DE102009012786B4

DE102009012786B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Signalen

Info

Publication number: DE102009012786B4
Application number: DE102009012786.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Tonner Friedemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2029-03-14
Also published as: DE102009012786A1

Abstract

Verfahren zur Übertragung von elektrischen Signalen unter Ausnutzung des Skineffekts über einen elektrisch leitenden Träger (14) zwischen einer die Signale einspeisenden Betreibereinrichtung (13) und zumindest einem die Signale abgreifenden Versorgungsmodul (19), wobei – durch die Betreibereinrichtung (13) über erste Kontakteinrichtungen (16, 18), die an den Träger (14) an unter Abstand liegenden ersten Orten (20, 21) angeordnet sind, eine Basis-HF-Wechselspannung angelegt wird, und – durch das Versorgungsmodul (19), das zumindest zweite Kontakteinrichtungen (22, 23) umfasst, an einer Oberfläche des Trägers (14) und mit Abstand zueinander und elektrisch zwischen den ersten Orten (20, 21) liegenden zweiten Orten (24, 25) eine Abgriffsspannung abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Energieversorgung von zumindest einem Verbraucher (12), der dem elektrisch leitenden Träger (14) zugeordnet ist, das Signal durch die Betreibereinrichtung (13) mit zumindest einem Treiber (15) eingespeist wird, – dass die Abgriffsspannung von dem zumindest einen Versorgungsmodul (19), welches zumindest eine Verbindungseinrichtung (28) zum Anschluss von zumindest einem Verbraucher (12) oder einen Verbraucher (12) umfasst, abgegriffen wird, – dass die Basis-HF-Wechselspannung eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, hat, und – dass die Basis-HF-Wechselspannung eine Spannung hat, die kleiner als die Schutzspannung für elektrisch nicht isolierte Träger (14) im Bereich von ≤ 24 V ist und – wobei die Frequenz der Basis-HF-Wechselspannung und die Spannung so gewählt wird, dass die Impedanz des Trägers (14) unter Ausnutzung des Skineffekts und/oder der Selbstinduktion in einen Bereich erhöht wird, um den Strom durch den Treiber (15) und den Träger (14) zu reduzieren und gleichzeitig die geeignete Leistung für den Betrieb des Verbrauchers (14) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Verbrauchern, die einem elektrisch leitenden Träger zuordenbar sind.
Neue Verfahren zur Übertragung von Energie und Information zu und von Sensoren oder Aktoren erfahren eine große Nachfrage. Anwendungsfelder sind beispielsweise Prozessautomatisierung und Überwachung in Industrie und Gebäudetechnik.
Verteilte Sensoren, die beispielsweise in Automatisierungsanlagen eingesetzt werden, sind bisher auf eine Versorgung durch Kabel, Batterien oder lokale Energiegeneratoren angewiesen. Diese Sensoren werden auf einem metallischen Träger befestigt oder in Gewindelöcher eingeschraubt (beispielsweise Näherungssensoren). Oft kommt es vor, dass Sensoren neu eingerichtet werden müssen und damit ihr Montageort gewechselt werden muss. Dabei sind die fest installierten Stromversorgungen nachteilig.
Die Wandlung von Umgebungsenergie in elektrische Energie ist eine Energieversorgungs-Methode für Sensoren, um die Nachteile der fest installierten Stromversorgung zu vermeiden. Neben der Nutzung von Licht und mechanischen Änderungen setzen Thermowandler Temperaturgradienten in elektrische Spannungsgradienten um, Vibrationswandler nutzen akustische Schwingungen. Diese Verfahren sind jedoch nur in Nischen mit der entsprechenden vorhandenen Energieform einsetzbar. Entweder steht kein geeigneter Temperaturgradient, keine geeignete Lichteinstrahlung oder Vibration zur Verfügung oder die Nutzung ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht sinnvoll. Zudem kann keine Mindestleistung garantiert beziehungsweise nur in Einzelfällen abgeschätzt werden.
Daneben sind aktive Speisungen über Licht- (Infrarot, sichtbar) und Radiowellen bekannt, die jedoch eine sichtbare bzw. ungeschirmte Anbringung eines Sensors erfordern. Für den Echtzeit-Betrieb von Funksensorik oder Aktorik wird ein Leistungsbereich von ca. 10 mW benötigt. Dieser kann nur durch eine geführte Leitung von Licht (Lichtleiter) oder eine große Gesamtleistung (WISA-System von ABB) erreicht werden. Die Firma EnOcean vertreibt bereits solarzellenbetriebene Funksensormodule und durch den mechanischen Tastendruck energetisch versorgte Funktaster für die Gebäudeautomatisierung.
Im Bereich der aktiven Versorgung von Sensoren sind induktive und strahlungsbasierte Energieübertragungseinrichtungen bekannt. Auch wird elektromagnetische Strahlung von einigen MHz bis GHz verwendet, um Tags oder Sensoren kontaktlos mit Energie zu versorgen. Ein bekanntes System nutzt magnetische Felder im mittleren Frequenzbereich von einigen Kilohertz bis wenigen Megahertz, um ganze Fertigungszellen mit drahtloser Energie zu versorgen (WISA). Die Akzeptanz von Freiraumenergieübertragungssystemen ist nicht nur rein technisch, sondern auch psychologisch problematisch: Insbesondere für eine große Gesamtleistung, bei der die Energiedichte im Raum hoch ist, bestehen ähnliche Bedenken, auch wenn die berufsgenossenschaftlichen Grenzwerte in jedem Fall eingehalten werden.
