Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung und/oder Datenversorgung eines oder mehrerer Elektronikmodule.

Zur galvanisch getrennten Stromversorgung werden häufig Transformatoren oder Energieübertrager mit Primärspule und Sekundärspule verwendet, die eine Trennstrecke bilden. Bei EP 1 885 085 AI gibt es, getrennt voneinander, eine

Energieübertragungsschnittstelle und eine

Datenübertragungsschnittstelle zur berührungslosen

Ankopplung eines Busteilnehmers. Zwei Sekundärwicklungen und zwei Verarbeitungseinheiten pro Busteilnehmer sind nicht vorgesehen.

Es sind auch Schnittstellen bekannt, über welche, neben Energie, auch Signale oder Daten bidirektional übertragen werden können. Bei WO 98/15069 AI wird ein

ferromagnetischer Kernschenkel, bestückt mit einer

Primärspule für Energieübertragung und mit einer

Primärspule für Datenübertragung, in Zusammenwirken mit einem ferromagnetischen Kernschenkel, bestückt mit einer Sekundärspule zur Energieaufnahme und einer Sekundärspule für Datenaufnahme verwendet. Während es zwischen der

Primärseite und der Sekundärseite eine Potentialtrennung mit guter elektrischer Isolation gibt, existiert eine solche Potentialtrennung mit guter elektrischer Isolation nicht zwischen der Energieseite und der Datenseite. Wegen der ferromagnetischer Kernschenkel ist eine relativ freie Positionierbarkeit zwischen Primärseite und Sekundärseite nicht möglich. Mit WO 2010/125048 AI ist ein System zur berührungsloser

Daten- und Energieversorgung von einer Montagebasis aus zu Busteilnehmermodulen bekannt, wobei eine Versorgungsschiene mit Energie-Übertragungsschnittstelle und Daten- Übertragungsschnittstelle vorgesehen ist und die

Busteilnehmermodule jeweils eine korrespondierende Energie- Übertragungsschnittstelle und eine korrespondierende Daten- Übertragungsschnittstelle aufweisen. Im Falle der

induktiven Energie- und Datenübertragung umfasst die

Schnittstelle eine Primärspule mit einer Spulenachse senkrecht zur Versorgungsschiene und pro Busteilnehmermodul jeweils eine sekundärseitige Spule mit einer Spulenachse ebenfalls senkrecht zur Versorgungsschiene.

In WO 2008/118178 AI wird die drahtlose Energieübertragung mit Hilfe von resonanten Feldern über eine gewisse Distanz hinweg betrieben. Damit ergibt sich eine Potentialtrennung zwischen einer elektrischen Energieversorgungseinheit und einer Energieverbrauchereinheit, jedoch keine Trennung zwischen drei Potentialgruppen.

Mit EP 2 067 148 Bl ist ein Ladegerät für eine Vielzahl von elektronischen Vorrichtungen bekannt, wobei die

Primärwicklung eine Vielzahl von sich überlappenden

Spulenelementen an einer Kontaktfläche umfasst und die Sekundärwicklungen bei Positionierung auf der Kontaktfläche elektromagnetische Energie empfangen. Die Primärwicklung ist als Teil eines Schwingkreises angeordnet und enthält einen Kondensator, um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises der Arbeitsfrequenz anzupassen. Die

aufzuladenden elektronischen Vorrichtungen weisen keine Signal-Daten-Koppelstrecke zwischen benachbarten

elektronischen Vorrichtungen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur kontaktlosen elektrischen Energieversorgung und/oder Datenversorgung eines Elektronikmoduls bereitzustellen, wobei das Elektronikmodul erhöhten Sicherheitsanforderungen genügen soll.

