DE3029543C2

DE3029543C2 - Kontaktloser induktiver Übertrager

Info

Publication number: DE3029543C2
Application number: DE3029543A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. 8000 München Zierhut
Original assignee: Individual
Current assignee: Alfasystem Herstellung und Vertrieb Von Elekt GmbH
Priority date: 1980-08-04
Filing date: 1980-08-04
Publication date: 1982-08-05
Also published as: DE3029543A1

Description

Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen induktiven Übertrager mit einer Primär- und einer Sekundäreinheit, zur Übertragung von elektrischer Versorgungs-Energie in Übertragungsrichtung mit einer ersten Frequenz /i und von Signalen in Gegenrichtung mit einer zweiten Frequenz Z₂.

Kontaktlose induktive Übertrager sind hinreichend bekannt z. B. aus der automatischen Teilezuführung am Fließband der Automobilindustrie oder der Melde- und Überwachungstechnik.

Ein bekannter Übertrager arbeitet z. B. mit einem Schalenkernpaar, wobei auf der Primärseite in einer Schalenkernhälfte 2 Spulen vorhanden sind, wovon eine Spule mit Energie beaufschlagt wird und die zweite Spule in einer Brückenschaltung angeordnet ist die auf Null abgeglichen wird. Wird nun auf der Sekundärseite des Übertragers Energie entzogen, so hat dies eine Verstimmung der primären Brückenschaltung zur Folge. Diese Verstimmung kann nun als Meldesignal ausgewertet werden. Dieses System ist sehr aufwendig und liefert auf der Sekundäreinheil keine konstante Ausgangöspannung.

Ein weiterer bekannter Übertrager arbeitet mit zwei Schalenkernpaaren, wobei ein Schalenkernpaar für die Energieübertragung in der einen Richtung und das andere Schalenkernpaar für die Signalübertragung in der anderen Richtung verwendet wird. Auch mit diesem

Verfahren ist auf der Sekundärseite keine natürliche Spannungskonstanz zu erreichen. Aus der DE-AS 2122 341 ist ein kontaktioser

induktiver Übertrager bekannt, wie er eingangs beschrieben wurde. Ein solcher Übertrager wird zur Messung der Drehzahl einer sich drehenden Welle oder eines sonstigen sich drehenden Elements oder Gegenstands verwendet, wobei die Primäreinheit bzw. der Stator in einem festen Abstand zur Sekundäreinheit bzw. zum Rotor nach Art eines Ε-Kerns angeordnet ist. Abgesehen von der Tatsache, daß die Versorgungsspannung bei dem bekannten Übertrager mit der Netzfrequenz übertragen und die Frequenz des Meßsignals von

so der Drehzahl der Welle bzw. des sich drehenden Elements abhängt, weisen der Stator und der Rotor und damit die ZT-Kerne der Primär- und Sekundäreinheit beim bekannten Übertrager einen definierten Abstand auf, der sich nicht ändert. Aber auch dann, wenn sich der Abstand zwischen Stator und Rotor ändern würde, wäre es mit dem bekannten Übertrager nicht möglich, eine konstante Spannung zu übertragen.

Die bekannten Übertrager weisen alle die gleichen Nachteile auf, da die Primär- und Sekundäreinheit dieser Übertrager — wenn sie in ihrer Lage nicht bereits genau definiert sind — sehr genau zueinander zu positionieren sind und bei einer auch nur geringen Abstandsänderung zwischen Primärteil und Sekundärteil insbesondere in der Energieübertragungsrichtung keine konstante Spannungsübertragung möglich ist, ohne daß ein sehr großer zusätzlicher Aufwand erforderlich wäre. Darüber hinaus sind derartige Übertrager relativ groß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kontaktlosen, induktiven Übertrager zu schaffen, bei dem eine im wesentlichen konstante Ausgangsspannung auch bei sich änderndem Abstand der Primär- und Sekundäreinheit übertragen werden kann, ohne daß aufwendige Schaltungsmaßnahmen getroffen werden müssen, wobei die Bauteile möglichst klein und das prirnärseitige Energieaufkommen möglichst gering sein soll.

