DE102005004391A1

DE102005004391A1 - Siebschaltung

Info

Publication number: DE102005004391A1
Application number: DE102005004391A
Authority: DE
Inventors: Martin Huber; Hendrik Köhler
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10
Also published as: WO2006081939A3; IL184839A0; EP1844382B1; EP1844382A2; IL184839A; WO2006081939A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Siebschaltung (1) zum Sieben einer an einem Eingangsanschluß (E) anliegenden Eingangsspannung (U¶b¶) zur Erzeugung einer gesiebten Ausgangsspannung (U¶a¶) an einem Ausgangsanschluß (A). Die Siebschaltung (1) weist zumindest ein Regelelement (V¶1¶) mit einem Regelanschluß (RG¶1¶) und einer Regelstrecke (RS¶1¶) mit einem mit dem Eingangsanschluß (E) in Verbindung stehenden Regelstreckeneingang (RE¶1¶) und einem Regelausgang (RA¶1¶) auf. Ferner hat die Siebschaltung (1) einen an dem Regelanschluß (RG¶1¶) angeschlossenen Kondensator (C¶1¶) und einen Widerstand (R¶1¶), der den Regelstreckeneingang (RE¶1¶) mit dem Regelanschluß (RG¶1¶) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Siebschaltung zur Spannungsstabilisierung einer Spannungsversorgung an der mehrere Verbraucher angeschlossen werden können. Zusätzlich soll über die Spannungsversorgungsleitung eine Datenübertragung einer räumlich getrennten Bedieneinheit stattfinden können.
Wenn mehrere Verbraucher an einer Gleichstromquelle, z.B. an einer Batterie, angeschlossen sind, kommt es bei Laständerungen dIv über den Batterieinnenwiderstand R_i zu einer proportionalen Änderung dU_b = R_i·dI_v der Batteriespannung U_b (siehe 1).
Werden gleichzeitig Daten über die Strom- oder Spannungszuleitung zu und von der Bedieneinheit übertragen, so wird eine Versorgungsspannungsstabilisierung notwendig. Änderungen der Versorgungsspannung dU_b genügender Flankensteilheit, z.B. durch eine plötzliche Laständerung an einem zweiten Verbraucher, würden sich dem Datensignal überlagern und zu Missinterpretationen bei der Auswertung des Datensignals führen. So kann z.B. im Falle des Manchester Codes von einem Datensignal mit Bandpasscharakteristik ausgegangen werden, das keinen Gleichanteil besitzt.

Spannungsregelschaltungen ohne Siebcharakteristik sind bekannt. So wird z. B. in der DE 101 49 827 A1 zur Spannungsstabilisierung als Längsregler ein Transistor eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Siebschaltung mit hoher Regeldynamik zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Merkmale der Anspruchs 1 wird eine RC-Tiefpassschaltung bereitgestellt der Art, dass eine Verstärkung der Siebeigenschaften des RC-Gliedes durch das Regelelement erfolgt. Somit läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung zur Spannungsstabilisierung zum einen als Tiefpassfilterung und zum anderen auch als Regelung der Ausgangsspannung sehen.

Das Datensignal, wie auch die Laständerungen dI_v bzw. dU_b, zeichnen sich dadurch aus, dass diese höherfrequente Anteile besitzen können, die sich im Frequenzbereich den Daten überlagern. Durch geeignete Tiefpassfilterung vor der Einkoppelung der Daten können diese höherfrequenten Anteile reduziert werden und damit kann die Versorgungsspannung geglättet werden.

Bei Verwendung eines Feldeffekttransistors für das Regelelement kann der Widerstand R₁ dieser Schaltung sehr hochohmig ausgestaltet werden kann. Der FET, insbesondere. MOSFET, dient dabei zur Verstärkung des Tiefpaßeffekts und läßt sich als P-Regler in der Regelanordnung begreifen. Bei der Verwendung bipolarer Transistoren fließt noch immer ein kleiner Emitter-Basisstrom, der bei der Auslegung des Tiefpasses berücksichtigt werden muß. Der geringe Basisstrom muß schaltungstechnisch durch einen entsprechend niedrig ausgelegten Parallelwiderstand R₁ ausgeglichen werden. Bei Verwendung von FETs oder MOSFETs fließt dagegen kein Gatestrom. Damit besteht keine Verbindung zwischen Gate und Source-Drain-Kanal. Der Widerstand R₁ kann dann sehr hochohmig ausgelegt werden.

