DE955789C - Verfahren und Vorrichtung zur pulsfoermigen Energieuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Übertragung von Signalen zwischen zwei ortsverschiedenen festen oder beweglichen Stationen mittels elektromagnetischer Felder im Nahwirkungsbereich und bezieht sich insbesondere auf Fernsteuerungen. Die Übertragung von Signalen durch Strahlung, z. B. Licht- oder Dezimeter- und Zentimeterwellen, ist allgemein bekannt. So werden z. B. zur Zeichengebung für oder zur Fernsteuerung von

ίο Fahrzeugen elektromagnetische Wellen von einigen Metern bis zu einigen Zentimetern Länge verwendet. Diese Vorschläge sind in bemerkenswertem Umfang nicht zur Durchführung gekommen, weil, abgesehen vom Leistungsaufwand auf der Senderseite, insbeson-

dere bei ortsbeweglichen Stationen auf dem Übertragungsweg veränderliche Reflexionen und Interferenzen, »Wellenführungenci durch Resonanzgebilde und schließlich Abhörmöglichkeit und Störmöglichkeit durch Dritte vorhanden sind.

Andererseits sind zur Fernsteuerung oder Entfernungsmessung auch so lange Wellen verwendet worden, daß das Verhältnis I: λ <sä ι blieb, der Empfänger sich also noch im Nahwirkungsgebiet des Senders befand, in dem bekanntlich der elektrische und magnetische Feldvektor gegeneinander nahezu um π/2 verschoben, oder, physikalisch gesprochen, Sende- und Empfangsantenne nahezu rein induktiv miteinander gekoppelt sind und nur eine Energiepulsation und keine Strömung nach außen stattfindet. Die Intensität nimmt in diesem Gebiet mit der dritten

Potenz der Entfernung ab, so daß bei doppelter Entfernung nur noch etwa der zehnte Teil der Leistung vorhanden ist. Störungen durch Reflexionen und unbefugte Dritte sind daher kaum zu befürchten. Durch die Reichweite (wegen der eben genannten physikalischen Verhältnisse) und durch von anderen Diensten besetzte Frequenzbänder sind der Frequenz der verwendeten Schwingung nach oben, durch den Aufwand in den Schwingungskreisen und Störungen ίο durch technische Wechselfelder nach unten Grenzen gezogen; als vorteilhaft haben sich Frequenzen von io³ < f < io⁴ Hz erwiesen.

Es ist auch bekannt, die Energie zwischen Geber und Empfänger pulsförmig zu übertragen, da dabei die Möglichkeit besteht, den Geber aus Quellen geringer Leistung durch Anwendung von elektrischen oder magnetischen Speicherverfahren zu betreiben. Größere Feldstärken erhält man mit der Energieumsetzung aus dem Speicher in einen einzigen Impuls, jedoch muß dann die Bandbreite des Empfängers aus Gründen des guten Wirkungsgrades wegen des entstehenden breiten Fourier-Spektrums sehr breit gewählt werden, so daß der Empfänger sehr störanfällig wird. Dieses Vorgehen empfiehlt sich daher nur bei Anwendungen, wo solche Störungen nicht zu befürchten sind.

Die Erfindung geht davon aus, daß sich im allgemeinen die Umsetzung in Wellenzüge definierter Frequenz empfiehlt. Der günstigste Energiefluß ergibt sich in diesem Fall, wenn die Impulsfolgefrequenz Ω gleich der Frequenz ω der elektromagnetischen Schwingung ist: Dann wird die Schwingung in jeder Amplitude phasenrichtig angestoßen. Wenn diese Bedingung bei größeren ω nicht zu erfüllen ist, soll wenigstens

Ω =

■ ■ ω

= 2,3

sein. Selbstverständlich kann die Impulsfolgezahl η auch zur Verschlüsselung oder Kennung geändert werden. Der Synchronismus zwischen Impulsgeber und Schwingungskreis wird dabei zweckmäßig durch geeignete Mittel starr gehalten.

Vorteilhaft wird auch auf der Empfangsseite in Resonanz zur Frequenz ω' des Schwingungskreises gearbeitet, und zwar unter Ausnutzung von Resonanzverstärkung in nachgeschalteten Ansprechvorrichtungen, deren Frequenz Ω' auf Ω' = co', mindestens abej

Ω' = — ω'

η = 2, 3

abgestimmt wird.

