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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Übertragung
elektrischer Signale bzw. Energie, insbesondere digitaler Signale
zwischen mehreren gegeneinander beweglichen Einheiten.
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Der Übersichtlichkeit halber wird
in diesem Dokument nicht zwischen der Übertragung zwischen gegeneinander
beweglichen Einheiten und einer feststehenden und dazu beweglichen
Einheiten unterschieden, da dies nur eine Frage des Ortsbezugs ist
und keinen Einfluss auf die Funktionsweise der Erfindung hat. Ebenso
wird nicht weiter zwischen der Übertragung
von Signalen und Energie unterschieden, da die Wirkungsmechanismen
hier die selben sind.
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Stand der Technik
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Bei linear beweglichen Einheiten
wie Kran- und Förderanlagen
und auch bei drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder auch Computertomographen
ist es notwendig, zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten elektrische
Signale bzw. Energie zu übertragen.
Hierzu ist meist eine Leiterstruktur in der ersten Einheit und ein
entsprechender Abgriff in der zweiten Einheit vorgesehen. In den
folgenden Ausführungen
bezieht sich der Begriff Leiterstrukturen auf alle denkbaren Formen
von Leiterstrukturen, welche geeignet sind, elektrische Signale
zu führen. Dies
bezieht sich auch auf die bekannten kontaktierenden Schleifbahnen
bzw. Schleifringe.
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Eine entsprechende Vorrichtung ist
in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 44 12 958 A1 beschrieben. Das zu übertragende
Signal wird hier in eine Streifenleitung der ersten Einheit, welche
längs des
Weges der Bewegung der gegeneinander beweglichen Einheiten angeordnet
ist, eingespeist. Mittels kapazitiver oder induktiver Kopplung wird
das Signal von der zweiten Einheit abgegriffen. Der Koppelfaktor
des Signals zwischen den beiden Einheiten hängt im wesentlichen von dem
Abstand der beiden Einheiten zueinander ab. Gerade bei räumlich ausgedehnten Übertragungssystemen
und insbesondere bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten lassen sich
auf Grund mechanischer Toleranzen die Abstände zwischen den beweglichen
Einheiten nicht beliebig exakt festlegen. Daher variiert der Koppelfaktor häufig mit
der Position der beiden Einheiten zueinander, der Geschwindigkeit
(z. B. durch Verursachung von Vibrationen) und anderen Einflussgrößen. Gleichzeitig ändert sich
die Signalamplitude am Eingang des Empfängers. Dadurch ergeben sich
bei herkömmlich
aufgebauten Empfängern
Veränderungen
im Signal, welche sich beispielsweise als erhöhter Jitter oder sogar Bitfehler
bemerkbar machen.
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Ein weiterer Problemkreis, welcher
bei derartigen Übertragungsstrecken
auftritt, betrifft die elektromagnetische Verträglichkeit bzw. Störfestigkeit.
So kann beispielsweise, um eine möglichst hohe Störfestigkeit
zu erreichen, der Sendesignalpegel sehr hoch gewählt werden. Damit ist aber
regelmäßig eine sehr
hohe Ab strahlung unerwünschter
Signale verbunden, so dass die Einhaltung der geltenden EMV – Bestimmungen
nur mit hohem zusätzlichen
Aufwand, wie beispielsweise Schirmung möglich ist. Wird dagegen der
Sendesignalpegel niedrig gewählt,
und um eine niedrigere Abstrahlung zu erreichen, so ergibt sich
eine niedrige Störfestigkeit.
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Aus der
US 6,433,631 B2 ist eine
Vorrichtung zur Regelung des Eingangspegels am Empfänger offenbart.
Dadurch wird das Problem der schwankenden Pegel, welches durch Änderungen
der Abstände hervorgerufen
wird, weitgehend gelöst.
Allerdings wird hierdurch weder die Störfestigkeit erhöht, noch die
Abstrahlung verringert.
