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Die
Erfindung betrifft eine Schaltung zur Entkopplung der Sendespannungen
vom Empfangsteil eines als Sender und Empfänger genutzten elektroakustischen
Wandlers nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Bei
elektroakustischen Wandlern, die – wie z. B. im Sonarbereich – gleichzeitig
als Sender und Empfänger
betrieben werden, ist es nötig,
die zumeist sehr hohen Sendespannungen vom Empfangsteil – in der
Regel einem Vorverstärker – abzukoppeln.
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Im
Stand der Technik sind unterschiedlichste Verfahren bekannt, die
alle wenigstens die folgenden Nachteile besitzen: sie belasten den
Sender oder sie sind so hochohmig, dass ein angeschlossener Vorverstärker in
seinem Rauschverhalten unakzeptabel negativ beeinflusst wird. Verfahren,
die diese negativen Eigenschaften in geringer Weise aufweisen, haben
weitere große
Nachteile, indem sie groß aufbauen
und somit für
Wandlerarrays mit sehr vielen Kanälen nicht anwendbar sind.
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So
hat die
US 5,144,592
A zwar eine Schaltung zur Entkopplung der Sendespannungen,
hier kann jedoch ein Problem auftreten, wenn mehrere hundert Volt
starke Sendespannungen nicht genau im richtigen Timing, d. h. wenn
die Transistoren schon durchgesteuert sind, angelegt werden. Dort werden
spannungsfeste MOS-Transistoren vorgeschlagen, die jedoch noch immer
zusätzlich
einer Strombegrenzung bedürfen,
was sich negativ auf das Rauschveralten auswirkt.
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Weiter
zeigt die
DE 195 14
307 A1 einen Duplexer für
ein Ultraschallabbildungssystem, das jedoch lediglich einen Feldeffekttransistor
zeigt, der ähnliche
Probleme im Zeitverhalten aufweist.
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Der
Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine räumlich günstige Schaltung zum Einbau
in Wandlerarrays mit vielen Kanälen
vorzusehen, die den Vorverstärker
in seinen Rauscheigenschaften nicht negativ beeinflusst.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die
Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung wieder, insbesondere werden eine Schutzschaltung und
eine automatische Sender-Empfangsentkopplung angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltung
für die
Entkopplung der Sendespannungen wird eine aktive Sende-Empfangsentkopplung
durch zwei Schalter V1 und V2, die vorzugsweise mit MosFet-Transistoren
realisiert sind, mit einem Schaltsignal „AUSTAST” bedient.
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Sofern
die Signalspannung am Eingang „AUSTAST” gleich
Null ist, sind die Transistoren gesperrt und somit gehen die Senderspannungen „SENDER+” und/oder „SENDER–” nur an
den Wandler „WANDLER+” und „WANDLER–” und nicht
an den Vorverstärker „VORVERSTÄRKER+” und „VORVERSTÄRKER–”.
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Ist
die „AUSTAST” Spannung
größer als
die Schwellenspannung der Transistoren, die in der Regel bei etwa
5 V liegen, werden die Transistoren durchgesteuert und das Empfangssignal
des Wandlers gelangt an den Vorverstärker.
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Die
Transistoren sind handelsüblich
ohne weiteres bis hinauf zu Spannungen von 1000 V erhältlich und
gewährleisten
dabei bereits ab einer Spannungsfestigkeit von mehreren 100 V eine
Entkopplung aller gängigen
Sendestufen. Außerdem sind
sie in sehr kleiner Bauform erhältlich,
beispielsweise als SMD Transistoren mit einer Größe von 5 mm × 5 mm bei
einer Spannungsfestigkeit von 550 V, einem Durchlasswiderstand von
1,2 Ohm und einer Strombelastung im Pulsbetrieb von 5,2 A. Durch
eine derart niederohmige Ankopplung kann ein Rauschen vermieden
werden.
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Die
vorteilhafte Schutzschaltung für
den Verstärker
wird für
den Fall benötigt,
dass bei der zuvor beschriebenen einfachen Schaltung eine Spannungsführung am
Austastsignal unbeabsichtigter Weise erfolgt und die Transistoren
so durchgeschaltet sind, so dass die hohe Sendespannung eine Zerstörung des
Vorverstärkers
bewirkt.
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Die
Schutzschaltung besteht dabei aus den beiden Widerständen R1
und R2 sowie den Klemmdioden V3 bis V6 und kann diesen Nachteil
auf einfachste Weise beheben. Für
den Fall, dass jetzt ein „AUSTAST” Signalwert
während
des Sendevorgangs anliegt, fließt
ein Strom durch die Widerstände
R1 und R2 sowie durch die Dioden V3 bis V6.
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Dieser
Strom führt
zu einer Spannungserhöhung
am Source der Transistoren V1 und V2, so dass eine wirksame Gate-Source
Spannung abgeschnürt wird
und durch die Transistoren ein konstanter Strom fließt, der
sich aus AUSTAST Spannung-Schwellenspannung
geteilt durch R1 bzw. R2 errechnet.
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Als
Beispiel kann die AUSTAST Spannung 10 V betragen, die Schwellenspannung
5 V und der Widerstand R1 wie auch R2 mit 100 Ohm bemessen sein.
Dann folgt für
den Strom 50 mA – unabhängig wie
groß die
Sendespannung ist.
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Die
Klemmdioden V3 bis V6 sind insofern eine übliche Vorverstärkerschaltung
als dass der Wandler gewöhnlich
keine Spannung größer als
die Diodenschwellenspannung von etwa 0,5 V liefert für diese
also noch die Vorverstärkung
erfolgt.