Gemäß Erfindung werden mit einem Energieversorgungsteil, über den auch Datensignale laufen können, zwei

Energieempfangsteile versorgt, die galvanisch voneinander und zum Energieversorgungsteil getrennt sind. Den

Energieempfangsteilen sind jeweils Elektroniken mit eigenen Signalklemmen zugeordnet, so dass das gebildete

Elektronikmodul von allen Anschlüssen her erhöhten

Sicherheitsanforderungen wegen elektrischen Überschlags genügt .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Sendespule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, eine erste Empfangsspule in induktiver Kopplung zu der Sendespule, wenigstens eine zweite Empfangsspule in induktiver Kopplung zu der Sendespule, eine Sendekapazität zur Bildung einer Sende-Resonanzschaltung mit der Sendespule, eine erste Empfangskapazität zur Bildung einer ersten Empfangs- Resonanzschaltung mit der ersten Empfangsspule, eine zweite Empfangskapazität zur Bildung einer zweiten Empfangs- Resonanzschaltung mit der zweiten Empfangsspule, eine als Last an die erste Empfangsspule angeschlossene erste

Elektronik und eine als Last an die zweite Empfangsspule angeschlossene zweite Elektronik vorgesehen, wobei die erste Empfangs-Resonanzschaltung mit erster Elektronik und die zweite Empfangs-Resonanzschaltung mit zweiter

Elektronik durch einen isolierenden Trennbereich

potentialmäßig voneinander getrennt angeordnet sind. Die erste Resonanzschaltung mit erster Elektronik und die wenigstens zweite Resonanzschaltung mit zweiter Elektronik bilden das Elektronikmodul, bei dem zwischen erster und wenigstens zweiter Empfangs-Resonatorschaltung ein

isolierender Trennbereich vorgesehen ist, der durch eine Datensignal- Koppelstrecke überbrückbar ist. Es werden eine Mehrzahl von Elektronikmodulen nebeneinander mit einer Anzahl von Sendespulen energetisch versorgt.

Die Ausprägung der galvanischen Trennung zwischen

Sendespule und zugehörigem Elektronikmodul sowie innerhalb des Elektronikmoduls bestimmt die Isolationsklasse, für die die Übertragungsvorrichtungen zwischen den voneinander getrennten Potentialgruppen ausgelegt werden müssen. Bei dem Konzept, mit dem die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellt wird, können relativ große Abstände zwischen Sendespule und Empfangsspule sowie zwischen von zueinander galvanisch zu trennenden Empfangsspulen vorgesehen sein, so dass eine hohe Isolationsklasse realisiert werden kann. Das Konzept ermöglicht auch, die Versorgungsklemmen des

Sendemoduls an Seiten der Vorrichtung vorzusehen, die fernab von den Signalanschlüssen des Elektronikmoduls liegen, und bei den Signalanschlüssen die Eingangsklemmen von den Ausgangsklemmen an gegenüberliegenden Seiten des Moduls anzubringen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Empfangs-Resonanzschaltung mit erster Elektronik und die wenigstens zweite Empfangs-Resonanzschaltung mit zweiter Elektronik auf einer gemeinsamen Schaltungsplatte untergebracht. Dies ermöglicht den Bau von schmalen Geräten relativ zu der Sendespule, die sich entlang einer

länglichen Halteeinrichtung, zum Beispiel einer

Tragschiene, erstrecken kann. Auf diese Weise sind eine Mehrzahl von Elektronikmodulen nebeneinander

positionierbar, um von der Halteeinrichtung fixiert zu werden .

Wenn die erste Elektronik Signaleingangsanschlüsse und die zweite Elektronik Signalausgangsanschlüsse aufweist, ist es vorteilhaft, die erste und zweite Elektronik auf einer gemeinsamen Schaltungsplatte unterzubringen und die erste Elektronik mit der zweiten Elektronik über eine

