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Aktives Filter Die Erfindung bezieht sich auf ein aktives Filter sowie
auf eine Verwendung desselben.
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Aktive Filter sind seit längerer Zeit bekannt. Die Theorie und der
Entwurf aktiver Filter ist beispielsweise in dem Buch "Theory and Design of Active
RC Circuitsl' von t.P. Huelsman, McGraw-Hill Book Company, 1068, ausführlich behandelt.
Solche aktive Filter eignen sich nach dem heutigen Stande der Technik besonders
für verhältnismässig tiefe Frequenzen; beispielsweise unter etwa 2000 Hz. Das ist
nun aber gerade ein Frequenzbereich, in welchem es mit herkömmlichen Mitteln, also
mit lIC-Schwingkreisen, schwierig ist preiswerte, ein kleines Volumen aufweisende,
ausreichend trennscharfe Filter zu bauen. Es wäre daher naheliegend, solche aus
LC-Schwingkreisen aufgebaute Filter durch die neueren aktiven Filter zu ersetzen,
dies namentlich weil durch die Anwendung integrierter Schaltkreise eine weitgehende
Miniaturisierung solcher Filter möglich ist.
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Obwohl diese aktiven Filter nun schon eine- Reihe von Jahren bekannt
sind, kommen sie nur auf? ausgewählten Spezialgebieten zur Anwendung Eine we s'entlic
he Schwierigkeit bei der. Anwendung der in Frage stehenden aktiven Filter besteht
vor allem in ihrer verhältnismässig leichten Zerstörbarkeit durch hohe Eingangssignale
und in ihrer tiefliegender Aussteuerungsgrenze.
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Diese Gesichtspunkte' spielen nämlich besonders auf dem Gebiet der
Fernsteuerung und hier besonders' auf dem Gebiet der Fernsteuerung mittels tonfrequenter
Signale, welche einem Starkstromnetz überlagert- werden, eine ganz besondere Rolle.
Ein Problem stellen in einem solchen Fall die häufig auftretenden Stossspannungen
auf dem Starkstromnetz dar, Solche Stossspannungen werden beispielsweise durch atmosphärische
Entladungen oder aber durch Schaltvorgänge im Starkstromnetz bervorgerufen und sie
können einige Kilovolt betragen.
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Solche Ueberspannungen können nicht nur zu einer Uebersteuerung des
Verstärkers im aktiven Filter führen, sondern sie können ihn vielmehr auch dauernd
zerstören.
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In der bekannten Rundsteuerungstechnik ist es üblich, einer Netzspannung
von beispielsweise 220 Volt ein Nutzsignal in der Grössenordnung von höchstens einigen
Prozent der Netzspannung zu überlagern. Will man nun dem die Netzspannung und das
überlagerte Fernstauersignal gleichzeitig führenden Starkstromnetz mittels eines
an
das Starkstromnetz angeschlossenen aktiven Filters das Nutzsignal von beispielsweise
etwa nur 1 Volt entnehmen, so kann der Verstärker des aktiven Filters durch Stossspannungen
und/oder durch die gleichzeitig anwesende Netzspannung von 22G Volt/50 Hz und gegebenenfalls-auch
durch Harmonische der Netzspannung nicht nur übersteuert, sondern sogar zerstört
werden.
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Es ist bereits versucht worden, aktive Filter in Fernsteuerempfängern
derart anzuwenden, dass zwischen das Starkstromnetz und das aktive Filter ein konventioneller,
stossspannungsfester LC-Schwingkreis vorgesehen wrd.
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Durch diese Nassnahme kann zwar das Problem der Stossspannungsfestigkeit
gelöst werden, es fuhrt jedoch nicht zum gewünschten Ersatz der aufwendigen und
für die tiefen Frequenzen zu voluminösen LC-Filter.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein aktives
Filter zu schaffen, welches geeignet ist an ein beispielsweise 220 Volt/50 liz führendes
Starkstromnetz angeschlossen zu werden und welches die genannten Nachteile nicht
aufweist.
