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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einer Primärseite mit einer Wechselspannungsquelle und einer Sekundärseite mit einem Verbraucher mittels eines Transformators, welcher zumindest eine primärseitige Spule und zumindest eine sekundärseitige Spule aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Kommunikation zwischen einer Primärseite mit einer Wechselspannungsquelle und einer Sekundärseite mit einem Verbraucher, mit einem Transformator, welcher mindestens eine primärseitige Spule und eine sekundärseitige Spule aufweist, mit einer primärseitigen Logikeinheit, welche eine Signalübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite steuert, und mit einer sekundärseitigen Logikeinheit, welche eine Signalübertragung von der Sekundärseite zur Primärseite steuert. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Messgerät mit einem Sensor zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums. Beispielsweise handelt es sich um ein Messgerät zur Bestimmung des Füllstands eines flüssigen Mediums oder eines Schüttguts, der Dichte, oder der Temperatur eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, des Feuchtegehalts eines Gases oder der Trübung, der Viskosität, des pH-Werts oder der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit.
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Bei Feldgeräten der Prozessautomatisierung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ist eine mit entsprechenden Schutzverordnungen konforme Ausgestaltung von großer Bedeutung. Dies betrifft auch die Leistungs- und Datenübertragung in einem Messgerät. Die Leistungsübertragung zwischen der Elektronikeinheit und dem Sensor eines Messgerätes erfolgt daher häufig über eine kapazitive oder induktive Schnittstelle. Zur Kommunikation zwischen der Primärseite und der Sekundärseite kommen oftmals Ex-sichere Optokoppler zum Einsatz. Diese sind jedoch kostenintensiv und benötigen zusätzlichen Platz im Elektronikgehäuse.
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Eine Alternative zu Optokopplern stellen Modulationsverfahren für die zur Energieversorgung übertragenen Signale dar, sodass die Kommunikation über dieselbe Schnittstelle erfolgen kann. Zur Übertragung von Daten von einer Primärseite an eine Sekundärseite über eine kapazitive oder induktive Schnittstelle wird meist die Frequenz des Signals moduliert. Hierzu erzeugt eine primärseitige Elektronikeinheit in Abhängigkeit davon, ob eine logische Null oder eine logische Eins zu übertragen ist, ein Signal mit einer ersten Frequenz oder mit einer zweiten Frequenz. Das Signal dient gleichzeitig der Energieübertragung. Zur Kommunikation von der Sekundärseite zur Primärseite hingegen wird sekundärseitig beispielsweise die Last moduliert. Diese Form der Energie- und Datenübertragung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 051 900 A1 offenbart.
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Ein weiteres Verfahren zur Kommunikation von der Sekundärseite zur Primärseite ist die Amplitudenmodulation. Eine Ausführungsmöglichkeit ist in der Offenlegungsschrift
WO 2008/135402 A1 beschrieben. Hierbei wird das amplitudenmodulierte Signal von einem Klasse-E-Verstärker erzeugt. Die Amplitudenumtastung im Ausgangssignal wird hierbei dadurch erzielt, dass entweder die Ansteuerfrequenz des Klasse-E-Verstärkers variiert wird, oder dass bei konstanter Ansteuerfrequenz die Resonanzfrequenz des Verstärkers verschoben wird.
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Nachteilig an der Amplitudenmodulation ist die eingeschränkte Störsicherheit gegenüber Einkopplung von Störsignalen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchem bzw. mit welcher eine störunanfällige Datenübertragung über eine induktive Schnittstelle ermöglicht ist.
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Die Aufgabe wird von einem Verfahren zur Kommunikation zwischen einer Primärseite mit einer Wechselspannungsquelle und einer Sekundärseite mit einem Verbraucher mittels eines Transformators, welcher zumindest eine primärseitige Spule und zumindest eine sekundärseitige Spule aufweist, dadurch gelöst, dass zur Übertragung eines Signals von der Sekundärseite an die Primärseite sekundärseitig der Blindwiderstand moduliert wird, wobei die Wechselspannung zumindest während der Übertragung des Signals an die Primärseite derart erzeugt wird, dass die sekundärseitige Modulation des Blindwiderstands eine Modulation der Phase und/oder der Amplitude des primärseitig fließenden Stroms bewirkt.