Die Ausgangsspannungen U₁ bzw. U₃ in 1 ergeben sich als Summe der Referenzspannung U₂ bzw. U₄ am Kondensator und der nahezu fixen Drain-Gate Spannung U_DG. Dabei ist U₁ bzw. U₂ um die Drain-Gate Spannung U_DG reduziert. Die Hintereinanderschaltung zweier solcher Schaltungen ermöglicht zum einen die weitere Siebung der Versorgungsspannung und die schrittweise Einstellung bzw. gezielte Reduzierung der gewünschten Ausgangsspannung U₃ mit Hilfe dieser Drain-Gate Spannungen.

In der bevorzugten mehrstufigen Ausführung steht damit am Ausgang eine Spannung zur Verfügung, die um n U_DG kleiner als die ursprüngliche Eingangsspannung, z. B. eine Batteriespannung, ist, wobei n die Stufen der Schaltung bedeutet.

Darüber hinaus kann vorteilhaft eine Induktivität vorgesehen sein, die eine Rückkoppelung der Daten auf die Siebschaltung verhindert und insbesondere einen Kurzschluß über den Lade-Kondensators am Ausgang der Siebschaltung nach Schaltungsmasse vermeidet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt
1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Siebschaltung.
An einer Batterie B ist neben einem oder mehreren weiteren Verbrauchern eine erste Stufe S₁ zur Spannungsstabilisierung geschaltet. Die Strom-Last dieser Verbraucher ist in der Zeichnung zusammenfassend mit I_v gekennzeichnet.
Diese erste Stufe S₁ besteht aus einem Regelelement V₁, das bevorzugt durch einen Transistor, besonders bevorzugt durch einen Feldeffekttransistor (FET insbesondere MOSFET) gebildet ist. Die Source-Drain-Strecke bildet eine Regelstrecke RS₁. Dessen Regelstreckeneingang RE₁, der durch die Source des FET gebildet ist, ist über einen Anschluß E mit der Batterie B verbunden. Der Anschluß E bildet den Eingangsanschluß der Siebsschaltung 1.
Ein erster Widerstand R₁ verbindet dabei den Regelstreckeneingang RE₁ mit einem ersten Regelanschluß RG₁ des ersten Regelelements V₁ der ersten Stufe S₁, z. B. mit dem Gate des FETs, und bildet zusammen mit dem Kondensator C₁ eine RC-Tiefpassschaltung. Der Kondensator C₁ ist dabei zwischen den Regelanschluß RG₁ und die Schaltungsmasse M geschaltet.
Am Kondensator C₁ fällt eine Referenzspannung U₂ ab, die zusammen mit der Gate-Drain-Spannung des FET bzw. mit der Basis-Kollektorspannung im Falle der Verwendung eines Bipolartransistors die Spannung U₁ bildet.
Die erste Stufe S₁ der Siebschaltung 1 zur Spannungsstabilisierung und Siebung, die durch den Widerstand R₁, den Kondensator C₁ und das Regelelement V₁ gebildet ist, verbindet den Eingangsanschluß E im dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer zweiten Stufe S₂ zur weiteren Spannungsstabilisierung und Siebung.
Diese zweite Stufe S₂ der Siebschaltung 1 ist analog zu der ersten Stufe S₁ aufgebaut, wobei ein zweiter Widerstand R₂ den zweiten Regelstreckeneingang RE₂ mit dem zweiten Regelanschluß RG₂ verbindet und ein zweiter Kondensator C₂ an den Regelanschluß RG₂ angeschlossen ist und diesen mit der Schaltungsmasse M verbindet. Die Referenzspannung U₄ fällt dabei über dem Kondensator C₂ ab und bildet zusammen mit der Gate-Drain- bzw. Basis-Kollektor Spannung des FET bzw. Bipolartransistors die Spannung U₃. Am Ausgang der zweiten Stufe S₂ ist vorzugsweise ein Lade-Kondensator C₃ angeordnet, der den Regelstreckenausgang RA₂ des zweiten Regelelements RE₂ mit der Schaltungsmasse M verbindet.
Vor dem Ausgang A ist eine Induktivität L vorgesehen, die den Ausgang A mit einem Anschluß des Kondensators C₃ sowie dem zweiten Regelstreckenausgang RA₂ verbindet.
An den Ausgang A ist bevorzugt eine Leitung X_i angeschlossen, die dazu dient, eine nicht dargestellte räumlich getrennte Bedieneinheit mit einer Versorgungsspannung sowie mit Daten zu versorgen. Dabei kann die Leitung X₁ z.B. durch ein Koaxialkabel oder eine Twisted-Pair-Leitung gebildet sein.
Die Daten werden am Ausgang A der Siebschaltung 1 über eine geeignete Verbindung eingekoppelt. Dabei dient die Induktivität L dazu, eine Rückkoppelung der Daten auf die Siebschaltung 1 zu vermeiden und insbesondere einen Kurzschluß über den Kondensator C₃ nach Masse zu verhindern. Die Gesamtspannung die am Ausgang A an der Leitung X₁ anliegt, ist mit in 1 U_empf bezeichnet.
Mit dieser Siebschaltung 1 in bevorzugt zwei Stufen wird eine geeignete Datenübertragung ermöglicht bei gleichzeitiger stabilisierter Spannungsversorgung eines externen Geräts, z.B. einer Bedieneinheit, die über die Leitung X₁ an ein Zentralgerät angeschlossen ist.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere ist es möglich, die Siebschaltung 1 auch nur einstufig mit der einzigen Stufe S₁ oder bei Bedarf auch mit mehr als zwei Stufen auszubilden. Sämtliche beschriebene Elemente sind beliebig miteinander kombinierbar.