Bisher fehlte eine breit einsetzbare, praktikable Lösung zum Betrieb von Verbrauchern, wie beispielsweise von Aktoren und von Sensoren, im Leistungsbereich von wenigen Milliwatt, die an einem metallischen Träger befestigt sind und einen Betrieb von Aktoren und Sensoren ermöglichen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung von zumindest einem Verbraucher zu schaffen, der einem metallischen Träger zuordenbar und der Ort des Verbrauchers auf dem metallischen Träger in einfacher Weise veränderbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Durch dieses Verfahren wird somit ein Betrieb von Verbrauchern, insbesondere von Sensoren und Aktoren, an oder auf einem Träger durch die direkte elektrische Speisung des Trägers ermöglicht. Dieses Verfahren kann auch Skin-Effekt-Induktiv-Power-Verfahren genannt werden, bei dem die grundsätzlich nachteiligen Effekte des Skin-Effektes zusammen mit der Selbstinduktion als Vorteil für das Verfahren zur Energieversorgung des Verbrauchers genützt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Energieversorgung ermöglicht somit eine kabellose Energieversorgung an Orten, die bisher wirtschaftlich, organisatorisch oder technisch nur schwer erreichbar waren. Dadurch kann auch eine Flexibilität erzielt werden, sofern erforderlich wird, dass der oder die Verbraucher, insbesondere Aktoren und Sensoren, an anderen Orten benötigt werden. Statt auf lokale Energiegeneratoren, Batterien oder neu zu verlegende Kabel zurückzugreifen, können somit solche Verbraucher über den metallischen Träger selbst elektrisch versorgt werden. Da die in vielen Anwendungsszenarien vorhandene fest installierte Metallstruktur, an der ein Sensor/Aktor befestigt ist, zur Energieübertragung genutzt wird, kann der Vorteil der hohen Leistungsdichte einer aktiven Speisung erhalten bleiben bei gleichzeitiger Einsparung einer Verkabelung. Die eingangs beschriebene Energieversorgungslücke kann somit gefüllt und eine Mindestleistung für jeden Verbraucher garantiert werden.
Zur Erzeugung der Basis-HF-Wechselspannung mit der Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz stehen Hochfrequenz-Leistungs-MOSFETs mit kleinen Innenwiderständen zur Verfügung.
Wenn die Basis-HF-Wechselspannung kleiner als die Schutzspannung für elektrisch nicht isolierte Träger im Bereich von ≤ 24 V ist, vorzugsweise im Bereich von 5 V bis 10 V gewählt wird, kann damit in vorteilhafter Weise in einen zulässigen Bereich gelegt werden.
Somit kann auch eine geringe Abstrahlung von Energie in den Freiraum gegeben sein. Die Energie wird in der Metalloberfläche geleitet. Die auftretenden Spannungen sind sehr gering. Beispielsweise fallen über einem Handteller max. 0,5 V ab, die vorgesehenen 5 V bis 10 V maximaler Spannungsdifferenz verteilen sich beispielsweise auf mehrere Meter. Die einzuhaltende Schutzspannung von 24 V wird daher nie erreicht. Es ist zudem praktisch unmöglich, das System kurzzuschließen, da der metallische Träger gewissermaßen schon einen Kurzschluss darstellt. In Bezug auf die Sicherheit und psychologische Unbedenklichkeit hat die Erfindung daher eindeutige Vorteile.
Des Weiteren kann durch dieses erfindungsgemäße Verfahren zumindest ein Verbraucher, insbesondere Sensoren und Aktoren, an rotierenden Maschinenteilen, die im metallischen Kontakt einen Stator besitzen, angeordnet werden.
Der Skineffekt oder auch die Stromverdrängung ist ein Effekt in von hochfrequenten Wechselstrom durchflossenen elektrischen Leitern, durch den die Stromdichte im inneren eines Leiters niedriger ist als an der Oberfläche, und dieser Skineffekt ist seit Langem bekannt. In der Hochfrequenztechnik stellt der Skineffekt ein Problem dar. Um die Auswirkung des Skineffekts so klein wie möglich zu halten, werden daher in der Hochfrequenztechnik Leitungen mit möglichst großer Oberfläche eingesetzt. Wenn großflächige Leiter zwischen Sender und Empfänger bei einer Hochfrequenzanwendung liegen, eignen sich daher der Skineffekt zur Übertragung von Daten zwischen Sender und Empfänger.
Ein Beispiel für die Datenübertragung auf der Grundlage des Skineffekts ist die US 5 437 058 A , bei der Daten über beispielsweise eine Schottwand, die eine entsprechend große Oberfläche hat, von einer Seite der Schottwand zur anderen Seite der Schottwand übertragen werden. Die zu übertragenden Daten werden über einen Einzelpunktstrom in eine Stahlplatte bei einer Schottwand injiziert und an der gegenüberliegenden Seite der Schottwand durch entsprechende Elektroden aufgenommen. Durch den Skineffektstrom wird ein elektrisches Feld induziert, welches sich um die Kante einer Öffnung in der Schottwand ausbreitet und ein Muster von Oberflächenströmen auf der gegenüberliegenden Seite der Schottwand erzeugt, wo er durch eine Kopplungsschleife abgetastet wird. Damit das über die Schottwand übertragene Datensignal am Empfänger angezeigt werden kann, muss es mindestens zweistufig verstärkt werden, was darauf beruht, dass ein modelliertes elektrisches Signal außerordentlich geringer Spannung durch das Magnetfeld erzeugt und von einer Empfangsschleife empfangen wird. Eine Energieübertragung zur Speisung eines Verbrauches, beispielsweise der Empfangsschaltung, ist auf diese Weise nicht möglich und auch nicht beabsichtigt.
