CN104838323A - 包括交流电压供电装置的总线*** - Google Patents

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P·肖尔茨
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Abstract

本发明涉及一种通信***，其具有用于提供交流供电电压的中央总线模块(130)、连接在中央总线模块上的总线线路***(110)、一定数量的用户设备(120)，所述用户设备连接到总线线路***上并且借助交变电流整流电路(124)实现对用户设备(120)的电子部件(122)的能量供应。

Description

包括交流电压供电装置的总线***
技术领域
本发明涉及一种在经由总线线路***供电时在各个用户设备和可能的中央数据处理单元之间的通信***。
背景技术
在许多在市场上存在的总线***中都有中央总线模块，所述中央总线模块将公共电网的交流电压转变为直流电压并且将该直流电压施加到总线***的供电线上。从那里由总线***的各个用户设备获取直流电压并且将直流电压转变成交流电压，该交流电压输送给变压器或转换器，以便随后再次转换成直流电压并且可能进行调节从而为用户设备的电子部件供电。如果使用变压器，则用户设备与中央供电装置电隔离，这在使用这样的设备时经常提出要求。另一方面在许多用户的情况下通信***的总花费是可观的，因为对于每个所述用户而言必须提供同样的设备部件。用户设备通常具有外部壳体，其内部仅提供用于设备部件的有限空间。
也是出于这个原因希望节省在用户设备的壳体内的设备部件。
因此，已知的通信***在如下方面是有问题的：
-用于将电子模块连接在设备壳体内的空间需求，
-用于在规程的范围中对于在用户设备内用电安全所需的电隔离的花费，或者
-用于向电子模块输入能量的花费。
由DE 198 44 394 B4已知一种用于在包括发射电路的站和包括接收电路的站之间传输数据的双线制总线***，该双线制总线***将交流电压施加到总线上，所述交流电压借助功率退耦器接收并且提供给所述站。为了发送数据，所述交流电压叠加有直流分量，所述直流分量的频率小于交流电压的频率。
由EP 0 355 532 A2已知一种用于通过总线线路对来传输数据和已整流的供电电压的布置结构，其中用户设备分别借助变压器连接到总线线路对上。数据信号通过线圈-电容器电路而耦合输入到总线线路对中和从总线线路对中耦合输出。
由DE 102 16 330 B4已知一种用于包括总线***的过程技术的测量单元，其中中央处理器提供多个模块并且设置有影响供电电压的反馈单元。
由DE 10 2009 003 846 A1已知一种用于对可在装配基础上彼此成排布置的总线用户模块进行无接触地数据和能量供应的***。装配基础包括装配轨道和供电轨道，其中供电轨道由初级侧的扁平线圈构造，所述扁平线圈与总线用户模块的较短的次级侧的扁平线圈共同工作。以这种方式总线用户模块可以沿供电轨道设置在任意位置上并且不依赖于支承轨道的卡锁位置。初级侧的扁平线圈通过网关结构被提供以能量和数据信号，并且更确切地说是感应地通过对应的线圈提供。从允许由导线构造的总线平面设有至网关模块的总线平面接口。
由DE 10 2010 016 865 A1已知一种包括支承轨道和在支承轨道中设置的站总线的支承轨道总线***，所述站总线包括相互连接的总线环节。模块式的总线用户可以通过触针和电路板与用于传输电气数据和/或控制信号的导体电路连接。
由DE 198 13 364 A1已知一种用于控制***的能量供应装置，所述控制***具有主站和离散站。主站通过变压器被提供以来自电网的交流电压，交流电压已知为50或60Hz。双芯的数据线和供电线从主站引导至离散站。假设在那里交流电压转变成直流电压以便为在离散站中的电子装置供电。用于离散站内的电子模块的能量供给的空间需求是可观的。
发明内容
本发明的任务是，提供一种通信***，借助所述通信***能够实现对用户设备的低成本的和节省空间的能量供应。
该任务通过独立权利要求的主题解决。有利的设计方案和扩展方案在从属权利要求中给出。各扩展方案的特征只要技术上有益就可以相互组合。
本发明的一方面涉及通信***的模块化特性，所述通信***通常设计用于多个用户设备。