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In der
US
5,530,422 sind verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der
Störfestigkeit
bei gleichzeitiger Verringerung der Abstrahlung angegeben. So wird
hier insbesondere eine mit einem Differenzsignal betriebene Leitung
sowie zusätzliche
Schirmmaßnahmen
vorgeschlagen. Allerdings hat sich in der Praxis gezeigt, dass diese
Maßnahmen
sehr aufwendig und teuer sind. Zudem bieten diese Maßnahmen
keinerlei Abhilfe bei einem schwankenden Pegel des Empfangssignals.
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Darstellung der Erfindung
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Es stellt sich die Aufgabe, eine
Vorrichtung zur elektrischen Signalübertragung zu gestalten, welche
basierend auf einer Leiteranordnung mit Leitern bzw. Leiterstrukturen
eine hohe Übertragungsqualität und gleichzeitig
eine minimale Störabstrahlung
aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in
dem unabhängigen
Anspruch angegebenen Mitteln gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen weiteren
Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Signalübertragung
zwischen entlang vorgegebener Bahnen beweglicher Einheiten dient
vorzugsweise zur Übertragung
digitaler Signale. Sie umfasst einen Sender (
2) zur Erzeugung
elektrischer Signale, einen Empfänger
(
3) zur Auswertung elektrischer Signale und weiterhin eine
Leiteranordnung (
1) zur Führung der elektrischen Signale
entlang der Bahn der Bewegung sowie eine Koppeleinheit (
4)
zur Einkopplung bzw. Auskopplung elektrischer Signale. Hierbei ist zur Übertragung
der Signale von der Leiteranordnung zur Koppeleinheit der Sender
mit der Leiteranordnung und weiterhin der Empfänger mit der Koppeleinheit
verbunden. Für
den Fall der Übertragung elektrischer
Signale von der Koppeleinheit zur Leiteranordnung, also in entgegengesetzter
Richtung, ist der Sender mit der Koppeleinheit und weiterhin der Empfänger mit
der Leiteranordnung verbunden. Erfindungsgemäß können selbstverständlich auch mehrere
Sender bzw. mehrere Empfänger
wie dies in der
DE
100 21 671 A1 beschrieben ist, vorgesehen werden. Die Offenbarung
dieses Dokuments ist Bestandteil der vorliegenden Beschreibung der
Erfindung. Zu vereinfachten Darstellung wird allerdings nur auf
eine einfache Übertragung
zwischen einem Sender und einen Empfänger Bezug genommen.
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Erfindungsgemäß ist im Sender (2)
eine Steuereinheit (5) zur Steuerung der Signalamplitude des
Senders nach vorgegebenen Parametern vorgesehen. Durch eine solche
Steuerung des Senders kann die Amplitude des Senders wahlweise den
geforderten elektrischen Umgebungsbedingungen wie Abstrahlung bzw.
Störfestigkeit
sowie den Empfangsbedingungen d.h. dem Abstand zwischen Leiteranordnung
und Koppeleinheit angepasst werden, so dass immer eine optimale
Verbindung zwischen Sender und Empfänger bei minimaler Störabstrahlung besteht.
Die Steuerung kann wahlweise über
mathematische Funktionen oder auch Wertetabellen erfolgen. Weiterhin
können
optional Mittel zur Steuerung derart vorgesehen sein, dass starke
Schwankungen des Nullpunktes des Signals reduziert bzw. vollständig unterdrückt werden.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist die Leiteranordnung eine Schleifringanordnung,
welche insbesondere für
den Einsatz in Computertomografen ausgestaltet ist. Eine solche
Schleifringanordnung kann wahlweise auf einem konventionellen, elektrisch
leitfähigen
Schleifring basieren, wobei der Signalabgriff wahlweise über Kohlebürsten, Metallfederdraht-Kontakte
oder andere kontaktierende Mittel erfolgt. Ebenso kann von diesem
elektrisch leitfähigen
Schleifring ein Abgriff berührungslos
mittels induktiver, kapazitiver oder anderer Feldsonden erfolgen.
