um Daten und/oder Signale aber zweckmäßig auch Energie zwischen den Gehäusen 130, 132 und somit gemäß Fig. 3 insbesondere zwischen den jeweiligen Funktionseinheiten 117 und 118 sowie 117 und 119 auszutauschen. Energie wird zweckmäßig insbesondere zwischen den jeweiligen Funktionseinheiten 119 und 117 sowie 119 und 118 übertragen. Zwischen den Funktionseinheiten 118 und 119, die gemeinsam im Basisgehäuse 130 beherbergt sind, können auch Koppelelemente, ähnlich zum Koppelelement 111 oder 112 gemäß Fig. 3, zur Übertragung von Signalen vorgesehen sein, insbesondere, wenn die Funktionseinheiten 118 und 119 auf einer gemeinsamen Feiterplatte angeordnet sind.
Das Basisgehäuse 130 weist eine Energieversorgung, beispielsweise 24 V, und ein oder mehrere Ausgänge bei der Ausgangseinheit 118 auf. Ein jeweiliges Teilgehäuse 132 für ein oder mehrere Eingangseinheiten 117 wird mechanisch an das Basisgehäuse angebracht und fixiert (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht weiter darstellt), wobei hierbei kein elektrischer bzw. galvanischer Kontakt entsteht.
In der Ausführungsform der Fig. 2 können folglich auch mehrere Module, die
insbesondere jeweils kartenartig bzw. als Funktionskarten 131, gemäß Fig. 2 als
Eingangskarten, ausgebildet sind, an das Basismodul 130 angeschlossen werden. Die Eingangsmodule können folglich z.B. flächig nebeneinander mit jeweiligen Teilgehäusen 132 als schmale Eingangsmodule an ein breiteres Basisgehäuse 130 angeschlossen sein. Ferner kann eine solche Bildung von Funktionskarten nicht nur im Falle von
Eingangskarten sondern auch analog für Ausgangsmodule vorgesehen sein. In einem solchen Fall würden in Abwandlung zur Fig. 2, folglich mehrere, insbesondere jeweils kartenartig, zu Ausgangsmodulen zusammengefasste Ausgangseinheiten an einem gemeinsamen Basisgehäuse angeschlossen werden können. Mit der Bereitstellung von Mehrfachanschlüssen für Module kann von einem
elektronischen Ein-/ Ausgangsgerät mit dem Basisgehäuse 130 gemäß Fig. 2 z.B. die Funktion eines Termination Carriers oder Gateways übernommen werden. Beispielsweise können Sensorsignale aller Eingangskarten 131 im Basisgehäuse 130 als zentrale Einheit gesammelt werden und von dort aus über eine andere digitale Schnittstelle an ein übergeordnetes Steuerungssystem weitergeleitet werden. Diese Weiterleitung kann kabelgebunden oder als Funkverbindung ausgeführt sein.
Eine ähnliche, etwas abgewandelte Ausführungsform ist beispielhaft in Fig. 12 dargestellt. Dort integriert ein mit 130' gekennzeichnetes Basisgehäuse eine
Versorgungseinheit und weist hierzu Versorgungsklemmen für eine Energieversorgung, beispielsweise 24 V auf. Daneben integriert das Basisgehäuse im dargestellten Beispiel zumindest eine Ausgangseinheit und weist für diese eine nach außen geführte, als kabelgebundene oder als Funkverbindung ausgeführte Schnittstelle auf, insbesondere eine digitale Schnittstelle, insbesondere als Ethemet-Schnittstelle, z.B. in Art einer RJ45 Buchse und/oder eines WLAN-Anschlusses.
Ferner sind gemäß der Ausführungsform nach Fig. 12 beispielsweise sechs als jeweilige Eingangsmodule ausgebildete Funktionseinheiten 117 'mit jeweiligen separaten
Teilgehäusen an das Basismodul 130 'angeschlossen. Jedes Teilgehäuse jedes
Eingangsmoduls 117 'weist im dargestellten Beispiel ferner eine Eingangsschnittstelle, z.B. eine digitale Eingangsschnittstelle„DI“ für digitale Eingangssignale auf.
Basierend auf einer Ausführungsform nach Fig. 12 kann somit ein elektronisches Ein- /Ausgangsgerät gemäß Erfindung als Sammeleinheit ausgebildet sein und mehrere, z.B. sechs digitale Eingangssignale mittels der Eingangsmodule 117'„einsammeln“ und z.B. über eine Ethemet-Schnittstelle weiterleiten. Zweckmäßig ist an dem Basisgehäuse zusätzlich eine nicht weiter dargestellte mechanische Befestigungseinrichtung
ausgebildet, z.B. zur Befestigung auf einer Tragschiene 200. Ein solches, als
Sammeleinheit gemäß der Erfindung aufgebautes Ein-/ Ausgangsgerät kann folglich wiederum insgesamt als„Sammelmodul“ zur weiteren Anwendung kommen. Fig. 13 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines elektronischen Ein- /Ausgangsgerät gemäß Erfindung, bei welchem ein mit 130” gekennzeichnetes
Basisgehäuse eine Versorgungseinheit integriert und hierzu wiederum
Versorgungsklemmen für eine Energieversorgung, beispielsweise 24 V aufweist. In zweckmäßiger Weise ist in dem Basisgehäuse ferner zumindest eine nicht weiter dargestellte Logik- und/oder Steuerungseinheit integriert, sodass mit der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform z.B. eine Kleinsteuerung realisierbar ist. Die in dem Basisgehäuse integrierten Funktionseinheiten fungieren somit gemeinsam als
Basismodul. Auch kann an dem Basisgehäuse 130” wiederum eine nicht weiter dargestellte mechanische Befestigungseinrichtung ausgebildet sein, z.B. zur Befestigung auf einer Tragschiene 200.
