DE102004004487A1

DE102004004487A1 - Anordnung zur übertragerlosen elektronischen Stromeinspeisung in die Signalleitungen eines lokalen Netzes

Info

Publication number: DE102004004487A1
Application number: DE200410004487
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dipl.-Ing. Neuhaus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-08-18
Also published as: WO2005071884A1

Abstract

Anordnung zur Stromeinspeisung in die Signalleitungen (L1 bis L4) eines lokalen Netzes zur Stromversorgung eines Endgerätes (PD), mit sendeseitigen (Tx) Verstärkermitteln zur Speisespannungs-Einkopplung mit einem von 1 : 1 verschiedenen Übersetzungsverhältnis.

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-2003" 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 bezeichnet. 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 auch Lösungen, die zur Einkopplung der Speisespannung die Leitungs-Abschluss-Widerstände oder – zur Verbesserung des Wirkungsgrades – elektronische Drosseln nutzen, bekannt. Die Ein- und Auskopplung der Nutz-Signale erfolgt kapazitiv.

Diese kapazitive Ein- und Auskopplung der Nutzsignale weist den Nachteil auf, dass nur Übertrager mit einem Übersetzungsverhältnis (ü) von 1:1 in einfacher Weise ersetzt werden können. Jedoch werden insbesondere in Signal-Senderichtung (Tx) häufig Übertrager mit einem Übersetzungsverhältnis von ü>1 verwendet. Üblich sind Übersetzungsverhältnisse in Senderichtung von 1:2 oder 1:1,41 oder ähnliche. In Empfangsrichtung ist das Übersetzungsverhältnis durchgehend 1:1.

Durch Wahl von Übersetzungsverhältnissen ü>1 können Sende-Treiber-Bausteine eingesetzt werden, die geringere Ausgangsamplituden des Sendesignals bereitstellen, als auf der Sende-Leitungs-Schnittstelle standardgemäß verlangt werden. Dies ermöglicht wiederum, die Sende-Treiber-Bausteine bei geringeren Versorgungsspannungen zu betreiben, als für die Bereitstellung der standardgemäßen Ausgangsamplitude auf der Sendeschnittstelle erforderlich wäre. Die Tendenz der Reduktion der Betriebsspannung ist weiter zunehmend.

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 ein einstellbares Übersetzungsverhältnis auszeichnet.

Der Nachteil, die bekannten übertragerlosen Stromversorgungen über die Signalleitungen nur bei Ersatz von Übertragern mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 einsetzen zu können, wird bei der hier vorgeschlagenen Lösung vermieden.

Diese Lösung besteht darin, die Speisespannung mittels einer Schaltungsanordnung in die Sende-Signalleitung (Tx) einzukoppeln, die als elektronische Einspeisedrossel mit hoher Impedanz arbeitet und gleichzeitig als Sendesignal-Verstärker (speziell z.B. mit Innenwiderstand Zi = 100 Ω) wirkt. Die Verstärkung ist durch die Dimensionierung einstellbar und kann somit an die Ausgangsamplitude des Sende-Treiber-Bausteins angepasst werden.

Im übrigen kann die erforderliche Verstärkung des Sendesignals auch durch diskrete oder integrierte Verstärker realisiert werden. Die hohen Anforderungen an einen derartigen Verstärker (Bandbreite) werden heute durch die Bereitstellung von – bei hohen Stückzahlen kostengünstigen – Video-Verstärkern erreicht. Ziel der Erfindung ist es jedoch, durch den Ersatz des Übertragers eine möglichst hohe Kostenersparnis zu erreichen. Diese kann durch die Verwendung von kostengünstigen Standard-Bauelementen erzielt werden.

Die Empfangsleitungen (Rx) sind von diesen Maßnahmen nicht betroffen, da bei diesen Übertrager mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 verwendet werden. Für den Ersatz des Übertragers in den Empfangsleitungen können also Lösungen mit direkter kapazitiver Signalkopplung verwendet werden. Die Versorgungsspannungs- bzw. Stromeinspeisung kann dann durch Widerstands-Speisung oder durch elektronische Einspeisedros seln erfolgen. Der Empfangsweg wird daher im folgenden nur soweit betrachtet, wie er zum Gesamtverständnis der Schaltungsanordnung beiträgt.