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Schließlich wird
noch eine Automatisierung und verbesserte Schutzschaltung für den Fall
vorgeschlagen, dass bei langen Sendeimpulsen und bei hohen Sendespannungen
der Strom von 50 mA inakzeptabel wird, weil dann an den Transistoren
eine sehr hohe Verlustleistungen auftreten, die dann zur Zerstörung der
Transistoren führen
können.
Außerdem
wird es nicht immer möglich
sein, ein „AUSTAST” Signal
zur Verfügung
zu stellen. Für
diesen Fall wird eine aktive automatische Sende-Empfangskopplung vorgeschlagen, bei
der eine Gleichspannung von etwa 10 V über den hochohmigen Widerstand
R3 an die Gates der Transistoren geführt wird.
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Ein
kleiner Schalttransistor V10, z. B. ebenfalls ein MOSFET Transistor,
klemmt die Gate-Spannung ab, wenn über die Dioden V7 oder V8 eine
Sendespannung den Transistor V10 durchsteuert.
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Eine
Begrenzung der maximalen Gate-Spannung von V10 wird in diesem Beispiel durch
den Widerstand R4 und die Zehnerdiode V11 erreicht, kann aber auch
anders realisiert werden.
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Überschreitet
die Sendespannung einen Wert größer als
die Schwellenspannung des Transistors V10, werden die Entkopplungstransistoren
V1 und V2 automatisch abgeschaltet. Im dynamischen Fall wirkt immer
noch die Schutzschaltung wie oben beschrieben für kurze Zeiten bis V10 durchgesteuert ist.
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Insgesamt
ergibt sich die automatische Sende-Empfangskopplung, bei der das
Sendesignal selbst den aktiven Sender vor dem Vorverstärker steuert
und bei der auch im dynamischen Fall keine unzulässig hohen Spitzenströme entstehen
kann, eine vorteilhafte Schaltung, bei der die folgenden Vorteile
existieren:
- 1. sehr geringe Verlustleistung,
da nur geschaltet wird,
- 2. sehr einfacher Aufbau,
- 3. sehr kleines Volumen,
- 4. der geringe Preis,
- 5. sehr große
Sende-Leistung möglich,
- 6. sehr große
Sendespannung möglich,
- 7. der Sender wird durch die Schaltung vernachlässigbar
belastet, und
- 8. der Empfänger
wird niederohmig und damit rauscharm an den Wandler angekoppelt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der
beigefügten
Zeichnungen. Dabei zeigt:
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1 eine
Prinzipschaltung einer aktiven Sende-Empfangsentkopplung,
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2 eine
Schutzschaltung bei einer Sende-Empfangskopplung nach 1,
und
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3 eine
automatische verbesserte Schutzschaltung bei einer Sende-Empfangskopplung
nach 2.
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Die
in der 1 dargestellte Schaltung zur Entkopplung der Sendespannungen
vom Empfangsteil eines als Sender und Empfänger genutzten elektroakustischen
Wandlers, der zwei Anschlüsse WANDLER+
und WANDLER– zur
Verbindung mit den Sendespannungen SENDER+ und SENDER– besitzt,
ist durch zwei in den Bereich von mehreren hundert Volt spannungsfeste
Transistoren als Schalter (V1, V2), von denen einer mit dem Drain-Anschluss
an den elektroakustischen Wandler-Anschluss WANDLER+ und der andere
mit dem Drain-Anschluss an den elektroakustischen Wandler-Anschluss WANDLER– gekoppelt
ist, während die
Source-Anschlüsse
an jeweils einen der beiden Anschlüsse VORVERSTÄRKER+ und
VORVERSTÄRKER– eines
Vorverstärkers
gekoppelt sind, durch ein am Gate beider Transistoren anliegendes Schaltsignal
AUSTAST bei Signalen ungleich 0 V entsperrt, leitet also die empfangenen
Wandlersignale durch und ist bei AUSTAST gleich Null (Volt) gesperrt,
entkoppelt also.
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In 2 ist
eine Schaltung mit einer Schutzschaltung mit zwei Widerständern R1
und R2 dargestellt, die zwischen den Source-Anschlüssen der Transistoren
und vor einer Dioden-Vorverstärkerschutzschaltung
vorgesehen, um alle die Spannungen größer als die Diodenschwellspannungen
zu erden, falls das AUSTAST-Signal unerwünschterweise nicht für die Entkopplung
sorgt.
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In 3 schließlich ist
die eine bevorzugte Variante einer automatischen Sende-Empfangentkopplung
zur Entsperrung der Transistoren V1 und V2 mittels eines Schaltransistor
(V10), gezeigt bei der der Drain-Anschluss des Schaltransistors
(V10) mit den Gate-Anschlüssen
der Transistoren V1 und V2 verbunden ist, wobei an diesen drei Anschlüssen eine
Gleichspannung anliegt, während
der Gate-Anschluss des Schalttransistors (V10) jeweils über Dioden
(V7 und V8) mit den Sendespannungen SENDER– und SENDER+ und über einen
mit beiden Dioden verbundenen, die Gate-Spannung am Schalttransistor (V10) begrenzenden
Widerstand (R4) verbunden ist, der Gate-Anschluss des Schalttransistors (V10)
weiter über
eine Zenerdiode V11 geerdet ist, und der Source-Anschluss des Schalttransistors (V10)
ebenfalls geerdet d. h. mit Masse verbunden ist.