Ferner können definitionsgemäß an dem Basisgehäuse 130” eine Mehrzahl von
Eingangsmodulen und eine Mehrzahl von Ausgangsmodulen angeschlossen sein. Aus Gründen der Übersicht ist bei Fig. 13 jedoch lediglich eine als Eingangsmodul ausgebildete Funktionseinheit 117” und eine als Ausgangsmodul ausgebildete
Funktionseinheit 118” dargestellt. Je nach Ausführung können hierbei auch die
Eingangsmodule jeweils identisch und/oder die Ausgangsmodule jeweils identisch aufgebaut sein. Im dargestellten Beispiel weist ein solches Eingangsmodul z.B. eine analoge Eingangsschnittstelle„AI“ für analoge Eingangssignale auf und ein solches Ausgangsmodul z.B. eine digitale Ausgangsschnittstelle„DO“ für digitale
Ausgangssignale auf. An eine solche analoge Eingangsschnittstelle„AI“ kann z.B. ein Sensor, z.B. ein Helligkeitssensor angeschaltet sein und/oder über die
Eingangsschnittstelle„AI“ können z.B. Spannungssignale von 0 bis 10V erfasst werden. Die im Basisgehäuse 130” gemäß Fig. 13 integrierte Logik- und/oder Steuerungseinheit verknüpft je nach Anwendung beliebige Eingangsmodule 117” bzw. deren Eingänge mit Ausgangsmodulen 118” bzw. deren Ausgängen. Beispielsweise schaltet ein Ausgang über die skizzierte Ausgangsschnittstelle„DO“, wenn ein Eingang, z.B. über die skizzierte Eingangsschnittstelle„AI“, eine eingestellte Signalschwelle (z.B. 6,5V) überschreitet. Wie bei den Ausführungsformen nach Fign. 12 und 13 ferner zu sehen, sind die
Eingangsmodule und/oder Ausgangsmodule zweckmäßig jeweils kartenartig ausgebildet, so dass diese auf einfache Weise jeweils flächig nebeneinander bzw. hintereinander als im Verhältnis zum Basisgehäuse schmalere Funktionsmodule an das im Verhältnis zu den Eingangsmodulen und/oder Ausgangsmodulen breitere Basisgehäuse angeschlossen werden zu können. Die Anschlussmöglichkeiten am Basisgehäuse für die Vielzahl Eingangsmodulen und/oder Ausgangsmodulen können hierbei nach außen hin
zweckmäßig jeweils schlitzartig ausgebildet sein.
Zusammenfassend und basierend auf bisher vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen können somit insbesondere Eingangsmodule und/oder
Ausgangsmodule je nach Ausführung mit Schnittstellen zur analog und/oder digital erfolgenden Signal-/Datenweiterleitung ausgerüstet sein. Ferner umfasst somit ein elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät gemäß Erfindung ferner wenigstens ein
Funktionsmodul, d.h. eine oder mehrere zusammen in einem separaten Teilgehäuse beherbergte Funktionseinheit(en), d.h. insbesondere Eingangs- und/oder
Ausgangseinheiten, welches seine elektrische Versorgungsspannung über einen
Koppelbereich (vgl. insbesondere auch Fign. 1 und 2, Bezugszeichen 123) für
elektromagnetische Felder an einer gemeinsamen Grenzfläche zwischen seinem eigenen Teilgehäuse und einem anderen Funktionsmodul bzw. dessen Teilgehäuse erhält.
Nachfolgend wird insbesondere auf diese Koppelbereiche sowie hierzu besonders zweckmäßige Kontaktgeometrien jeweils mechanisch miteinander verbindbarer
Teilgehäuse eingegangen.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer gegenüber den Ausführungsbeispielen der Fign. 1 und 2 abgewandelten, noch zweckmäßigeren Kontaktgeometrie 140 zur Bildung eines Koppelbereiches am Beispiel eines weiteren, z.B. modular als Trennverstärker zusammengesetzten, elektronischen Ein-/Ausgangsgeräts 115” nach der Erfindung, wobei der Koppelbereich an einer gemeinsamen Grenzfläche von zwei Teilgehäusen 141, 142 in Schnittansicht gebildet ist. Hierbei wird eine Grenzfläche 120 mit einem
Koppelbereich zwischen den beiden Teilgehäusen 141, 142 bereitgestellt. Wie bei den Fign. 1 und 2 sind auch hier die beiden Teilgehäuse 141, 142 zweckmäßig wieder aus Kunststoff hergestellt und mechanisch miteinander verbunden bzw. fixiert. Die
Teilgehäuse 141 und 142 überlappen sich jedoch in einem Überlappungsbereich. In dem Überlappungsbereich, der wie dargestellt, zweckmäßig stufenförmig ausgebildet sein kann, haben die einzelnen Teilgehäuse 141, 142 beispielsweise etwa nur noch die Hälfte ihrer ursprünglichen Höhe, so dass eine Stufenfläche auf z.B. der Hälfte der
ursprünglichen Höhe ausbildet ist, die von vorzugsweise rechtwinklig dazu geführten Seitenwänden des Teilgehäuses begrenzt ist. Hierbei ist die Stufenfläche zweckmäßig parallel verlaufend zu den außerhalb des durch die Kontaktgeometrie 140 gebildeten Koppelbereiches verlaufenden Teilgehäusen 141, 142. In der Fig. 5 sind beispielhafte Abmessungen in Millimeter angegeben, die die Stufengeometrie bilden. Ferner kann, wie skizziert, vorgesehen sein, dass jeweils zumindest ein Teilgehäuse 141 und/oder 142 zweiteilig, beispielsweise mit einem ersten Teil als Deckel und einem zweiten Teil als Boden, ausgeführt ist, wobei Deckel und Boden bevorzugt über die Kontaktgeometrie 140 miteinander verbunden sind und/oder die Kontaktgeometrie 140 durch ein Teil des ersten und/oder zweiten Teiles eines oder beider Teilgehäuse 141, 142 vorgegeben ist. Jedes der beiden Teilgehäuse 141 und 142 umschließt, wie auch bei den
Ausführungsbeispielen gemäß Fign. lund 2, ferner wenigstens eine Leiterplatte 143 bzw. 144, auf denen jeweils diverse Elektronikkomponenten zur Bildung einer
