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Die Erfindung betrifft ein System zur Datenübertragung von einem Sender an einen Empfänger und ein Verfahren zum Betreiben eines Systems.
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Es ist allgemein bekannt, dass Daten über einen Datenübertragungskanal übertragbar sind. Hierzu ist die Information über die Spannung auf einer Datenübertragungsleitung codierbar. Je nach Spannungswert ist also eine digitale Information codierbar.
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Aus der
DE 10 2007 062 999 B3 ist ein sicherheitsbezogenes Kommunikationsverfahren auf Energieversorgungsleitungen bekannt.
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Aus der WO 2008 / 046 473 A1 ist eine Anlage bekannt, bei der eine der Leitungen einer Drehstromleitung zur Datenübertragung verwendet wird.
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Bei Einschienenhängebahnen ist bekannt, Schienenfahrzeuge über Schleifleitungen zu versorgen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Datenübertragung weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System zur Datenübertragung von einem Sender an einen Empfänger nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren zum Betreiben eines Systems nach den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System zur Datenübertragung von einem Sender an einen Empfänger,
wobei der Empfänger mit einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannung versorgt ist,
wobei der Empfänger einen Signaleingang aufweist,
wobei der Empfänger einen Gleichrichter aufweist, welchem die Wechselspannung zugeführt wird und welcher ausgangsseitig eine unipolare Spannung, insbesondere Zwischenkreisspannung, zur Verfügung stellt,
wobei zumindest ein Schaltschwellen-bestimmendes Mittel gespeist ist aus einem Spannungsteiler, der zwischen dem Signaleingang und einem Potential (UZ+) der unipolaren Spannung angeordnet ist,
wobei die am Schaltschwellen-bestimmenden Mittel (GL1) anliegende Spannung einen Ausgang (out-) des Empfängers bestimmt.
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Von Vorteil ist dabei, dass keine der Phasen der Wechselspannungsversorgung des Empfängers als Referenzphase verwendet wird sondern ein Potential einer unipolare Spannung, insbesondere also Gleichspannung, als Bezugspunkt für das Signaleingangspotential verwendet wird. Somit ist keine fehlerhafte Verdrahtung beim Empfänger oder Sender ausführbar bezüglich einer Referenzphase. Denn das Bezugspotential ist durch den Gleichrichter erzeugt und somit allen Phasen gleichermaßen zugeordnet. Durch das Schaltschwellen-bestimmende Element und eine geeignete Dimensionierung desselben und der weiteren Bauteile ist mit einfachen Bauteilen eine Erkennung einer am Signaleingang anliegenden, positiven oder negativen Halbwelle ausführbar. Dabei funktioniert die Erkennung bei Verwendung einer beliebigen Phase der Wechselspannungsversorgungsquelle, wobei diese Phase nur für die Dauer einer oder mehrerer Halbwellen der Wechselspannung an den Signaleingang angelegt wird.
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Mittel der Unterscheidung zwischen positiver und negativer Halbwelle sind zwei Bit für eine Datenübertragung codierbar.
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Erfindungsgemäß ist zumindest ein weiteres Schaltschwellen-bestimmendes Mittel (GL2) gespeist aus einem weiteren Spannungsteiler, der zwischen dem Signaleingang und dem anderen Potential der unipolaren Spannung (UZ-) angeordnet ist,
wobei die am weiteren Schaltschwellen-bestimmenden Mittel anliegende Spannung einen weiteren Ausgang (out+) des Empfängers bestimmt. Out+ und Out- sortieren sozusagen die positiven oder negativen Halbwellen, welche am Signaleingang eintreffen. Von Vorteil ist dabei, dass für eine binäre Übertragung die positive Halbwelle einer Phase zur Codierung einer binären I und die negative Halbwelle einer Phase zur Codierung einer binären O verwendbar ist. Prinzipiell wäre auch eine Codierung eines 6 Bit Systems ausführbar, wobei dann die Verwendung einer ersten, zweiten oder dritten Phase jeweils unterschiedliche Bits einer Datenübertragung repräsentierbar macht. Dabei wird wiederum zwischen positiver und negativer Halbwelle unterschieden.