Der Skineffekt wurde auch bereits zur Strukturüberwachung an schwingend beanspruchten, ferromagnetischen Werkstoffen durch Messen elektrischer Größen mittels Potentialsondenverfahren angewendet, wie beispielsweise in DE 4119001 A1 offenbart ist, um die Messgenauigkeit bei der Strukturüberwachung zu verbessern. Bei dieser Technik werden nur zwei Elektroden unter Abstand an dem Werkstück angesetzt. Aus den Charakteristiken der elektrischen Ströme zwischen den beiden Elektroden unter Ausnutzung des Skineffekts kann auf Strukturfehler an der Oberfläche des Werkstücks, beispielsweise Risse oder dergleichen geschlossen werden. Hier handelt es sich um eine reine Strukturmessung mit nur zwei angesetzten Elektroden, wobei eine Energieübertragung zu Versorgungszwecken nicht beabsichtigt ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die an dem Träger abgegriffene Abgriffsspannung direkt als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird oder dass die am Träger abgegriffene Abgriffsspannung nach einer Energieumwandlung als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird. In Abhängigkeit der erforderlichen Leistung für den Verbraucher kann somit gegebenenfalls eine sehr einfache Bereitstellung erfolgen, indem die Abgriffsspannung als Versorgungsspannung verwendet wird. In anderen Fällen kann eine Energieumwandlung erfolgen, um die entsprechende Leistung für den Verbraucher bereitzustellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Basis-HF-Wechselspannung an dem Träger für den Verbraucher resistiv, kapazitiv oder induktiv abgegriffen wird. Dadurch kann die Flexibilität in den möglichen Anbringungsorten des Verbrauchers erhöht und an die jeweiligen Ein- oder Anbausituationen angepasst werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Abgriffsspannung für die Energieumwandlung, insbesondere Spannungswandlung, in eine Versorgungsspannung für den Verbraucher im Bereich von 0,5 V bis 24 V, vorzugsweise im Bereich von 1 V bis 3,6 V, umgesetzt wird. Dieser Bereich deckt den vom Verbraucher, wie Sensoren, Aktoren und dergleichen, benötigten Bereich ab.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die abgegriffene Versorgungsspannung von dem Verbraucher moduliert und die Modulation in einer Detektoreinrichtung in einer Steuereinheit detektiert oder die Basis-HF-Wechselspannung von einer Steuereinheit moduliert und die Modulation in einer Detektoreinrichtung im Verbraucher detektiert.
Die gewonnenen Messdaten bei Sensoren oder die Steuerdaten bei Aktoren können, wie bereits bekannt, per Funk übermittelt werden. Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Daten jedoch nicht über Funk, sondern durch eine Leistungsmodulation des Sensors, beispielsweise analog zu RF-ID im Funkbereich, bei der der Verbraucher seine elektrische Last variiert und die Versorgerstation dies detektiert, übertragen. Um beispielsweise digitale Daten von dem Sensor zu einer Detektorschaltung zu übertragen, wird der Widerstand des Sensors aktiv vom Sensor geändert. Die Detektorschaltung in der Versorgungseinheit detektiert dann diesen Lastwechsel. Bei der Übertragung von Steuerdaten an die Aktoren wird die HF-Wechselspannung moduliert und damit den Aktoren/Sensoren Steuerdaten übertragen, die in einer Detektorschaltung detektiert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Impedanz des Treibers pulsartig geändert wird. Dabei kann eine Spannungsänderung auf dem Träger nach Art eines DC/DC-Wandlers erfolgen. Dieser Betrieb eignet sich für die Selbstinduktion und ermöglicht, dass durch die Änderung des Stromes durch den Träger eine hohe Spannung im Träger induziert wird, die unmittelbar durch ein Versorgungsmodul abgegriffen werden kann.
Analog zum Vorstehenden wird die Aufgabe durch die Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.
Somit besteht die Vorrichtung aus einer ersten Einheit, welche den Treiber zur Bereitstellung einer Basis-HF-Wechselspannung sowie erste Kontakteinrichtungen umfasst, um die Basis-HF-Wechselspannung an dem Träger anzulegen. Des Weiteren ist eine zweite Einheit vorgesehen, welche zweite Kontakteinrichtungen und eine Verbindungseinrichtung umfasst, um daran den oder die Verbraucher wahlweise anzuschließen. Durch die zweite Kontakteinrichtung wird die bereitgestellte Basis-HF-Wechselspannung als Abgriffsspannung abgegriffen und kann für den Verbraucher bereitgestellt werden, um diesen zu betreiben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen beschrieben, wobei ebenfalls die oben genannten Vorteile erzielt werden können.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die am Träger abgegriffene Abgriffsspannung direkt als Versorgungsspannung für den Verbrauch bereitgestellt wird oder, dass die Angriffsspannung nach einer Energieumwandlung durch zumindest einen Energiewandler als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird. Die Bereitstellung für den Verbrauch ist abhängig von der vom Verbraucher benötigten Leistung als auch der Impedanz des Trägers sowie die Leistung des Treibers.