Alternativ hierzu sind auch kontaktlose Übertragungseinrichtungen einsetzbar, wobei
die Leiteranordnung auf einer Reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung
basiert. Diese Leitung kann sowohl als einfache Leitung oder als
symmetrisch betriebene Leitung ausgeführt sein.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist gerade mit
Schleifringanordnungen, bei denen die Bahn der Bewegung einer Kreisbahn
entspricht besonders vorteilhaft ausführbar, da sich hier die Bewegungen zwischen
Sender und Empfänger
periodisch mit der Umdrehung wiederholen. Somit wiederholen sich auch
periodisch die Anforderungen an die Signalamplitude des Senders.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung weist die Steuereinheit (5) eine Vorrichtung
zur Mittelwertbildung auf. Mit Hilfe dieser Vorrichtung ist die
Signalamplitude des Senders derart steuerbar, dass ein vorgegebener
Amplitudenmittelwert nicht überschritten
wird. Die Mittelung erfolgt vorteilhafterweise über ein vorgegebenes Zeitintervall.
Weiterhin ist dieses Zeitintervall vorteilhafterweise an die üblichen
Messverfahren zur Messung der EMV-Eigenschaften bzw. Störstrahlung
angepasst. So beträgt
dieses für
Messungen entsprechend CISPR 11 vorteilhafterweise 100
ms und entspricht somit auch den Integrationsintervall dieser Messmethode.
Durch eine solche Mittelwertbildung ist es möglich, kurzfristig beim Vorliegen
hoher externer Störpegel
oder anderer erschwerter Übertragungsbedingungen,
wie beispielsweise einem großen
Abstand zwischen Koppeleinheit und Leiteranordnung, den Pegel des
Senders kurzfristig zu erhöhen,
ohne dadurch die entsprechende Norm zu verletzen.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass im Empfänger
(3) eine Vorrichtung zur Messung der Empfangssignalamplitude
vorgesehen ist. Diese übermittelt
eine Messgröße der Signalamplitude
an die Steuer einheit (5) des Senders (2). Weiterhin
weist die Steuereinheit des Senders Mittel zur Regelung der Signalamplitude
des Senders auf, wobei diese derart geregelt wird, dass die Empfangssignalamplitude
auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die Signalisierung kann
beispielsweise auf einem separaten Schleifringübertrager, einer weiteren drahtlosen
(Funk-)Verbindung oder auch mittels derselben Leiteranordnung in
einem anderen Frequenzbereich erfolgen. Diese Rückmeldung ist relativ unkritisch
und störunempfindlich,
da sie sehr schmalbandig ist. So ändert sich die Signalamplitude
nur mit der relativ niedrigen Frequenz der Bewegung der Einheiten
gegeneinander.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass im Empfänger
(3) eine Vorrichtung zur Messung des Signal/Rauschabstandes
oder eines anderen Parameters, welcher die Signalgüte repräsentiert,
vorgesehen ist. Diese übermittelt
eine entsprechende Messgröße an die
Steuereinheit (5) des Senders (2). Weiterhin weist
die Steuereinheit des Senders Mittel zur Regelung der Signalamplitude
des Senders auf, wobei diese derart geregelt wird, dass der Signal/Rauschabstand
oder ein anderer Parameter, welcher die Signalgüte repräsentiert, auf einem konstanten
Wert gehalten wird. Die Signalisierung kann auch hier wie zuvor
beschrieben ausgeführt werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der
Erfindung ist im Empfänger
(3) eine Vorrichtung zur Messung der Bitfehlerrate vorgesehen.
Diese übermittelt eine
entsprechende Messgröße an die
Steuereinheit (5) des Senders (2).