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Erfindungsgemäß ist das System ein Halbwellensteuerungssystem. Von Vorteil ist dabei, dass als Datenleitung eine der Phasen der Wechselspannungsversorgung verwendbar ist und ohne Referenzphase eine Halbwellenauswertung zur Decodierung der Information erhältlich ist. Denn als Referenz oder Bezugspotential ist das Potential des Gleichrichterausgangs verwendbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die am jeweiligen Schaltschwellen-bestimmenden Mittel anliegende Spannung galvanisch getrennt vom jeweiligen Ausgang des Empfängers, insbesondere mittels eines jeweiligen Optokopplers. Von Vorteil ist dabei, dass als Ausgangsspannung eine Niederspannung vorsehbar ist, obwohl die Wechselspannung als Mittelspannung oder Hochspannung ausführbar ist. Die Niederspannung ist einem digitalen Ausgang entsprechend auf einen in der Digitaltechnik üblichen Signalpegel, beispielsweise 24 Volt oder 5 Volt, begrenzbar, indem die die Optokoppler versorgende Versorgungsspannung, also Gleichspannung, entsprechend gewählt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist eine von einer weiteren Gleichspannungsquelle (V4) gespeiste jeweilige Reihenschaltung die Ausgangsseite des jeweiligen Optokopplers und zumindest einen hierzu in Reihe geschalteten jeweiligen Widerstand (R15, R25) auf,
insbesondere wobei die Ausgangsseite des jeweiligen Optokopplers (U1, U2) und der jeweilige Widerstand (R15, R25) in Reihe geschaltet sind. Von Vorteil ist dabei, dass bei leitender Ausgangsseite des Optokopplers als Ausgangspotential das obere Potential und bei gesperrter Ausgangsseite des Optokopplers das untere Potential dient.
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Erfindungsgemäß ist ein Kondensator (C1) zur Glättung oder Pufferung der unipolaren Spannung dem Gleichrichter ausgangsseitig parallel geschaltet angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine definierte fehlerarme Arbeitsweise erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Schaltschwellen-bestimmenden Mittel ein Widerstand (R13) in Reihe geschaltet,
wobei diese Reihenschaltung einem Widerstand (R12) des Spannungsteilers parallel zugeschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Optokoppler in Sperrrichtung keine hohe Spannung aufnehmen muss. Außerdem wird im leitenden Zustand des Schaltschwellen-bestimmenden Mittels der Strom begrenzt durch den Widerstand und somit der Spannungsteiler nur unwesentlich belastet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Reihenschaltung aus Optokoppler und aus Schaltschwellen-bestimmendem Mittel einem Widerstand (R12) des Spannungsteilers (R11, R12) parallel zugeschaltet,
insbesondere wobei der Spannungsteiler einen zu dem Widerstand (R12) des Spannungsteiler in Reihe geschalteten, weiteren Widerstand (R11) aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Schaltung ausführbar ist und die Schaltschwelle einfach dimensionierbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dem Spannungsteiler Strom über eine Diode (D11) zugeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit erhöht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem weiteren Schaltschwellen-bestimmenden Mittel ein Widerstand (R23) in Reihe geschaltet,
wobei diese Reihenschaltung einem Widerstand (R22) des weiteren Spannungsteilers parallel zugeschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass wiederum der Strom begrenzbar ist im leitenden Zustand des Schaltschwellen-bestimmenden Mittels und somit der Spannungsteiler nur gering belastet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Reihenschaltung aus dem weiteren Schaltschwellen-bestimmende Mittel und aus dem weiteren Optokoppler einem Widerstand (R22) des weiteren Spannungsteilers parallel zugeschaltet,
insbesondere wobei der weitere Spannungsteiler einen zu dem Widerstand (R22) des Spannungsteiler in Reihe geschalteten, weiteren Widerstand (R21) aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Schaltung realisierbar ist und die Schaltschwelle einfach einstellbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dem jeweiligen Spannungsteiler Strom über eine jeweilige Diode (D11, D21) zugeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit erhöht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Schaltschwellen-bestimmende Mittel
- - eine Glimmlampe,
- - eine Zenerdiode,
- - eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einer Diode oder
- - eine Reihenschaltung aus Zenerdioden auf, insbesondere wobei die Zenerdioden in der Reihenschaltung entgegengesetzt orientiert sind.