Claims

Siebschaltung (1) zum Sieben einer an einem Eingangsanschluß (E) anliegenden Eingangsspannung (U_b) zur Erzeugung einer gesiebten Ausgangsspannung (U_a) an einem Ausgangsanschluß (A), mit zumindest einem ersten Regelelement (V₁), das einen ersten Regelanschluß (RG₁) und eine erste Regelstrecke (RS₁) mit einem mit dem Eingangsanschluß (E) in Verbindung stehenden ersten Regelstreckeneingang (RE₁) und einen ersten Regelstreckenausgang (RA₁) aufweist, einem an dem ersten Regelanschluß (RG₁) angeschlossenen ersten Kondensator (C₁) und einem ersten Widerstand (R₁), der den Regelstreckeneingang (RE₁) des ersten Regelelements (V₁) mit dessen Regelanschluß (RG₁) verbindet.
Siebschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Regelelement (V₂), das einen zweiten Regelanschluß (RG₂) und eine zweite Regelstrecke (RS₂) mit einem mit dem ersten Regelstreckenausgang (RA₁) des ersten Regelelementes (V₁) in Verbindung stehenden zweiten Regelstreckeneingang (RE₂) und einem mit dem Ausgangsanschluß (A) in Verbindung stehenden zweiten Regelstreckenausgang (RA₂) aufweist, einen an den zweiten Regelanschluß (RG₂) angeschlossenen zweiten Kondensator (C₂) und einen zweiten Widerstand (R₂), der den Regelstreckeneingang (RE₂) des zweiten Regelelements (V₂) mit dessen Regelanschluß (RG₂) verbindet.
Siebschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelstreckenausgang (RA₁) und/oder der zweite Regelstreckenausgang (RA₂) mit einem Kondensator (C₃) verbunden ist.
Siebschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (C₁, C₂, C₃) mit der Schaltungsmasse (M) verbunden sind.
Siebschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelstreckenausgang (RA₁) oder der zweite Regelstreckenausgang (RA₂) über eine Induktivität (L) mit dem Ausgangsanschluß (A) verbunden ist.
Siebschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U_a) der Siebschaltung (1) über eine Leitung (X₁) zusammen mit Daten übertragen wird, die zusammen mit der Ausgangsspannung (U_a) dem Ausgangsanschluß (A) zugeführt werden.
Siebschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß (E) der Siebschaltung (1) an eine Gleichspannungsquelle, insbesondere eine Batterie (B), angeschlossen ist.
Siebschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelemente (V₁, V₂) Transistoren sind.
Siebschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Feldeffekttransistoren sind.