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht darauf, dass der Impedanzwandler ein Serien-Spulen-Kondensator-Schwingkreis, der resonant angesteuert ist, oder ein Hochfrequenztransformator mit hohem Übersetzungsverhältnis von vorzugsweise 1:100 ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen also eine kabellose Energieversorgung an Orten, die bisher wirtschaftlich, organisatorisch oder technisch nicht erreichbar waren. Typische Einsatzgebiete sind verteilte Sensorik und Aktorik (allg.: Verbraucher). Strom wird nicht lokal aus Umgebungsenergie gewonnen oder durch Leitungen zum Verbraucher geleitet, sondern durch einen metallischen oder hoch leitfähigen Träger bereitgestellt. An der Oberfläche des Trägers greift das Versorgungsmodul oder der Verbraucher die Energie ab. Da an der ganzen Oberfläche die Energieversorgung zur Verfügung steht, kann der Kontaktort und damit der Ort des Verbrauchers ohne Probleme gewechselt werden. Das Versorgungsmodul beziehungsweise der Verbraucher kann auf dem Träger aufliegen oder permanent befestigt sein – etwa durch Verschraubung.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Sensor oder ein Aktor, die auf einem metallisch leitenden Träger zu montieren sind, eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Verbrauchern beziehungsweise ein Versorgungsmodul umfasst.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung eines Sensors als Verbraucher, der auf einem metallisch leitenden Träger vorgesehen ist,
2 ein schematisches Schaltbild eines Treibers,
3 ein schematisches Schaltbild eines komplexen Energiewandlers und
4 ein Diagramm mit dem Verlauf der Versorgungsspannung für den Verbraucher bei der Spannungswandlung mit dem Energiewandler nach 3.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zur Energieversorgung eines Verbrauchers 12, insbesondere eines Aktuators, Sensors oder dergleichen. Die Vorrichtung 11 umfasst zumindest eine Betreibereinrichtung 13 und zumindest ein Versorgungsmodul 19, wobei vorzugsweise eine Betreibereinrichtung 13 und eine Vielzahl von Versorgungsmodulen 19 vorgesehen sind. Bei Versorgungsmodulen 19 sind zu dessen Betrieb auf einem elektrisch leitende, insbesondere metallisch leitende Träger 14 vorgesehen. Die Betreibereinrichtung 11 weist einen Treiber 15, z. B. einen HF-Wechselstromgenerator auf, der über erste Kontakteinrichtungen 16, 18 mit dem Träger 14 verbunden ist. Die Kontakteinrichtungen 16, 18 umfassen zumindest elektrische Leitungen, die einerseits an dem Treiber 15 angeschlossen sind und an den gegenüberliegenden Enden bspw. elektrische Kontakte umfassen, durch welche eine Basis-HF-Wechselspannung des Treibers 15 angelegt wird. Bevorzugt sind resistive Kontaktstellen vorgesehen, die daran angelegt, angesteckt oder angeklebt werden können. Diese Kontakte werden an dem Träger 14 an unter Abstand liegenden ersten Orten 20, 21 aufgebracht, um die Basis-HF-Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 50 Hz bis 100 MHz, vorzugsweise im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, und einer Spannung kleiner gleich 24 V für elektrisch nicht isolierte Träger anzulegen. Zweite Kontakteinrichtungen 22, 23 des Versorgungsmoduls 19 werden mit einer Oberfläche des Trägers 14 an unter Abstand zueinander und elektrisch zwischen den ersten Orten 20, 21 liegenden zweiten Orten 24, 25 angeschlossen. Diese zweiten Kontakteinrichtungen 22, 23 können resistiv, kapazitiv oder induktiv eine Basis-HF-Wechselspannung an dem Träger 14 abgreifen. An den zweiten Kontakteinrichtungen 22, 23 ist bevorzugt ein Energiewandler 26 angeschlossen, der die abgegriffene Abgriffsspannung zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für den Verbraucher durch eine Energieumsetzung, insbesondere eine Impedanzumsetzung als auch Spannungs-Hochwandlung von Wechselspannung zur Gleichspannung unterwirft. Die zweite Kontakteinrichtung 22, 23 kann an zwei oder mehreren Angriffsstellen bzw. Orten die Basis-HF-Wechselspannung am Träger 14 abgreifen. Die vom Energiewandler 26 umgesetzte Abgriffsspannung wird über eine Verbindungseinrichtung 28, insbesondere Anschlussleitungen mit daran angeordneten Kontaktstellen dem Verbraucher 12 zugeführt bzw. an dem Verbraucher 12 angeschlossen. Der Energiewandler 26 und der Verbraucher 12 sind gegenüber dem Träger 14 beispielsweise durch eine Isolierschicht 30 isoliert oder getrennt. Die Isolierschicht kann Teil des Versorgungsmoduls 19 sein.
Zur Kontaktierung des Verbrauchers 12 zum Träger 14 kann vorgesehen sein, dass der Verbraucher 12 lediglich auf dem Träger 14 aufliegt oder permanent befestigt wird, wie beispielsweise durch eine Verschraubung oder Klemmung, so dass dann die gesamte Oberfläche des Trägers 14 für die Energieversorgung zur Verfügung steht. Der Kontaktort des Verbrauchers 12 zum Träger 14 und damit der Ort des Verbrauchers 12 kann flexibel gewechselt werden.
Zur Erläuterung wird beispielsweise der Fall betrachtet, dass ein als Sensor vorgesehener Verbraucher 12 über den Träger 14 mit Gleichstrom versorgt werden soll. Wird an dem Träger 14 eine Spannung U(a1, a2) angelegt (an möglichst weit voneinander entfernten Stellen a1 und a2), so fließt über den Träger 14 ein Strom I(a1, a2) = U(a1, a2)/Z(a1, a2), wobei der Scheinwiderstand Z(a1, a2) den Betrag der komplexen Impedanz Z = R + i X, bestehend aus Realteil R und Imaginärteil X, des Trägers 14 darstellt. Prinzipiell ist es möglich, an verschiedenen Stellen b1 und b2 (zwischen den Stellen a1 und a2) des Träger 14 eine Spannung U(b1, b2) = Z(b1, b2)·I(a1, a2) abzugreifen, wobei Z(b1, b2) den effektiven Scheinwiderstand des Trägers 14 zwischen den Stellen b1 und b2 darstellt.