在这里“模块化”可以指的是，用户设备可以***总线***中并且从总线***中除去，而不会由此影响或妨碍通信***的功能性。“模块化”也可以指的是，用户设备的功能可以借助扩展卡扩大，从而用户设备不必在制造阶段中就已装有所有功能。
该总线***可以具有如下元件：
-支架，用户设备固定在所述支架上，
-用于为用户设备提供电能的供电模块，以及
-用于将供电能量和/或数据信号传输给用户设备的总线。
供电能量优选作为高频电压构成，以便可以将对于电隔离所需的变压器或转换器保持得小。高频在本发明的范围中指的是在kHz(千赫兹)范围以及更高地直至在两位数的MHz范围中的频率。
有利地，对于所有连接到总线上的用户设备只需要一个供电模块。用户设备可以由于变压器或转换器而与供电模块电隔离。在此每个用户设备可以与另一个用户设备或与供电模块通过消息传输而通信。
支架可以是由金属构成的型材轨道，所述型材轨道用于固定用户设备。在支承轨道的轮廓内部可以延伸有导线股作为总线***的调整***的部件，以便在用户设备之间传输馈电电压和/或通信信号。
支架可以构成为具有U形轮廓的顶帽式轨道，例如构成TS-35或DIN轨道。在英语中顶帽式轨道称为“DIN Rail”，其具有35x7.5mm的尺寸。
总线***可以具有柔性线缆，用户设备借助穿刺或隔离插头连接在所述线缆的芯线上。
总线***可以具有多个并联导体，用户设备借助触点接通连接到所述并联导体上并且通过触点接通形成连接模块116。
按照总线***的集中化结构，用交流电压(AC：AlternatingCurrent)、优选HF电能(HF：高频)在中央位置上借助供电模块实施对用户设备的供电，该集中化结构具有许多如下优点，：
-用于向用户供应能量的花费减少，因为电源件可以从用户设备转移到供电模块中，
-用于用户设备中的电子开关电路的空间需求减少，
-在需要时，用户设备与供电模块电隔离，
-用于用户设备到总线上的电气和机械连接的花费减少。
本发明的另一个方面涉及一种用于按照本发明的总线***的用户设备，其具有交变电流整流电路、优选用于对设备的电子元件进行能量供应的HF/DC转换器。用户设备可以尤其是测量设备或自动化模块。
以有利的方式，用户的能量供应装置可以特别节省空间地构造，因为通常的DC/HF/DC转换(如例如在目前的用户设备的开关电源中出现的DC/HF/DC转换)是不需要的。
只要技术有益，本发明的后续的扩展方案和实施形式可以与本发明的每个方面组合。
按照一种实施形式，总线可以基于优选在支架中延伸或设置在所述支架上的分配线缆。
数据信号的传输路径与交流供电电压的传输路径不同。数据信号和交流供电电压优选通过不同的线路传输。总线***也可以基于具有电导线和无线电路径的混合式传输路径。这样优选交流供电电压可以通过电导线传输并且数据信号可以通过无线电路径传输。
按照一种实施形式，一个或每个用户可以作为电子模块、优选测量设备或控制器或作为电气运行机构、例如继电器、电流冲击开关、定时开关、隔离放大器或微型自动开关构成。
按照一种实施形式，供电模块具有用于将总线线路***连接到交流供电电压上的连接模块。这意味着供电模块和总线线路***之间的电连接。为此连接模块可以作为插头、T型总线元件或T型总线插头构成，由此所述连接通过电接触形成。
供电模块可以具有AC/AC转换器或DC/AC转换器，以便提供优选在100和500kHz之间的高频范围中的交流供电电压。
总线***具有用于将来自总线的交流供电电压连接至用户设备的连接环节。
连接环节将交流供电电压、优选总线***的供电线的高频电压与相应的用户设备电连接。为此连接环节可以作为插头、T型总线元件或T型总线插头构成，由此形成在总线线路和设备线路之间的电接触。
连接环节可以设置在作为顶帽式轨道构成的支架上。
按照一种实施形式，用户设备可以具有数据耦合模块，以便将数据信号耦合输入到总线中和从总线中耦合输出。数据信号和交流供电电压(高频电压)在总线中被单独地引导。在支架内总线线路***可以作为导线股的调整***构成。
附图说明
接着借助实施例并且参考附图进一步解释本发明。在此相同的附图标记代表相同的或对应的元件。不同实施例的特征可以相互组合。
在附图中示出：
图1按照本发明的通信***的第一实施形式的示意图；
图2按照本发明的通信***的第二实施形式的示意图；
