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Die
Erfindung betrifft eine Kopplungseinrichtung für ein Übertragungssystem mit einem
Trägerstrom
niedriger Datenübertragungsrate,
welche Einrichtung eine Steuerschaltung, Stromversorgungsmittel
zur Einspeisung der Steuerschaltung aus einem elektrischen Wechselstrom-Verteilernetz
sowie Kopplungsmittel zur Kopplung der Steuerschaltung mit dem Netz
umfasst, um durch Trägerströme über das
Netz übertragene,
modulierte Daten auszusenden und zu empfangen, wobei die Stromversorgungsmittel
einen Transformator mit einer an das Netz angeschlossenen Primärwicklung
und einer an die Steuereinrichtung angeschlossenen Sekundärwicklung
umfassen.
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Trägerströme mit niedriger
Datenübertragungsrate,
d. h. einer Übertragungsrate
von weniger als 100 kbits/s, zum Beispiel 2400 bits/s, werden insbesondere
in der Gebäudeleittechnik
zur Steuerung und Überwachung
von Elektrogeräten über das Wechselstrom-Verteilernetz (z.
B. 230 V, 50 Hz) verwendet.
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Herkömmliche
Kopplungseinrichtungen umfassen normalerweise eine getrennte Stromversorgung,
die dazu dient, die zum Betrieb der Komponenten der Kopplungseinrichtung
erforderliche elektrische Energie aus dem Netz zu entnehmen. Darüber hinaus
wird ein getrennter magnetischer Koppler verwendet, der die Aussendung
und den Empfang modulierter Daten des Elektrogeräts in das Netz bzw. umgekehrt
erlaubt. Aus Gründen
des Personenschutzes müssen
sowohl der Transformator als auch der magnetische Koppler eine gute
galvanische Trennung zwischen dem Elektrogerät und den Netz gewährleisten.
In der Druckschrift
EP 0967737 wird ein
Verfahren zur Datenübertragung über eine
Wechselstromleitung beschrieben, das mit einer Ansteuerung der Versorgungsspannung
in Abhängigkeit
von einer Kodierung der zu übertragenen
Daten arbeitet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kopplungseinrichtung
zu schaffen, die kostengünstig
ist und gleichzeitig eine gute galvanische Trennung zwischen dem
Elektrogerät
und dem Versorgungsnetz gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Stromversorgungsmittel
einen in Reihe zur Primärwicklung
geschalteten bidirektionalen Schalter umfassen, die Steuerschaltung
an die Klemmen der Sekundärwicklung
angeschlossene Mittel zur Detektion einer Trägerwelle umfasst und die Einrichtung
einen den bidirektionalen Schalter ansteuernden Optokoppler sowie
einen von der Steuerschaltung gesteuerten Umschalter mit drei Schaltstellungen
umfasst, welcher Umschalter einen an einen Steuerausgang des Optokopplers
angeschlossenen Ausgang, einen an einen Ausgang eines Oszillators
angeschlossenen ersten Eingang, einen an einen Sendeausgang der
Steuerschaltung angeschlossenen zweiten Eingang sowie einen dritten
Eingang aufweist, der an einen, eine bestimmte Gleichspannung führenden
Ausgang der Stromversorgungsmittel angeschlossen ist, wobei der
Ausgang des Umschalters im Bereitschaftsmodus mit dem ersten Eingang
verbunden ist, um so eine bestimmte Ansteuerfrequenz der Stromversorgungsmittel
zu definieren, im Sendemodus mit dem zweiten Eingang verbunden ist,
um so die zu übertragenden Daten
zu modulieren, und im Empfangsmodus, wenn die Steuerschaltung im
Bereitschaftsmodus das Vorhandensein einer Trägerwelle erkannt hat, mit dem dritten
Eingang verbunden ist.
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Zum
besseren Verständnis
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 ein
Blockschaltbild einer Kopplungseinrichtung nach dem bisherigen Stand
der Technik,
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2 ein
Blockschaltbild einer Kopplungseinrichtung gemäß der Erfindung,
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3 bis 6 eine
schematische Darstellung der Wellenformen des über die Primärwicklung des
Transformators der Kopplungseinrichtung aus 2 fließenden Stroms,
jeweils im Bereitschaftsmodus ohne Datenübertragung im Netz, im Bereitschaftsmodus
mit Datenübertragung über einen
Trägerstrom
im Netz, im Empfangsmodus sowie im Sendemodus.