Soll die abgegriffene Spannung direkt genutzt werden, treten praktisch folgende Probleme dabei auf:

1. Die Spannung U(b1, b2) soll in einem Bereich liegen, die für Sensoren verwendbar ist (1 V oder mehr).
2. U(a1, a2) muss daher viel größer als U(b1, b2) gewählt werden (dies ist abhängig vom Verhältnis (a2 – a1)/(b2 – b1)).
3. Der Strom I(a1, a2) ist wegen der anzulegenden großen Spannung U(a1, a2) und des sehr geringen Widerstands des Träger bei Gleichspannung (sehr dicker elektrischer Leiter) R(a1, a2) ebenfalls sehr groß.
4. Die nötige Leistung P(a1, a2) = U^2(a1, a2)/Z(a1, a2) ist daher ebenfalls sehr groß (R wird im Bereich unter 0,001 Ohm liegen. U(a1, a2) bei 10 V bis 100 V, die Leistung daher 100 kW bis 10 MW).

Die Erfindung löst diese Problematik durch die Verwendung einer niedrigen Spannung U(a1, a2), hoher Frequenzen der Basis-HF-Wechselspannung und damit von größeren Impedanzen Z(a1, a2) unter Ausnutzung des Skin-Effekts und/oder der Selbstinduktion bei Wechselspannungen hoher Frequenzen und einer Impedanztransformationsschaltung, die die sehr kleinen Wechselspannungen U(b1, b2) bei niedrigen Impedanzen in nutzbare Spannungen bei höheren Impedanzen (ca. 2 V) transformiert.
Da in die Leistung P(a1, a2) die Spannung quadratisch eingeht, werden die Spannungen im Bereich von ca. 1 V (bis ca. 5 V) benötigt, um die Gesamtleistung im Rahmen zu halten.
Bei höheren Frequenzen durchfließt ein Wechselstrom effektiv nur noch die oberste Schicht des Leiters. Die Skintiefe entspricht der Dicke des Materials, das dem Widerstand bei Gleichstrom entsprechen würde. Die Skintiefe lässt sich wie folgt ausdrücken:
wobei: ω = Kreisfrequenz, σ = elektrische Leitfähigkeit des Materials, f = Frequenz, μ = Magnetische Permeabilität, μ₀ = Magnetische Permeabilitätskonstante des Vakuums, μ_r = relative magnetische Permeabilitätszahl des Materials.
Typische Skintiefen sind bei Kupfer und 50 Hz etwa 8 mm, bei 1 MHz etwa 66 μm und bei 10 MHz etwa 21 μm. Bei magnetischen Materialien wie Stahl oder Eisen mit μ_r >> 1 ist die Skintiefe geringer als bei unmagnetischen Materialien wie Kupfer (μ_r ≈ 1). Daher sind magnetische Materialien wie Stahl oder Eisen für die Träger, an denen die Sensoren angebracht und elektrisch versorgt werden, in Bezug auf den resistiven Skin-Effekt besonders geeignet.
Der Realteil R der Impedanz ergibt sich für einen rechteckigen Leiter mit Höhe h, Breite w und der Länge l und einer Spannungsquelle, die über die volle Seite w angelegt wird, zu (nach M. K. Kazimierczuk, RF Power Amplifiers, John Wiley & Sons, Ltd, West Sussex, UK, 2008)
Für eine Kupferplatte (l = 400 mm × b = 100 mm × h = 3 mm, μ_r = 1) ergibt sich R = 0,00104 Ohm.
Der Imaginärteil der Impedanz X = X_L + X_C wird in typischen Geometrien von der Induktivität des Leiters dominiert: X_L = ω L.
Kapazitive Anteile X_C = –1/(ω C) können auftreten, der Strom wird jedoch bei hohen Frequenzen w vom induktiven Anteil limitiert.
Die Induktivität resultierend aus der Selbstinduktion eines länglichen rechteckigen Leiters ist bei Vernachlässigung des Skin-Effektes gegeben durch (siehe F. W. Grover, Inductance Calculations: Working Formulas and Tables, Dover Publications, New York, NY, 1962)
Beispielsweise ist für eine Kupferplatte (l = 400 mm × w = 100 mm × h = 3 mm) als Träger L = 211 nH. Der Imaginärteil liegt für f = 1 MHz bei X_L = 1,33 Ohm. Für den Beispielfall mit großer Länge l im Vergleich zu Breite b und Höhe h ist Z = (0,00104 + i 1,33) Ohm, es überwiegt der induktive Anteil.
Bevorzugt ist, dass die Dimension des Trägers 14 wesentlich kleiner als die resultierende elektromagnetische Welle bei der vorgegebenen Frequenz ist. Dies kann bspw. durch die Wahl der Frequenz oder einer komplexen Anpassung des Treibers 15 oder sonstigen Komponenten erreicht werden. Typischerweise wird die Frequenz der Basis-HF-Wechselspannung verringert oder die Dimension des Trägers 15 wird begrenzt.
Sowohl der Skin-Effekt als auch die Selbstinduktion reduziert den Scheinwiderstand Z des Trägers deutlich. Der Widerstand R hängt zudem nicht mehr vom Gesamtvolumen des Trägers ab, durch den der Strom fließt, sondern nur noch von einer dünnen Oberflächenhaut des durchströmten Trägers. Diese skaliert linear mit dem Durchmesser und der Länge des Trägers. Neben der Reduktion der Wirkleistung durch R kann durch den induktiv dominierten Anteil X die Scheinleistung reduziert werden. Ist der Blindwiderstands-Anteil X groß gegenüber R, kann eine höhere Spannung durch den Verbraucher abgegriffen werden, ohne dass am Träger mehr Energie dissipiert wird. Es ist neben dem resistiven Skin-Effekt auch ein induktiver Skin-Effekt bekannt, der zu einer Verringerung der Induktivität L bei hohen Frequenzen führt.
