DE102004004486A1 - Anordnung zur übertragerlosen elektronischen Stromeinspeisung in die Signalleitungen eines lokalen Netzes - Google Patents

Abstract

Anordnung zur Stromeinspeisung in die Signalleitungen (L1 bis L4) eines lokalen Netzes zur Stromversorgung eines Endgerätes (PD), mit aktiven und/oder passiven elektronischen Mitteln zur Speisespannungs-Einkopplung.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stromeinspeisung in die Signalleitungen eines lokalen Netzes.
• In lokalen Netzen (Local Area Networks = LAN), bei denen die physische Datenübertragung beispielsweise über 4-Draht-Leitungen (Twisted pairs) erfolgt, wird die Speisung von Endgeräten in der Regel über zusätzliche Drähte geführt.
• Auf Grund vorgegebener Installationen und/oder zur besseren Ausnutzung von Kabel-Installationen kann es von Vorteil sein, die Speisung von Endgeräten über die 4 Datenleitungen – also ohne zusätzliche Speiseadern – zu führen. Dieses Prinzip ist für LANs mit Standard-Ethernet-Kabel im IEEE-Dokument "802.3af" standardisiert.
• Konkret kann beispielsweise ein über ein LAN vernetzter Rechner-Arbeitsplatz durch ein aus dem LAN gespeistes IP-Telefon ergänzt werden, ohne die vorhandene 8-adrige Standard-Verkabelung (Twisted pair) zu modifizieren.
• Bei der Speisung über die Datenleitungen werden in der Regel sogenannte Phantom-Speiseschaltungen eingesetzt. In einem 4-Draht LAN erfolgt die Phantomspeisung mit der in 1 gezeigten Anordnung. 1 zeigt auf der linken Seite die Speisespannungs-Einkopplung für ein zu versorgendes Endgerät PD über eine Versorgungseinrichtung PSE und auf der rechten Seite die Speisespannungs-Auskopplung am Endgerät. Die Empfangsseite ist jeweils mit Rx und die Sendeseite mit Tx be zeichnet. Einkopplungs- und auskopplungsseitig sind jeweils ein Übertrager Ü1, Ü2 bzw. Ü3, Ü4 vorgesehen. Auf der Einkopplungsseite ist die Stromversorgungseinrichtung PSE über entsprechende Anzapfungen jeweils mit den Sekundärseiten der Übertrager T1 und T2 verbunden, und zur Sekundärseite sind ohmsche Widerstände R1 bzw. R2 parallel geschaltet. Gewissermaßen spiegelbildlich hierzu ist die Ausführung auf der Auskopplungsseite, wo das zu versorgende Gerät PD zwischen Anzapfungen der Primärseite der Übertrager T3 und T4 und hierzu Widerstände R3 bzw. R4 parallel liegen.
• Bei Phantomschaltungen werden Übertrager verwendet, die einen relativ großen Raumbedarf – insbesondere eine große Bauhöhe – und hohe Kosten im Vergleich zu anderen elektronischen Standard-Bauelementen aufweisen.
• Es sind Lösungen bekannt, die zur Einkopplung der Speisespannung die Leitungs-Abschluss-Widerstände nutzen. Diese Lösungen haben den Nachteil, dass sie einen relativ schlechten Wirkungsgrad (ca. 70%) aufweisen. Dies kann bei kleinen Verbraucherleistungen durchaus ausreichend sein, insbesondere, wenn der äußerst geringe Aufwand für die Schaltung in Rechnung gestellt wird. Bei größeren Verbraucherleistungen sind aber Lösungen mit geringeren Verlustleistungen wünschenswert.
• Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die Leitungs-Abschluss-Widerstände nicht immer frei verfügbar sind, weil sie z.B. von der Sendeendstufe (Tx) als Innen-Widerstand (Serien-Widerstand) genutzt werden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zur Stromeinspeisung von Endgeräten in einem lokalen Netz über die Datenleitungen anzugeben, die sich insbesondere durch geringe Baugröße und niedrige Kosten sowie eine geringe Verlustleistung auszeichnet.
• Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, zur Raum- und/oder Kostenersparnis die Übertrager durch passive oder aktive elektronische Lösungen zu ersetzen.
• In der vorgeschlagenen Lösung erfolgt die Signalein- bzw. Signalauskopplung (Tx, Rx) kapazitiv.
