BRPI0609871A2 - acoplador indutivo para comunicações através de linhas de alimentação - Google Patents
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Abstract
ACOPLADOR INDUTIVO PARA COMUNICAçõES ATRAVéS DE LINHAS DE ALIMENTAçãO. Descreve-se um acoplador indutivo para acoplar um sinal a um condutor. O acoplador indutivo inclui (a) um núcleo magnético que tem uma abertura através da qual o condutor é roteado, (b) um enrolamento enrolado em volta de uma parte do núcleo magnético, onde o sinal é acoplado entre o enrolamento e o condutor por meio do núcleo magnético, (c) um material eletricamente isolante situado entre o enrolamento e o núcleo magnético e (d) um material compressível entre o núcleo magnético e o material eletricamente isolante. O material compressível tem uma dureza que é menor que a do material eletricamente isolante.
Description
"ACOPLADOR INDUTIVO PARA COMUNICAÇÕES ATRAVÉS DE LINHAS DE ALIMENTAÇÃO"
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
1. Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a comunicaçõesatravés de linhas de alimentação e, mais especificamente, àconfiguração de um acoplador de dados para comunicaçõesatravés de linhas de alimentação.
2. Descrição da Técnica Correlata
As comunicações através de linhas de alimentação(PLC), também conhecidas como banda larga através de linhade alimentação (BPL), constituem uma tecnologia que englobaa transmissão de dados a freqüências elevadas através delinhas de energia elétrica, isto é, condutores utilizadospara portar uma corrente de energia. Um acoplador de dadospara comunicações através de linhas de alimentação acoplaum sinal de dados entre uma linha de alimentação e umdispositivo de comunicação, tal como um modem.
Um exemplo de tal acoplador de dados é umacoplador indutivo que inclui um conjunto de núcleos e umenrolamento enrolado em volta de uma parte dos núcleos. 0acoplador indutivo funciona como um transformador, no qualos núcleos são situados em uma linha de alimentação, demodo que a linha de alimentação serve como um enrolamentoprimário do transformador, e o enrolamento do acopladorindutivo é um enrolamento secundário do transformador.
Os núcleos são tipicamente construídos commateriais magnéticos, tais como ferritas, metal em pó oumaterial nano-cristalino. Os núcleos são eletrificados porcontato com a linha de alimentação e exigem isolamento doenrolamento secundário. Tipicamente, o isolamento éapresentado entre os núcleos e o enrolamento secundárioembutindo-se tanto os núcleos quanto o enrolamentosecundário em um material eletricamente isolante, tal comoepóxi. Durante o processo de moldagem, o materialeletricamente isolante atinge uma temperatura elevada. Àmedida que o material eletricamente isolante, em estadoliquido, flui em volta dos núcleos, ele começa a resfriar-se e contrair-se. 0 coeficiente térmico de expansão domaterial eletricamente isolante é tipicamente muito maiselevado que o do núcleo e, conseqüentemente, a rachadurapor tensão do material eletricamente isolante pode ocorrerdurante a transição do estado liquido para o sólido.
No funcionamento no campo, os núcleos magnéticosrigidamente mantidos de material quebradiço podem rachardevido à vibração ou expansão térmica. Há necessidade de umacoplador indutivo configurado para evitar tal rachadura.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
É apresentado um acoplador indutivo para acoplarum sinal a um condutor. 0 acoplador indutivo inclui (a) umnúcleo magnético tendo uma abertura através da qual ocondutor é roteado, (b) um enrolamento enrolado em volta deuma parte do núcleo magnético, em que o sinal é acopladoentre o enrolamento e o condutor por meio do núcleomagnético, (c) um material eletricamente isolante situadoentre o enrolamento e o núcleo magnético e (d) um materialcompressivel situado entre o núcleo magnético e o materialeletricamente isolante. 0 material compressivel tem umadureza que é menor que a do material eletricamenteisolante.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 é uma vista frontal e em cortetransversal de um acoplador indutivo em uma linha dealimentação.A Figura 2 é uma vista em corte transversal de umnúcleo superior e um núcleo inferior de um acopladorindutivo, com camadas compressiveis em volta dos núcleos.
A Figura 3 é uma vista em corte transversal de umnúcleo superior e um núcleo inferior de um acopladorindutivo com camadas compressiveis que expõem assuperfícies dos núcleos.