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Die Wechselspannung wird mit voreingestellten Parametern erzeugt, welche fertigungsseitig ermittelt und in einem Speicherelement hinterlegt sind. Damit die Modulation des Blindwiderstands des sekundärseitigen Stromkreises auf der Primärseite eine entsprechende Modulation der Phase zwischen Strom und Spannung, bzw. eine Modulation der Amplitude des Stroms bewirkt, muss die Wechselspannung mit einer passenden Frequenz erzeugt werden. Je nach Frequenz werden sowohl Phase als auch Amplitude oder jeweils nur die Phase oder die Amplitude moduliert. Eine geeignete Frequenz ist beispielsweise an Hand eines mit einem Frequenzsweep aufgenommenen Bode-Diagramms ermittelbar. Ein derartiges Diagramm beschreibt den Amplituden- und Phasenverlauf über einen bestimmten Frequenzbereich.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird der Blindwiderstand verändert, indem ein Kondensator parallel zu dem Verbraucher geschaltet wird. Primärseitig wird durch das sekundärseitige Hinzuschalten des Kondensators eine Phasenänderung und/oder eine Amplitudenänderung erzeugt.
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In einer alternativen Ausgestaltung wird der Blindwiderstand verändert, indem eine Spule zu dem Verbraucher in Serie geschaltet wird. Das Hinzuschalten der Spule bewirkt wie das Hinzuschalten des Kondensators primärseitig eine Änderung der Phase und/oder der Amplitude.
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Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung werden der Sekundärseite Kommunikationsphasen zugewiesen, indem die Wechselspannung mit einer Frequenz erzeugt wird, bei welcher eine sekundärseitige Änderung des Blindwiderstands eine maximale Änderung in der Amplitude und/oder Phase des primärseitig fließenden Stroms bewirkt. Solange die Sekundärseite keine Daten an die Primärseite übertragen soll, wird die Wechselspannung mit einer von dieser optimalen Frequenz verschiedenen Frequenz erzeugt. Ein Wechsel auf die optimale Frequenz wird von der Sekundärseite als Triggersignal für die Datenübertragung an die Primärseite interpretiert. Wird zur Kommunikation von der Primärseite zur Sekundärseite die Frequenz der Wechselspannung moduliert, wird die Wechselspannung somit mit drei verschiedenen Frequenzen erzeugt: während der Kommunikation von der Primärseite zur Sekundärseite mit einer ersten oder zweiten Frequenz und während der Kommunikation von der Sekundärseite zur Primärseite mit einer dritten Frequenz. Alternativ kann die Kommunikation beider Seiten auch gleichzeitig erfolgen. Vorzugsweise wird hierzu von der Primärseite zur Sekundärseite eine Frequenzmodulation mit zwei für die Modulation des Blindwiderstands geeigneten, insbesondere mit einem großen Phasenhub einhergehenden, Frequenzen realisiert. Sekundärseitig wird gleichzeitig, d. h. unabhängig von der vorliegenden Frequenz, der Blindwiderstand verändert. Indem die Sekundärseite das empfangene Signal bestätigt ist hierdurch auch eine Überprüfung der übertragenen Information möglich.
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In einer Ausgestaltung wird durch die Modulation des sekundärseitigen Blindwiderstands eine Phasenumtastung und/oder eine Amplitudenumtastung realisiert. Vorzugsweise wird die Phase zwischen primärseitigem Strom und primärseitiger Spannung detektiert und ausgewertet. Durch die Modulation des Blindwiderstands des sekundärseitigen Stromkreises ist aber auch die Amplitude des primärseitig fließenden Stroms modulierbar, sodass an Stelle der Phase auch die Amplitude auswertbar ist. Deren Auswertung ist jedoch weniger zuverlässig als die der Phase, da die Amplitudeninformation durch eingekoppelte Störsignale verfälscht sein kann. Die Phasenänderung tritt in Form eines Phasensprungs auf, welcher durch die steile Flanke zuverlässig detektierbar ist.