Bei radioferngespeisten und optisch gespeisten Systemen fällt die Intensität von Licht und allgemein Strahlung quadratisch mit dem Abstand ab, und da die Energie im ganzen Raum verfügbar ist, ist die Energiedichte daher gering. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Erfindung eine Leitung der Energie durch einen beliebig geformten Träger (Platte, Stab, Balken, etc.). Die Leistung wird nur an der Oberfläche des Trägers durch den Anteil R dissipiert. Beispielsweise bedingt eine verdoppelte Länge des Stabes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung etwa eine doppelte Schein- und Wirkleistung gegenüber einer vierfachen Leistung bei doppelter Entfernung für ein strahlungsgespeistes System.
Bei der Auslegung des Verfahrens ist die Abstimmung der Leistung des Treibers 15 auf den zu treibenden Träger 14 wesentlich. Der Realteil R der Impedanz des Trägers 14 gibt zusammen mit der HF-Wechselspannung des Treibers 15 die maximale Wirkleistung vor. Die Scheinleistung wird durch Z bestimmt. Am Sensorort, also an demjenigen Ort, an welchem die zweiten Kontakteinrichtungen 22, 23 an dem Träger 14 angreifen, muss die abgegriffene Wechselspannung ebenfalls eine passende Impedanz haben. Es sind also drei Größen über die Frequenz und die Basis-HF-Wechselspannung einzustellen: Die Gesamtleistung des Treibers 15 bzw. des Trägers 14, deren Wirkleistungsanteil möglichst klein sein sollen, um effizient zu sein, die Leistung des Verbrauchers 12, wobei ein Minimalwert erforderlich ist, um den Verbraucher 12 zu betreiben und die Spannung am Abgriff am Träger 14, die nach unten beschränkt durch die Wandlungstechnologie ist.
Es können darüber hinaus mehrere Verbraucher versorgt werden. Die Anzahl ist nur durch die verwendete Leistungsdichte bzw. benötigte Fläche pro Verbraucher begrenzt (bestimmt durch die Gesamtleistung und Gesamtoberfläche des Trägers). Die pro Verbraucher zur Verfügung stehende Leistung kann Werte erreichen, die bisher nur bei drahtgebundenen Systemen bekannt waren: Einige Milliwatt pro Quadratzentimeter scheinen realisierbar. Dadurch sind auch aktorische Anwendungen denkbar. Fern- oder umgebungsgespeiste Systeme bewegen sich eher im Mikrowattbereich.
Zur Verifikation der Erfindung wurden Simulationen mit LTspice (Quelle: Linear.com) durchgeführt, um beispielsweise den Transistor-Treiber an einem rein resistiven Träger und die LC-Impedanzwandlerschaltung zu simulieren. Für Träger mit größeren Scheinwiderstandsanteilen und damit Impedanzen kann die Schaltung vorteilhaft angepasst werden. Der Treiber wird beispielsweise in diesem Fall ein RF-Leistungsverstärker sein, der geeignet ist, eine induktive Last zu treiben. Im Folgenden werden die Bezugszeichen für die Bauteile wie in 1 verwendet.
Um an dem elektrisch leitenden Träger 14 eine Spannung abgreifen zu können, ist eine wirksame Erhöhung der Impedanz des Trägers 14 nötig, was durch die Basis-HF-Wechselspannung erreicht wird, die von dem Treiber 15 nach 2 an den Träger 14 angelegt wird.
In dem Treiber 15 ist gemäß 2 ein Funktionsgenerator 32 vorgesehen, der beispielsweise im Rechteckbetrieb als Rechteck-Frequenzgenerator verwendet wird, und der einen RF-MOSFET 34 treibt, der eine Gleichstromquelle 36 für eine Spannung von 1 V schaltet. Der Widerstand des Trägers 14 ist mit R2 bezeichnet und liegt zwischen Vcc und dem MOSFET 34. An den Widerstand R2 wird durch den Impedanzwandler 26 die Basis-HF-Wechselspannung abgegriffen.
Der Energiewandler 26, insbesondere Spannungswandler ist ein LC-Serien-Schaltkreis mit passivem Impedanzwandler, einem Gleichrichter und einem Siebkondensator und erzeugt aus der abgegriffenen Wechselspannung von etwa 50 mV bei sehr niedriger Impedanz << 0,1 Ohm eine Gleichspannung von ca. 2 V, wie aus 4 ersichtlich ist, bei einer Leistung im Milliwatt-Bereich. R1 modelliert hier den Verbraucher 12.
Der Impedanzwandler 26 nach 3 umfasst eine Induktivität L1 und eine Kapazität C1, die in Reihe zwischen den zweiten Kontakteinrichtungen 22, 23 geschaltet sind. Eine Diode D1 (Standard-SMD-Siliziumdiode 1N4148) ist zwischen einem Schaltungspunkt zwischen der Induktivität L1 und der Kapazität C1 und einer Parallelschaltung aus einer weiteren Kapazität C2 einem weiteren Widerstand R1 angeschlossen und dient der Gleichrichtung. Ein Parallelkondensator bzw. die Kapazität C2 bildet ein Sieb- oder Glättungselement. Der Widerstand R1 ist der Verbraucher. Bei dieser Schaltung kann eine Leistung von ca. 0,8 mW dem Verbraucher 12 bzw. dem Sensor zur Verfügung gestellt werden.