Von Vorteil ist dabei, dass die Maximalspannung vorgebbar ist, insbesondere wobei eine Hysterese realisierbar und/oder einstellbar ist
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Strom-Spannungs-Kennlinie des Schaltschwellen-bestimmenden Mittels eine Hysterese auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine Schwingungsunterdrückung und/oder Störungsunterdrückung realisierbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Empfänger mittels Schleifleitungen aus den Phasen der Wechselspannung versorgt und auch der Signaleingang des Empfängers ist mit einer weiteren Schleifleitung verbunden,
insbesondere wobei ein Sender die weitere Schleifleitung mit einer der Phasen verbindet, insbesondere für die Zeitdauer einer Halbwelle. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Betriebsweise ausführbar ist.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Systems sind, dass aus der zwischen dem Signaleingang des Empfängers und einem Potential der Ausgangsspannung eines Gleichrichters des Empfängers anliegenden Spannung eine Spannung, insbesondere durch Herabteilen, erzeugt wird, die an ein Schaltschwellen-bestimmendes Mittel angelegt wird, und
aus dem vom Schaltschwellen-bestimmenden Mittel durchgelassenen Strom die Ausgangsspannung erzeugt wird, insbesondere über eine galvanische Trennung,
wobei der Gleichrichter aus einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannung versorgt wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass eine phasenunabhängige Referenz, also ein phasenunabhängiges Bezugspotential, verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verwendet der Sender als Signal eine Phase der Wechselspannung, insbesondere verbindet der Sender als Signal eine Phase mit dem Signaleingang des Empfängers. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Art und Weise der Halbwellensteuerung anwendbar ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft für Einschienenhängebahnen, deren Fahrzeuge mit Schleifleitung versorgt werden. Dabei ist für die Datenübertragung nur eine weitere Schleifleitung vorzusehen. Durch die Schleifübertragung werden zwar Störsignale an die Eingangsseite des Empfängers geleitet; durch die Halbwellenerkennung ist aber die Störsicherheit erhöhbar, also die Fehlerrate bei der Datenübertragung reduzierbar. Denn die Störsignale unterscheiden sich deutlich von den Halbwellensignalen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Unter den in der vorliegenden Schrift genannten Optokopplern wird jeweils auch ein galvanisch trennendes und/oder potentialgetrenntes Mittel zur Signalübertragung verstanden, wie beispielsweise GMR-Koppler, kapazitiver und/oder induktiver Koppler.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist ein Empfänger eines erfindungsgemäßen Halbwellensteuerungssystems gezeigt.
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Hierbei ist ein Verbraucher versorgt über eine Drehstromversorgungsleitung (L1, L2, L3). Statt eines Kabels ist hierbei vorzugsweise eine Schleifleitung verwendet, wobei der Verbraucher als Fahrzeug ausgeführt ist. Die Schleifleitung weist für die Drehstromversorgung zumindest Schienen für die Phasenleitungen (L1, L2, L3) der Drehstromversorgung auf.
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Die Phasenleitungen weisen zueinander um 120° verschobene sinusförmig verlaufende Spannungen auf, wobei eine Frequenz von 50 Hertz vorgesehen ist.
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Zusätzlich ist eine weitere Schiene vorgesehen zur Datenübertragung. Dabei verbindet der Sender des Halbwellensteuerungssystems diese Schiene mit einer der Phasenleitungen, beispielsweise L1, oder trennt sie hiervon.
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Die Codierung der digital übertragenen Information erfolgt vorzugsweise im Vorzeichen der auf die weitere Schiene gelegten Spannung. Wenn also eine positive Halbwelle anliegt, ist I codiert und, wenn eine negative Halbwelle anliegt, ist eine O codiert. Es ist sogar eine 2 Bit Übertragung realisierbar, wobei dann
- - ohne Anliegen einer Halbwelle an der weiteren Schiene die Information (O, O),
- - bei Anliegen nur der positiven Halbwelle die Information (O, I),
- - bei Anliegen nur der negativen Halbwelle die Information (I, O) und
- - bei Anliegen nur der Vollwelle die Information (I, I)
codiert wird.
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Der Empfänger ist in 1 dargestellt und weist einen Dioden-Brückengleichrichter (D1, D2, D3, D4, D5, D6) auf, dessen Ausgangsspannung an einem Zwischenkreiskondensator C1 anliegt.
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Von der Ausgangsspannung wird auch ein Spannungsteiler (R11, R12, R21, R22) versorgt. Dieser Spannungsteiler ist parallel zum Zwischenkreiskondensator geschaltet.