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7 eine
detailliertere Darstellung einer besonderen Ausgestaltung der Steuerschaltung
einer Kopplungseinrichtung aus 2,
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8 eine
detailliertere Darstellung einer besonderen Ausgestaltung des Selektivfilters
einer Kopplungseinrichtung aus 2,
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9 den
Frequenzgang des Selektivfilters aus 8,
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10 einen
piezoelektrischen Transformator, der in einer Kopplungseinrichtung
gemäß 2 eingesetzt
werden kann.
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1 zeigt
eine Kopplungseinrichtung herkömmlicher
Bauart, die eine Kopplung zwischen einem Elektrogerät 1 und
dem Wechselstrom-Verteilernetz (z. B. 230 V, 50 Hz) erlaubt, welches
in 1 durch einen Phasenleiter P und einen Neutralleiter
N dargestellt ist.
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Die
Kopplungseinrichtung umfasst eine Steuerschaltung 2, die
bidirektional mit dem Elektrogerät 1 verbunden
ist. Die Steuerschaltung 2 wird über eine getrennte Stromversorgung,
die ihm die erforderliche Gleichspannunug zuführt, aus dem Netz gespeist.
Darüber
hinaus ist die Steuerschaltung 2 über einen getrennten Magnetkoppler
mit dem Netz verbunden, welcher Koppler als Koppeltransformator 3 mit
einem Übersetzungsverhältnis von
vorzugsweise 1/1 ausgebildet ist, der durch Modulation des Trägerstroms
eine Datenübertragung
vom Elektrogerät zum
Netz, d. h. in Senderichtung, sowie vom Netz zum Elektrogerät, d. h.
in Empfangsrichtung erlaubt.
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Ber
der in 1 gezeigten bekannten Ausführung umfasst die getrennte
Stromversorgung ein Filter 4, das einspeiseseitig mit dem
Netz und abgangsseitig mit einem Gleichrichter 5 verbunden
ist. An den Ausgang des Gleichrichters 5 ist ein Speicherkondensator
C angeschlossen, der parallel zur Primärwicklung eines Stromversorgungstransformators
T1 liegt, welcher seinerseits in Reihe zu
einer getakteten Stromversorgungsschaltung 6 geschaltet
ist. Ein Steuereingang der getakteten Stromversorgungsschaltung
ist mit der Sekundärwicklung
des Transformators T1 verbunden, so dass
die Ausgangs spannung des Transformators T1 auf
einen bestimmten Wert geregelt werden kann. Die an den Klemmen der
Sekundärwicklung
des Transformators T1 anliegende Ausgangsspannung
wird auf herkömmliche Weise
gleichgerichtet (Gleichrichter 7) und anschließend den
Klemmen eines Speicherkondensators C2 zugeführt, der
eine Versorgungs-Gleichspannung
V an die Steuerschaltung 2 liefert.
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Um
bei der niedrigen Leitungsimpedanz des Netzes (1 bis 10 Ohm) bei
der Frequenz der Trägerwelle
(beispielsweise 132 kHz) eine wirksame Datenübertragung von der Steuerschaltung 2 über den Koppeltransformator 3 zum
Netz zu gewährleisten, muss
die Steuerschaltung 2 einen Verstärker umfassen. Dieser Verstärker erhöht die Stromaufnahme der
Steuerschaltung 2 im Sendebetrieb, so dass eine ausreichend
bemessene und damit großvolumige und
teure Stromversorgungsschaltung erforderlich ist. Die galvanische
Trennung wird durch den Stromversorgungstransformator T1 und
den Koppeltransformator 3 gewährleistet. Eine herkömmliche
Kopplungseinrichtung mit zwei, zur Gewährleistung der galvanischen
Trennung verwendeten Transformatoren weist verhältnismäßig große Abmessungen, eine relativ
komplexe Schaltung und einen hohen Preis auf.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
erlaubt eine Reduzierung der Kosten der Kopplungseinrichtung bei
gleichzeitig – sofern
erforderlich – verbesserter
galvanischer Trennung. Wie aus 2 hervorgeht,
kann bei der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung
der Koppeltransformator 3 entfallen und an seiner Stelle
ein Transformator T2 mit einem Übersetzungsverhältnis von
1/1 verwendet werden, der sowohl die Stromversorgung als auch die
Datenübertragung
zwischen der Steuerschaltung und dem Verteilernetz übernimmt.