Funktionseinheit angeordnet sind.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist nun eine induktive Kopplung im durch den Überlappungsbereich vorgegebenen Koppelbereich vorhanden. Hierzu ist z.B. mit den Leiterplatte 143 und 144, auf denen jeweils die Elektronikkomponenten zur Bildung einer Funktionseinheit an geordnet sind, jeweils eine weitere Leiterplatte 145 bzw. 146 elektrisch und mechanisch verbunden, welches z.B. jeweils über die Ausbildung einer Kontaktstelle 149 zur gemeinsamen elektrischen und mechanischen Verbindung, wie dies dem Fachmann an und für sich bekannt ist, erfolgen kann. Diese weiteren Leiterplatten 145 und 146 sind insbesondere entsprechend der Kontaktgeometrie 140 an den
Leiterplatten 143 und, 144 angeordnet und erstrecken sich jeweils in den
Überlappungsbereich. Dort sind die Leiterplatten 145 und 146 jeweils mit
Koppelelementen ausgerüstet, im vorliegenden Beispiel zur induktiven Kopplung, z.B. mit jeweils wenigstens einer Spule, die jedoch aus Gründen der Übersicht nicht weiter dargestellt sind. Die auf oder in den Leiterplatten 145 und 146 befindlichen
Koppelelemente sind derart angeordnet, dass ein oder mehrere auf oder in der Leiterplatte 145 befindliche(s) Koppelelement(e) mit einem oder mehreren Koppelelement(en) der Leiterplatte 146 magnetisch miteinander über ein elektro-magnetisches Feld 147 bzw. Magnetfeld gekoppelt ist bzw. sind, wie durch die von der Leiterplatte 146 zur
Leiterplatte 145 verlaufenden drei Pfeile angedeutet. Durch Einsatz unterschiedlicher Leiterplatten zur Bildung einer Funktionseinheit und zum Tragen von Koppelelementen können diese je nach Anforderung auch unterschiedlich ausgebildet sein. Die
Leiterplatten 143, 144, an welchen die Leiterplatten 145, 146 mit den Koppelelementen elektrisch und mechanisch verbunden sind, können beispielsweise mehrlagig, z. B. vom Typ einer 8-Lagen PCB (PCB-printed Circuit board, gedruckte Leiterplatte) sein. Die an diesen elektrisch und mechanisch verbundenen und sich in den Überlappungsbereich erstreckenden Leiterplatten 145 und 146 mit den Koppelelementen können einen anderen Aufbau besitzen und weisen zweckmäßig viel Kupfer und/oder viele
Leiterbahnenwindungen für eine hohe Leitfähigkeit auf. Die auf oder in den Leiterplatten 145 und 146 befindlichen Koppelelemente sind im Falle von Spulen beispielsweise als Planarspulen, z.B. als Planarspulen eines Planartransformators ausgebildet.
Das Magnetfeld 147 kann ferner durch magnetisch leitfähige Materialien 148, wie beispielsweise Ferrite, derart beeinflusst bzw. geführt werden, dass sich die Kopplung zwischen den auf oder in den Feiterplatten 145 und 146 befindlichen Koppelelementen verbessert und elektro-magnetische Felder in den Außenraum besser abgeschirmt sind. Beispielsweise können derartige magnetisch leitfähige, insbesondere jedoch auch elektrisch schlecht oder nicht leitende Materialien 148, z.B. Ferrite, insbesondere in Form von Folien an den jeweils der Grenzfläche 120 abgewandten Außenseiten der
Feiterplatten 145 und 146 angebracht sein oder eine dortige Außenlage der Feiterplatte 145 bzw. 146 bilden. Mittels des Magnetfeldes 147 können über induktive Kopplung somit nicht nur Signale und/oder Daten sondern es kann insbesondere auch Energie bzw. Feistung von einem zum anderen Gehäuseteil durch die Teilgehäuse 141, 142 hindurch übertragen werden. Die Teilgehäuse 141, 142 sind vorzugsweise Kunststoffgehäuse zur verbesserten Übertragung des Magnetfeldes. Je nach Ausgestaltung können dabei Wirkungsgrade zur Übertragung von über 80% und je nach Leistung und
Dimensionierung sogar Wirkungsgrade von über 90% erreicht werden. Neben der Übertragung von Energie, d.h. ergänzend oder alternativ können, wie zuvor bereits angeführt, auch Daten und/oder Signale mittels magnetischer Felder übertragen werden.
Die in Fig. 5 dargestellte Kontaktgeometrie 140 mit einem Koppelbereich ist lediglich ein Beispiel aus einer Vielzahl von möglichen Kontaktgeometrien. Andere Geometrien sind auf einfache Weise auch möglich, beispielsweise, die keine Stufenform aufweisen und/oder beispielsweise als mechanisches Verbindungselement eine Einrastvorrichtung aufweisen zum Befestigen der beiden Teilgehäuse 141, 142 miteinander. Ferner ist es möglich, dass in der Kontaktgeometrie 140 eine Überwachung integriert ist, um zu überprüfen, ob die Teilgehäuse ordnungsgemäß miteinander verbunden sind. Eine solche Überwachung ist jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Ferner können für die induktive Kopplung z.B. auch Stab-Ferrite mit gewickelten Spulen und/oder Schalenkeme verwendet werden. Ferner kann letztlich jede geometrische Form verwendet werden, die eine gute mechanische Verbindung zwischen den Gehäuseteilen erlaubt und auch eine gute magnetische Verbindung bzw. Kopplung bereitstellt. Hierbei wird angestrebt, die gekoppelten Koppelelemente, also insbesondere Spulen bzw.
Planarspulen und magnetischen Materialien derart zu dimensionieren, dass zweckmäßig auch ein möglichst guter Transformator mit Fuftspalt gebildet werden kann, dessen Verluste minimal sind und die Kopplung maximal wird.
Fig. 6 zeigt in skizzenhafter Darstellung ein weiteres Anschauungsbeispiel einer insbesondere als Eingangsmodul ausgebildeten Funktionseinheit 117'”, von außen auf dessen diesbezügliches Teilgehäuse, sodass die Komponenten, insbesondere die
Elektronikkomponenten einschl. der mit diesen elektrisch verbundenen Koppelelementen zur Ausbildung elektro-magnetischer Felder im Gehäuseinneren nicht zu sehen sind.