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Weiterhin weist die Steuereinheit
des Senders Mittel zur Regelung der Signalamplitude des Senders
auf, wobei diese derart geregelt wird, dass die Bitfehlerrate auf
einem konstanten Wert gehalten wird. Die Signalisierung kann auch
hier wie zuvor beschrieben ausgeführt werden.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist, welche die Bemittelte
Signalamplitude des Senders (2) als Maß für die Güte der Übertragungsstrecke angezeigt.
Diese Anzeige kann wahlweise analog, digital, in Form von binären Werten
zu Übermittlung
an eine Auswerteeinheit oder einen Rechner bzw. optisch oder akustisch
erfolgen. Bevorzugt ist hier eine farbige Anzeige in Form einer
Ampel, welche Zustände "gut", "kritisch", "schlecht" signalisiert.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung weist
die Steuereinheit (5) wenigstens einen zusätzlichen
Ausgang zur Freigabe einer erhöhten
bzw. der maximalen Signalamplitude des Senders (2) auf.
Somit ist die Signalamplitude durch externe Signale beeinflussbar.
Ist beispielsweise ein Feldstärkedetektor vorgesehen,
welcher externe Störsignale
erkennt, so kann dieser mittels eines Ausgangsignals in Schritten oder
proportional zur Störung
die Amplitude des Senders erhöhen,
um eine gleichmäßige Übertragungsqualität sicherzustellen.
Ebenso kann von beliebigen in ein System integrieren Geräten bzw.
Komponenten ein Signal zur Erhöhung
der Amplitude des Senders abgegeben werden. So kann beispielsweise beim
Einsatz in Computertomografen ein solches Signal parallel zur Steuerung
der Strahlungsleistung der Röntgenröhre ausgegeben
werden.
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Optional können noch Mittel zur entsprechenden
Anpassung des Empfängers
(Empfindlichkeit, Hysterese) vorgesehen sein.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der
externen Steuerung der Strahlungsleistung besteht in Verbindung
mit der Synchronisierung niederfrequenter Störer. In komplexen Geräten, wie
beispielsweise einem Computertomografen ist eine Vielzahl niederfrequenter
Störer
vorhanden. Unter niederfrequent werden hier Signalfrequenzen verstanden,
welche deutlich, d. h. bevorzugt um eine Größenordnung unter der minimalen
Frequenz der Signalübertragung
zwischen Sender und Empfänger
liegen. Wird beispielsweise eine typische Signalübertragung einer Taktrate von
1 GHz mit einer Wortlänge von
10 Bit eingesetzt, so ergibt sich eine untere Grenzefrequenz des
Signals von 100 MHz. Somit wird i. S. dieser Ausführungen
eine Störung
mit einer Frequenz kleiner 10 MHz als niederfrequent verstanden. Ein
typischer niederfrequenter Störer
hoher Leistung ist bei Computertomografen die Hochspannungsversorgung
der Röntgenröhre. Sie
weist häufig
ein getaktetes Netzteil auf, welches mit einer Taktfrequenz von
20 bis 100 kHz betrieben wird. In einem solchen Fall wird erfindungsgemäß die Leistungsabgabe
des Senders mit dem Takt eines solchen Netzteils synchronisiert.
Damit kann in den Zeitintervallen, in denen besonders hohe Störpegel vorkommen,
die Leistungsabgabe des Senders entsprechend erhöht werden. Eine Synchronisierung
kann beispielsweise durch eine Signalisierungsleitung oder eine
optische Verbin dung vom Störer
zur Steuereinheit (5) erfolgen. Ebenso kann zu Synchronisierung
auch eine einfache Antenne vorgesehen sein, die die elektromagnetischen
Aussendungen des Störers
empfängt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung weist die Steuereinheit (5) im Sender (2)
Mittel zur Ermittlung des Abstandes zwischen Sender (2) und
Empfänger
(3) auf. Entsprechend dieses Abstandes wird nun die Signalamplitude
des Senders gesteuert. Es ist bekannt, dass diese aufgrund von Fertigungstoleranzen
und anderen Abweichungen entlang der Bahn der Bewegung variieren
kann. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger hat einen unmittelbaren
Einfluss auf die Signalübertragung.