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Die Erfindung betrifft ein aktives Filter, welches dadurch gekennzeichnet
ist, dass von einer ersten Eingangsklemme des aktiven Filters ein erster Widerstand
zu einem Verbindungspunkt und von diesem Verbindungspunkt ein zweiter Widerstand
zu einer am Nullpotential liegenden zweiten Eingangsklemme führt, wobei der genannte
Verbindungspunkt mit einem Eingang eines-Verstärkers gekoppelt ist und wobei das
Widerstandsverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand so gross gewählt
ist, dass bei der am Eingang des Filters,höchsten zu erwartenden Spannung die am
Verstärker des aktiven Filters dabei auftretende Eingangsspannung noch unter der
Zerstörungsgrenze'des Verstärkers liegt.
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Die.Erfindung betrifft auch eine Verwendung des genannten aktiven
Filters als Eingangsfilter eines Fernsteuerempfängers.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung
beispielsweise erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Empfangsfilter für einen
Fernsteuerempfänger, welches Empfangsfilter zwei aktive Filter aufweist mit einer
nachfolgenden Gleichrichterstufe zur Gleichrichtung eines empfangenen Fernsteuersignals
und einer Ausgangsstufe für das gleichgerichtete Signal.
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Die Figur zeigt ein Schaltbild eines aktiven Filters, welches sich
für die Verwendung in einem Fernsteuerempfänger für die selektive Verstärkung tonfrequenter,
einem Starkstromnetz überlagerter Signale-eignet. Vorgängig der Beschreibung des
aktiven Filters wird kurz auf die speziellen Probleme dieses Anwendungsfalles eines
aktiven Filters eingegangen.
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Bei der Fernsteuerung mittels einem Starkstromnetz überlagerter, tonfrequenter
Signale'wird vorzugsweise eine Frequenz unter etwa 2000 Hz benutzt. PUr viele Anwendungsfälle
liegen die Signalfrequenzen beispielsweise im Bereich von etwa 100 bis etwa 300
Hz. Bei der Benutzung eines St'arkstromnetzes von beispielsweise 220 Volt/50 Hz
als Uebertragungskanal für tonfrequente Signale liegt der Signalpegel sowohl aus
wirtschaftlichen Gründen, als auch zur Vermeidung von Störungen anderer Nachrichtendienste
etwa in der Grösse von einigen Volt bis hinunter zu einigen Zehntelvolt. Als Besonderheit
ist zu beachten, dass neben dem Nutzsignal einerseits die um zwei, bis drei Grössenordnungen
stärkere Netzspannung 220 Volt/50 Hz dauernd vorhanden ist, und anderseits die,
verglichen mit dem Nutzsignal, etwa gleich grossen oder etwa um eine Grössenordnung
stärkeren Harmonischen der Netzspannung. Zudem treten häufig die.
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genannten Stossspannungen auf.
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Es ist bekannt, die Frequenz des Nutzsignals, im weiteren als Fernsteuerfrequenz
bezeichnet, in einen Bereich zwischen zwei Netzharmonische zu legen. Bei der Fernsteuerung
über das Starkstromnetz andeIt es sich, verglichen etwa mit der Telefone, u,;licherweise
um einen relativ geringen Informationsfluss. Die zur Verwendung kommenden Uebertragungsmittel
weisen daher vorzugsweise eine Bandbreite von meist nur wenigen Hertz auf, im besonderen
beträgt die Bandbreite in der Regel weniger als 5% einer Fernsteuerfrequenz im.
Bereiche von etwa 150 - 300 Hz. Es ist auch bekannt, auf der Sendeseite die Fernsteuerfrequenz
in einem starren Verhältnis zur Netzfrequenz zu halten. In solchen Fällen ist es
erwünscht, dass' die Uebertragungscharakteristik eines Empfangsfilters in einem
durch die möglichen Frequenzabweichungen festgelegten Bereich wenigstens annähernd
konstant ist. Ein solches Verhalten des Empfangsfilters kann beispielsweise durch
ein zwei- oder mehrkreisiges Filter erreicht werden. Es ist auch möglich, durch
geringfügige Verstimmung von in Kaskade geschalteten Einzelfiltern ein ähnliches
Resultat zu erzielen. Auch aus Gründen der Vermeidung allzulanger Einschwingzeiten
kann eine angemessene Bandbreite erwünscht sein.