Die am Träger 14 abgegriffenen Spannungen bewegen sich typischerweise im Bereich von 10 mV bis 100 mV. Für eine Verwendung dieser Spannung müssen diese in höhere Spannungen gewandelt werden. Hierzu dient ein Serien-Spulen-Kondensator-Schwingkreis, der resonant angesteuert wird (Beispiel: L = 1 μH, C = 220 pF, f_res = 10,8 MHz). Eine optimale Wahl der Werte für L und C ergibt sich aus bekannten Optimierungsgleichungen für L-Impedanzwandler-Glieder. Alternativ kann dazu auch ein Hochfrequenztrafo mit hohem Übersetzungsverhältnis dienen (1:100). Da die Versorgungsspannungsquelle sehr niederohmig ist, wird ein sehr niederohmiger Wandler (R₁ ist << 1 Ohm) benötigt.
Die nötigen Leistungen von 1 mW bis 10 mW pro Verbraucher 12, insbesondere Sensor (10 mW: Dauerbetrieb eines Sensors) können mit diesem Verfahren erreicht werden. Die Wirk- bzw. Scheinleistung des Gesamtsystems von 1 bis 100 W wird sich auf den gesamten Träger 14 verteilen und daher bis zu 1000 bis 10000 Verbraucher 12 versorgen können.
4 zeigt beispielhaft den Verlauf der Versorgungsspannung für den Verbraucher 12 bei der Simulation der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 mit dem Energiewandler 26 nach 3. Ersichtlich steht die Nutzspannung von ca. 2 V wenige Mikrosekunden nach dem Einschalten der Vorrichtung 11 zur Verfügung und ist hinreichend konstant.
In einem Experiment konnte nachgewiesen werden, dass an einem Mutternschlüssel aus Chrom-Vanadium-Edelstahl, and den die beschriebene Spannung angelegt wurde, über der Hälfte des Schlüssels genügend Leistung abgegriffen werden kann, um eine rote Leuchtdiode, die als Last fungierte, zum Leuchten zu bringen. Der Werkzeugschlüssel diente somit als ein Beispiel für einen Träger 14, an dem Verbraucher 12 befestigt werden können. Der Verbraucher 12 war beispielsweise durch Drähte 22, 23 und entsprechende Versorgungskontakte 20, 21 an dem Werkzeugschlüssel angeschlossen, so dass die Spannung an einem Teil des Schlüssels resistiv durch die LC-Schaltung abgegriffen wurde. Die an die LC-Schaltung angeschlossene LED leuchtete auf, sobald die LC-Schaltung Kontakt mit dem Werkzeugschlüssel bekam. Auch bei diesem Experiment wurde, wie oben beschrieben, die Niedrigimpedanz-Hochfrequenzquelle durch eine LC-Serienresonanzschaltung im pedanzgewandelt und durch einen Kondensator gesiebt. Somit konnte am Schraubenschlüssel genügend Leistung abgegriffen werden, um die LED als Verbraucher 12 zu betreiben.
Die zahlreichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung können wie folgt zusammenfassend aufgezählt werden.

1. Es werden mehrere hundert Einzelversorgungen durch eine einzelne netzbetriebene Einheit ersetzt.
2. Der erzielbare Leistungsbereich liegt wesentlich höher als derjenige von Langzeit-Batterielösungen oder Energy-Harvesting-Verfahren. Selbst Aktoren könnten damit betrieben werden.
3. Der Verbraucherort ist nicht mehr vorab festgelegt. Der Träger ”ist” die Verkabelung.
4. Die Verbraucher können dauerhaft betrieben werden.
5. Es werden kleine Spannungen benötigt, es treten nur kleine Potentiale über dem Träger auf. ”Kurzschlüsse” am Träger sind praktisch ausgeschlossen, da der Träger stellt selbst diesen relativen Kurzschluss darstellt.
6. Die Frequenz des Systems kann so gewählt werden, dass möglichst wenig Funkabstrahlung erfolgt.
7. Technische Anwendungsgebiete sind: Automatisierungstechnik, Automotive Anwendungen, Strukturüberwachung, Gebäudeautomatisierung, Mikromanipulatoren, Versorgung von beweglichen Objekten, wie beispielsweise Mikroroboter, die sich beispielsweise auf einer Stahlplatte, die entsprechend versorgt wird, bewegen.
8. Da der Skin-Effekt an jeglicher Oberfläche auftritt, sind auch Verbraucher an inneren Oberflächen des Trägers möglich: Ein metallisch vollkommen abgeschirmter Sensor in einer Höhlung samt Kommunikation wird dadurch ermöglicht.
9. Soweit rotierende Maschinenteile (Rotor) metallischen Kontakt mit dem Stator besitzen, wie beispielsweise Lager jedweder Art, ist eine Energie/Daten-Übertragung auf den Rotor möglich.