So wird bei größerem Abstand
ein kleineres Signal übertragen
und umgekehrt. Der Begriff Abstand bezieht sich hier auf die Distanz
in Übertragungsrichtung
des Signals zwischen Sender und Empfänger. Dies wird meist der kürzeste Abstand
zwischen Sender und Empfänger
sein. Er setzt sich aus einer Komponente in x-Richtung und in z-Richtung
zusammen. Meist wird die x-Komponente überwiegen. Daher genügt in einfachen
Fällen
eine Ermittlung des Abstandes in x-Richtung. Sollten allerdings
der Abstand bzw. die Abstandschwankungen in z-Richtung Überwiegen, so sind diese mit
heranzuziehen. Bei höheren
Anforderungen an die Genauigkeit bzw. größeren Abweichungen in z-Richtung
kann der Abstand durch Ermittlung des Vektorbetrags aus x und z
erfolgen. Weist die Leiterstruktur bzw. die Koppeleinheit eine gewisse
Richtwirkung auf, so kann diese ebenfalls mit berücksichtigt
werden. Wird nun der Abstand zwischen Sender und Empfänger ermittelt,
so kann aus diesem vorteilhafterweise mittels vorgegebener Funktionen
bzw. fest abgespeicherter Werte die Dämpfung der Übertragung und somit auch die
notwendige Sendeleistung für
eine vorgegebene Übertragungsqualität ermittelt
werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist die Steuereinheit (5) derart ausgebildet,
dass sie die Amplitude des Senders (2) in Abhängigkeit
von der Position in y-Richtung steuert. Eine solche Steuerung ist
insbesondere dann sinnvoll, wenn wie beispielsweise in Computertomografen
eine exakte Informationen der Position in y-Richtung vorliegt. So
kann aus dieser bei bekannter Geometrie der Leiterstruktur bzw.
der Bahn der Bewegung zwischen Sender und Empfänger auf den Abstand in x-Richtung
und in z-Richtung geschlossen werden. So kann dieser beispielsweise
einmal bei der Inbetriebnahme des Gerätes exakt vermessen werden.
Eine Berücksichtigung
der Position in y-Richtung
ist auch dann sinnvoll, wenn beispielsweise eine Abstrahlung der
Leiterstruktur Positionsabhängig
ist und daher in bestimmten Bereichen die Sendeleistung reduziert
werden muss.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend ohne
Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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2 zeigt
typische Kurvenformen einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung
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In der 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
beispielhaft abgebildet. Eine erste Einheit weist hier beispielsweise
einen Sender (2) zur Erzeugung elektrischer Signale, verbunden
mit einer Leiteranordnung (1) zur Führung elektrische Signale, welche
an dem dem Sender entgegengesetzten Ende mit einem Abschluss (6)
reflexionsfrei abgeschlossen ist. Gegenüber dieser ersten Einheit ist
beweglich eine zweite Einheit angeordnet. Diese umfasst eine Koppeleinheit
(4) zur Auskopplung elektrischer Signale aus der Leiteranordnung
sowie einen Empfänger
(3) zur Auswertung der mittels der Koppeleinheit ausgekoppelten
Signale. In diesem Falle ist die Signalflussrichtung von der Leiteranordnung zur
Koppeleinheit. Entsprechend dem Erfindungsgedanken ist auch die
entgegengesetzte Signalflussrichtung mit eingeschlossen. Der Sender
(2) weist ferner eine Steuereinheit (5) zur Steuerung
der Signalamplitude des Senders nach vorgegebenen Parametern auf.