Zu sehen ist jedoch insbesondere ein am Teilgehäuse der eingehausten Funktionseinheit 117' "vorstehender Gehäuseteil 133. Mittels eines solchen oder ähnlich gestalteten Gehäuseteils 133 kann folglich zusammen mit einem zu dem Gehäuseteil 133 komplementär ausgebildeten Teilgehäuse einer mit der eingehausten Funktionseinheit 117'” mechanisch miteinander zu verbindenden weiteren eingehausten Funktionseinheit eine Kontaktgeometrie mit Überlappungsbereich, ähnlich zu vorstehender Beschreibung definiert werden. Zur mechanischen Verbindung können z.B. an den seitlichen Seiten des Gehäuseteils 133 Verbindungselemente 121 angeordnet sein, beispielsweise nutenartige Vertiefungen, in welche komplementäre nasenartige Erhöhungen eingreifen können. Im Innern des Gehäuseteils 133 sind somit zweckmäßig ein Koppelelement oder mehrere Koppelelemente, zweckmäßig wiederum eine Leiterplatte mit einem Koppelelement oder mehreren Koppelelementen gemäß vorstehender Beschreibung, angeordnet, um gemeinsam mit einem im Innern eines komplementär ausgebildeten Gehäuseteils angeordneten Koppelelement oder auch mehreren Koppelelementen, zweckmäßig wiederum ähnlich vorstehender Beschreibung auf oder in einer Leiterplatte angeordnet, einen elektromagnetischen Koppelbereich an der bei mechanischer Verbindung entstehenden, gemeinsamen Grenzfläche zu bilden.
Wie vorstehend beschrieben, können hierbei je nach spezifischer Ausführung die Ausbildung und/oder Anordnung von Koppelelementen zur Übertragung von Energie, Daten und/oder Signalen mittels elektro-magnetischer Lelder unterschiedlich vorgesehen sein. Bei Lig. 6 ist diesbezüglich angedeutet, dass bei diesem Anschauungsbeispiel z.B. eine Ausbildung und Anordnung von Koppelelementen im Gehäuseinneren enthalten sein kann, mit denen eine bidirektionale Übertragung von Daten und eine unidirektionale Übertragung von Energie zur Energieversorgung der eingehausten Funktionseinheit 117'” ermöglicht werden kann.
Ferner können, wie bei Fig. 6 angedeutet, von außen zugängliche Anschlussklemmen 150 an der eingehausten Funktionseinheit 117'” vorgesehen sein, die mit den im
Gehäuseinnem angeordneten Elektronikkomponenten z.B. derart elektrisch verbunden sind, dass hierüber z.B. ein Sensor, insbesondere zur Erfassung von Temperatur,
Drehzahl oder Druck, anschaltbar ist. Auch können an der Gehäuseoberfläche mit der im Gehäuseinnem angeordneten Elektronik entsprechend einer jeweiligen spezifischen Ausführung elektrisch verbundene Visualisierungsmittel 160, wie z.B. LEDs, zum Anzeigen bestimmter Ereignisse vorgesehen sein. Fig. 7 zeigt gleichermaßen in skizzenhafter Darstellung eine Teilansicht in ein
Gehäuseinneres eines wie bei Fig. 6 dargestellten Anschauungsbeispiels einer eingehausten Funktionseinheit 117'” bei zumindest teilweise„gläsern“ skizziertem Teilgehäuse. Fig. 8 zeigt im Vergleich zu Fig. 7 eine entsprechende Ansicht von der Rückseite der eingehausten Funktionseinheit 117'”.
Zu sehen ist hierbei insbesondere eine im Gehäuseinnem angeordnete, mit
143 'gekennzeichnete Leiterplatte, an welcher je nach Ausführung entsprechende, jedoch aus Gründen der Übersicht nicht dargestellte Elektronikkomponenten zur Bildung einer jeweiligen Funktionseinheit angeordnet sind. Ferner ist eine im Innern des vorstehenden Gehäuseteils 133 angeordnete Leiterplatte 145' für Koppelelemente sowie zwei auf der Leiterplatter 145' angeordnete Koppelelemente 151 und 152 (Lig. 7), die in
zweckmäßiger Ausgestaltung als Spulen ausgeführt sind, zu sehen. Die hierbei im bzw. für den Koppelbereich vorgesehene elektromagnetische Koppelfläche umfasst in diesem Beispiel somit zwei, gemäß Lig. 7 nebeneinanderangeordnete Koppelelemente. Es sei an dieser Stelle jedoch daraufhingewiesen, dass je nach Ausführung auch nur ein
Koppelelement zur Ausbildung einer elektromagnetischen Koppelfläche vorgesehen sein kann. Alternativ oder ergänzend kann jedoch auch ein Koppelelement oder können auch mehrere Koppelelemente im Innern der Leiterplatte 145' angeordnet sein. Das
Koppelelement 151 gemäß Lig. 7 ist z.B. ausgebildet, angeordnet und elektrisch an die weiteren Elektronikkomponenten angeschaltet, die Übertragung von Daten, insbesondere bidirektional, zu ermöglichen und das Koppelelement 152, die Übertragung von Energie, insbesondere zur Energieversorgung der eingehausten Lunktionseinheit 117'” zu ermöglichen, wenn bei mechanischer Verbindung der eingehausten Lunktionseinheit 117” 'mit deiner weiteren eingehausten Lunktionseinheit, wie vorstehend beschrieben, ein elektromagnetischer Koppelbereich an der bei mechanischer Verbindung
entstehenden, gemeinsamen Grenzfläche, gebildet ist. An dieser Grenzfläche sind die miteinander zu koppelnden Koppelflächen bzw. die Koppelelemente somit zweckmäßig aufeinander zu gerichtet. Bei Ausführungsformen mit einem hierbei vorstehenden Gehäuseteil, in welchem Innern die Koppelflächen ausgebildet sich, wie z.B. in den vorstehend beschriebenen Lig. 5, 6, 7 und 8 zu sehen, wird somit zusätzlich ein Überlappungsbereich ausgebildet, ähnlich wie vorstehend z.B. auch in Bezug auf Fig. 5 hervorgehoben.