Datensignal-Koppelstrecke zu verbinden. Bei dieser

Ausführungsform liegen die Signalanschlüsse an

gegenüberliegenden Seiten der Elektronik, dass heißt mit den größtmöglichen Isolationsabständen .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sendespule mit schraubenförmigen Windungen und

zylindrischem Umriss zur Erzeugung von achsparallelen

Feldlinien ausgebildet, zu denen die Empfangsspulen mit ihren Empfangsebenen in Querrichtung angeordnet sind. Eine Spule mit schraubenförmigen Windungen erzeugt bekanntlich magnetische Feldlinien, die sich innerhalb der Spule parallel zur Spulenachse erstrecken, außerhalb der Spule ausbiegen und umkehren und einen parallelen oder nahezu parallelen Verlauf zur Spulenachse nehmen, um dann wiederum zum Spuleninneren einzubiegen. Die Empfangsspulen spannen Ebenen auf, auf denen achsparallele Feldlinien senkrecht, oder nahezu senkrecht, stehen, so dass es zu einer

effektiven Kopplung zwischen Sendespulen und Empfangsspulen kommt. Wenn die Empfangsspulen auf einer Schaltungsplatte untergebracht sind, ist es zweckmäßig, die Windungen der Empfangsspule spiralförmig verlaufen zu lassen. Solche Spulen können wirtschaftlich hergestellt werden und haben einen großen Einfangquerschnitt für Feldlinien.

In industriellen Anlagen werden häufig eine große Anzahl von Elektronikmodulen benötigt, die man oft in

Schaltschränken entlang einer Halteeinrichtung fixiert. Für einen solchen Anwendungsfall werden bei der Erfindung eine Anzahl von Sendespulen entlang der Halteeinrichtung

angeordnet, und eine Mehrzahl von Elektronikmodulen, die mit wenigstens zwei Empfangsspulen ausgerüstet sind, können in einer Reihe entlang der Halteeinrichtung relativ frei positioniert und an dieser befestigt werden. Auf diese

Weise ist es möglich, einer Mehrzahl von Elektronikmodulen, auch mit jeweils unterschiedlichen Breitenabmessungen eine elektrische Energieversorgung darzubieten, wobei ein hohes Maß der Isolierung durch galvanische Trennung von

Stromversorgung und Signalverarbeitung beziehungsweise

Datenverarbeitung gegeben ist und zusätzlich die Signaloder Datenverarbeitung eine hohe Isolationsklasse erreichen kann . Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines

Elektronikmoduls mit Energieversorgung und Signal- oder

Datenverarbeitung, sowie

Fig. 2 die Ankopplung des Elektronikmoduls an eine

Halteeinrichtung .

Auf einer Tragschiene 10 einer länglichen Modul- Halteeinrichtung 1 ist eine Sendespule 20 befestigt, die über eine alternierende Eingangsspannung 22 versorgt wird und somit als Energieversorgungsteil 2 fungiert. In einem gewissen Abstand zu der Sendespule 20 wird eine

Schaltungsplatte 30 mittels eines Gehäuses 4 (Fig. 2) gehalten, das sich an der Schiene 10 abstützt. Auf der Schaltungsplatte 30 sind als Leiterbahnen in Spiralform zwei flache Empfangsspulen 31, 32 angebracht, die durch einen isolierenden Trennbereich 33 voneinander getrennt sind. Die erste Empfangsspule 31 ist mit einer ersten

Elektronik 41 und die zweite Empfangsspule 32 mit einer zweiten Elektronik 42 verbunden. Die Bauteile 31, 41, 54 bilden einen ersten Energieempfangsteil 34 und die Bauteile 32, 42, 55 einen zweiten Energieempfangsteil 35 eines Elektronikmoduls 3. Die erste Elektronik 41 kann eine Signal- oder

Dateneingangselektronik sein und die zweite Elektronik 42 kann eine Signal- oder Datenausgangselektronik des

Elektronikmoduls 3 darstellen. Die beiden Elektroniken 41, 42 sind über eine Datensignal- Koppelstrecke 46 miteinander verbunden, um Daten oder Signale zwischen den Elektroniken auszutauschen. Die Koppelstrecke 46 kann durch

Koppelelemente gebildet werden, die eine optische Signalstrecke darstellen können, es können aber auch andere Übertragungsverfahren mit kapazitiven oder induktiven

Koppelelementen verwendet werden. Alternativ dazu kann aber auch die magnetische Kopplung zwischen den Spulen 31 und 32 zur Signal- bzw. Datenübertragung ausgenutzt werden.