Es. bedarf keiner besonderen Ausführungen, daß auch im Nahfeld die Kopplung zwischen Geber und Empfänger am günstigsten ist, wenn ω' == ω gemacht wird.

Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung besteht im allgemeinen auf der Geberseite in bekannter Weise aus einer Energiequelle, einer Speichervorrichtung, einem Impulserzeuger und dem Schwingungskreis und auf der Empfängerseite aus einem Empfangsschwingungskreis, der so aufgebaut ist, daß er eine möglichst große Spannung U liefert, und dem sich erfindungsgemäß mit oder ohne Vorverstärkung eine auf Resonanz zur Impulsfrequenz abgestimmte Ansprechvorrichtung anschließt. Die Schwingungskreise von Geber und Empfänger sind über das elektrische oder magnetische Feld gekoppelt. Für die gemäß der Erfindung verwendeten niedrigen Frequenzen empfiehlt sich die magnetische Kopplung.

In diesem Falle werden die Selbstinduktivitäten der Schwingungskreise in bekannter Weise als magnetische Dipole oder Blätter (Rahmen) ausgeführt. Will man bei erdgebundenen, nicht ortsfesten Verbindungen eine Rundcharakteristik erhalten, so werden die Dipolachsen zweckmäßig vertikal angeordnet, Richtungsabhängigkeit erhält man hingegen bei horizontal angeordneten Dipolen. Dabei ist zu beachten, daß im Nahfeld die Richtung des magnetischen wie des elektrischen Vektors der Verbindungslinie zwischen Geber und Empfänger nicht eindeutig zugeordnet ist, wie etwa die Richtung der Vektoren im Fernfeld zur Fortpflanzungsrichtung. Außerdem zieht die Strahlungscharakteristik eines Dipols bekanntlich im Nahfeld in der Äquatorialebene nur bis auf den halben Wert der Maximalintensität in Richtung der Dipolachse ein. Horizontal ausgerichtete Dipole werden daher vorteilhaft mit ihren Achsen in der Hauptverbindungslinie zwischen Geber und Empfänger angeordnet. Dann besteht bei Abweichung aus der Hauptverbindungslinie bei kreisförmig um den feststehenden Empfänger bewegt gedachtem Geber — wobei dessen Dipolachse in Richtung des Verbindungsradius zum Empfänger zeigt — eine Empfangscharakteristik nach Art einer Lemniskate. Die Selbstinduktivitäten der Schwingungskreise können ganz oder zum Teil die Dipole bilden oder mit besonderen Dipolen gekoppelt sein. Als Spulenkerne werden zweckmäßig in bekannter Weise ferromagnetische Stäbe, z. B. Ferritstäbe, vorgesehen. Bei gegebenen Frequenzen ω, gegebener Leistung N= U= · I= und gegebenem Gesamtquerschnitt F des magnetischen Kernes ist dabei gemäß weiterer Erfindung aus physikalischen Gründen geber- und empfängerseitig verschieden vorzugehen. Es zeigt sich, daß — da die Induktivität L einer Spule mit Eisenkern (μ)
~ vr · μ ■ r

und das magnetische Feld dieser Spule

ist — es günstiger ist, den magnetischen Querschnitt beim Geber in einer Spule konzentriert zu lassen, beim Empfänger dagegen — da die erzielbare Spannung

Ü7_ ~ μ· η· F

mit der Reihenschaltung von zwei Kreisen, jeder mit der Induktivität L bei unterteiltem Querschnitt F\i, wächst,—zu unterteilen. Bei genauer Abstimmung auf Frequenz ω' = ω können diese Teilinduktivitäten, wie gefunden wurde, dicht beieinander angeordnet werden, ohne sich ungünstig zu beeinflussen.

Die induktive Kopplung zwischen Geber und Empfänger im Nahfeld kann durch das Ersatzschaltbild des Transformators dargestellt werden. Daraus folgt,

daß der Strom im Primärkreis durch die Belastung im Sekundärkreis maßgeblich bestimmt wird. Im Geber kann daher in geeigneten Fällen mit Vorteil eine empfindliche Anzeigevorrichtung angeordnet werden, mittels deren das Ansprechen des Empfängers beobachtet werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und ihre vorteilhaften AnwendungsmögÜGhkeiten werden im folgenden am Beispiel einer Uberholrufanlage zwischen to nicht schienengebundenen Fahrzeugen, z. B. Kraftfahrzeugen auf der Landstraße, beschrieben. Sie kann aber ebensogut auf Übertragungseinrichtungen angewendet werden, bei denen der Geber ortsfest ist, wie z. B. zur Fernsteuerung von Spielzeugen od. dgl., oder der Empfänger ortsfest ist, wie z. B. zum ferngesteuerten Öffnen der Garagentür vom Kraftwagen aus, oder beide Stationen ortsfest sind, wie z. B. zur Fernbetätigung eines Empfangsgerätes, sofern nur die höchstzulässige Entfernung oder die Wellenlänge so gewählt ist, daß die Übertragung im Nahwirkungsbereich des elektromagnetischen Feldes stattfindet. In der Zeichnung bedeutet