Die Leiterplatte 145 ' ist folglich ferner insbesondere entsprechend einer jeweiligen Kontaktgeometrie an der Leiterplatte 143 ' angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden 149' (Fig. 8), beispielsweise, wie z.B. bereits in Bezug auf Fig. 5 ausgeführt. Es sei jedoch nochmals daraufhingewiesen, dass in Abwandlung hierzu auch eine gemeinsame Leiterplatte für Koppelelemente und Elektronikkomponenten vorgesehen sein kann.
Auch kann auf der Rückseite der bei Fig. 7 skizzierten Leiterplatte 145' wiederum zweckmäßig eine magnetisch leitfähige, insbesondere jedoch auch elektrisch schlecht oder nicht leitende, Materialschicht oder -folie zur Feldabschirmung angeordnet sein, wie bei Fig. 8 beispielhaft skizziert und mit Bezugszeichen 148 'versehen.
Die Fig. 9 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines zu einem Gehäuseteil 133 mit darin vorgesehenen Koppelelementen gemäß Fign 6 bis 8 komplementär ausgebildeten Funktionsmodul-Teilgehäuses 132'. An ein wie bei Fig. 9 skizziertes Teilgehäuse 132' können jedoch im dargestellten Beispiel zwei, mit Gehäuseteilen 133 versehene
Funktionsmodule angeschlossen werden. Um eine jeweilige Kontaktgeometrie mit Überlappungsbereich zu vervollständigen, ist gemäß Ausbildungsbeispiel nach Fig. 9, eine jeweils zu einem vorstehenden Gehäuseteil 133 komplementäre Einbuchtung bzw. Aussparung 134 im Teilgehäuse 132' vorgesehen. Zur mechanischen Verbindung können z.B. an den seitlichen Innenseitenseiten der Einbuchtungen bzw. Aussparungen 134 Verbindungselemente 121 angeordnet sein, beispielsweise nasenartige Erhöhungen, welche in komplementäre nutenartige Vertiefungen an Gehäuseteilen 133 eingreifen können.
Ein Funktionsmodul eines gemäß Fig. 9 skizziertem Funktionsmodul-Teilgehäuses 132' besitzt folglich zweckmäßiger Weise zumindest eine Versorgungseinheit, mit welcher über die an einer Leiterplatte 146' im Bereich der Aussparung angeordneten Energie- Koppelelemente zwei weitere angeschlossene Funktionsmodule mit Energie versorgt werden können, d.h. insbesondere z.B. ein Eingangsmodul und ein Ausgangsmodul. Über jeweils zumindest ein weiteres im Bereich der Aussparung beispielhaft angeordnetes Signal und/oder Daten Koppelelement kann dann ferner mit diesen und die jeweiligen Teilgehäuse überbrückend eine Übertragung von Signalen und/oder Daten mittels elektromagnetischer Felder erfolgen. Die Koppelelemente sind im skizzierten
Ausführungsbeispiel an oder in einer Leiterplatte 146 'angeordnet, welche zusätzlich die Elektronikkomponenten zur Bildung des Funktionsmoduls mit dem Teilgehäuse 132' trägt. Die Leiterplatte 146' in diesem Beispiel ist somit eine gemeinsame Leiterplatte sowohl für diese Elektronikkomponenten als auch für die Koppelelemente. Wie weiter zu sehen, ist optional auf der Rückseite der Leiterplatte 146', d.h. auf einer zur
mechanischen Verbindung mit einem bzw. zwei weiteren Teilgehäusen und Ausbildung eines Koppelbereichs vorgesehenen Grenzfläche abgewandten Seite der Leiterplatte 146', zweckmäßig wiederum eine Schirmungsschicht oder auch -platte 148'' aus magnetisch leitfähigem Material vorgesehen.
Fig. 10 zeigt skizzenhaft eine weitere beispielhafte Ausführung eines elektronischen Ein- /Ausgangsgerätes gemäß der Erfindung umfassend ein Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' zusammengesetzt und mechanisch verbunden mit einer als Eingangsmodul ausgebildeten, eingehausten Funktionseinheit 117''' und einer als Ausgangsmodul ausgebildeten, eingehausten Funktionseinheit 118'''. Wie angedeutet, können zwischen den Funktionsmodulen diese mechanisch miteinander verbindenden
Verbindungselemente 121 angeordnet sein. Das Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' kann z.B. dem, gemäß Fig. 9 entsprechen und die als Eingangsmodul ausgebildete, eingehauste Funktionseinheit 117''' einer gemäß der in Bezug auf die Fign 6 bis 8 beschriebenen. An der Funktionseinheit 117''' kann folglich eingangsseitig, d.h. auf der speisenden Seite, ein Stromeingang an einen Sensor angeschlossen sein, der sich insbesondere auch aufgrund der Galvanischen Trennung gemäß Erfindung in einer Ex- Zone (explosionsgefährdete Zone) befinden kann. Die Funktionseinheit 117''' bildet in einem solchen Fall somit die„Ex-Seite“ eines z.B. als Trennverstärkers ausgebildeten Ein-/ Ausgangsgerätes. Die als Ausgangsmodul ausgebildete, eingehauste
Funktionseinheit 118''' liefert dann z.B. in Abhängigkeit des jeweils über den Sensor am Stromeingang anliegenden speisenden Signals ein Ausgangssignal, z.B. einen
Ausgangsstrom beispielsweise zwischen 4 und 20mA, welches z.B. an eine an diese angeschlossene Steuerung weitergeleitet wird. Das Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' besitzt somit ferner zweckmäßig zumindest eine Versorgungseinheit und ist über
Anschlussklemmen an eine Energieversorgung angeschaltet.