• Die Speisespannungseinkopplung erfolgt über die "Anpassungs"-Schaltungen, die aus elektronischen, aktiven und/oder passiven, Bauelementen bestehen. Gegebenenfalls können die Abschluss-Widerstände der Leitungen in die Anpassungs-Schaltungen mit einbezogen werden. Die Anpassung muss in der Weise erfolgen, dass die Signalübertragung (Rx, Tx) nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Die Speisespannungs-Auskopplung erfolgt sinngemäß ebenso.
• Die im folgenden beschriebene Lösung beschränkt sich aus prinzipiellen Gründen, im Hinblick auf den Unterschied zwischen Quelle und Senke, auf die Strom-Einspeisung (Quelle), also auf das sog. Power Sourcing Equipment (PSE).
• Ein wesentlicher Gedanke der konkreten Ausführung besteht darin, die Einkopplung der Speisespannung mittels elektronischer Drosseln vorzunehmen.
• Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
• 1 eine herkömmliche Phantomspeisung über die Datenleitungen in einem 4-Draht-LAN,
• 2 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Ausführung der Erfindung,
• 3 das Prinzip einer mit diskreten Schaltungsmitteln realisierten elektronischen Speise-Drossel und
• 4 eine Stromeinspeisungs-Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei einem 4-Draht-LAN.
• 2 zeigt – in Anlehnung an die Darstellung von 1 – eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die Spannungsversorgungseinrichtung wieder mit PSE und das zu versorgende Gerät mit PD und die Empfangs- und Sendeseiten mit Rx und Tx bezeichnet sind. Auch die Bezeichnung der an den jeweiligen Empfangs- bzw. Sendeseiten zwischengeschalteten Widerstände als R1 bis R4 entspricht 1.
• Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass zur Signalein- bzw. -auskopplung auf der Empfangs- bzw. Sendeseite in den einzelnen Leitungen Koppelkondensatoren C11 bis C42 vorgesehen sind. Eine zweite wesentliche Abweichung von der herkömmlichen Ausführung besteht in der jeweils empfangs- sowie sendeseitigen Zwischenschaltung einer elektronischen Anpassungsschaltung AD1, AD2 zwischen die Stromversorgungseinrichtung PSE und die zugehörigen Leitungsabschnitte L1, L2 bzw. L3, L4 bzw. von entsprechenden Anpassungsschaltungen AD3, AD4 zwischen die entsprechenden auskopplungsseitigen Leitungsabschnitte und das zu versorgende Gerät PD.
• Das Prinzip einer mit diskreten Schaltungsmitteln realisierten elektronischen Speise-Drossel – also mit gleichstromführenden Eigenschaften – ist an sich bekannt; vgl. dazu 3. Dargestellt ist die Ausführung mit PNP-Transistor. Die Ausführung mit NPN-Transistor ist analog. Da diese Figur selbsterklärend ist, ist eine zusätzliche Beschreibung hier verzichtbar.
• Prinzipiell wird bei einem 4-Draht-LAN auf der speisenden Seite (Quelle) eine elektronische Speise-Drossel je Draht eingesetzt.
• 4 zeigt eine konkrete Ausführung der Spannungseinkopplungs-Seite, wobei die Richtung zu einem zu versorgenden Gerät PD mit einem entsprechend bezeichneten Pfeil symbolisiert ist. Die Spannungsversorgungseinrichtung PSE stellt eine Speisespannung Usp bereit.
• Wie bereits in 2 gezeigt, sind vier Kupplungskondensatoren C11 bis C22 auf der Empfangsseite Rx bzw. der Sendeseite Tx zu einer kapazitiven Signaleinkopplung vorgesehen. Auf der Sendeseite ist in jeder Leitung ein Treiber D1 bzw. D2 mit nachgeschaltetem komplexem Widerstand Z/2 vorgesehen. Im Ausgangsbereich der Einkopplungsseite ist ein die Empfangs- und Sendeseite Rx, Tx verbindendes Widerstands-Netzwerk aus zwei komplexen Widerständen Z/2 und zwei ohmschen Widerständen R3, R4 vorgesehen.