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 Anordnung zur Spannungseinspeisung mit Übertragern und
2 eine Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur übertragerlosen Stromeinspeisung mit Sende-Signalverstärkung.
In 2 ist die gesamte speisende Quell-Seite einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Hierbei ist der Empfangs-Teil Rx mit den beiden elektronischen Einspeise-Drosseln T1, T2 der Vollständigkeit halber sowie zum besseren Verständnis dargestellt. Der Schwerpunkt liegt aber auf dem unteren Schaltungsteil mit den Transistoren T3 und T4. Eine genauere Bezeichnung der Widerstände in den empfängerseitigen Widerstandsnetzwerken wird daher im oberen Schaltungsteil nicht gegeben.
Die Funktion des hier bedeutsameren Teils der Schaltungsanordnung soll am Beispiel der Transistorschaltung T3 erläutert werden. Zur symmetrischen Einspeisung der Sendesignale ist die Transistorschaltung T4 erforderlich. Diese verhält sich ebenso wie T3.
Die Funktion der Transistorschaltung T3 teilt sich prinzipiell in eine Gleichstrom- und eine Wechselstrom-Funktion.
Die Gleichstrom-Funktion:
Gleichstrommäßig stellt die Schaltungsanordnung T3 eine Gleichstrom-Senke für den in der Rx-Seite eingespeisten Strom der Speisespannungsquelle Usp dar. Die Gleichstrom-Last ist hierbei das an die LAN-Leitung angeschlossene Endgerät. Der Spannungsabfall an der Gleichstromsenke T3 wird durch einen Spannungsteiler R1, R2 eingestellt – mit der U_BE-Spannung des Transistors T3 als Referenz.
Der Emitterwiderstand RE des Transistors T3 stellt eine Gleichstrom-Gegenkopplung, die der Temperatur-Drift des Transistors entgegenwirkt. RE darf nur so groß gewählt werden, dass der Spannungsabfall bei maximalem Laststrom die erforderliche Aussteuerfähigkeit der Sende-Stromquelle nicht einschränkt. Ein Kondensator CE verhindert eine Wechselstrom-Gegenkopplung durch den Widerstand RE.
Prinzipiell wirkt ein an den Leitungen angeschlossenes Endgerät als Kollektor-Widerstand an T3. Zusätzlich ist zwischen VDD (z.B. 5V) und Kollektor von T3 der Widerstand Z/2 – in der Regel 50 Ω – geschaltet. Dieser Widerstand stellt die Funktion der Gleichstromsenke T3 auch sicher, wenn kein Endgerät mit Gleichstromentnahme (oder eines mit geringer Gleichstromentnahme) angeschlossen ist. Weiterhin bildet Z/2 einen Teil des wechselstrommäßig erforderlichen Leitungsabschluss-Widerstandes.
Bei Bedarf – z.B. zur Detektion der Anschaltung eines gespeisten Endgerätes – kann am Emitterwiderstand RE eine Spannung detektiert werden, die ein Maß für den Laststrom ILoad darstellt.
Die Wechselstrom-Funktion:
Wechselstrommäßig stellt die Schaltungsanordnung T3 einen Eintakt-A-Verstärker mit Spannungsgegenkopplung dar. Mittels der Widerstände R1, R2, und R3 – die Widerstandswerte müssen in der Größenordnung von r_BE des Transistors T3 liegen – lässt sich eine erforderliche Verstärkung (oder auch Dämp fung) einstellen. Hierdurch kann die Amplitude des Sendesignals an der Sendeschnittstelle des LAN problemlos auf den standardgemäß erforderlichen Wert eingestellt werden.
Der Sendeinnenwiderstand der Schaltungsanordnung wird im wesentlichen durch den Kollektor-Widerstand Z/2 bestimmt. Durch die gesamte Schaltungsanordnung (T3) findet prinzipiell eine Umsetzung von der üblichen spannungssteuernden Gegentakt-Sendestufe (Tx-Treiber) in eine stromsteuernde Sendestufe (A-Verstärker) statt. Dies allein führt schon zu einem Gewinn an Amplitude des Sendesignals, da der Spannungsabfall am in Serie liegenden Sende-Innenwiderstand (100 Ω) der üblichen Gegentakt-Sendeendstufe entfällt. Beim A-Verstärker liegt der Sende-Innenwiderstand parallel zur Sende-Stromquelle (T3).
Zur problemlosen Funktion für den Fall, dass kein Last-Gleichstrom fließt (z.B. Endgerät mit Fremdeinspeisung), sollte – bei einer typischen Sendeamplitude im LAN von 1,25 V je Leitungsendstufe – durch Z/2 (50 Ω) ein Gleichstrom von ca. 30 mA fließen. Dadurch wird die Aussteuerfähigkeit des A-Verstärkers T3 sichergestellt. Dieser Dauer-Gleichstrom der A-Endstufe erzeugt allerdings eine – wenn auch geringe – unwiederbringliche Verlustleistung.
In leistungskritischen Anwendungen kann durch Auswertung des Laststroms ILoad bei Bedarf die Betriebsspannung VDD für den Abschlusswiderstand Z/2 mit einem Schalter (nicht gezeigt) abgeschaltet werden, wenn der Laststrom des Endgerätes die im Beispiel verwendeten 30 mA überschreitet.
Der Kondensator C21 dient der Entkopplung des Gleichstrom-Mittelwertes der Sendestufe (Tx-Treiber) vom Gleichstromarbeitspunkt der Schaltungsanordnung T3. Im Einzelfall kann diese Entkopplung überflüssig sein. Bei einer galvanischen Kopplung kann dann der Widerstand R2 entfallen.
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.