A Figura 4 é uma vista em corte transversal de umnúcleo superior e um núcleo inferior de um acopladorindutivo, com o isolamento servindo como uma camadacompressivel em volta dos núcleos.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
Em um sistema PLC, a corrente de energia étipicamente transmitida através de uma linha de alimentaçãoa uma freqüência na faixa de 50-60 hertz (Hz) . Em uma linhade baixa tensão, a corrente de energia é transmitida comuma tensão de entre cerca de 90 e 600 volts e, em uma linhade tensão média, a corrente de energia é transmitida comuma tensão de entre cerca de 2 400 volts e 35 000 volts. Afreqüência dos sinais de dados é mais elevada do que ouigual à cerca de 1 megahertz (MHz), e a tensão do sinal dedados varia de uma fração de um volt a algumas dezenas devolts.
A Figura 1 mostra uma vista frontal comcomponentes internos visiveis com linhas tracejadas, e umavista em corte transversal, de um acoplador indutivo 100 emum condutor, isto é, em uma linha de alimentação 110. 0acoplador indutivo 100 tem um núcleo magnético divididoconfigurado com um núcleo superior 120 e um núcleo inferior125, que são conformados de modo que, quando são colocadosem adjacência um ao outro, proporcionem uma abertura 105através da qual a linha de alimentação 110 é roteada. 0acoplador indutivo 100 tem também um enrolamento 130enrolado em volta de uma parte do núcleo inferior 125. 0enrolamento 130 é para conexão com um modem ou outroequipamento de comunicação (não mostrado). Na Figura 1, oenrolamento é mostrado como sendo enrolado uma vez em voltado núcleo inferior 125, mas na prática o enrolamento 130pode ser enrolado duas ou mais vezes. Um sinal de dados éacoplado entre o enrolamento 130 e a linha de alimentação110 por meio do núcleo magnético dividido.
O núcleo superior 120 é envolvido por um materialcompressive1, configurado como uma camada interna 140B, umacamada externa 140A, uma camada de extremidade 140C e umacamada de extremidade de extremidade 14OD. Uma camada 150de material eletricamente isolante é. disposta sobre acamada externa 140A, a camada de extremidade 140C e acamada de extremidade 140D.
O núcleo inferior 125 é envolvido por um materialcompressivel, configurado como uma camada interna 14 5B, umacamada externa 145A, uma camada de extremidade 145C e umacamada de extremidade 145D. Uma camada 155 de materialeletricamente isolante é disposta sobre a camada interna145B, a camada externa 145A, a camada de extremidade 140C ea camada de extremidade 140D. A camada 155 também envolve aparte do enrolamento 130 que é enrolada em volta do núcleo 125.
O material compressivel da camada interna 140B,da camada externa 140A, da camada de extremidade 140C e dacamada de extremidade 140D tem uma dureza que é inferior àdo material eletricamente isolante da camada 150. A camadaexterna 14 0A, a camada de extremidade 140C e a camada deextremidade 140D se comprimem à medida que a camada 150 secura, resfria e contrai durante o processo de moldagem. Talcompressão impede a rachadura da camada 150 durante a fasede resfriamento. Além disto, a camada externa 140A, acamada interna 140B, a camada de extremidade 140C e acamada de extremidade 14 0D proporcionam uma vedaçãoambiental para o núcleo superior 120.
O material compressivel da camada externa 145A,da camada interna 145B, da camada de extremidade 145C e dacamada de extremidade 145D tem uma dureza que é inferior àdo material eletricamente isolante da camada 155. A camadaexterna 145A, a camada interna 145B, a camada deextremidade 14 5C e a camada de extremidade 145D secomprimem à medida que a camada 155 se cura, resfria e secontrai durante o processo de moldagem. Tal compressãoimpede a rachadura da camada 155 durante a fase deresfriamento. A camada externa 145A, a camada interna 145B,a camada de extremidade 14 5C e a camada de extremidade 14 5Dtambém proporcionam uma vedação ambiental para o núcleoinferior 125.
O material compressivel das camadas externas 140Ae 145A, das camadas internas 140B e 145B, das camadas deextremidade 140C, 140D, 145C e 145D tem de preferência umadureza, em uma leitura de graus de um Durômetro do TipoShore A de Dureza, que varia na faixa de cerca de 10 acerca de 100. Um exemplo de tal material é o Monômero deEtileno-Propileno-Dieno (EPDM). Procedimentos de teste dedureza são apresentados pela Sociedade Americana paraTestes & Materiais, ASTM D2240-04.
