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Die Erfindung betrifft einen differentieller Leitungstreiber.
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Um für Signale und Systeme im explosionsgeschützten Bereich die Schutzart Eigensicherheit nach Norm EN60079-11 umsetzen zu können, werden Strom- und Spannungsbegrenzungen unterschiedlicher Art benötigt. Im einfachsten Fall sind diese Schaltungen mit diskreten Bauelementen (Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Transistoren etc.) aufgebaut. So wird der Zulassungsprozess erleichtert, weil in diesem Fall der Nachweis der Eigensicherheit ausschließlich auf Basis der Norm erfolgt. Die einfachste Schaltung, um eine Leitung eigensicher auszulegen, ist in 1 dargestellt.
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Die Leerlaufspannung am Ausgang 1 ist durch die Durchbruchspannung einer Zenerdiode 2 begrenzt, der Kurzschlussstrom durch einen der Zenerdiode 2 nachgeschalteten Widerstand 3. Die Zenerdiode 2 wird dabei durch eine Sicherung 4 vor dem Durchbrennen geschützt. Hohe Eingangsspannungen Uein können also weder zu hohen Ausgangsspannungen Uaus noch zu hohen Ausgangsströmen führen.
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Bei der Auslegung dieser Begrenzungen muss immer von einer maximalen Fehlerspannung (Eingangsspannung) ausgegangen werden. Sind alle Eingänge eines Systems definiert und spannungsbegrenzt, lassen sich weitere Spannungs- und Strombegrenzungen mit verhältnismäßig geringem Aufwand realisieren. Sind dagegen undefinierte Eingange im System vorhanden, so muss von der Netzspannung ausgegangen werden. Dann gilt eine Fehlerspannung von 358 V (230 V • √2 • Sicherheitsfaktor 1,1). Die zu verwendeten Bauelemente sind entsprechend groß und teuer.
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Bei Signalen, insbesondere Datensignalen, mit hoher Signalbandbreite ist eine Begrenzung von Strom oder Spannung technisch schwierig, weil große Widerstände zur Strombegrenzung oder Zenerdioden mit hoher Sperrschichtkapazität das Signal zerstören. So bleibt, wie 2 verdeutlicht, nur eine Begrenzung aller Spannungen, die einer Schaltung 5, die das Signal erzeugt, zugeführt sind, so dass im weiteren Signalpfad nur noch kleine Widerstände zur Strombegrenzung notwendig sind. In Systemen mit hoher Datenverarbeitungsgeschwindigkeit besitzen aber auch die zugeführten Signale häufig eine hohe Signalbandbreite, so dass sie ebenfalls nicht spannungsbegrenzt werden können. Es bleibt dann nur die Möglichkeit, die Spannungsbegrenzung noch weiter „nach vorne“ zu verlegen. Häufig ist auch dies systembedingt nicht möglich oder aber eines der zugeführten Signale stammt aus einer undefinierten Quelle.
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Im Falle eines unbegrenzten oder undefinierten Eingangs bleibt noch die Möglichkeit einer optischen Trennung. Für kleine Übertragungsfrequenzen ist der Optokoppler als trennendes Element ohnehin Mittel der Wahl.
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Die
DE 11 2007 001 098 T5 beschreibt eine Datensignal-Isolationsvorrichtung, die ein elektrisches Signal mit hoher Bandbreite auf der Primärseite in ein optisches Signal umwandelt. Auf der Sekundärseite wird das optische Signal wieder in ein elektrisches Signal zurückgewandelt.
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Kann man von begrenzten Spannungen in der Signalerzeugung ausgehen, wird in das Ausgangssignal noch ein kleiner Widerstand eingebracht, der für die bereits begrenzte Spannung noch eine Strombegrenzung darstellt.
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3 zeigt beispielhaft einen differentiellen Leitungstreiber nach dem Stand der Technik. Derartige Leitungstreiber werden beispielsweise in Ethernet-Transceivern (PHY) verwendet.