Fig. ι das Blockschaltbild einer Überholrufanlage, Fig. 2 das einfache Prinzipschaltbild des Gebers zu Fig. i,

Fig. 3 ein erweitertes Prinzipschaltbild des Gebers, Fig. 4 eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1 mit Kopplung zwischen Impuls- und Schwingkreis, Fig. 5 eine Darstellung der Antennenanordnung auf der Empfängerseite,
Fig. 6 ihre Schaltung,

Fig. 7 und 8 Schaltungsbeispiele für niederohmige Rahmen.

In Fig. ι ist mit 1 die Stromquelle, z. B. eine Autobatterie, mit 2 ein Impulserzeuger, mit 3 der Schwingungskreis des Gebers, mit 4 der Schwingungskreis des Empfängers, mit 5 eine Vorverstärkerstufe und mit 6 die Ansprechvorrichtung des Empfängers, z. B. ein Resonanzrelais mit Hupenkontakt oder Lichtsignal, bezeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel für die Geberschaltung zeigt Fig. 2. Der Schwingungskreis 3 besteht aus einem Kondensator 10 und einer Selbstinduktivität 11 und ist auf die Frequenz ω abgestimmt. Die Spule 11 kann mit einem Kern 12 aus ferromagnetischem Material, z. B. Ferrit, versehen sein.

Der Schwingungskreis 3 ist unmittelbar oder über

die Spule 11 in Autotransformatorschaltung mit der Stromquelle 1 verbunden. In der Zuleitung liegt ein Unterbrecherkontakt 17, der zu einem beliebigen Unterbrecher 14 gehört. Der Unterbrecher kann ein Zerhacker oder, wie an sich bekannt, das elektrische Horn des Fahrzeuges mit seiner Magnetspule 16 sein.

Der Hauptschalter 18 ist dann der Hupenknopf am Steuerrad.

Bei jedem Schließen und Öffnen des Kontaktes 17 wird elektrische Energie im Magnetfeld der Spule 11 gespeichert und der Schwingungskreis 3 im Rhythmus Ω dieses Vorganges zu Schwingungen mit der Frequenz ω angestoßen. Die Anordnung ist besonders geeignet, solange ω S> Ω ist.

"Die Magnetspule 16 des Homes in Reihe mit der Selbstinduktivität des Transformators 11 kann zu gegenseitigen Beeinflussungen Anlaß geben, weshalb es vorteilhafter ist, den Kreis 13 und den Hupenkreis nur über einen Kontakt des Selbstunterbrechers zu koppeln, beide Kreise aber getrennt zu speisen. Falls der Unterbrecherkontakt nicht sauber genug unterbricht und eine genügend hohe Spannung zur Verfügung steht, kann in die Zuleitung zum Schwingungskreis noch eine Löschfunkenstrecke, z. B. eine Gasentladungsröhre mit kalter Kathode, eingeschaltet werden, damit nicht die Energie aus dem Schwingungskreis 3 zurückfließt und der Kreis durch den Unterbrecher zu stark bedämpft wird. Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung nach Fig. 2 mit diesen Vorteilen: Das elektrische Horn besitzt zwei Unterbrecherkontakte 17 und 17 _a. Der Schwingungskreis 3 ist über einen Transformator 15 zur Heraufsetzung der Spannung an den Impulskreis 2 angekoppelt; die Energie wird im magnetischen Feld der Primärwicklung dieses Transformators gespeichert. Die Gasentladungsröhre 19 dient als Trennstrecke für den Kreis 3.

Eine Abwandlung der Geberschaltung, die besonders geeignet ist, sobald ω = Ω ist, zeigt Fig. 4. Sie erlaubt eine Kopplung zwischen Unterbrecher- und Schwingungskreis, durch die Synchronismus zwischen beiden Kreisen erzwungen wird. Die Einschaltung des Kreises 2 kann durch einen zweiten Hupenkontakt- go ΐ8_α erfolgen.