In Abwandlung könnte jedoch eine als Ausgangsmodul ausgebildete, eingehauste Funktionseinheit auch eingesetzt werden, ein Ausgangssignal, analog oder digital, z.B. zum Schalten eines Aktors, z.B. auch eines innerhalb einer Ex-Zone angesiedelten Aktors, weiterzuleiten. Ergänzend oder alternativ kann eine als Eingangsmodul ausgebildete, eingehauste Funktionseinheit ein eingangsseitig anliegendes Signal anstelle über einen Sensor von einer anderen Komponente, z.B. einer Logik- und/oder
Steuerkomponente, zu erhalten.
Basierend auf den Ausführungen zu den zuvor beschriebenen Figuren in Bezug auf die an gemeinsamen Grenzflächen gebildeten Koppelbereiche kann das Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' somit bevorzugt, z.B. wie bei Fig. 10 angezeigt, die Funktionseinheit 117''' und die Funktionseinheit 118''' über jeweilige Koppelelemente mit Energie versorgen. Auch eine Signal- und/oder Datenübertragung kann über jeweilige an
Koppelbereichen entsprechend angeordnete Koppelelemente, insbesondere auch bidirektional, galvanisch getrennt zwischen Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' und Funktionseinheit 117''' sowie zwischen Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' und Funktionseinheit 118''' erfolgen. Das Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' besitzt somit zweckmäßig ferner zumindest Logikeinheit. Ergänzend oder alternativ zum einem stets über das Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' verlaufenden Signal/Datcnfluss zwischen Funktionseinheit 117''' und Funktionseinheit 118''' kann jedoch auch, wie ebenfalls bei Fig. 10 angedeutet, ein Koppelbereich mit entsprechenden Koppelelementen direkt an einer gemeinsamen Grenzfläche zwischen der Funktionseinheit 117''' und der
Funktionseinheit 118''' ausgebildet sein, um eine Signal- und/oder Datenübertragung direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung des Funktionsmodul mit Teilgehäuse 132' zu ermöglichen. Auch ein solcher Koppelbereich kann zur unidirektionalen, insbesondere jedoch auch zur bidirektionalen Übertragung ausgebildet sein. Wie ferner ersichtlich, kann es sich hierbei auch anbieten, einen Koppelbereich zwischen der Funktionseinheit 117''' und der Funktionseinheit 118''' ohne vorbeschriebenen Überlappungsbereich auszubilden. So können die jeweiligen Leiterplatten mit den Koppelelementen z.B. ohne Ausbildung eines Versatzes, insbesondere mit einer jeweiligen seitlichen Seite, zueinander ausgerichtet sein. Die Koppelelemente sind dann z.B. an den jeweils gleichen Oberflächen der Leiterplatten angeordnet und derart zueinander ausgerichtet, dass sich zwischen diesen Koppelelementen ein Magnetfeld ausbilden kann
Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 10 erhält somit bevorzugt wenigstens ein Funktionsmodul, d.h. eine oder mehrere zusammen in einem separaten Teilgehäuse beherbergte Funktionseinheit(en), d.h. insbesondere Eingangs- und/oder
Ausgangseinheiten, seine elektrische Versorgungsspannung nicht über einen daran angeordneten Versorgungsanschluss von extern, sondern über einen Koppelbereich für elektromagnetische Felder an einer gemeinsamen Grenzfläche zwischen seinem eigenen Teilgehäuse und einem anderen Funktionsmodul bzw. dessen Teilgehäuse, d.h. von diesem anderen Funktionsmodul, welches somit zweckmäßig zumindest eine
Versorgungseinheit besitzt. Besonders bevorzugt erhalten über ein solches, eine
Versorgungseinheit aufweisendes Funktionsmodul im Fall von einer Mehrzahl daran über entsprechende Koppelbereiche angeschlossenen weiteren Funktionsmodule, d.h.
insbesondere Eingangs- und/oder Ausgangsmodule, auch mehrere oder alle weiteren Funktionsmodule ihre Versorgungsenergie dann über jeweils zur Energieübertragung entsprechend vorgesehene Koppelelemente. Ein solches, die Energieversorgung für weitere Funktionsmodule bereitstellendes Funktionsmodul kann somit wiederum bevorzugt ein Basismodul sein, insbesondere entsprechend den diesbezüglich
vorstehenden Ausführungen.
Insbesondere Eingangs- und Ausgangsmodule gemäß bisherigen Ausführungen können bei Automatisierungsanwendungen somit in zweckmäßig Ausbildung als„E/A-Module“ (Eingabe/Ausgabe-Module) eingesetzt werden, von den Fachkreisen der
Automatisierungstechnik in Anlehnung an die Englische Fachsprache in der Regel auch als„I/O-Modul“ bezeichnet, welche im Rahmen eines in der Automatisierungstechnik eingesetzten elektronischen Ein-/ Ausgabegeräts einem diesem übergeordneten
Automatisierungssystem eine Schnittstelle oder mehrere Schnittstellen zur Außenwelt, insbesondere zur Feldebene ermöglichen. Die bei Fig. 10 skizzierte Ausführung kann folglich auch zur Realisierung z.B. eines Trennverstärkers mit zwei I/O-Modulen und einem Versorgungsmodul herangezogen werden.
Fig. 11 zeigt im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kontaktgeometrie zur Bildung eines Koppelbereiches, im dargestellten Beispiel eines Koppelbereiches mit zumindest zur Übertragung von Energie angeordneten Koppelelementen.