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In der gezeigten Standardvariante sind zwei Stromsenken I1, I2 extern mit gleich großen Arbeitswiderständen R3, R4 verbunden, die auch als Abschluss- oder Terminierungswiderstände dienen. Als galvanische Trennung dient nachfolgend ein Transformator 6. Im Falle des Ethernets (wie gezeigt) handelt es sich beim Ausgangssignal um differentielles Signal. Im Ruhezustand wird ein Dauerstrom von 20mA über den Mittelabgriff der Spule L1, L2 des Transformators 6 gezogen. Werden Daten übertragen, modulieren beide Stromquellen I1, I2 den Strom invertiert zwischen 0 und 40mA. Der modulierte Strom erzeugt an den Arbeitswiderständen R3, R4 einen Ausgangspegel, der über den Transformator 6 auf ein Leitungspaar 7 übertragen wird.
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3 zeigt also einen differentieller Leitungstreiber zur digitalen Signalübertragung über ein Leitungspaar 7, mit
- - einer Spannungsquelle mit zwei Spannungsanschlüssen 8, 9,
- - zwei Abschlusswiderständen R3, R4,
- - zwei steuerbaren Stromsenken I1, I2 und
- - einer galvanischen Trenneinrichtung in Form des Transformators 6,
wobei die beiden Abschlusswiderstände R3, R4 an jeweils einem Ende 10 gemeinsam mit einem der beiden Spannungsanschlüsse 8, 9, hier dem Spannungsanschluss 8, verbunden sind und an ihren anderen Enden 11, 12 über jeweils eine der beiden Stromsenken I1, I2 mit dem anderen der beiden Spannungsanschlüsse hier dem Spannungsanschluss 9, verbunden sind und
wobei die beiden Abschlusswiderstände R3, R4 an ihren anderen Enden 11, 12 über die galvanische Trenneinrichtung 6 mit Anschlüssen 13, 14 für das Leitungspaar 7 verbunden sind.
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Wie angedeutet ist, können die beiden Stromsenken I1, I2 ggf. durch eine einzelne Stromsenke 10 mit einer Umschalteinrichtung 15 ersetzt werden.
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Aus Sicht der Eigensicherheit enthält obige Schaltung weder Strom- noch Spannungsbegrenzung. Da beliebige Fehler in integrierten Schaltkreisen angenommen werden müssen, ist die Stromquelle aus Sicht der Eigensicherheit eine unbegrenzte Spannungsquelle ohne Innenwiderstand. Der Transformator ist als Kurzschluss zu betrachten, einen Serienwiderstand gibt es nicht. Dieser müsste in den Signalpfad noch zusätzlich eingebracht werden und würde die Datenübertragung stören.
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Zur Lösung der Problematik, ist gemäß der Erfindung und wie in Anspruch 1 angegeben vorgesehen, dass zwischen den anderen Enden der Abschlusswiderstände und den Stromsenken oder der Umschalteinrichtung jeweils eine Reihenschaltung aus drei Dioden liegt und dass die galvanischen Trenneinrichtung aus Kondensatoren zwischen den anderen Enden der Abschlusswiderstände und jeweils einem der Anschlüsse für das Leitungspaar besteht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
- 1 eine einfache Schaltung zur Strom- und Spannungsbegrenzung nach dem Stand der Technik,
- 2 ein Beispiel zur Verdeutlichung der Problematik bei der Strom- und Spannungsbegrenzung von Datensignalen mit hoher Signalbandbreite,
- 3 ein Beispiel für einen differentieller Leitungstreiber nach dem Stand der Technik,
- 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen differentiellen Leitungstreibers,
- 5 ein Beispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen Leitungstreibers bei einem Ethernet-Switch und,
- 6 ein Beispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen Leitungstreibers bei einem gemischt eigensicher / nicht eigensicheren Switch Ethernet-Switch.