图3按照本发明的通信***的细节图；
图4用于电隔离的细节；
图5电子模块连同T型总线插头；以及
图6T型总线插头。
具体实施方式
图1示出按照本发明的通信***的第一实施形式，多个用户设备120连接在该通信***上。
该通信***的主要部件是总线线路***110、中央总线模块130和用户设备120。中央总线模块130通过连接模块108与总线线路***110连接。每个连接模块116用于将相应的用户设备120与总线线路***110连接。总线线路***110具有供电线E1和E2以及信号线S1、S2和S3。中央总线模块130包括中央供电设备132和可能的中央数据处理装置131(如果总线***装备有中央数据处理装置的话)。供电设备132和中央数据处理装置131通过连接模块108与总线线路***110连接。中央供电设备132用于将交流供电电压输出给供电线E1和E2。中央数据处理装置131用于为用户设备120存储和提供数据并且也可以用于控制通信。
本发明的特点在于，中央供电设备132在供电线E1和E2之间施加高频的交流供电电压并且各个用户设备120获取该交流供电电压并且输送给交变电流整流电路124，所述交变电流整流电路用于对用户设备120的供电电压进行整流。交流供电电压应该具有从kHz范围直到两位数的MHz范围中的频率。优选是100和500kHz之间的范围。
每个用户设备120也具有至少一个电子模块122，所述电子模块需要用于供应能量的至少一个直流电压。在图4中绘出模块式AC/DC整流电路124，该整流电路为电子模块122提供合适的直流电流。在此在AC/DC整流电路124上游连接有变压部位125，该变压部位用作中央总线模块130与用户设备120的电隔离。信号线S1、S2、S3也可以通过变压部位(未示出)为了电隔离而引导至电子模块122。
当不需要电隔离时，交流供电电压可以直接输送给AC/DC整流电路124。
在实践中，用户设备120经常以插头壳体(图5)的形式并排设置。各设备通过插接而固定在支架、例如所示出的顶帽式轨道140上。为此适合的是插头、例如T型总线插头109(图6)，所述插头分别以特定尺寸在通信***中形成连接模块116。所述连接模块夹紧到总线线路***110的供电线E1、E2和信号线S1、S2、S3的导线股上，所述总线线路***在T型总线插头109之下沿顶帽式轨道140的内部延伸(未示出)。中央总线模块130也可以通过连接模块108连接在总线线路***110上并且固定在作为支架的顶帽式轨道140上。并排设置的连接模块116以其阵列的形式形成总线线路***110的部件。
通信用户120的对于本发明不相关的其他构件未在图中示出。
按照该通信***的集中化结构，用交流电流向用户设备120供应电能在中央位置上通过供电模块132实施，该集中化结构能够在构造用户设备120时实现可观的空间节省，因为取消了在通常的总线***中的多次交流电压转换。中央总线模块130直接将交流供电电压提供到总线***110中并且由此避免了在每个用户设备120中的否则通常存在的DC/AC/DC转换或DC/HF/DC转换，例如在开关电源或DC/DC转换器的情况中那样。
图2示出按照本发明的通信***的第二实施形式。其中数据传输通过数据线S1表示，但可能存在多个数据线。然而，常规的用户设备20应该也可以连接到该总线***上，直流电流通过线路E1、E2输送给该用户设备。当其设计用于电隔离时，这样的设备20具有转换器模块25，所述转换器模块包含DC/AC转换器、隔离变压器和AC/DC转换器。该功能也可以在具有集成的电隔离的开关电源中实施为DC/HF/DC转换。图2的总线***具有供电***32，该供电***提供叠加有直流电压V0的交流供电电压V1(t)。为了隔离直流供电电流，低通滤波器18连接于模块25上游，从而常规的设备20也可以连接到该新型的总线***上。
用户设备120可以通过高通滤波器17连接到图2的总线***上，因为通过这样的高通滤波器达到供电***32的交流电压。