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Der
Transformator T2 umfasst eine Primärwicklung,
die in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand R1 und
einem Kondensator C3 geschaltet und über ein
Selektivfilter 8 an das Netz angeschlossen ist. Der Widerstand
R1 kann beispielsweise einen Wert von etwa
10 Ohm und der Kondensator C3 eine Kapazität von etwa
einem Microfarad aufweisen. Der Widerstand R1 dient
zur Strombegrenzung im Überspannungsfall
sowie im Einschaltmoment, wenn der Kondensator C3 entladen
wird. Der Kondensator C3 dient zur Verringerung
des Stroms in der Primärwicklung
des Transformators T2, wenn die Einrichtung
wie nachstehend genauer beschrieben im Empfangsbetrieb arbeitet.
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Des
Weiteren ist ein spannungs- und stromabhängig bidirektional wirkender
Schalter 9 in Reihe zur Primärwicklung des Transformators
T2 geschaltet. Je nachdem, ob die Kopplungseinrichtung
im Bereitschaftsmodus, im Empfangsmodus oder im Sendemodus arbeitet,
wird dieser Schalter mit einer jeweils unterschiedlichen Steuerfrequenz
angesteuert.
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Eine
bidirektional mit dem Elektrogerät 1 verbundene
Steuerschaltung 10 steuert den bidirektionalen Schalter 9 über einen
Umschalter 11 und einen Optokoppler 12. Der Umschalter 11 umfasst
einen, mit dem Ausgang eines Oszillators 13 verbundenen ersten
Eingang, einen mit einem Sendeausgang der Steuerschaltung 10 verbundenen
zweiten Eingang sowie einen dritten Eingang, der mit einem, eine
bestimmte Gleichspannung (V in der Zeichnung) liefernden Ausgang
der Stromversorgung verbunden ist. Der Ausgang des Umschalters 11 ist
mit einem Steuereingang des Optokopplers 12 verbunden.
Die Steuerschaltung 10 steuert die Stellung des Umschalters 11 und
umfasst Eingänge,
die direkt mit den Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators T2 verbunden sind, um im Bereitschaftsmodus
der Einrichtung das Vorhandensein eines Trägersignals erkennen und im
Empfangsmodus Daten empfangen zu können.
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Die
Versorgungsgleichspannung V der Steuerschaltung 10 wird
von der Sekundärwicklung
des Transformators T2 geliefert. Zu diesem
Zweck wird die an den Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators
T2 anliegende Spannung wie in der Schaltung
aus 1 durch einen, vorzugsweise als Zweiweggleichrichter
ausgelegten Gleichrichter 7 gleichgerichtet und anschließend auf
die Klemmen eines Speicherkondensators C2 gegeben.
Ein (nicht dargestelltes) Filter ist vorzugsweise hinter den Gleichrichter 7 geschaltet.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung ist die Spannung an den Klemmen des
Kondensators C2 verhältnismäßig hoch (etwa 30 V), und der
Kondensator C2 ist abgangsseitig mit einer
Tiefsetz- und/oder Regelschaltung 14 bekannter Art verbunden,
um die geeigneten Versorgungsgleichspannungen (5 V und/oder 10 V)
zu liefern. Es sei darauf hingewiesen, dass die an den dritten Eingang
des Umschalters 11 angelegte Spannung von der Versorgungsspannung
V der Steuerschaltung abweichen kann.
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Die
Kopplungseinrichtung nach 2 arbeitet
auf die nachstehend beschriebene Weise.
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Im
Bereitschaftsmodus, in dem praktisch keine Datenübertragung stattfindet, ist
der Ausgang des Umschalters 11 mit seinem ersten Eingang,
d. h. mit dem Ausgang des Oszillators 13 verbunden. Die
Frequenz des Oszillators beträgt
nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung etwa 49 kHz. Die Stromversorgung
arbeitet in diesem Fall wie ein AC/DC-Durchflusswandler (forward converter)
mit einer Schaltfrequenz von 49 kHz. Der über die Primärwicklung
des Transformators T2 fließende, (bei
50 Hz) grundsätzlich
sinusförmige
Strom I wird dabei mit der Taktfrequenz (Taktperiode td) angesteuert,
wie dies schematisch in 3 dargestellt ist (um die Wellenformen besser
erkennen zu können,
sind in den Zeichnungen die Frequenzen nicht maßstabsgetreu dargestellt).
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Bei
der Netzübertragung
von Daten über
einen Trägerstrom
wird der Strom I dabei mit den entsprechenden Daten moduliert. Gemäß der in 4 bis 6 gezeigten
vorzugsweisen Ausgestaltung wird hierzu eine Frequenzmodulation
verwendet, wobei die Trägerfrequenz
132 kHz (tp = Periodendauer der Trägerwelle) beträgt. Die
Wellenform des Stroms I entspricht also dem in 4 gezeigten
Bild. Das Vorhandensein der Trägerwelle
im Netz wird im Bereitschaftsmodus der Einrichtung auf jede geeignete Art
und Weise von der Steuerschaltung 10 in dem mit 49 kHz
angesteuerten, an der Sekundärwicklung
des Transformators anliegenden Stromversorgungssignal erkannt.