No funcionamento prático, o acoplador indutivo100 pode ser submetido a diversas temperaturas e condiçõesambientais, como, por exemplo, calor de verão, frio deinverno, chuva, neve e gelo. Por causa da diferença entreos coeficientes térmicos de expansão do núcleo superior 120e da camada 150, uma folga pode desenvolver-se entre onúcleo superior 120 e a camada 150. A água pode acumular-sena folga, em seguida congelando e expandindo-se, isto é,expansão por congelamento, exarcebando ainda mais a folga,e provocando rachaduras tanto no núcleo superior 120 e nacamada 150. Tais folgas e rachaduras no acoplador indutivo100 podem levar a descargas elétricas, causando ruido deradiofreqüência, o que é prejudicial para o funcionamentode um sistema de comunicação através de linhas dealimentação. Uma descarga elétrica pode provocar também adeterioração do material eletricamente isolante da camada150 ao longo do tempo e pode levar a falhas de isolamento.
A camada externa 140A, a camada de extremidade 140C e acamada de extremidade 140D vedam tais folgas e rachaduras ereduzem assim a probabilidade de ocorrência de descargas.Além disto, a camada externa 140A, a camada interna 140B, acamada de extremidade 140C e a camada de extremidade 14 0Dabsorvem o choque e a vibração físicos que podem danificaro núcleo superior 120. A camada externa 145A, a camadainterna 145B, a camada de extremidade 145C e a camada deextremidade 145D proporcionam benefícios semelhantes para acamada 155 e o núcleo inferior 125.
O material compressivel das camadas externas 14 0Ae 145A, das camadas internas 140B e 145B e das camadas deextremidade 14 0C, 140D, 145C e 145D tem também, depreferência, uma propriedade elétrica de semi-condução.
Assim, cada uma das camadas externas 140A e 145A e dascamadas internas 140B e 145B, quando submetidas a uma cargaelétrica, distribuem a carga elétrica através de seusrespectivos volumes e apresentam um volume equipotencial.Em uma implementação preferida, a resistividade em massadas camadas externas 14 0A e 145A e das camadas internas140B e 145B é de entre cerca de 5 e cerca de 1000 ohm-cm,de modo que a diferença de tensão entre o núcleo superior120 e o núcleo inferior 125 não ultrapassará 2% da tensãona linha de alimentação 110.A camada externa 140A, a camada interna 140B, acamada de extremidade 140C e a camada de extremidade 140Dficam em contato fisico e elétrico com a camada externa145A, a camada interna 145B, a camada de extremidade 145C ea camada de extremidade 145D. 0 núcleo superior 120 e onúcleo inferior 125 são assim conectados um ao outro eficam a um potencial elétrico comum um ao outro, reduzindoao minimo qualquer diferença de potencial que possa causaruma descarga elétrica entre o núcleo superior 120 e onúcleo inferior 125. As camadas externas 140A e 145A, ascamadas internas 140B e 145B e as camadas de extremidade140C, 140D, 145C e 145D formam coletivamente uma bainhasemi-condutora que reduz ao minimo a descarga ou descargaluminosa parcial no acoplador indutivo 100.
A Figura 2 é uma vista em corte transversal donúcleo superior e do núcleo inferior de um acopladorindutivo, com camadas compressiveis em volta dos núcleos. Onúcleo superior 120 tem uma superfície polar 200, e onúcleo inferior 125 tem uma superfície polar 205. Asuperfície polar 200 e a superfície polar 205 são afastadasuma da outra por uma folga 210.
O termo "folga" é um termo da técnica que serefere a uma região, entre os núcleos magnéticos, que temum material não magnético na mesma. As folgas aperfeiçoamas características magnéticas de um circuito magnético a umnivel de corrente elevado.
A camada externa 140A, a camada interna 140B e ascamadas de extremidade 140C e 140D (não mostradas na Figura2) convergem umas para as outras e cobrem a superfíciepolar 200. A camada externa 145A, a camada interna 145B eas camadas de extremidade 145C e 145D (não mostradas naFigura 2) convergem umas para as outras e cobrem asuperfície polar 205. Assim, as camadas proporcionam umrecheio de material não magnético para a folga 210. Estaconfiguração do material na folga 210 também amortece ochoque e a vibração físicos causados às superfícies polares200 e 205, reduzindo a probabilidade de fratura do núcleosuperior 120 e do núcleo inferior 125.
