10 Gigabit aus der Drehung

Drehübertragung - Feste Verbindungen über Kabel sind nur für Systeme mit eingeschränktem Drehwinkelbereich geeignet. Geht es um kontinuierliche Drehbewegungen, sind Drehübertrager am Zug.

06. August 2007

Schleifringe übertragen Energie, Signale und Medien. Die kleinsten Schleifring-Module sind mit einem Durchmesser von 2,5 Millimetern kleiner als eine Kugelschreibermine, die größten mit Durchmessern von 1.800 Millimetern wirken zum Beispiel in Computertomographen. Spezialanfertigungen, etwa für mobile Erdölförderanlagen, bringen es sogar auf zwei Meter und wiegen stolze 7,5 Tonnen.

Herkömmliche kontaktierende Schleifringe stoßen aber mit höheren Übertragungsraten zunehmend an ihre physikalischen Grenzen. Dies liegt am Slip-Stick-Effekt, der durch abwechselndes Haften und Gleiten des Abnehmers entsteht. Er hängt unter anderem vom Reibungskoeffizienten der Werkstoffpaarung ab und kann bei hohen Datenraten zu unvertretbaren Informationslücken führen. Bei kleineren Durchmessern bis etwa 20 Millimeter kann der Schleifring theoretisch noch bis zu 1 GBit pro Sekunde kontaktierend übertragen, bei großen Schleifringen wie in der Computertomographie fällt ist die Grenze auf 50 MBit pro Sekunde. Deshalb hatte Schleifring vor etwa zehn Jahren kontaktlose Übertragungsverfahren entwickelt. Damals kamen in Radaranwendungen erstmals kapazitive Übertragungsmethoden zum Einsatz, da hohe Datenraten vorlagen und hohe MTBF-Werte (Mean Time Between Failure) gefordert wurden.

Kurt Dollhofer, Geschäftsführer von Schleifring, propagiert vorausschauende Entwicklung: »Wir haben einem Kunden zwei GBit/s vorgestellt und der sagte uns: ›Das brauchen wir nie‹. Drei Monate später war eine Anfrage für fünf GBit/s im Haus.«

Ein zweiter Ansatz ist, das Portfolio rund um den Schleifring auszudehnen. Dollhofer: »Gebraucht wird auch die Datenübertragungstechnologie wie Encoder oder Direct Drive.«

Die Erfahrungen aus Radarprojekten gelten auch für den medizinischen Sektor. Gefragt sind dort Drehverbindungen zur Versorgung der Röntgenquelle und die kontaktlose Übertragung von digitalen Bilddaten in Computertomogra­phen. Zum Vergleich: Ein einziges dreidimensionales Bild verschlingt die Speicherkapazität von mehr als 30 CDs. Bei diesem enormen Durchsatz sind die Anforderungen an die Übertragungstechnologie sehr hoch.

6.250-mal schneller Die Drehübertragung realisiert Datenraten bis zu 10 GBit in der Sekunde. Bei 300 Umdrehungen in der Minute, so ließen sich theoretisch 100.000 Telefongespräche pro Sekunde gleichzeitig übertragen. Das ist 6.250-mal schneller als die aktuelle DSL-Internetübertragung.

Schleifring untergliedert die Drehübertragung in zwei verschiedene Technologien: GigaCAP und GigaFOS, die jeweils 10 GBit pro Sekunde leisten können. GigaCAP baut die kontaktlose Datenstrecke kapazitiv auf. Das Übertragungsprinzip ist unempfindlich gegen elektrisches Rauschen und erfüllt alle industriellen EMV-Anforderungen. Es gibt keine Kontakte, die ermüden oder sich abnutzen. Dies erhöht die Lebensdauer. Der Einbau einer einfachen Diagnoseanzeige erleichtert die Fehlersuche. Bisher haben die Ingenieure die Datenraten von 80 MBit auf über 20 GBit pro Sekunde und Kanal erhöht. Bei parallel geschalteten Datenstrecken sind es mehr als 40 GBit.

Neu ist die patentierte optische Übertragung per GigaFOS. Bei dieser Technik werden Lichtwellen entlang der lnnenseite einer Wölbung durch Reflexion weitergeleitet. Aus der Akustik ist das Phänomen als »Flüsterhalleneffekt« bekannt. Die Idee ist einfach: Ein Torus wird an der Innenseite verspiegelt, Lichtwellen mittels Lichtleiter tangential eingekoppelt und durch die Reflexionen an der Wand entlang geführt, bis eine Leseeinheit die Lichtsignale abgreift.

Außer Daten auch Energie

Der Abgriff der Information kann bei ausreichender Refle­xion an beliebiger Stelle im Torus erfolgen. Wichtig ist dabei, die Lichtwellen sehr nahe an der Wand zu führen. Dazu ist eine optimale Geometrie des Spiegelgrabens notwendig, um ein möglichst verlustfreies Weiterleiten des Originalsignals zu gewährleisten.

Schleifring liefert Drehverbindungssysteme an Hersteller in Deutschland, USA, Japan, China und Israel. Das Unternehmen beschäftigt sich zudem mit der induktiven kontaktlosen Energieübertragung und kombiniert diese Technologie für viele Anwendungen mit kontaktloser Datenübertragung. Die Serie B unterstützt die Datenbusse CAN-Bus, Profibus und Fast Ethernet sowie kundenspezifische Bussysteme. Der Drehübertrager besteht aus zylindrischem Rotor und Stator sowie abgesetzter stationärer Elektronik.

Kurt Dollhofer, Schleifring/mk

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007