• Die eigentlichen Anpassungsschaltungen – zum Ersatz des früheren Übertragers – sind durch vier Transistoren T1 bis T4 gebildet, wobei die empfangsseitige Anpassung mit PNP-Transistoren T1, T2 und die sendeseitige Anpassung mit NPN-Transistoren T3, T4 realisiert ist. Die der Speisespannungsquelle Usp benachbarten Knoten des Netzwerkes sind jeweils über Kondensatoren C mit der Basis der Transistoren verbunden, während eine Verbindung mit den Emittern der Transistoren T1, T2 bzw. T3, T4 jeweils über intrinsische Widerstände RE hergestellt wird. Basis und Kollektor der Transistoren T1, T2 bzw. T3, T4 sind jeweils über einen Widerstand R1 miteinander und schließlich mit den beiden Leitungen L1, L2 auf der Empfangsseite bzw. L3, L4 auf der Sendeseite verbunden. Die Transistoren T1, T2 und T3, T4 bilden jeweils elektronische Drosseln.
• Beispielhaft werden 4 elektronische Drosseln eingesetzt, von denen jeweils 2 Drosseln (T1/T2 und T3/T4) komplementär zueinander ausgelegt sind. Die positive Speisespannung +Usp wird über die Transistoren T1 und T2 und die negative Speisespannung –Usp über die Transistoren T3 und T4 in die jeweiligen Leitungspaare eingespeist. Da sich die elektronischen Drosseln bei geeigneter Dimensionierung dynamisch hochohmig verhalten, ist nur eine geringe Beeinflussung der Signalpegel zu verzeichnen.
• Es werden keine speziellen Symmetrie-Anforderungen an die elektronischen Drosseln gestellt; die Symmetrie wird automatisch durch die symmetrische Strom-Auskopplung des Endgerätes hergestellt. Durch die Fähigkeit der elektronischen (Speise-)Drosseln zur selbsttätigen ("automatischen") Anpassung an den Strombedarf werden gegebenenfalls Unsymmetrien, die durch die Leitungspaare entstehen, ausgeglichen. Daher können auch elektronische Drosseln mit Transistoren gleicher Polarität oder Mischformen eingesetzt werden, da jede der 4 elektronischen Drosseln völlig eigenständig arbeitet.
• Da die elektrischen Eigenschaften der elektronischen Drosseln – eine genügend hohe Stromverstärkung der Transistoren vorausgesetzt – nur von der Dimensionierung der Drosseln abhängt, sollten die Drosseln identisch dimensioniert werden, um asymmetrische Belastungen der Leitungspaare zu vermeiden.
• Die elektronischen Drosseln müssen prinzipiell so dimensioniert werden, dass der Spannungsabfall über dem jeweiligen Transistor (T1 ... T4) etwas größer ist als die Summe aus maximaler Signalspannungs-Amplitude und Transistor-Sättigungsspannung. Der erforderliche Spannungsabfall kann durch die Dimensionierung der Widerstände R1 und R2 eingestellt werden. Die Sättigung der Transistoren muss unbedingt vermieden werden, da sonst eine massive Begrenzung der Nutz-Signal-Amplitude erfolgt. Der Eingangswiderstand jeder elektronischen Drossel entspricht in etwa dem Wert von R1, solange die Sättigung der Transistoren vermieden wird.
• Da im LAN an die Quelle (PSE) auch Endgeräte mit externer Stromversorgung angeschlossen werden können, also Geräte, die nicht über die Leitungen gespeist werden, muss durch die elektronischen Drosseln ein (geringer) dauernder Gleichstrom fließen, damit eine Sättigung der Transistoren in diesem Fall vermieden wird. Dieser Strom wird durch den Widerstands-Querzweig Z/2, Z/2, R3, R4 sichergestellt.
• Auf der Empfangsseite (Rx) kann im allgemeinen – wie hier auch dargestellt – der notwendige Leitungsabschluss-Widerstand Z durch Teilung in 2 × Z/2 für diesen Zweck herangezogen werden. Auf der Sendeseite (Tx) ist dies im allgemeinen nicht möglich, da der Leitungsabschluss durch Serien-Widerstände des Sendetreibers realisiert wird. Daher sind hier die Widerstände R3 und R4 erforderlich.
• Die Widerstandswerte von R3 und R4 sollten so groß wie möglich gewählt werden, da ihre Summe parallel zum Tx-Leitungsabschluss wirksam wird. Andererseits bestimmt der Widerstandswert die Höhe des Querstroms. Hier ist ein Minimalwert erforderlich, um den Spannungsabfall der elektronischen Drossel-Transistoren – auch im dynamischen Sendebetrieb – außerhalb der Sättigungsspannung zu halten (siehe oben).
• Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Derartige Abwandlungen sind insbesondere hinsichtlich des Typs der eingesetzten Transistoren sowie auch des Prinzips der Spannungseinkopplung möglich.