Der Übersicht halber sind bei Fig. 11 der Ausführungsform gemäß Fig. 5 entsprechende oder entsprechend wirkende Komponenten mit identischen Bezugszeichen belegt. Die als Funktionsmodul eingehauste Funktionseinheit 118' kann somit z.B. als Ausgangsmodul bzw. im Falle eines E/A-Moduls als Ausgabemodul ausgebildet sein und trägt auf und/oder in einer ersten Feiterplatte 143 hierfür benötigte Elektronikkomponenten. An oder in einer zweiten, mittels einer Kontaktstelle 149 zumindest elektrisch mit der Feiterplatte 143 verbunden Feiterplatte 148 ist wenigstens ein zur Energieversorgung vorgesehenes Koppelelement 152' funktionsgerecht angeordnet und elektrisch angebunden. Die eingehauste Funktionseinheit 119' ist folglich zweckmäßig als
Versorgungsmodul ausgebildet und weist gleichermaßen an einer Feiterplatte 146' hierfür benötigte Elektronikkomponenten auf. Bei der dargestellten Ausführung dient die Feiterplatte 146 'ferner als gemeinsame Feiterplatte und trägt folglich zusätzlich auch wenigstens ein zur Energieversorgung vorgesehenes Koppelelement 152'. Ein sich zwischen den Koppelelementen an der gemeinsamen Grenzfläche 120 der
zusammengesetzten Funktionsmodule sich einstehendes Magnetfeld ist mit den
Bezugszeichen 147 belegt. Auf den zur Grenzfläche im Koppelbereich abgewandten Seiten der die Koppelelemente tragenden Feiterplatten können in zweckmäßiger
Ausbildung wieder das Magnetfeld 147 zu einer Rückseite abschirmende
Materialschichten und/oder -folien 148 angeordnet sein. Die Wände der Teilgehäuse der eingehausten Funktionseinheiten 118 'und 119' bilden ersichtlicher Weise zusätzliche Isolationsstrecken, bei Fig. 11 mit„erste isolationsstrecke“ und„zweite Isolationsstrecke“ bezeichnet, um die zur galvanischen Trennung, insbesondere auch bei geforderter Eigensicherheit, benötigten oder vorgeschriebenen Isolationsabstände zu erzielen. Bei Fig. 14 ist ein Ausschnitt eines im Vergleich zur Fig. 11 ein etwas abgewandelten, weiteres Ausführungsbeispiels mit Kontaktgeometrien zur Bildung mehrerer
Koppelbereiche im Querschnitt skizziert. Nachfolgend wird lediglich auf die
Abwandlungen eingegangen und im Übrigen sind identische Bezugszeichen wie bei Fig.
11 für gleiche oder gleichwirkende Komponenten verwendet. Das Ausführungsbeispiel zeigt hierbei einen Ausschnitt eines als Basisgehäuse ausgebildetes Teilgehäuses 130'”, in welches eine Mehrzahl von jeweils als Eingangsmodul oder Ausgangsmodul eingehausten Funktionseinheiten, z.B. bereits im Zusammenhang mit Fig. 13
beschriebene Funktionseinheiten 117”, 118” einsetzbar sind. Das als Basisgehäuse ausgebildete Teilgehäuse 130'” beherbergt hierzu eine Vielzahl von, insbesondere hintereinander und voneinander beabstandeten Leiterplatten 146 mit jeweils daran angeordneten, zweckmäßig zu der jeweils selben Richtung hin ausgerichteten
Koppelelementen. Im als Basisgehäuse ausgebildeten Teilgehäuse 130'” sind ferner jeweils schlitzartige Anschlussmöglichkeiten für die Mehrzahl von eingehausten
Funktionseinheiten 117”, 118” vorgesehen. Die Schlitze sind hierbei durch
entsprechende Formgebung des Teilgehäuses 130' "zwischen den einzelnen, beabstandet voneinander angeordneten Leiterplatten 146 gebildet. In einem solchen Schlitz kann folglich eine jeweilige Lunktionseinheit 117”, 118” durch einfaches Einschieben oder Einstecken von dem Teilgehäuse l30'”aufgenommen und an dieses angeschlossen werden. Jede aufgenommene Funktionseinheit 117”, 118” kann dann folglich mit dem Teilgehäuse 130'” einen eigenen Koppelbereich für elektro-magnetische Felder an einer jeweiligen gemeinsamen Grenzfläche 120 ausbilden.
Zur verbesserten mechanischen Verbindung, insbesondere auch exakten Ausrichtung und Fixierung, können z.B. an Gehäuseoberflächen, die eine jeweilige gemeinsame
Grenzfläche 120 ausbilden, jeweils komplementäre Verbindungselemente 121 vorsehen sein. Diese Verbindungselemente 121 können z.B. derart komplementär ausgebildet sein, dass sie beim Zusammenfügen der einzelnen Gehäuseteile gegenseitig verrasten. Bei einer wie bei Fig. 14 skizzierten Anordnung von hintereinander oder nacheinander in den Anschlussschlitzen des Basisgehäuses l30'”aufgenommenen Funktionsmodulen, befinden sich beispielsweise jeweils eine nutenartige Einbuchtung und eine nasenartige Erhöhung an zwei gegenüberliegenden, zur Ausbildung von Grenzflächen vorgesehenen Oberflächen eines Gehäuseteils. Eine jeweilige nasenartige Erhöhung eines jeweiligen Gehäuseteils kann folglich in eine jeweilige nutenartige Einbuchtung eines benachbarten Gehäuseteils bei der Ausbildung einer jeweiligen gemeinsamen Grenzfläche eingreifen.
Insgesamt betrifft die vorliegende Erfindung und ihre Ausführungsformen somit ein elektronisches Ein-/ Aus gangsgerät 115, 115% 115“, bei welchem erfindungsgemäß galvanisch getrennte Stromkreise bzw. Potentialgruppen jeweiliger oder ausgewählter Funktionseinheiten in einzelne Gehäuseteile bzw. Teilgehäuse integriert sind, um diese auf flexible Art und Weise miteinander kombinieren zu können. Ein erfindungsgemäßes elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät mit galvanischer Trennung hat demnach für jede relevante Funktionseinheit oder Gruppe von Potentialgruppe zweckmäßig ein eigenes Gehäuse oder ist zumindest aus zwei verschiedenen Teilgehäusen zusammengesetzt. Die zusammengesetzten Gehäuseteile sind mechanisch, aber nicht elektrisch miteinander verbunden. Zwischen den Potentialgruppen können Energie, Daten und/oder Signale über Koppelelemente unter Ausnutzung von elektromagnetischen Feldern, induktiv und/oder kapazitiv übertragen werden.
Eine Modularität von elektronischen Ein-/ Ausgangsgeräten mit galvanischer Trennung wird durch die vorliegende Erfindung erhöht. Ferner ist es möglich, z.B. Trennverstärker mit Systemverkabelungen bereitzustellen.