C; C11...C22: Koppelkondensator
CE: Emitter-Kapazität
D1, D2: Treiber
L1...L4: Signalleitung des LAN
PD: Endgerät
PSE: Stromversorgungseinrichtung

R1...R3, RE: ohmscher Widerstand
Rx: Empfangsseite
T1...T4: Transistor
Tx: Sendeseite
Ü1...Ü4: Übertrager
Usp: Speisespannung
Z: komplexer Widerstand

Claims

Anordnung zur Stromeinspeisung in die Signalleitungen (L1 bis L4) eines lokalen Netzes zur Stromversorgung eines Endgerätes (PD), gekennzeichnet, durch sendeseitige (Tx) Verstärkermittel zur Speisespannungs-Einkopplung mit einem von 1:1 verschiedenen Übersetzungsverhältnis.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speisespannungs-Einkopplung sende- und empfangsseitig jeweils eine Anpassungsschaltung zur Verbindung einer Stromversorgungseinrichtung (PSE) mit den Signalleitungen (L1 bis L4) des lokalen Netzes vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkermittel und wahlweise die Anpassungs-Schaltungen zur Speisespannungs-Einkopplung elektronische Drosseln (T1 bis T4) aufweisen, welche insbesondere Bipolartransistoren vom PNP- und/oder NPN-Typ umfassen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Signalleitungen (L1 bis L4) Mittel (C11 bis C22) zur kapazitiven Signaleinkopplung vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkermittel und wahlweise Anpassungs-Schaltungen zur Speisespannungs-Einkopplung derart ausgebildet sind, dass sie von einem geringen permanenten Gleichstrom durchflossen werden.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Verstärkermitteln und wahlweise Anpassungs-Schaltungen zur Speisespannungs-Einkopplung jeweils ein Widerstands-Netzwerk (R1, R2) zur Gleichspannungseinstellung auf den jeweiligen Signalleitungen (L3 und L4) zugeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Verstärkermitteln und wahlweise Anpassungs-Schaltungen zur Speisespannungs-Einkopplung jeweils ein Widerstands-Netzwerk (R1, R2, R3) zur Einstellung der Wechselspannungs-Signalamplitude zugeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkermittel und wahlweise Anpassungs-Schaltungen Leitungsabschlussimpedanzen (Z/2) der Signalleitungen (L1 bis L4) umfassen.