A Figura 3 é uma vista em corte transversal donúcleo superior e do núcleo inferior de um acopladorindutivo com camadas compressiveis que expõem assuperfícies dos núcleos. As camadas externas 140A e 145A,as camadas internas 140B e 145B, as camadas de extremidade140C, 140D, 145C e 145D (não mostradas na Figura 3)terminam na, e não cobrem a, superfície polar 220 e 225.Entretanto, as camadas externas 140A e 145A, as camadasinternas 140B e 145B e as camadas de extremidade 140C,145C, 140D e 145D ficam em contato umas com as outras.
Assim, há continuidade elétrica entre as camadas externas140A e Í45A, as camadas internas 140B e 145B e as camadasde extremidade 140C, 145C, 140D e 145D.
A Figura 4 é uma vista em corte transversal donúcleo superior e do núcleo inferior de um acopladorindutivo, com o isolamento funcionando como uma camadacompressivel em volta dos núcleos. Uma camada 400 édisposta sobre a superfície externa do núcleo superior 120e disposta sobre a superfície interna e a superfícieexterna do núcleo inferior 125. A camada 400 é composta deum material que é tanto isolante quanto compressivel. Ouseja, a camada 400 é um isolador e também compressivel paraa sobre-moldagem do núcleo superior 120 e do núcleoinferior 125. De preferência, a camada 400 tem uma durezaem uma leitura de graus de um Durômetro do Tipo Shore A deDureza, que varia na faixa de cerca de 10 a cerca de 100. Acamada 400 pode ser composta de silicone, por exemplo.As técnicas aqui descritas são exemplares e nãodevem ser interpretadas como implicando qualquer limitaçãoespecifica à presente invenção. Deve ficar entendido quediversas alternativas, combinações e modificações podem serconcebidas pelos versados na técnica. A presente invençãodestina-se a englobar todas as alternativas, modificações evariações que se incluam dentro do alcance dasreivindicações anexas.
Claims (11)
1. Ura acoplador indutivo para acoplar um sinal aum condutor, compreendendoum núcleo magnético tendo uma abertura através daqual o condutor é roteado;um enrolamento enrolado em volta de uma parte donúcleo magnético, em que o sinal é acoplado entre oenrolamento e o condutor por meio do núcleo magnético;um material eletricamente isolante situado entreo enrolamento e o núcleo magnético; eum material compressivel situado entre o núcleomagnético e o material eletricamente isolante,em que o material compressivel tem uma dureza queé menor que a do material eletricamente isolante.
2. 0 acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 1, no qual a dureza do material compressivelestá em uma leitura de graus de um Durômetro do Tipo ShoreA de Dureza, que varia na faixa de cerca de 10 a cerca de 100.
3. 0 acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 1, no qual o material compressivel tem umapropriedade elétrica semi-condutiva.
4. O acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 1, no qual o material compressivel tem umaresistividade de entre cerca de 5 e cerca de 1000 ohm-cm.
5. O acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 1, compreendendo adicionalmente um materialcompressivel em uma superfície externa do núcleo magnético.
6. O acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 1,no qual o núcleo magnético compreende um núcleosuperior e um núcleo inferior separados por uma folga; eno qual o acoplador indutivo compreendeadicionalmente um material compressivel situado na folga.
7. 0 acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 1, no qual o condutor porta uma tensão deentre cerca de 90 a 600 volts.
8. O acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 1, no qual o condutor porta uma tensão deentre cerca de 2 400 volts a 35 000 volts.
9. O acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 1, no qual o sinal tem uma freqüência maiordo que ou igual à cerca de 1 megahertz.
10. Um acoplador indutivo para acoplar um sinal aum condutor, compreendendoum núcleo magnético tendo uma abertura através daqual o condutor é roteado;um enrolamento enrolado em volta de uma parte donúcleo magnético, em que o sinal é acoplado entre oenrolamento e o condutor por meio do núcleo magnético; eum material eletricamente isolante situado entreo enrolamento e o núcleo magnético tendo uma leitura degraus em um Durômetro do Tipo Shore A de Dureza, que variana faixa de cerca de 10 a cerca de 100.
11. 0 acoplador indutivo, de acordo com areivindicação 10, compreendendo adicionalmente um materialeletricamente isolante em uma superfície externa do núcleomagnético tendo uma leitura de graus em um Durômetro doTipo Shore A de Dureza, que varia na faixa de cerca de 10 acerca de 100.
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