Durch die galvanische Trennung mittels der Gehäusewände können sehr hohe
Isolationsanforderungen erfüllt werden. So ist es beispielsweise auch möglich, Sensoren und/oder Aktoren, die sich in explosionsgefährdeten Bereichen befinden, mit Energie zu versorgen und deren Daten auszuwerten. Insbesondere können die Anforderungen der Norm DIN EN 60079-11, insbesondere in der zum Anmeldetag gültigen Fassung eingehalten werden. Bezugszeichen:
100 Trennverstärker nach dem Stand der Technik
101 erste Funktionseinheit
102 zweite Funktionseinheit
103 dritte Funktionseinheit
104 erstes Teilgehäuse
105 zweites Teilgehäuse
106 drittes Teilgehäuse
107 Eingangseinheit
108 Ausgangseinheit
109 V ersorgungseinheit
110 Leiterplatte
111 Koppelelement
112 Koppelelement
115, 115', 115” elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät mit galvanischer
Trennung
117, 117', 117”. 117'” Funktionseinheit, z.B. Eingangsmodul
118, 118', 118”, 118'” Funktionseinheit, z.B. Ausgangsmodul
119, 119' Funktionseinheit, z.B. Versorgungsmodul
120 Grenzfläche
121 V erbindungselement
123 Koppelbereich
140 Kontaktgeometrie
130, 130', 130”, 130'” Teilgehäuse als Basisgehäuse
131 Funktionskarte
132, 132' Teilgehäuse
133 Gehäuseteil zur Ausbildung einer Kontaktgeometrie
141 Teilgehäuse
142 Teilgehäuse
143, 144, 143' Leiterplatte
145, 146, 145' Leiterplatte mit Koppelelement, z.B. mit Spule
147 Magnetfeld 148, 148', 148” magnetisch leitfähiges Material
149, 149' Kontaktstelle zur elektrischen und mechanischen Verbindung
150 Anschlussklemmen
151, 152, 152' Koppelelement
160 V isualisierungsmittel
00 Tragschiene

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät der Signal-, Daten- und/oder
Energieübertragung mit galvanischer Trennung (115, 115% 115“) aufweisend mindestens eine erste Funktionseinheit (117) und eine zweite Funktionseinheit (118, 119), wobei die erste Funktionseinheit (117) in einem ersten Teilgehäuse (104, 132) installiert ist und die zweite Funktionseinheit (118, 119) in einem zweiten Teilgehäuse (105, 106, 130) installiert ist, wobei die beiden Teilgehäuse (104, 105; 130, 132) mechanisch miteinander verbindbar sind und einen
Koppelbereich (123) für elektro-magnetische Felder an einer gemeinsamen Grenzfläche (120) ausbilden.
2. Elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät nach Anspruch 1, wobei elektrische Energie, Signale und/oder Daten zwischen den Funktionseinheiten (117, 118) mit einer induktiven Kopplungseinrichtung übertragbar ist und/oder wobei jedes Teilgehäuse (104, 105) aus einem elektrisch nicht leitfähigem Material gefertigt ist.
3. Elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei zwischen den beiden Teilgehäusen (104, 105) Daten und/oder Signale über eine Funkverbindung übertragbar sind.
4. Elektronisches Ein-/Aus gangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden Teilgehäuse (104, 105) eine Kontaktgeometrie (140) aufweisen.
5. Elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät nach Anspruch 4, wobei die gemeinsame
Kontaktgeometrie (140) magnetisch leitfähiges Material zur Steuerung eines elektro-magnetischen Feldes aufweist und/oder stufenförmig ausgebildet ist.
6. Elektronisches Ein-/ Ausgangsgerät einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eines der Teilgehäuse (104, 105) als Funktionseinheit ein Eingangsmodul (117), ein
Ausgangsmodul (118) und/oder ein Versorgungsmodul (119) des Ein- /Ausgangsgeräts (1115, 115% 115“) beherbergt.
7. Elektronisches Ein-/Aus gangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei an dem zweiten Teilgehäuse (130) eine Vielzahl von ersten Teilgehäusen,
insbesondere mit als Eingangsmodulen beherbergten Funktionseinheiten (131) und/oder mit als Ausgangsmodulen beherbergten Funktionseinheiten,
angeschlossen ist.
8. Elektronisches Ein-/Aus gangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Energieversorgung der im ersten Teilgehäuse (104, 105, 130) beherbergten ersten Funktionseinheit über den Koppelbereich für elektromagnetische Felder an der mit dem zweiten Teilgehäuse gebildeten gemeinsamen Grenzfläche erfolgt .
9. Elektronisches Ein-/Aus gangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Ein-/ Aus gangsgerät ein Fehlermeldekontakt zur Überwachung eines mechanischen Kontaktes zwischen den Teilgehäusen (104, 105, 106, 130, 132) aufweist.
10. Funktionseinheit, welche in einem Teilgehäuse installiert ist und entweder als erste, im ersten Teilgehäuse installierte oder als zweite, im zweiten Teilgehäuse installierte Funktionseinheit in einem elektronischen Ein-/ Ausgangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Anwendung kommen kann, wobei das
Teilgehäuse
- sofern dieses das erste Teilgehäuse ist, ausgebildet ist, zum mechanischen
Verbinden mit einem Teilgehäuse, das als zweites Teilgehäuse in dem
elektronischen Ein-/ Ausgangsgerät zur Anwendung kommen kann, oder
- sofern dieses das zweite Teilgehäuse ist, ausgebildet ist, zum mechanischen Verbinden mit einem Teilgehäuse, das als erstes Teilgehäuse in dem elektronischen Ein-/ Ausgangsgerät zur Anwendung kommen kann;
und zwar jeweils unter Ausbildung eines Koppelbereichs für elektro-magnetische Felder an einer gemeinsamen Grenzfläche.
11. Funktionseinheit nach Anspruch 10, ferner ausgebildet, zum Bewirken der
Energieversorgung der im ersten Teilgehäuse beherbergten ersten Funktionseinheit über den Koppelbereich für elektromagnetische Felder an der mit dem zweiten Teilgehäuse gebildeten gemeinsamen Grenzfläche.
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