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Weiter wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Kommunikation zwischen einer Primärseite mit einer Wechselspannungsquelle und einer Sekundärseite mit einem Verbraucher, mit einem Transformator, welcher mindestens eine primärseitige Spule und mindestens eine sekundärseitige Spule aufweist, mit einer primärseitigen Logikeinheit, welche eine Signalübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite steuert, und mit einer sekundärseitigen Logikeinheit, welche eine Signalübertragung von der Sekundärseite zur Primärseite steuert, welche sich dadurch auszeichnet, dass die sekundärseitige Logikeinheit zur Übertragung eines Signals von der Sekundärseite an die Primärseite den sekundärseitigen Blindwiderstand moduliert, wobei die Wechselspannungsquelle die Wechselspannung zumindest während der Übertragung des Signals an die Primärseite derart erzeugt, dass die sekundärseitige Modulation des Blindwiderstands eine Modulation der Phase und/oder der Amplitude des primärseitig fließenden Stroms bewirkt.
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Eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die primärseitige Logikeinheit eine primärseitige Phasenänderung und/oder eine primärseitige Amplitudenänderung detektiert und auswertet.
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In einer Ausgestaltung weist die Sekundärseite einen zu dem Verbraucher parallel schaltbaren Kondensator auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Sekundärseite eine zu dem Verbraucher in Serie schaltbare Spule auf. Vorzugsweise weist die Vorrichtung entweder einen Kondensator oder eine Spule zur Beeinflussung des Blindwiderstands auf.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Verbraucher um einen Sensor zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums. Die mindestens eine Prozessgröße ist beispielsweise der Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Leitfähigkeit, die Permittivität, der pH-Wert, der Sauerstoffgehalt, die Temperatur, der Druck und/oder der Durchfluss eines Mediums.
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Die erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung stellt eine kostengünstige Alternative zu bekannten Vorrichtungen dar, welche ebenfalls die Datenübertragung von der Sekundärseite zur Primärseite ermöglichen. In bevorzugten Ausgestaltungen sind zur Umsetzung der Phasen- oder Amplitudenmodulation lediglich zwei elektrische Bauteile in Form eines Kondensators oder einer Spule und eines Schaltelement zur Steuerung der Kondensators bzw. der Spule erforderlich. Die Phasenumtastung bietet gegenüber der Amplitudenumtastung darüber hinaus die Vorteile, dass die Daten mit einer erhöhten Störsicherheit gegenüber eingekoppelten Störsignalen übermittelt werden und dass weiterhin eine größere Datenmenge übertragen werden kann.
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Die Erfindung wird bezüglich der Vorrichtung und des Verfahrens anhand der nachfolgenden Figuren gemeinsam näher erläutert. Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kommunikation und Leistungsübertragung;
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2 zeigt ein Frequenz-Phase-Diagramm.
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1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kommunikation und Leistungsübertragung mittels eines Transformators 3. Der Transformator 3 bildet die Schnittstelle zwischen einer Primärseite I und einer Sekundärseite II. Es handelt sich also um eine induktive Schnittstelle. Die Primärseite I zeichnet sich durch das Vorhandensein einer Wechselspannungsquelle 4 aus, welche eine elektrische Wechselspannung bereitstellt. Die Sekundärseite II hingegen wird von der Primärseite I mit Energie versorgt. Der schematisch als Widerstand dargestellte Verbraucher 5 auf der Sekundärseite II ist beispielsweise ein Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung einer oder mehrerer Prozessgrößen, beispielsweise in Form einer elektromechanischen Antriebs-/Empfangseinheit und einer von dieser zu mechanischen Schwingungen anregbaren Schwinggabel zur Füllstands-, Dichte- und/oder Viskositätsmessung, oder in Form einer pH-Elektrode. Es kann sich jedoch gleichermaßen um einen beliebigen anderen Sensor handeln, welcher über die induktive Schnittstelle mit Spannung versorgbar ist. Die Vorrichtung zur Kommunikation bildet dann je nach Ausgestaltung zumindest einen Teil der Elektronikeinheit eines Messgerätes zur Bestimmung und/oder Überwachung der mit dem Sensor bestimmbaren und/oder überwachen Prozessgröße bzw. Prozessgrößen.
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Primärseite I und Sekundärseite II besitzen jeweils eine Logikeinheit 1, 2, welche unter anderem die Kommunikation über den Transformator 3 steuert. Beispielsweise sind die Logikeinheiten 1, 2 als Mikrocontroller ausgestaltet. Über den Transformator 3, welcher im Wesentlichen aus einer primärseitigen Spule 31 und einer sekundärseitigen Spule 32 aufgebaut ist, erfolgt sowohl die Energie- und Signalübertragung von der Primärseite I zur Sekundärseite II, als auch die Signalübertragung von der Sekundärseite II zur Primärseite I. Der Transformator 3 kann daher auch als Übertrager bezeichnet werden.