Ausgehend von dem eingangs genannten Übertrager wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Durch die Verwendung von kritisch oder überkritisch gekoppelten Bandfiltern ist es nicht mehr nötig, die Primär- und Sekundäreinheit in ihren Lagen zueinander konstant zu halten, so daß die Herstellungstoleranzen bei derartigen Übertragern relativ groß sein können bzw. eine Lageänderung in Kauf genommen werden kann, wodurch der erfindungsgemäße Übertrager auch in relativ kleinen Bauteilen und ohne großem Aufwand gefertigt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur erläutert.

In der Primäreinheit wird der Primärkreis des ersten Bandfilters Ci, L\ von einem Oszillator S mit einer Frequenz f\ angesteuert. Die induktiv übertragene Energie, die vom Sekundärkreis C₂, L₂ des ersten Bandfilters in der Sekundäreinheit bereitgestellt wird, wird in einem Brückengieichrichter B gleichgerichtet. Der Ladekondensator C wird über den niederohmigen Eingang Pin 2/1 des Verstärkers Vi aufgeladen. Dadurch erhält der Verstärker Vi die erforderlichen Eingangsimpulse zur Erzeugung bzw. zur Synchronisierung der Frequenz f₂. Die Frequenz F₂ kann größer oder kleiner als /i sein. Wenn im einfachsten Fall der Verstärker Vi aus z. B. einem npn-Transistor besteht, so daß Pin I = Emitter, Pin2 = Basis, Pin3 = Kollektor ist, so wird der Primärkreis des zweiten Bandfilters C3/Z-3 in der Sekundäreinheit mit der Frequenz 2 /i ohne irgendwelche Zusatzeinrichtungen voll ausgesteuert.

Um die Effektivität der Aussteuerung noch zu vergrößern, kann parallel zum Ladekondensator insbesondere noch eine Zenerdiode angeschlossen werden. Der Verstärker V₂, im einfachsten Fall wieder nur ein z. B. npn-Transistor, mit Pin I = E, Pin 2 = B, Pin 3 = C, dient zur Modulation oder Tastung des Verstärkers Vi. Wird z. B. ein Verbraucher von U_sec nicht nach Masse, sondern nach U_SICuer angeschlossen, so kann die Ansteuerung von L3/C3 zu Null gemacht werden. Der Sekundärkreis des zweiten Bandfilters C4/L4 in der Primareinheit nimmt die Sendefrequenz f₂ durch induktive Kopplung auf und steuert damit den Auswerte-Verstärker V₃ an. Dieser gibt zum einen das Meldesignal bei U_ile ab und steuert zum anderen den 5 Oszillator 5 an, so daß ein Regelkreis geschlossen wird, welcher die verbleibende geringe Spannungsänderung der Ausgangsspannung U_iCC nocn völlig ausgleicht Diese Anordnung hat noch zusätzlich den Vorteil, daß für den Fall, daß sehr viel Energie aus der Sekundäreinheit benötigt wird, bei Muting von f₂ durch U_h,_cu„. der Oszillator S auf eine maximale Energielieferung umspringen kann. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn z. B. auf der Sekundäreinheit zur Kennzeichnung eines Zustandes eine Leuchtdiode über z. B. einen Thyristor angesteuert werden soll. Um den Thyristor wieder zu löschen, muß lediglich der Oszillator S kurz ausgetastet werden. Zur Erreichung einer optimalen Konstanz hat sich herausgestellt daß vorteilhaft insbesondere alle 4 Induktivitäten der beiden Bandfilter Li, L₂, L₃, L₄ gleichgemacht werden können, was auch produktionstechnisch sehr wichtig ist zur Kosteneinsparung.

Die überraschend einfache Lösung der Erfindungsaufgabe ist auf die Eigenschaften eines Bandfilters zurückzuführen. Wenn im überkritischen Kopplungsfall gearbeitet wird, ergibt sich im Durchlaßbereich des Bandfilters eine Einsattlung bei der Bandmittenfrequenz. Diese Einsattlung wird um so größer, je größer der Kopplungsfaktor des Bandfilters ist. Der Koppiungsfaktor des Bandfilters wiederum wird größer bei kleinerem Abstand der beiden Induktivitäten. Das heißt, werden die beiden Spulen aufeinander zu bewegt, so steigt im Durchlaßbereich die Sekundärspannung an. Durch die Zunahme der Kopplung fällt aber in Bandmitte die Spannung gleichzeitig durch die Einsattlung wieder ab, so daß in der Summe bei der Bandmittenfrequenz die Sekundärspannung konstant bleibt.