Die Sendespule 20 ist schraubenförmig gewunden und weist eine Spulenachse parallel zur Längserstreckung der

Tragschiene 10 auf. Die Empfangsspulen 31 und 32 sind spiralförmig gewunden und weisen Spulenachsen auf, die parallel zueinander und zur Sendespulenachse verlaufen.

Wenn die Sendespule 20 über die alternierende

Versorgungsspannung 22 erregt wird, stellt sich ein

magnetisches Wechselfeld ein, von dem einige Feldlinien 50, 51, 52 skizziert sind. Der durch die Feldlinie 51

dargestellte Feldanteil durchsetzt die flache Empfangsspule 31. Dementsprechend durchsetzt der durch die Feldlinie 52 dargestellte Feldanteil die flache Empfangsspule 32, während die Feldlinie 50 für das Streufeld steht. Mit der Erregung der Spule 20 wirken neben der Induktivität jedoch auch Kapazitätseffekte zwischen den Spulenwindungen, das heißt, bereits die Spule 20 als solche bildet einen

elektrischen Schwingkreis mit einer bestimmten

Eigenresonanzfrequenz. Diese kann mit einem oder mehreren Kondensatoren auf einen bestimmten Wert getrimmt werden, der beispielsweise mit der Arbeitsfrequenz der

Eingangsspannung korrespondieren kann. Die kapazitiven Einflüsse des schwingungsfähigen Systems sind durch die Gesamtkapazität 53 symbolisiert. In der Praxis kann diese Kapazität durch einen Reihenkondensator gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch ein Parallelkondensator verwendet werden. Schließlich ist es auch möglich, die Spule geometrisch so auszubilden, dass die Arbeitsfrequenz der Eingangsspannung 22 mit der

Eigenresonanzfrequenz der Spule 20 korrespondiert, so dass kein diskreter Kondensator benötigt wird, d. h. die

Gesamtkapazität 53 setzt sich ausschließlich aus den parasitären Kopplungskapazitäten der Spulenwindungen zusammen . Wenn die Spule 20 erregt wird, werden in Folge der

induktiven Kopplung auch die Spulen 31 und 32 erregt. Auch dort gibt es Kapazitätseffekte zwischen den einzelnen

Spulenwindungen. Zur Anpassung an eine gemeinsame oder nahezu gemeinsame Resonanzfrequenz zwischen den

Schwingkreisen mit den Spulen 20, 31, 32 können die

Kapazitätseffekte zwischen den einzelnen Spulenwindungen gezielt ausgenutzt werden oder es werden auch hier

Kondensatoren in Reihenschaltung oder Parallelschaltung oder in Kombination dieser beiden Schaltungsarten benutzt, um eine passende Kapazität 54, 55 einzustellen, mit welchen die Empfangsschaltungen in Resonanz betrieben werden können .

Um schädliche Auswirkungen der Streuinduktivität zu

begrenzen, können Abschirmmaterialien, beispielsweise aus Ferritmaterial vorgesehen sein. Eine solche Abschirmplatte 21 erstreckt sich zwischen Sendespule 20 und Schiene 10. Auch die Empfangsspulen 31, 32 können gegenüber

Nachbarspulen durch Ferritmaterial abgeschirmt werden.

Der isolierende Trennbereich 33 kann dadurch geschaffen werden, dass sich dort isolierendes Material befindet, welches nicht durch Leiterbahnen oder andere elektronische Komponenten durchsetzt wird. Die Elektroniken 41, 42 können auf unterschiedlichen Seiten der Schaltungsplatte 30 angebracht werden, ebenso die Signalklemmen 43 und 44.