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Die Kommunikation von der Primärseite I zur Sekundärseite II wird vorzugsweise mittels einer Frequenzmodulation durchgeführt. Frequenzmodulationsverfahren ermöglichen eine energieeffiziente Datenübertragung. Die beiden Frequenzen, welche das zu übertragende Signal kodieren, sind bevorzugt so gewählt, dass sie allenfalls um einen geringen Betrag von der Frequenz, bei welcher eine maximale Leistungsübertragung möglich ist, abweichen. Die Leistungsübertragung erfolgt dann auch während der Kommunikation mit einem hohen Wirkungsgrad. Die primärseitige Logikeinheit 1 steuert die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle 4 bereit gestellten Wechselspannung entsprechend der zu übertragenden Daten. An Stelle einer Frequenzmodulation kann die Kommunikation von der Primärseite I zur Sekundärseite II beispielsweise auch über eine Amplitudenmodulation durchgeführt werden.
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Die Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I erfolgt bevorzugt über einer Phasenumtastung. Hierzu wird sekundärseitig der Blindwiderstand moduliert. In einer ersten Variante wird dies erreicht, indem ein Kondensator 7 parallel zu dem Verbraucher 5 geschaltet wird. In einer zweiten Variante wird eine Spule 6 zu dem Verbraucher 5 in Serie geschaltet. Die sekundärseitige Logikeinheit 2 steuert entsprechend der zu übertragenden Daten ein Schaltelement 9, welches den Kondensator 7 oder die Spule 6 zu- und wegschaltet. Bei dem Schaltelement 9 handelt es sich beispielsweise um eine Gegentaktstufe. In der Regel ist entweder ein zuschaltbarer Kondensator 7 oder eine zuschaltbare Spule 6 vorgesehen; der Einfachheit halber sind jedoch beide Varianten in einer gemeinsamen Figur dargestellt.
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Für beide Varianten gilt, dass bei passend gewählter Frequenz der von der Primärseite I bereit gestellten Wechselspannung das Hinzuschalten des jeweiligen Bauteils primärseitig einen Phasensprung des Stroms relativ zur bereit gestellten Spannung bewirkt. Der primärseitig fließende Strom ist über den Messwiderstand 8 durch Abgreifen der über dem Messwiderstand 8 abfallenden Spannung bestimmbar. Zur Signalauswertung werden von der primärseitigen Logikeinheit 1 die in der Phase auftretenden Flanken detektiert und ausgewertet. Die Flankenabtastung ist weitaus weniger störanfällig als die Auswertung von Absolutwerten, wie es bei der Amplitudenmodulation der Fall ist, sodass die Phasenumtastung ein besonders zuverlässiges Übertragungsverfahren darstellt. Da zur Datenübertragung nur ein elektrisches Bauteil 6, 7 über ein steuerbares Schaltelement 9 in den elektrischen Stromkreis zu- und weggeschaltet wird, ist das Verfahren darüber hinaus kostengünstig und einfach umsetzbar.
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Der Phasensprung geht zumeist mit einer Änderung der Amplitude des Stroms einher. Neben der Phasenumtastung ist durch die Modulation des Blindwiderstands dann auch eine Amplitudenumtastung realisiert. Die Amplitude ist jedoch anfälliger gegenüber der Einkopplung von Störsignalen, sodass die primärseitige Logikeinheit 1 vorzugsweise die Phase auswertet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gibt die Primärseite I Kommunikationsphasen für die Sekundärseite II vor, indem sie die Wechselspannung mit der für die Phasenumtastung vorgegebenen Frequenz erzeugt. Für die sekundärseitige Logikeinheit 2 ist das Auftreten dieser Frequenz das Signal dafür, dass nun eine Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I möglich ist. Beispielsweise werden während der Kommunikationsphasen der Sekundärseite II Messwerte des Sensors oder Ergebnisse einer Zustandsdiagnose an die primärseitige Logikeinheit 1 übermittelt. In einer alternativen Ausgestaltung entspricht die für die Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I vorgegebene Frequenz einer der beiden Frequenzen, welche im Fall einer Frequenzmodulation für die Kommunikation von der Primärseite I zur Sekundärseite II für die Frequenzmodulation vorgegeben sind.