Weiterhin ist das zweite überraschende Ergebnis darin zu sehen, daß bei geringer Belastung oder Leerlauf des Sekundärkreises des Bandfilters eine große Einsattlung durch überkritische Kopplung besteht. Wird nun eine höhere Belastung, also ein höherer Energiebedarf auf der Sekundärseite gefordert, so wird mit steigender Belastung die Dämpfung größer und damit geht die Kopplung allmählich zur kritischen Kopplung über, was ein Ansteigen der Spannung bei der Bandmittenfrequenz zur Folge hat, die dadurch den steigenden Spannungsabfall wieder kompensiert. Damit

so bleibt die sekundäre Ausgangsspannung praktisch konstant, auch unabhängig von der Belastung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Kontaktloser induktiver Übertrager mit einer Primär- und einer Sekundäreinheit, zur Übertragung von elektrischer Versorgungs-Energie in Übertragungsrichtung mit einer ersten Frequenz /i und von Signalen in Gegenrichtung mit einer zweiten Frequenz6. dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager aus zwei 2kreisigen kritisch oder überkritisch gekoppelten Bandfiltern (Ci, Li, C₂, L₂; C₃, L₃, C₄, L₄) besteht und das zweite Bandfilter (C₃, L₃, C₄, L₄) für die entgegengesetzte Übertragungseinrichtung mit einer Frequenz Z₂ = π ■ f\ arbeitet und seine Ansteuerenergie von der Sekundärseite (C₂, L₂) des ersten Bandfilters bezieht.

2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur das erste Bandfilter im Arbeitsbereich des Abstandes der Primär- zur Sekundäreinheit zwischen kritischer und überkritischer Kopplung arbeitet

3. Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kritische Kopplung zumindest des ersten Bandfilters bei einem Abstand von 5 bis 10 mm der Primäreinheit zur Sekundäreinheit liegt.

4. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Z₂ = 2 · /i ist.

5. Übertrager nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des zweiten Bandfilters so ausgelegt ist, daß die Sekundärspannung des ersten Bandfilters bei sich im Arbeitsbereich änderndem Abstand der Primär- zur Sekundäreinheit annähernd konstant bleibt.

6. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anschließen eines Verbrauchers (R) auf der Sekundärseite des ersten Bandfilters die Ansteuerung des zweiten Bandfilters unterbrochen und die Ansteuerung des ersten Bandfilters auf der Primärseite dadurch ein Maximum wird.

7. Übertrager nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Übertragerseite jeweils beide Spulen der Primär- und Sekundäreinheit in einer Achse, koaxial mit einem Abstand von 20 bis 40 mm angeordnet sind.

8. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bandfilter (C], Lu C₂, L₂) mit der Bandmittenfrequenz f\ mit kritischer bis überkritischer Kopplung ausgelegt ist, und daß am Sekundärkreis (L₂, C₂) des ersten Bandfilters eine Brücken- oder Doppelweg-Gleichrichter-Stufe (B, C) angeschlossen ist, deren Ladekondensator (C) mit seinem einen Ende über die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors angeschlossen ist, dessen Kollektor über einen Schwingkreis (C₃, L₃) mit der Resonanzfrequenz 2 · f\ am anderen Ende des Ladekondensators angeschlossen ist.

9. Übertrager nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzvervielfachungskonstante η gleich 0,5 oder 0,25 ist.

10. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle 4 Induktivitäten (Li, L₂, L₃, L₄) der beiden Bandfilter gleich groß sind.

11. Übertrager nach einem» der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bandfilter (C₃, L₃, C₄, L₄) das erste Bandfilter auf der Primärseite über einen Oszillator (S) amplitudenmäßig ansteuert.