如借助图1和2说明的那样，本发明涉及一种多线制总线***，其包括用于能量的隔离线路E1、E2和用于数据或信号的隔离线路S1、S2、S3。至少两个线路E1、E2用于能量供应。该能量供应包含至少一个交流电压分量，如通过公式V(t)＝V0+V1(t)给出的那样。至少一个线路S1设置用于数据/信号传输。该数据传输可以具有单独的供电线。在优选的实施形式中，总线***包含连接模块，各连接模块包括可插接的、相同的元件。各连接模块通过插接连接而触点接通。所述能量供应装置可以作为双线制***构造，但也可以利用对称的三线制***构造。
由中央供电设备132提供的交流供电电压可以为50Hz并且以正弦形表示。也可以使用其他周期性的电压曲线如矩形或梯形电压曲线。在此可以使用具有不同频率分量的不同组合的电压曲线。使用在kHz范围直到两位数的MHz范围中的频率，优选在100至500kHz的范围中的频率。所述***的构件(如变压器和电力电子装置)对于该频率范围可特别低成本地且节省空间地制造。
如说明的那样，交流供电电压可以也叠加有直流电压。就此而言，概念“交流电压”应该也包括非周期性的信号，其例如可以包含随机分量。然而一般优选具有正弦形、梯形或矩形基本形状的周期性的交流供电电压。
通信***的结构在图1和图2中示出。中央供电部件132将提供的馈电电压(例如电源电压)转换成交流供电电压(例如在200kHz时的6V)。交流供电电压连同数据信号存在于总线线路***110的对应的线路E1、E2或S1、S2、S3上。借助插头(图6的T型总线插头109)，交流供电电压和数据信号提供给各个用户设备120。在用户设备120内可以为了电隔离而设置包括变压器或耦合线圈的AC/AC转换器125。转换器125可以分别具有不同的电压电平和电位组，其方式为选择具有不同匝数的线圈来构造转换器125。
备选地，交流供电电压也可以通过电容性的接口耦合输出。
有电隔离地或没有电隔离地进行在交变电流整流电路124中的整流。必要时再调节并且因此将直流电流提供到用户设备120的电子构件122上。
按照本发明的结构的优点在于，DC/AC转换从常规的用户设备20转移到中央总线模块130中，从而只实施唯一一次DC/AC转换。通过该转移可以在用户设备120的壳体内获得空间并且可以节省费用。
图3示出按照本发明的通信***的细节。中央总线模块130包含中央供电部件132，所述中央供电部件可以将电源电压或另一供给的电压转变成交流供电电压，所述交流供电电压供给到总线线路***110中。供电部件132具有电路板133，所述电路板的导体与连接模块108电连接。连接模块108与其他连接模块116属于总线线路***110。
在图3中也示出用户设备120。所述用户设备在桥接另一个连接模块116的情况下连接到一个连接模块116上。(不是每个连接模块116都提供给所属的用户设备。)所示出的用户设备120具有配备的电路板127，该电路板承载一个初级线圈128和两个次级线圈129，其从总线线路***110取出交流供电电压用于用户设备120。当由此必须考虑交流供电电压因随同的影响而受干扰时，可以设置辅助电子装置作为调节器126，该调节器调节地作用于供电电压的承担。
连接模块116的数量可以对应于用户设备120的数量，即每个连接模块116可以与一个用户设备120连接，但不是必须的。也可能的是，连接模块116提供给多个用户设备，如果所述连接模块被与此对应地设计的话。
图4示出图1的可能的构造细节，即借助AC/AC转换器125对包括与中央供电部件132的电隔离的电子模块122供电，所述AC/AC转换器给AC/DC整流电路124供电，该AC/DC整流电路又对电子模块122供电。
图5示出作为各个用户设备120的支架起作用的顶帽式轨道140，所述用户设备并排插到顶帽式轨道140上。未示出总线线路***的供电线和信号线，所述供电线和信号线在用户设备120的下侧或T型总线插头109和轨道基础之间沿顶帽式轨道140的内部延伸。连接模块116或T型总线插头109包围并且触点接通总线线路***110的各个线路。
也可以将在图5中示出的T型插头也仅作为用户设备的部件理解，其中在所示出的插头和完整设备120之间还延伸有连接导线。
图6示出T型总线插头109，其可以作为连接模块116使用。所示出的壳体具有用于电子卡的插槽，所述电子卡例如形成中央总线模块130的主要部件。绘出线路E1、E2、S1、S2和S3，这些线路从中央总线模块130出发并且终止在沿顶帽式轨道140的内部延伸的通道中，如果T型总线插头109与这样的顶帽式轨道140连接的话。
实现如下优点：