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Wird
das Vorhandensein der Trägerwelle
erkannt, schaltet die Steuerschaltung 10 die Einrichtung
vom Bereitschaftsmodus in den Empfangsmodus. Im Empfangsmodus ist
der Ausgang des Umschalters 11 mit dessen dritten Eingang,
d. h. mit einer Gleichspannung verbunden, so dass der bidirektionale
Schalter 9 geschlossen wird. Dadurch wird im Empfangsmodus
die HF-Ansteuerung unterbrochen, und der Strom in der Primärwicklung
des Transformators T2, der nun nicht mehr
angesteuert wird, weist die in 5 gezeigte
Wellenform auf, d. h. er entspricht einer während der Datenübertragungsintervalle
Tr1 und Tr2 modulierten
50-kHz-Sinuswelle.
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Der
Transformator T2 hat ein Übersetzungsverhältnis von
etwa de 1/1, um die Signale im Empfangsmodus nicht zu dämpfen. Die
an der Sekundärwicklung
des Transformators T2 anliegenden Signale können dann
von der Steuerschaltung 10 decodiert und analysiert werden,
so dass diese anschließend das
Elektrogerät 1 entsprechend
ansteuern kann. Der in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators
T2 liegende Kondensator C3 dient
zur Primärstrombegrenzung,
wenn die Impedanz des bei 50 Hz eingespeisten Transformators in
die Nähe
des Kurzschlusswiderstands gelangt.
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Im
Empfangsmodus kann die Steuerschaltung 10 aufgrund der
fehlenden Ansteuerung auf der Primärseite des Transformators T2 die über
das Netz auf die Sekundärseite
des Transformators T2 übertragenen Daten mit einem
optimalen Signal-Störabstand
erfassen. Allerdings unterbricht dies die Aufladung des Speicherkondensators
C2 der Stromversorgung. Um eine korrekte
Funktionsweise der Steuerschaltung im Empfangsmodus zu gewährleisten,
ist der Speicherkondensator C2 so dimensioniert,
dass er im Bereitschaftsmodus eine Energiemenge speichern kann,
die für
die gesamte Betriebsdauer der Einrichtung im Empfangsmodus ausreicht.
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Am
Ende des Empfangsbetriebs bewirkt die Steuerschaltung 10 den Übergang
der Kopplungseinrichtung entweder in den Bereitschaftsmodus oder,
falls ein Antwortsignal in das Netz übertragen werden soll, in den
Sendemodus.
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Im
Sendemodus ist der Ausgang des Umschalters 11 über die
Steuerschaltung 10 mit seinem zweiten Eingang verbunden,
der seinerseits an den Sendeausgang der Steuerschaltung 10 angeschlossen
ist. Die Steuerschaltung 10 sendet dann über ihren
Sendeausgang auf die Trägerfrequenz
(beispielsweise 132 kHz) aufmodulierte Datensignale aus. Diese Trägerfrequenzmodulation
wird durch den Optokoppler 12 auf den bidirektionalen Schalter 9 übertragen.
Dies bewirkt eine Ansteuerung des sinusförmigen 50-Hz-Primärstroms
I durch das modulierte Trägersignal
wie in 6 schematisch dargestellt. Diese Ansteuerung des
Primärstroms
der Stromversorgung erlaubt wie im Bereitschaftsmodus die Einspeisung
der Steuerschaltung durch Wiederaufladung des Speicher kondensators
C2. Gleichzeitig hat dies eine HF-Schwingung
in der Primärwicklung
zur Folge, in der die über
das Netz zu übertragenden
Daten enthalten sind. Die Sendeleistung ergibt sich also aus der
Leistungsaufnahme der Stromversorgung aus dem Netz. Dadurch kann
der Verstärker
der Steuerschaltung entfallen, der in den Kopplungseinrichtungen
nach dem bisherigen Stand der Technik erforderlich war. Durch den
Wegfall dieses Verstärkers
lässt sich
wiederum die Leistungsaufnahme der Steuerschaltung senken (beispielsweise unter
ein 1 W), so dass auch die Leistung und die Abmessungen der Stromversorgungsschaltung
sowie die Kosten der Kopplungseinrichtung insgesamt reduziert werden
können.