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Die Koordinatenpfeile definieren
ein rechtshändiges
Koordinatensystem, auf welches in der Beschreibung Bezug genommen
wird. So erfolgt die Bewegung zwischen den beiden Einheiten in Richtung der
Y-Achse. Ist die Leiterstruktur bzw. die Bahn der Bewegung kreisförmig ausgestaltet,
so soll hier die y-Achse die Tangente an der Stelle der Leiterstruktur darstellen,
an der ein Lot vom geometrischen Mittelpunkt der Koppeleinheit auf
die Leiterstruktur diese schneidet.
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In 2 sind
elektrische Kurvenformen einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung dargestellt. Alle drei Kurvenformen sind in der Waagerechten über die
Zeit und in der Senkrechten über eine
Spannung bzw. Amplitude aufgetragen. Die mit Un gekennzeichnete
Kurve zeigt den Spannungsverlauf an der Endstufe eines typischen
getakteten Schaltnetzteils, wie es beispielsweise zu Hochspannungsversorgung
von Röntgenröhren in
Computertomografen eingesetzt wird. Derartige Spannungsverläufe kommen
in vielen Leistungsschaltungen der Elektronik, insbesondere in zahlreichen
getakteten Netzteilschaltungen vor. Am Ende und bei manchen Geräten auch
am Anfang jeder Schaltflanke entstehen hochfrequente Schwingungen
hoher Amplitude. Diese können
die Signalübertragung
zwischen Sender und Empfänger
stören.
Daher wird erfindungsgemäß die Signalamplitude
des Senders entsprechend angepasst. Die mit U1 gekennzeichnete Kurvenform zeigt
die Signalamplitude des Senders in einem besonders einfachen Fall,
in dem während
der Zeit der hochfrequenten Schwingungen im Schaltsignal des Netzteils
die Sendesignalamplitude angehoben wird. Diese Amplitudenanhebung
ist so dimensioniert, dass auch beim Vorliegen der hochfrequenten Schwingungen
eine einwandfreie Übertragung
zwischen Sender und Empfänger
möglich
ist. Die mit U2 gekennzeichnete Kurve zeigt eine andere Ausgestaltung,
bei der die Sendesignalamplitude entsprechend der Amplitude der
hochfrequenten Schwingungen angehoben wird. So ist bei hoher Amplitude der
hochfrequenten Schwingungen eine hohe Sendeamplitude vorgesehen,
wobei diese mit zunehmenden Abklingen der hochfrequenten Schwingungen
ebenfalls bis zu einem Minimalwert abnimmt. Dieser Minimalwert ist
so dimensioniert, dass im Falle nicht vorhandener hochfrequenten
Schwingungen eine sichere Übertragung
möglich
ist. Durch diese Ausgestaltung kann die mittlere von der Leiteranordnung
abgestrahlte hochfrequenten Energie wesentlich reduziert werden.
So wäre
bei konstanter Sendesignalamplitude diese auf einem maximalen Wert vorzusehen,
der auch beim Vorliegen der hochfrequenten Schwingungen eine sichere Übertragung gewährleistet.
Durch die Synchronisation kann nun in den Schaltpausen des Schaltnetzteils
die Sendeleistung ohne wesentliche Beeinflussung der Übertragungsqualität reduziert
werden. Damit reduziert sich auch die im Mittel abgegebene hochfrequente
Energie. Weiterhin reduziert sich hierdurch die thermische Belastung
des Senders, welcher entsprechend kleiner dimensioniert werden kann.
Selbstverständlich kann
erfindungsgemäß diese
Synchronisation der Sendesignalamplitude auch mit einer weiteren
Steuerung bzw. Regelung des Sendesignalamplitude, wie beispielsweise
entsprechend dem Abstand zwischen Leiteranordnung und Koppeleinheit
kombiniert werden.
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- 1
- Leiterstruktur
- 2
- Sender
- 3
- Empfänger
- 4
- Koppeleinheit
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Abschluss