Anordnung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie zwischen mehreren ortsveränderlichen Einheiten BESCHREIBUNG Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kon- taktlosen Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie zwischen mehreren ortsveränderlichen, aber an diskreten Positionen einer stationären Basiseinheit anschließba- ren externen Einheiten.

Stand der Technik Zur Kontaktierung häufig ortsveränderlicher Einrichtun- gen zu einer stationären Basiseinheit werden oft mecha- nische Steckverbindungen eingesetzt. Derartige mechani- sche Kontaktsysteme sind in einer breiten Typenvielfalt auf dem Markt. Regelmäßig muß ein relativ hoher Aufwand betrieben werden, um die Kontaktsysteme vor Umweltein- flüssen zu schützen. Hier stellen Aspekte wie Berüh- rungsschutz, Schutz vor eindringenden Flüssigkeiten, wie Wasser, Öl oder auch Feuchtigkeit eine wichtige Rolle. Besondere Anforderungen werden in explosionsge- schützen Bereichen gestellt. Um solchen Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Kontakteinrichtungen in aufwendiger und kostenintensiver Weise gekapselt wer- den. Dadurch vergrößert sich die Bauform wesentlich und die Handhabung wird erschwert. Gerade bei häufigen Steckzyklen weisen solche Steckverbinder gravierende Nachteile auf.

Eine wesentliche Verbesserung stellen hier kontaktlose Verbindungssysteme dar. Kontaktlose auf induktiver Kop- pelung basierende Übertragungssysteme sind in vielfäl- tigen Ausführungen bekannt. Beispielhaft in der deut- schen Patentanmeldung DE 4125145 ist ein auf induktiver bzw. kapazitiver Koppelung basierendes System beschrie- ben. Es vermeidet den Hauptnachteil kontaktierender Systeme, hat jedoch relativ hohe Herstellungskosten.

Zudem ist diese Art der Ankoppelung für eine Punkt zu Punkt Verbindung, aber nicht für ein Bussystem vorgese- hen. Gerade bei Anlagen mit einer hohen Anzahl von Kon- takteinrichtungen führt dies zu untragbar hohen Kosten, da hier jeder Kontakteinrichtung ein zusätzlicher Bus- koppler zuzuordnen ist.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord- nung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen ortsveränderlichen, aber an diskreten Positio- nen anschließbaren externen Einheiten anzugeben, welche insbesondere bei einer großen Anzahl von Übertragungs- stellen als Busstruktur kostengünstig realisierbar ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa- tentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende.