AD1...AD4

Anpassungsschaltung

C; C11...C42

Koppelkondensator

D1, D2

Treiber

L1...L4

Signalleitung des LAN

PD

Endgerät

PSE

Stromversorgungseinrichtung

R1...R4, RE

ohmscher Widerstand

Rx

Empfangsseite

T; T1...T4

Transistor

Tx

Sendeseite

Ü1...Ü4

Übertrager

Usp

Speisespannung

Z

komplexer Widerstand

Claims (12)

1. Anordnung zur Stromeinspeisung in die Signalleitungen (L1 bis L4) eines lokalen Netzes zur Stromversorgung eines Endgerätes (PD), gekennzeichnet, durch aktive und/oder passive elektronische Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung jeweils eine Anpassungsschaltung (AD1, AD2) zur Verbindung einer Stromversorgungseinrichtung (PSE) mit den Signalleitungen (L1 bis L4) des lokalen Netzes aufweisen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung, insbesondere die Anpassungs-Schaltungen (AD1, AD2), elektronische Drosseln (T1 bis T4) aufweisen, welche insbesondere Bipolartransistoren vom PNP- und/oder NPN-Typ umfassen.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung Abschluss-Widerstände der Leitungen (L1 bis L4) des lokalen Netzes umfassen.
5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Signalleitungen (L1 bis L4) Mittel (C11 bis C22) zur kapazitiven Signaleinkopplung vorgesehen sind.
6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin elektronische Mittel zur Speisespannungs-Auskopplung zum Endgerät (PD) vorgesehen sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Auskopplung Anpassungsschaltungen (AD3, AD4) aufweisen, die zwischen die Signalleitungen (L1 bis L4) des lokalen Netzes und das Endgerät (PD) geschaltet sind.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Auskopplung, insbesondere die Anpassungs-Schaltungen (AD3, AD4), elektronische Drosseln aufweisen, welche insbesondere Bipolartransistoren vom PNP- und/oder NPN-Typ umfassen.
9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung und wahlweise Speisespannungs-Auskopplung derart dimensioniert sind, dass sie sich dynamisch hochohmig verhalten, so dass eine vernachlässigbare Beeinflussung der Signalpegel auf den Signalleitungen (L1 bis L4) auftritt.
10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine symmetrische Strom-Auskopplung am Endgerät (PD) vorgesehen ist.
11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung derart ausgebildet sind, dass sie von einem geringen permanenten Gleichstrom durchflossen werden.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass den elektronischen Mitteln zur Speisespannungs-Einkopplung ein Widerstands-Netzwerk (Z/2, R3, R4) zur Verbindung mit den jeweiligen Signalleitungen (L1 bis L4) zugeordnet ist.