Claims

Verfahren zur Übertragung von elektrischen Signalen unter Ausnutzung des Skineffekts über einen elektrisch leitenden Träger (14) zwischen einer die Signale einspeisenden Betreibereinrichtung (13) und zumindest einem die Signale abgreifenden Versorgungsmodul (19), wobei – durch die Betreibereinrichtung (13) über erste Kontakteinrichtungen (16, 18), die an den Träger (14) an unter Abstand liegenden ersten Orten (20, 21) angeordnet sind, eine Basis-HF-Wechselspannung angelegt wird, und – durch das Versorgungsmodul (19), das zumindest zweite Kontakteinrichtungen (22, 23) umfasst, an einer Oberfläche des Trägers (14) und mit Abstand zueinander und elektrisch zwischen den ersten Orten (20, 21) liegenden zweiten Orten (24, 25) eine Abgriffsspannung abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Energieversorgung von zumindest einem Verbraucher (12), der dem elektrisch leitenden Träger (14) zugeordnet ist, das Signal durch die Betreibereinrichtung (13) mit zumindest einem Treiber (15) eingespeist wird, – dass die Abgriffsspannung von dem zumindest einen Versorgungsmodul (19), welches zumindest eine Verbindungseinrichtung (28) zum Anschluss von zumindest einem Verbraucher (12) oder einen Verbraucher (12) umfasst, abgegriffen wird, – dass die Basis-HF-Wechselspannung eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, hat, und – dass die Basis-HF-Wechselspannung eine Spannung hat, die kleiner als die Schutzspannung für elektrisch nicht isolierte Träger (14) im Bereich von ≤ 24 V ist und – wobei die Frequenz der Basis-HF-Wechselspannung und die Spannung so gewählt wird, dass die Impedanz des Trägers (14) unter Ausnutzung des Skineffekts und/oder der Selbstinduktion in einen Bereich erhöht wird, um den Strom durch den Treiber (15) und den Träger (14) zu reduzieren und gleichzeitig die geeignete Leistung für den Betrieb des Verbrauchers (14) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am Träger (14) abgegriffene Abgriffsspannung direkt als Versorgungsspannung für den Verbraucher (12) bereitgestellt wird oder dass die am Träger (14) abgegriffene Abgriffsspannung nach einer Energieumwandlung als Versorgungsspannung für den Verbraucher (12) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgriffsspannung durch weitere Kontakteinrichtungen (22, 23) des Versorgungsmodul (19) resistiv, kapazitiv oder induktiv abgegriffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-HF-Wechselspannung eine Spannung hat, die kleiner als die Schutzspannung für elektrische nicht isolierte Träger (14) im Bereich von 5 V bis 10 V liegt.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgriffsspannung bei der Spannungswandlung in eine Versorgungsspannung im Bereich von 0,2 V bis 24 V, vorzugsweise im Bereich von 1 V bis 3,6 V, umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegriffene Versorgungsspannung von dem Verbraucher (14) moduliert wird, und dass die Modulation in einer Detektoreinrichtung in einer Steuereinheit detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-HF-Wechselspannung von einer Steuereinheit moduliert wird, und dass die Modulation in einer Detektoreinrichtung in dem Verbraucher (14) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz des Treibers (15) pulsartig geändert wird.
Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Signalen unter Ausnutzung des Skineffekts über einen elektrisch leitenden Träger (14) zwischen einer die Signale einspeisenden Betreibereinrichtung (13) und einem Signale abgreifenden Versorgungsmodul (19), wobei – die Betreibereinrichtung (13) zum Anlegen einer Basis-HF-Wechselspannung erste Kontakteinrichtungen (16, 18) aufweist, die an den Träger (14) mit Abstand zueinander an ersten Orten (20, 21) angeordnet sind, und – das Versorgungsmodul (19) zumindest zweite Kontakteinrichtungen (22, 23) umfasst, um an eine Oberfläche des Trägers (14) und mit Abstand zueinander und elektrisch zwischen den ersten Orten (20, 21) liegenden zweiten Orten (24, 25) eine Abgriffsspannung abzugreifen, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Energieversorgung von zumindest einem Verbraucher (12), der dem elektrisch leitenden Träger (14) zugeordnet ist, die Signale anlegende Betreibereinrichtung (13) mit zumindest einem Treiber (15) ausgebildet ist, und – dass das die Signale abgreifende Versorgungsmodul (19), zumindest eine Verbindungseinrichtung (28) zum Anschluss von zumindest einem Verbraucher (12) umfasst, und – dass die Betreibereinrichtung (13) ausgelegt ist, um eine Basis-HF-Wechselspannung mit einer Frequenz in einem Bereich von 1 MHz bis 10 MHz und mit einer Spannung, die kleiner als die Schutzspannung für elektrisch nicht isolierte Träger (14) im Bereich von ≤ 24 V, zu erzeugen, – wobei die Frequenz der Basis-HF-Wechselspannung und die Spannung so gewählt sind, dass die Impedanz des Trägers (14) unter Ausnutzung des Skineffekts und/oder der Selbstinduktion in einen Bereich erhöht wird, um den Strom durch den Treiber (15) und den Träger (14) zu reduzieren, und gleichzeitig die geeignete Leistung für den Betrieb des Verbrauchers (14) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiewandler (26), insbesondere ein Impedanzwandler, vorgesehen ist, der mit den zweiten Kontakteinrichtungen (22, 23) und der Verbindungseinrichtung (28) kontaktiert und ausgelegt ist, um die abgegriffene Abgriffsspannung nach einer Energiewandlung als Versorgungsspannung durch eine Verbindungseinrichtung (28) für den Verbraucher (12) bereitzustellen oder dass die zweiten Kontakteinrichtungen (22, 23) direkt mit der Verbindungseinrichtung (28) kontaktierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung für elektrisch nicht isolierte Träger (14) im Bereich von 5 V bis 10 V liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieumwandler (26) die abgegriffene Abgriffsspannung bei der Energieumsetzung in eine Versorgungsspannung im Bereich von 0,5 V bis 3,6 V, vorzugsweise im Bereich von 1 V bis 2 V umgesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieumwandler (26) ein Serien-Spulen-Kondensator-Schwingkreis, der resonant angesteuert ist, oder ein Hochfrequenztransformator mit hohem Übersetzungsverhältnis von vorzugsweise 1:100 ist und vorzugsweise einen Gleichrichter und Siebkondensator umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegriffene Versorgungsspannung von dem Verbraucher (14) moduliert wird, und dass die Modulation in einer Detektoreinrichtung in einer Steuereinheit detektiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Wechselspannung von einer Steuereinheit moduliert wird, und dass die Modulation in einer Detektoreinrichtung, vorzugsweise in dem Verbraucher (14), detektiert wird.
Sensor oder Aktor, der eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15 umfasst.