Diese erfindungsgemäße Anordnung besteht aus mehreren kapazitiven Koppelelementen, welche durch eine Leiter- struktur miteinander verbunden sind. Diese dienen zur Signalankoppelung an die externen Einheiten. Dadurch ergibt sich ein Bussystem mit kapazitiven Ankoppelpunk- ten. Die erfindungsgemäßen kapazitiven Koppelelemente bestehen aus mindestens einer elektrisch leitenden Kop- pelfläche auf der Basiseinheit und mindestens einer Koppelfläche auf jeder externen Einheit. Der wesentli- che Vorteil dieser Anordnung gegenüber dem Stand der Technik ist, dass es sich hierbei um ein passives Bus- system ohne Buskoppler für jeden Kontaktpunkt handelt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung sind die Koppelelemente selbst Bestandteil die- ser Busstruktur. Das heißt, sie nehmen nicht nur die Funktion einer Signalüberkopplung zu den externen Ein- heiten wahr, sondern sie dienen auch zur Weiterleitung der Signale an benachbarte Koppelelemente.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Busstruktur an mindestens einem Punkt weitestgehend reflexionsfrei abgeschlossen. Dies erfolgt in der Regel durch einen Abschlusswiderstand der in der charakteris- tischen Impedanz der Busstruktur entspricht. Bei langen Busstrukturen ist es sinnvoll, diese an beiden Enden reflexionsfrei abzuschließen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung werden die kapazitiven Koppelelemente als Dif- ferenzkoppelelemente zur Koppelung von Differenzsigna- len ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine wesentlich höhere Störunterdrückung. Selbstverständlich können auch beide Arten von Koppelelementen untereinander kom- biniert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung erfolgt die Verbindung der einzelnen Koppelele- mente durch eine Leitung vorgegebener Impedanz. In ei- nem solchen Fall läßt sich ein besonders breitbandiges Bussystem realisieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung erfolgt die Verbindung der Koppelelemente zur Busstruktur über induktive Elemente bzw. Leitungsstücke mit induktiver Charakteristik. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, da sich hierdurch abwech- selnd Parallelkapazitäten durch die kapazitiven Koppel- flächen sowie in Serie geschaltete Induktivitäten erge- ben. Dies entspricht dem gängigen Leitungsersatzschalt- bild. Dadurch läßt sich bis zu einer oberen Grenzfre- quenz eine breitbandige Übertragungscharakteristik er- reichen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Busstruktur einschließlich der kapazitiven Koppelele- mente als Leiterplatte mit einer Massefläche auf der Rückseite ausgeführt. Dadurch läßt sich eine gezielte Impedanz und eine vorteilhafte Schirmung der Anordnung erreichen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Impedanz der kapazitiven Koppelelemente zur Massefläche der Leiterplatte derart dimensioniert, dass sie kleiner als die Eingangsimpedanz eines Busteilnehmers ist. Da- durch ändert sich die Charakteristik des gesamten Bus- systems bei Ankopplung einzelner Teilnehmer nur unwe- sentlich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung besitzen die angeschlossenen Busteilnehmer in ihren Sendestufen Treiber mit kurzen Anstiegszeiten und in ihren Empfangsstufen Empfänger mit Speichercharakte- ristik. Dies ermöglicht eine Übertragung von kurzen Pulsen anstelle lang andauernder Signale und die Rekon- struktion derselben. Hierbei liegt folgendes Prinzip zugrunde : Die von den Sendeschaltungen erzeugten Signa- le mit extrem kurzen Anstiegszeiten enthalten sehr hochfrequente spektrale Anteile. Diese hochfrequenten Anteile können auch noch bei sehr geringen Koppelkapa- zitäten zum Bussystem übergekoppelt werden. Auf dem Bussystem ergeben sich dann kurze Impulse, welche an den Zeitpunkten der Signalflanken auftreten. Eine Wie- derherstellung der Signale kann in den Empfängern bei- spielsweise durch Komperatoren mit Hysterese erfolgen.

Ein solches Übertragungssystem ist in der deutschen Of- fenlegungsschrift DE 19543559 A1 beschrieben. Das dort zur Übertragung zwischen gegeneinander beweglichen Ein- heiten vorgeschlagene Verfahren läßt sich hier auch zur Kommunikation einer Vielzahl ortsveränderlicher aber im Betrieb stationärer Einheiten einsetzen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der An- ordnung werden zur Signalein-bzw. Auskoppelung unter- schiedliche Koppelflächen eingesetzt, so dass sich eine hohe Dämpfung des eingekoppelten Signals in Bezug auf den Signalempfänger derselben Einheit ergibt. Wird je- weils das gleiche kapazitive Koppelelement zur Signal- ein-und Auskoppelung eingesetzt, so liegt der gleiche zur Signaleinkopplung benötigte hohe Signalpegel an der Eingangsschaltung der Anordnung an. Dies kann zu einer Übersteuerung oder sogar Zerstörung führen. Werden hierzu getrennte kapazitive Koppelflächen eingesetzt, so ergibt sich eine Signaldämpfung, welche mindestens der Impedanz durch zwei in Serie geschalteten kapaziti- ven Koppelflächen entspricht. Zusätzlich bewirken die weiteren Busteilnehmer und eine eventuell vorhandene Terminierung der Busstruktur eine weitere Bedämpfung.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist min- destens ein Teilnehmer galvanisch an die Busstruktur angekoppelt. Diese kann beispielsweise eine zentrale Steuereinheit sein, welche immer mit der Busstruktur verbunden sein soll.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist min- destens ein zusätzliches induktives Koppelelement vor- handen, welches zusätzliche Energie bzw. Information überträgt. Besonders sinnvoll ist hier eine Aufteilung der Informationsübertragung über das Bussystem mit ka- pazitiven Koppelelementen und der Energieübertragung mittels induktiver Komponenten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist min- destens ein induktives Koppelelement derart angeordnet, dass dessen Magnetfeld die kapazitiven Koppelelemente durchdringt und somit den selben Raum zur Übertragung benutzt. Dadurch ist eine besonders platzsparende An- ordnung möglich.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Leiterplatte der Busstruktur als mechanischer Schutz über den induktiven Koppelelementen angebracht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla- risch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er- findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen : Fig. 1 beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung, Fig. 2 mehrere zu einer Busstruktur verbundene kapazi- tive Koppelelemente, Fig. 3 mehrere mittels Leitungen zu einer Busstruktur verbundene Koppelelemente, Fig. 4 das elektrische Ersatzschaltbild einer Bus- struktur, und Fig. 5 beispielhaft den Frequenzgang einer solchen Busstruktur.