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7 zeigt
eine besondere Ausgestaltung der Steuerschaltung 10. Sie
umfasst einen Mikroprozessor 15, der mit dem Elektrogerät 1 und
einem Modem 16 verbunden ist, das die Daten in Form von
modulierten Signalen ausgibt. Der Mikroprozessor 5 und das
Modem 16 werden beide mit der Spannung V oder mit zwei
verschiedenen, von der Tiefsetzschaltung 14 gelieferten
Spannungen gespeist. Der Mikroprozessor 15 steuert den
Umschalter 11. Das Modem 16 erkennt das Trägersignal
im Bereitschaftsmodus und demoduliert im Empfangsmodus die im sekundärseitigen
Signal des Transformators T2 enthaltenen Daten.
Diese Daten überträgt es dann
an den Mikroprozessor 15, der wiederum im Sendemodus die
zu übertragenden
Daten an das Modem weiterleitet.
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Das
Selektivfilter 8 muss die niedrigen Frequenzen (um 50 Hz)
sowie die Ansteuerfrequenz (49 kHz) und die Frequenzen des Sendesignalbandes (um
132 kHz) passieren lassen. Nach einer in 8 gezeigten
vorzugsweisen Ausgestaltung, deren Frequenzgang in 9 dargestellt
ist, werden die Frequenzen kleiner/gleich der Ansteuerfrequenz (49 kHz)
vom Selektivfilter 8 nicht gedämpft, das ein Resonanzverhalten
im Bereich um die Trägerfrequenz (132
kHz) aufweist. Andererseits besitzt das Filter eine sehr hohe Dämpfung bei
Frequenzen oberhalb von 150 kHz (oberer Grenzwert des in Europa
zulässigen
Frequenzbands für Übertragungen
mit Trägerströmen niedriger
Datenübertragungsrate).
Die Ansteuerfrequenz im Bereitschaftsmodus ist so gewählt, dass
Störeinstrahlungen
in das Netz durch den Oszillator 13 verhindert werden und
dass die 3. Harmonische (147 kHz) unter 150 kHz und nicht innerhalb
des Nutzfrequenzbandes des Signals liegt, so dass sie vom Selektivfilter
unterdrückt
wird.
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Das
in 8 gezeigte Filter umfasst eine Reihenschaltung
aus einem Widerstand R2, einem Kondensator
C4, einer Parallelschaltung aus einer Induktivität L1 und einem Kondensator C5,
einer Induktivität
L2 und einer Parallelschaltung aus einem
Widerstand R3 und einem Kondensator C6 mit einer in Reihe dazu liegenden Induktivität L3. Ein Frequenzgang entsprechend der Darstellung
in 9 ergibt sich beispielsweise bei folgenden Filterkenndaten:
R2 = 25 Ohm
C4 = μF
L1 = L2 = 220 μH
C5 = 15 μF
C6 = 47 μF
L3 = 8,2 μH
R3 = 100 Ohm
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene vorzugsweise Ausgestaltung
beschränkt.
Insbesondere können
die Daten frequenzmoduliert oder durch jedes andere geeignete Verfahren,
insbesondere auch phasenmoduliert oder, beispielsweise nach einem
QPSK-Verfahren komplexer
amplituden- und phasenmoduliert werden.
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Der
Transformator 12 kann als herkömmlicher Transformator ausgebildet
sein. An seiner Stelle kann aber auch ein piezoelektrischer Transformator verwendet
werden. Ein solcher, in 10 dargestellter
Transformator besteht aus einem Keramikträger 17 sowie einem
ersten und einem zweiten metallisierten Bereich (18, 19),
die voneinander getrennt sind und jeweils die Primärwicklung
bzw. die Sekundärwicklung
des Transformators bilden.
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In
allen Fällen
erlaubt die Erfindung eine Optimierung der Abmessungen und der Kosten
einer Kopplungseinrichtung für
ein Übertragungssystem mit
Trägerstrom
niedriger Datenübertragungsrate
bei gleichzeitiger Gewährleistung
einer guten galvanischen Trennung gegenüber dem Netz, da einer der
in den bisherigen Kopplungseinrichtungen verwendeten Transformatoren
entfällt
und der Transformator T2 sowohl die Stromversorgungs-
als auch die Übertragungsfunktion
zum Senden und Empfangen von Daten gewährleistet.
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Der
bidirektionale Schalter 9 kann beispielsweise als MOSFET,
der in eine schnelle Diodenbrückenschaltung
integriert ist, oder in Form von zwei in Antiparallelschaltung betriebenen
MOSFETs oder IGBTs ausgebildet sein.