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2 zeigt ein Frequenz-Phasen-Diagramm, an Hand dessen eine Frequenz ermittelbar ist, welche für die primärseitige Detektion einer sekundärseitigen Modulation des Blindwiderstands geeignet ist. Ein derartiger Graph ist gemeinsam mit einem den Amplitudenverlauf darstellenden Graphen auch als Bode-Diagramm bekannt. Vorzugsweise wird als Übertragungsfrequenz für die Sekundärseite diejenige Frequenz bestimmt, bei welcher eine maximale Phasenänderung auftritt. Alternativ wird eine Frequenz bestimmt, bei welcher die Phasenänderung deutlich genug ist, um auf der Primärseite I eindeutig erkennbar zu sein. Diese Frequenz wird fertigungsseitig ermittelt und zumindest in der primärseitigen Logikeinheit 1 der Vorrichtung zur Kommunikation hinterlegt und ist somit vorgegeben.
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Zum Ausmessen des Verhaltens der Phase wird ein Frequenzband beispielsweise mittels eines Sweeps – Anregung mit einer Vielzahl aufeinander folgender diskreter Erregerfrequenzen – durchfahren und jeweils die Phase bei hinzugeschaltetem Kondensator 7 bzw. hinzugeschalteter Spule 6 aufgenommen.
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Die gestrichelte Linie L1 beschreibt den Kurvenverlauf ohne Einflussnahme auf den sekundärseitigen Blindwiderstand; die durchgezogene Linie L2 den Verlauf mit parallel zu dem Verbraucher 5 geschaltetem Kondensator 7. Die Phase weist bei einer bestimmten Frequenz einen Sprung auf, wobei zuvor ein Minimum und nachfolgend ein Maximum durchlaufen wird. In den Extrempunkten ist die Abweichung der Phasenwerte der beiden Kurven L1, L2 voneinander am größten. Bei der Sprungfrequenz hingegen ist die Steigung der zweiten Kurve L2 am größten. Vorzugsweise wird bei der Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I primärseitig eine Phasenänderung detektiert und ausgewertet. Die hierfür vorgegebene Frequenz der Wechselspannung entspricht daher vorteilhaft der Frequenz, bei welcher der Sprung in der zweiten Kurve L2 auftritt, oder einer Frequenz, welche in einem engen Bereich um diese Sprungfrequenz angesiedelt ist.
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Der Phasensprung geht meist mit einer Abnahme der Leistung d. h. einer verringerten Amplitude einher, obgleich sekundärseitig nur der Blindwiderstand und kein realer Widerstand verändert wird. Alternativ oder zusätzlich zu der Phase ist daher auch die Amplitude des Stroms für die Kommunikation nutzbar und an Hand des Amplitudenverlaufs eine geeignete Frequenz auffindbar. Eine für die Amplitudenmodulation geeignete Frequenz muss hierbei nicht mit einer für die Phasenmodulation geeigneten Frequenz übereinstimmen. Zur Bestimmung einer geeigneten Frequenz wird der Verlauf der Amplitude bei Anregung mit einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen aufgenommen. Die Amplitude zeigt um eine bestimmte Frequenz herum eine Einbuchtung. Vorzugsweise wird die Frequenz, bei welcher die Amplitude das Minimum aufweist, im Fall einer primärseitigen Auswertung der Amplitude als Frequenz für die Wechselspannung während der Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I vorgegeben.
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Die Frequenz, bei welcher der Phasensprung durch den veränderten Blindwiderstand auftritt, kann beispielsweise durch geeignete Wahl der Spulenparameter beeinflusst werden. Alle weiteren involvierten elektrischen Bauteile haben jedoch ebenfalls einen Einfluss auf die Frequenz. Gleiches gilt für den Extrempunkt der Amplitude.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Primärseitige Logikeinheit
- 2
- Sekundärseitige Logikeinheit
- 3
- Transformator
- 31
- Primärseitige Spule
- 32
- Sekundärseitige Spule
- 4
- Wechselspannungsquelle
- 5
- Verbraucher
- 6
- Spule
- 7
- Kondensator
- 8
- Messwiderstand
- 9
- Schaltelement
- I
- Primärseite
- II
- Sekundärseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006051900 A1 [0003]
- WO 2008/135402 A1 [0004]