Das Elektronikmodul 3 ist in dem Gehäuse 4 (Fig. 2) so befestigt, dass die Signalklemmen 43, 44 z. B. für

Steckverbinder zugänglich sind.

Das Gehäuse 4 eignet sich dazu, in einer Mehrzahl

gleichartiger Gehäuse nebeneinander auf der

Halteeinrichtung 1, beispielsweise in Form der Schiene 10, befestigt zu werden und damit eine Mehrzahl von

Elektronikmodulen 3 entlang der länglichen Halteeinrichtung 1 nebeneinander aufgereiht gehaltert zu werden. Entlang der Halteeinrichtung 1 erstrecken sich ferner eine Anzahl von Sendespulen 20, die zueinander fluchten und zu denen die Elektronikmodule ausgerichtet werden können. Die Mehrzahl der Elektronikmodule 3 muss nicht mit der Anzahl der

Sendespulen 20 übereinstimmen. Einerseits können die

Elektronikmodule besonders schmal gebaut werden,

andererseits ist es auch möglich, besonders breite

Elektronikmodule in der Reihe der Elektronikmodule

unterzubringen. Insgesamt kann ein System aus einer

elektrischen Energieversorgung und einer Mehrzahl von

Elektronikmodulen geschaffen werden, bei der eine erhöhte Isolation zwischen getrennten Potentialgruppen geschaffen wird .

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der

Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung und

Datenversorgung eines Elektronikmoduls 3. Gleichartige Teile zum Ausführungsbeispiel 1 tragen die gleichen Bezugsziffern. Zusätzlich ist ein Gerätegehäuse 4

vorgesehen, um die Einzelteile des Elektronikmoduls 3 zu schützen und in einer definierten Anordnung zur

Halteeinrichtung 1 zu haltern.

Das Energieversorgungsteil 2 des Elektronikmoduls 3 weist ein Fußelement 23 auf, das teilweise in das Gehäuse 4 hineinragt und mit der länglichen Halteeinrichtung 1 lösbar verbunden ist. Das Fußelement 23 enthält die Sendespule 20, die zu ihrer Nachbarschaft mittels eines Kunststoffgehäuses gut isoliert gehalten wird. Das Kunststoffgehäuse ist an der Tragschiene 10 durch Aufrasten befestigt. Die

Sendespule 20 enthält einen Ferritkern 24, der das

magnetische Wechselfeld bündelt und auf die Spulen 31 und 32 richtet. Auch die Spulen 31 und 32 können Ferritkerne enthalten, wie bei 36 und 37 angedeutet. Die Form der

Ferritkerne 36, 37 braucht nicht stabförmig sein, es sind auch rückwärtsgebogene Formen möglich, um den magnetischen Widerstand gering zu halten.

In Fig. 2 ist die Koppelstrecke 46 als optische

Trennstrecke skizziert. Daten zwischen den beiden

Elektroniken 41 und 42 werden somit über den isolierenden Trennbereich 33 übermittelt. Die erhöhten

Sicherheitsanforderungen können auch über induktive, kapazitive oder elektromagnetische Übertragungsverfahren bewerkstelligt werden. Für die Signalanschlüsse 43 und 44 sind Aussparungen im Gehäuse 4 vorgesehen, die einen

Sicherheitsabstand voneinander halten.

Über die Spulensysteme 20, 31, 32 können auch Datensignale übertragen werden, die den Energiesignalen aufmoduliert sind. Auch hier können die verschiedenen Sicherheitsnormen eingehalten werden.