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Vorzugsweise weist der Spannungsteiler zwei in Reihe geschaltete Reihenschaltungen ((R11, R12) beziehungsweise (R21, R22)) auf, wobei jede der beiden Reihenschaltungen zwei in Reihe geschaltete Widerstände aufweist.
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Insbesondere weist die obere Reihenschaltung einen Widerstand R11 auf, der mit einem Widerstand R12 in Reihe geschaltet ist, zu welchem eine Reihenschaltung aus Optokoppler U1 und aus einem Schaltschwellen-bestimmenden Mittel GL1 parallel geschaltet ist.
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Das Schaltschwellen-bestimmende Mittel GL1 erlaubt nur einen Maximalwert an Spannung, nach dessen Überschreiten der Widerstand des Schaltschwellen-bestimmenden Mittels stark absinkt und somit ein genügend starker Strom fließt, damit der Optokoppler durchgesteuert wird und die Spannung abgesenkt wird.
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Als Schaltschwellen-bestimmendes Mittel ist
- - eine Glimmlampe,
- - eine Zenerdiode,
- - eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einer Diode oder
- - eine Reihenschaltung aus Zenerdioden auf, insbesondere wobei die Zenerdioden in der Reihenschaltung zueinander entgegengesetzt orientiert sind.
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Abhängig von der Dimensionierung der Widerstände R11 und R12 der Reihenschaltung ist der Maximalwert der an der oberen Reihenschaltung anliegenden Spannung vorgebbar, bei dem das entsprechende Schaltschwellen-bestimmende Mittel in den gut leitenden Zustand übergeht.
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Abhängig von der Dimensionierung der Widerstände R21 und R22 der Reihenschaltung ist der Maximalwert der an der unteren Reihenschaltung anliegenden Spannung vorgebbar, bei dem das entsprechende Schaltschwellen-bestimmende Mittel in den gut leitenden Zustand übergeht.
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Der Signaleingang ist mit dem Mittelabgriff (Signal) der in Reihe geschalteten Reihenschaltungen angeordnet.
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Wird nun an den Signaleingang eine positive Halbwelle mit der Phase L1 verbunden, fällt die an der oberen Reihenschaltung anliegende Spannung entsprechend ab und die dem Schaltschwellen-bestimmenden Mittel zur Verfügung stehende Spannung reicht nicht aus, um das Schaltschwellen-bestimmende Mittel 2 in den leitenden Zustand zu versetzen. Dagegen wird die am unteren Schaltschwellen-bestimmenden Mittel 2 anliegende Spannung entsprechend größer und bewirkt somit auch ein Zünden des Schaltschwellen-bestimmenden Mittels.
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Die durch die Schaltschwellen-bestimmenden Mittel GL1 und GL2 fließenden Ströme fließen auch durch einen jeweiligen Widerstand (R13, R23), wobei die an diesem jeweiligen Widerstand abfallende Spannung einen jeweiligen Optokoppler (U1, U2) speist, der somit eine galvanische Trennung zum Ausgang bewirkt. Ausgangsseitig werden die Optokoppler jeweils von einer Gleichspannungsquelle V4 versorgt und erzeugen Ausgangssignale (out+, out-).
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Wenn also die positive Halbwelle der Phase L1 am Eingang anliegt, ist die an dem Schaltschwellen-bestimmenden Mittel GL1 anliegende Spannung zu klein, um das Schaltschwellen-bestimmende Mittel GL1 in den leitenden Zustand zu versetzen. Somit weist der Optokoppler U1 keine eingangsseitige Spannung auf und der Ausgang out- liegt auf negativem Potential der Gleichspannungsquelle V4.
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Erst wenn die negative Halbwelle der Phase L1 am Eingang anliegt und einen kritischen Spannungswert unterschritten hat, wird das Schaltschwellen-bestimmende Mittel GL1 in den leitenden Zustand versetzt und der Optokoppler U1 weist eine eingangsseitige Spannung auf, so dass der Ausgang out- auf das positive Potential der Gleichspannungsquelle V4 gelegt wird.
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Der Ausgang out+ verhält sich entsprechend umgekehrt.
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Vorzugsweise sind die Widerstände der oberen und der unteren Reihenschaltung gleich dimensioniert, insbesondere also R11 = R21, R12 = R22 und R13 = R23, sowie gleichartige Schaltschwellen-bestimmende Mittel GL1 und GL2 sowie Optokoppler U1 und U2 verwendet.