Der Transformator 15, dessen Sekundärspule die Schwingkreisinduktivität 11 bildet, -ist zugleich als Unterbrecher ausgebildet. Der Unterbrecherkontakt 17 ist durch einen Widerstand 20 überbrückt, der durch eine Vormagnetisierung der Primärspule 16 eine Frequenzverdopplung verhindert.

Mit dem Instrument 21 ist eine empfindliche Anzeigevorrichtung angedeutet, an deren Ausschlag das Ansprechen eines Empfängers z. B. durch die Stromerhöhung oder Änderung der Phase zwischen Strom und Spannung im Schwingkreis mit der Belastung im Nahfeld beobachtet werden kann. Mittels einer solchen oder ähnlichen, in zweckmäßiger Weise geschalteten Anzeigevorrichtung kann also der Fahrer, der freie Bahn zum Überholen verlangt, erkennen, ob das Gerät auf dem vorausfahrenden Fahrzeug angesprochen hat.

Während gemäß der gegebenen Regel der zur Verfügung stehende Gesamtquerschnitt F eines ferromagnetischen Werkstoffes auf der Geberseite als Kern in einer Selbstinduktionsspule konzentriert wird, wird er auf der Empfängerseite zweckmäßig aufgeteilt. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung von sieben Spulen mit Ferritstäben vom Querschnitt It · F als Kern in gleichmäßigen Abständen zueinander. Das Prinzipschaltbild Fig. 6 zeigt die Reihenschaltung der Schwingungskreise, denen die Spulen zugehören. Die Spannung U~ ist um den Faktor Yygrößer als die von einem einzigen Schwingungskreis mit der gleichen Induktivität, aber einem Kernquerschnitt F gelieferte Spannung.

Die Induktivität 11' kann auch als Luftrahmen (magnetisches Blatt) ausgeführt "erden. In diesem Fall wird es zweckmäßig sein, den Rahmen 23 mit einer Induktivität 22 (mit Eisenkern) gemäß Fig. 7

in Reihe zu schalten, um bei den verwendeten niedrigen Frequenzen die Abstimmkapazität io' nicht zu groß werden zu lassen.

Schließlich ist es auch möglich, den Rahmen gemäß Fig. 8 induktiv an eine Spule ii' anzukoppeln.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur pulsförmigen Energieübertragung zwischen ortsverschiedenen festen oder beweglichen drahtlosen Stationen, deren Abstand kleiner ist als die Wellenlänge der benutzten elektromagnetischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfrequenz gleich der Impulsfolgefrequenz, oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Übertragungsfrequenz mindestens zwei Größenordnungen größer ist als der höchstzulässige Abstand der Stationen während der Übertragung.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfrequenz zwischen io³ und io⁴ Hz liegt.
4. 4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch auf die Impulsfolgefrequenz in Resonanz abgestimmte Schaltungsmittel auf der Empfängerseite.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4 bei Verwendung einer Energiequelle geringer Leistung, gekennzeichnet durch elektrische Schaltungsmittel zur Energiespeicherung im elektrischen oder magnetischen Feld auf der Geberseite.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstinduktionsspulen der gegebenenfalls abstimmbaren Schwingungskreise (3, 4) des Gebers und/oder Empfängers mit Kernen aus ferromagnetischen Materialien, vorzugsweise Ferriten, versehen sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Empfängerseite der zur Verfügung stehende Querschnitt des ferromagnetischen Materials aufgeteilt ist und eine entsprechende Zahl von auf die Empfangsfrequenz abgestimmten Schwingungskreisen mit Spulen (11) mit Kernen entsprechend kleinen Querschnitts in Reihe geschaltet ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in Kraftfahrzeugen od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzbestimmende Schwingungskreis

   (3) des Gebers auf die Frequenz des Unterbrechers (14) eines elektrischen Horns abgestimmt ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle (1), deren einer Pol über einen Einschalter (i8₀), z. B. einen Kontakt des Schalters für das Signalhorn, mit dem durch einen Widerstand (20).überbrückten Kontakt (17) des Unterbrechers und deren anderer Pol mit dem freien Ende der Selbstinduktionsspule (16) des Unterbrechers verbunden ist, und dadurch, daß die Selbstinduktionsspule mit der Spule (11) des· Schwingungskreises (3) gekoppelt ist oder ganz oder teilweise von dieser gebildet wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 361 446;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 588 879.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 6095W/346T.56