-用交流电压对所有在总线线路***110上连接的用户120供应一致的能量，
-利用现有的分配***、例如Phoenix Contact T-Bus，
-相比于常规的用户设备从每个电子用户设备中除去初级电源，
-通过***总线***/从总线***拔出实现的简单的触点接通和对电子用户设备的馈电的接通/切断，所述总线***构成总线线路的调整***，
-标准化用户设备的馈电电子装置，以及
-标准化中央总线模块的调节电子装置。
-所述***可以不仅在机械刚性的***、例如DIN轨道中、而且在柔性的线缆敷设的***(例如具有穿刺的圆线缆/扁平线缆、隔离插头、...)中使用。
附图标记列表
17     高通滤波器
18     低通滤波器
20     常规用户设备
25     转换器模块
32     供电***
108    连接模块
109    T型总线插头
110    总线线路***
116    连接模块
120    用户设备
122     电子模块
124     AC/DC整流电路
125     AC/AC转换器、变压部位
126     调节器
127     配备的电路板
128     初级线圈
129     次级线圈
130     中央总线模块
131     中央数据处理装置
132     中央供电部件
133     电路板
140     支承轨道、支承栏杆
E1、E2  供电线
S1-S3   信号线

Claims (11)

1.一种通信***，具有：
-包括彼此隔离的供电线(E1、E2)和信号线(S1、S2、S3)的总线线路***(110)，
-至少一个包括中央供电部件(132)的中央总线模块(130)，所述中央总线模块通过电线与总线线路***(110)连接，其中，中央供电部件(132)设计用于将具有在kHz范围且更高地直至两位数的MHz范围中的频率的供电交流电压输出给供电线(E1、E2)，
-一定数量的用户设备(120)，所述用户设备分别具有至少一个电子模块(122)并且能够通过信号线(S1、S2、S3)相互通信，并且所述用户设备与供电线(E1、E2)连接，
-其中，每个用户设备(120)具有交变电流整流电路(124)，所述交变电流整流电路将在kHz范围且更高地直至两位数的MHz范围中的交流供电电压转变成适于所配置的电子模块(122)的直流供电电压并且提供给电子模块(122)。
2.按照权利要求1所述的通信***，还具有用于接纳供电线(E1、E2)和用于并排地固定用户设备(120)的支架，其中，连接模块(116)并排地设置在该支架上并且用于将用户设备(120)与总线线路***(110)连接。
3.按照权利要求2所述的通信***，其特征在于，各连接模块(108、116)以其阵列的形式形成总线线路***(110)的部件。
4.按照权利要求2或3所述的通信***，其特征在于，至少一些所述连接模块(116)在形成所述支架的顶帽式支承轨道(140)的间隙中并且以在物理上分别与T型总线插头(109)连接的形式安装。
5.按照权利要求1至4之一所述的通信***，其特征在于，设有用于处理交流供电电压和调节交流供电电压电平的调节装置(126)。
6.按照权利要求1至5之一所述的通信***，其特征在于，用户设备(120)的电子模块(122)在输入端和输出端连接到信号线(S1、S2、S3)上并且在供电侧连接到所属的交变电流整流电路(124)上。
7.按照权利要求1所述的通信***，其特征在于，柔性线缆构成为总线线路***的部件并且作为连接至用户设备的线路连接部的载体起作用。
8.按照权利要求1至7之一所述的通信***，其特征在于，变压部位(125)连接于交变电流整流电路(124)的上游。
9.按照权利要求1至8之一所述的通信***，其特征在于，由中央供电部件输出的交流供电电压处于100至500kHz的范围中。
10.按照权利要求1至9之一所述的通信***，其特征在于，交流供电电压叠加有直流电压分量。
11.按照权利要求1至10之一所述的通信***，其特征在于，中央总线模块(130)具有中央数据处理部件(131)，所述中央数据处理部件与信号线(S1、S2、S3)连接。
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