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In der oberen und unteren Reihenschaltung ist zusätzlich jeweils eine Diode (D11, D21) sowie ein Widerstand (R13, R23) angeordnet zum Schutz des Optokopplers U1 beziehungsweise U2.
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Wenn statt der Phase L1 die Phase L2 oder L3 verwendet wird, ist die geschilderte Funktionsweise dieselbe, da die am Eingang anliegende Signalspannung auf den Zwischenkreis bezogen ist. Somit sind alle drei Phasenspannungen L1, L2 oder L3 für die Datenübertragung verwendbar. Ob der Sender des Halbwellensteuerungssystems zur Codierung der Information also an die weitere Schiene die positiven und negativen Halbwellen der Phase L1, L2 oder L3 anlegt, ändert die Funktionsweise nicht. Somit ist die Sicherheit erhöht, da keine Fehlverdrahtung bezüglich des Verdrahtens des Senders ausführbar ist. Die Auswertung der Signalspannung erfolgt also nicht gegenüber einer Referenzphasenleitung sondern gegenüber einem Zwischenkreispotential, welches ein zeitlich im Wesentlichen konstantes Potential darstellt.
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Zur Inbetriebnahme muss das Gehäuse des Empfängers nicht geöffnet werden ! Denn das bloße Anschließen der Signalleitung und der Versorgungsphasenleitungen an einem von außen zugänglichen Anschlusselement reicht aus, um den Empfänger zu verdrahten. Insbesondere muss keine Steckbrücke zur Referenzierung der Referenzphasenleitung betätigt werden.
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Die Gewinnung der Signalspannung erfolgt also in einfacher Weise aus der Drehstromversorgungsspannung und ist somit in einfacher Weise ermöglicht.
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Vorzugsweise weisen die Schaltschwellen-bestimmenden Mittel GL1 und GL2 in ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie eine Hysterese auf.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird keine Schleifleitung eingesetzt sondern eine feste Verkabelung. In diesem Fall wird dann statt der weiteren zur Datenübertragung verwendeten Schiene eine Leitung vorgesehen.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen weicht die Frequenz von 50 Hertz ab, insbesondere beträgt sie 60 Hertz oder einen anderen Wert zwischen 1 Hertz und 1 MHz.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Zwischenkreiskondensator C1 weggelassen.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Empfänger in einem Umrichter integriert. Dieser weist den Gleichrichter auf und es wird aus der gepufferten Zwischenkreisspannung eine Wechselrichterstufe des Umrichters versorgt, die einen Elektromotor speist. Somit muss kein spezieller zusätzlicher Gleichrichter für den Empfänger vorgesehen werden sondern es ist der Gleichrichter und das Zwischenkreispotential des Umrichters mitnutzbar. Vorzugsweise wird aus dem Zwischenkreis des Umrichters über eine Diode ein hilfszwischenkreis gespeist, aus dem der erfindungsgemäße Spannungsteiler und die aus ihm gespeisten Teile versorgt sind. Somit ist eine störungsärmere Datenübertragung ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- UZ+
- oberes Zwischenkreispotential
- UZ-
- unteres Zwischenkreispotential
- L1, L2, L3
- Drehstromkabel
- D1
- Diode
- D2
- Diode
- D3
- Diode
- D4
- Diode
- D5
- Diode
- D6
- Diode
- D11
- Diode
- D21
- Diode
- C1
- Zwischenkreiskondensator
- GL1
- Schaltschwellen-bestimmendes Mittel, insbesondere Glimmlampe, Zenerdiode, Reihenschaltung aus Zenerdiode und Diode, oder Reihenschaltung aus zwei zueinander antiparallel geschalteten Zenerdioden
- GL2
- Schaltschwellen-bestimmendes Mittel, insbesondere Glimmlampe, Zenerdiode, Reihenschaltung aus Zenerdiode und Diode, oder Reihenschaltung aus zwei zueinander antiparallel geschalteten Zenerdioden
- U1
- Optokoppler
- U2
- Optokoppler
- R11
- Widerstand
- R12
- Widerstand
- R13
- Widerstand
- R21
- Widerstand
- R22
- Widerstand
- R23
- Widerstand
- R15
- Widerstand
- R25
- Widerstand
- V4
- Gleichspannungsquelle Signal Signaleingang
- L1
- erste Netzphase
- L2
- zweite Netzphase
- L3
- dritte Netzphase