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Wie 4 anhand eines ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen differentiellen Leitungstreibers zeigt, wird der Transformator durch Kondensatoren zwischen den anderen Enden 11, 12 der Abschlusswiderstände R23, R24 und den zugeordneten Anschlüssen 13, 14 für das Leitungspaar 7 ersetzt, weil der Transformator im eigensicheren Stromkreis zusätzliche und ungünstige Fehlerzustände erzeugen kann. Den Stromsenken 113, 115 werden jeweils drei Dioden D1, D2, D9 bzw. D10, D3, D4 in Serie vorgeschaltet. Damit sind aus Sicht der Eigensicherheit die Stromsenken 115 und 114 hochohmig abgetrennt. Funktionell hingegen wird das Signal weiterhin durch Impulsstrom an den Widerständen R23 und R24 erzeugt. Aus Sicht der Eigensicherheit bleibt als zu berücksichtigende Quelle nur die Versorgungsspannung V_DD2 an dem Spannungsanschluss 8. Die beiden Abschluss- oder Arbeitswiderstände R23 und R24 dienen als Strombegrenzungswiderstände. Um Nichtlinearitäten in der Signalerzeugung zu vermeiden, können in vorteilhafter Weise hochohmige Widerstände R29 und R30 vorgesehen werden. Sie erzeugen einen kleinen Dauerstrom durch die Dioden D1, D2, D9 bzw. D10, D3, D4, so dass der Spannungsabfall konstant bleibt. Für die Eigensicherheit sind diese Widerstände R29, R30 ohne Funktion. Die Spannung V_DD2 ist im Vergleich zur Standardvariante um den Spannungsabfall der Dioden erhöht ausgeführt. Außerdem ist diese Spannung galvanisch getrennt auszuführen. Sind es kombinierte Ein-Ausgänge (wie bei Ethernet-Ports) sind die Dioden durch den dauerhaften Stromfluss transparent. Die Arbeitswiderstände wirken dann als Terminierung.
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Der erfinderische Schritt liegt in der Verwendung der Treibervariante „Stromquelle“ oder „current mode“ zusammen mit der Verwendung der drei Dioden. Im Vergleich zu anderen eigensicheren Lösungen ist hier nicht mehr die Signalquelle als Spannungsquelle für die Eigensicherheit zu berücksichtigen, sondern nur die Terminierungsspannung an den Abschluss- oder Arbeitswiderständen R23 und R24.
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Für die Dioden D1, D2, D9 bzw. D10, D3, D4 werden vorzugsweise Schottky-Dioden verwendet, die sich durch einen geringen Spannungsabfall und hohe Schaltgeschwindigkeit auszeichnen.
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Daraus ergeben sich gleich mehrere Vorteile:
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Erstens muss so der Signalpfad nicht mit einem seriellen Strombegrenzungswiderstand belastet werden, der vor allem bei vorhandenen Kommunikationslösungen wie Ethernet immer eine Verschlechterung der Signalübertragung darstellt. Die Strombegrenzung wird von den Arbeits- bzw. Abschlusswiderständen übernommen. Die Strombegrenzung beeinträchtigt das Nutzsignal nicht sondern ist Teil der Signalerzeugung.
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Zweitens muss die Spannung der Signalerzeugung nicht mehr begrenzt werden. Die genannte Problematik der Notwendigkeit der Begrenzung hochfrequenter Zuleitungen besteht damit nicht mehr. Die Signalerzeugung, beim Ethernet der PHY, ist durch die Dioden aus Sicht der Eigensicherheit abgetrennt.
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Drittens ist die Strombegrenzung deutlich hochohmiger als beim Einbringen eines seriellen, zusätzlichen Strombegrenzungswiderstands. Dadurch ist auch die übertragene Energie, die im Fehlerfall zur Erwärmung der Baugruppen berücksichtigt werden müsste, deutlich geringer.
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5 zeigt in sehr vereinfachter schematischer Darstellung beispielhaft die Verwendung des erfindungsgemäßen Leitungstreibers 16 bei einem Ethernet-Switch. In der Darstellung ist nur ein Ethernetsignal pro PHY gezeigt. In der Realität besteht das Signal aus vier Leitungen pro Port.
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6 zeigt beispielhaft ein gemischt eigensicher / nicht eigensicheren Switch. Hier muss ein sicherer Anschluss an den Potentialausgleich gewährleistet sein. Hohe Fehlerspannungen aus dem nicht sicheren Netzwerk 17 sind durch die Zenerdioden 18 begrenzt, auch wenn die galvanische Trennung ausfällt. Die zusätzliche Sicherung 19 im Signalpfad schützt die Dioden D1, D2, D9; D3, D4, D10 auch bei negativen Fehlerspannungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112007001098 T5 [0007]