Darstellung von Ausführungsbeispielen In Fig. 1 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Anord- nung dargestellt. Die Busteilnehmer (1), (2) und (3) enthalten die Buskoppler (4), (5) und (6). Diese kop- peln über die ihnen zugeordneten kapazitiven Koppelele- mente (11,12), (13,14), (15,16) Signale ein bzw. aus. Diese kapazitiven Koppelelemente sind zu einem Bus verbunden, welcher über eine Impedanz (21) reflexi- onsfrei abgeschlossen ist. Ein zusätzlicher ortsfest angeordneter Busteilnehmer (20) kann mit den ortsverän- derlich angeordneten Teilnehmern kommunizieren.

Fig. 2 zeigt beispielhaft eine kapazitive Koppelein- richtung, welche als Differenzkoppler ausgeführt ist.

Zur Signalübertragung diesen die kapazitiven Koppelflä- chen (11,12), (13,14), (15,16), welche durch ent- sprechende Leitungsstücke miteinander verbunden sind.

Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Busstruktur, in der die kapazitiven Koppelelemente (11,13,15) durch koaxiale Leitungen (31,32,33,34) miteinander verbunden sind.

Zusätzlich ist das ganze System durch die beiden Ab- schlussimpedanzen (21) und (22) reflexionsfrei abge- schlossen.

Fig. 4 zeigt das typische Ersatzschaltbild einer sol- chen Anordnung. Hier können die Verbindungsleitungen als Serieninduktivitäten (L) und die kapazitiven Kop- pelflächen als Parallelkapazitäten (C) betrachtet werden. Dies entspricht einem typischen Leitungsersatz- schaltbild, welches eine lineare Übertragungscharakte- ristik bis zu einer durch die verteilten Induktivitäten und Kapazitäten vorgegebene Grenzfrequenz besitzt.

Fig. 5 zeigt beispielhaft den Frequenzgang einer erfin- dungsgemäßen Busanordnung. In einem unteren Frequenzbe- reich ist eine Übertragung mit linearem Frequenzgang problemlos möglich. Hier tritt sogar eine Kompensation der bandbegrenzenden kapazitiven Effekte der Koppelflä- chen durch die induktiven Anteile der Verbindungsele- mente. Oberhalb der Grenzfrequenz, welche in diesem Beispiel bei etwa 300 MHz liegt, ergibt sich eine sehr starke Dämpfung. Dadurch lassen sich unerwünschte hochfrequente Anteile, welche oberhalb des zur Signal- übertragung verwendeten Frequenzbereiches liegen wir- kungsvoll unterdrücken.

Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Busstruktur mit den ka- pazitiven Koppelelementen (12,14,16) und einem Bus- teilnehmer (1) mit Buskoppler (4) welcher an verschie- denen, mit den Koppelelementen (12,14,16) korrespon- dierenden Positionen angekoppelt werden kann.