Der Betrieb des Elektronikmoduls 3 geht wie folgt vor sich: Es wird eine Arbeitsfrequenz der alternierenden

Versorgungsspannung in Angleichung an die Resonanzfrequenz der Schwingkreise gewählt. Die alternierende

Versorgungsspannung 22 treibt einen Strom durch die

Sendespule 20, wodurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, symbolisiert durch die Feldlinien 50, 51, 52. In

Folge induktiver Kopplung entstehen in den Empfangsspulen 31 und 32 jeweilige Wechselströme, die bei Resonanz der Spulen den Betrieb der Last mit höherem Wirkungsgrad ermöglichen. In der Praxis besteht die Last typischerweise aus einer Gleichrichterschaltung, einem

Glättungskondensator und der daran angeschlossenen

Elektronik 41, 42. Die Elektronik kann auf der

Schaltungsplatte integriert sein oder extern untergebracht sein. Die Energie der Quelle gelangt somit über die

magnetischen Felder in die jeweilige Elektronik 41 oder 42, um dort als Energiequelle für die Signal- oder

Datenverarbeitung zur Verfügung zu stehen. Das durch die Feldlinien 50, 51, 52 symbolisierte magnetische Feld beinhaltet außerdem einen Energieanteil, der durch die Kapazität der Sendeschaltung, symbolisiert durch den

Kondensator 53, gewissermaßen aufgesammelt bzw. kompensiert wird. Deshalb braucht idealerweise nur soviel elektrische Energie in das System eingespeist werden, wie bei den

Elektroniken 41 und 42 entnommen wird. Von der elektrischen Spannungsversorgung 22 aus gesehen erscheint die durch die Elektroniken gebildete Last bei idealer Resonanzbedingung als rein Ohm' sehe Last. Wie bei der Sendespule die Induktivität durch die Kapazität 53 nahezu kompensiert wird, wird bei den Empfangsspulen 31, 32 die Induktivität durch die Kapazitäten 54 und 55 nahezu kompensiert. Dies sind die positiven Effekte der

ResonanzSchaltungen .

Das dargestellte Ausführungsbeispiel kann in mancherlei Richtung abgewandelt werden. So können die beiden

Empfangsspulen auf unterschiedlichen Seiten der

Schaltungsplatte angebracht sein, wobei in diesem Fall die Schaltungsplatte als Trennbereich dienen kann.

Weiterhin ist es möglich, die alternierende

Eingangsspannung 22 sowohl für die Energieversorgung als auch für Datensignaleingabe zu benutzen. Hierzu kann die Energie über ein Trägersignal und das Datensignal als

Modulation übertragen werden. In den Empfangsspulen wird dann das Energiesignal von dem Datensignal getrennt. Somit bildet die Sendespule mit jeweils einer der Empfangsspulen eine Datensignal-Koppelstrecke.

Es kann auch eine Datensignalübertragung von den

Empfangsspulen zu der Sendespule erfolgen, und zwar

beispielsweise mit dem sogenannten Verfahren der

Lastmodulation. In der betreffenden Elektronik wird die Art und Größe der Last geändert, was Rückwirkungen auf die Strom-Spannungsverhältnisse in der Sendespule hat, so dass diese Rückwirkungen als Datensignale auf der Sendeseite detektiert werden können. Bei dieser Datensignal- Koppelstrecke können Hilfsträger eingesetzt werden, um das Energiesignal besser vom Datensignal zu trennen. Auch ein Datenaustausch zwischen den Empfangsspulen ist möglich, da diese magnetisch miteinander gekoppelt sind. Durch ein geeignetes Hinzufügen einer zusätzlichen

Kapazität kann beispielsweise eine zweite Resonanzfrequenz erzeugt werden, die als Träger für Datensignale benutzt wird .

Anstelle von zwei Empfangsspulen können auch mehrere

Empfangsspulen um die Sendespule gruppiert werden, um mehrkanalige Systeme zu betreiben. Die Module können in zwei, drei oder vier getrennten Ebenen angeordnet sein und dabei galvanisch voneinander getrennt sein. Die

Datensignal-Koppelstrecken zwischen den Elektroniken der verschiedenen Ebenen können optischer, magnetischer oder kapazitiver Natur sein.