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Die Figur zeigt ein Schaltbild eines Empfangsfilters 1 für einen Fernsteuerempfänger
sowie einen Stromversorgungsteil 2 für das Empfangsfilter 1. Weitere Teile des Fernsteuerempfängers
zur Auswr:tung empfangener Signale werden als bekannt vorausgesetzt, vergl. beispielsweise
Schweizer Patent No. 472 163, und sind daher zeichnerisch nicht dargestellt. An
eine Eingangsklemme 3 bzw. 4 ist ein Phasenleiter P bzw. der Nullleiter 0 eines
220 Volt/SO Hz Starkstromnetzes'angeschlossen. Eine Primärwicklung 5 eines Netztransformators
6 ist einerseits an die Eingangsklemme 3 und anderseits über eine Sicherung 7 an
die Eingangsklemme 4 angeschlossen.
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An eine Sekundärwicklung 8 ist ein Brückengleichrichter 9 und an dessen
Gleichstromanschlüsse ein Siebkondensator 10 angeschlossen. Mittels einer Stabilisierungsstufe
11 wird aus der Ausgangsspannung U1O des Brückengleichrichters 9 eine stabilisierte
Speisegleichspannung Ull, beispielsweise 24 Volt, erzeugt. Der negative Pol des
Brückengleichrichters 9 und des Siebkondensators 10 sind über eine Leitung 12 und
über einen Basiswiderstand 13 mit der Basis 14 bzw. über einen Kollektorwiderstand
15 mit dem Kollektor 16 eines Transistors 17 verbunden. Die Basis 14 des Transistors
17 ist über zwei Zenerdioden 18 mit einer am Pluspol des Brücken--gleichrichters
9 bzw. des Siebkondensators 10 liegenden Plussammelschiene 19 verbunden. Hierbei
wird in bekannter Weise die Speisespannung U11 für das mindestens ein
aktives
Filter 29 enthaltende Empfangsfilter l stabilisiert. Diese stabilisierte Speisespannung
U11 ist einerseits an eine Eingangsklemme 20 und eine Eingangsklemme 21 des Empfangsfilters
1 gelegt. Mittelst einer weiteren Zenerdiode 22 und eines Widerstandes 23 wird die
Speisespannung U11 in eine negative Speisespannung U20 und in eine positive Speisespannung
U21 aufgeteilt. Dabei liegt der Verbindungspunkt 24- der Zenerdiode 22 und des Widerstandes
23 als Nullpotentialpunkt an einer Nullpotential-Sammelschiene 24'. Sowohl über
der Zenerdiode 22 als auch über dem Widerstand 23 liest je ein Entkopplungskondensator
25 bzw. 26. Von einer Eingangsklemme 27 des Empfangsfilters 1 fürht eine Leitung
28 zur Eingangsklemme 3 an welcher der Phasenleiter P des 220 Volt/50 Hz-Slarkstromnetzes
angeschlossen ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Empfangsfilter 1 zweistufig
ausgeführt mit einem ersten aktiven Filter 29 und einem zweiten aktiven Filter 30
Dein zweiten aktiven Filter )O- folgt eine Gleichrichterstufe 31 und dieser eine
Ausgangsstufe 32, deren Ausgang mit einer Ausgangsklemme 33 verbunden ist Das erste
aktive Filter 29 weist einen Verstärker 34 auf, beispielsweise wie Typ 748 der Firma
Fairchild Semiconductor, Mountain-View, California 94040, USA.
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Dem Verstärker 34 werden die Betriebsspannungen einer seits von einer
an die Klemme 20 angeschlossenen Minussammelschiene 20' über eine Leitung 35 an
einen Anschluss 36 und von der Plussammelschiene 19 über eine Leitung 37 zu einem
Anschluss 38 zugeführt. Vom husgang 39 des Verstärkers 34 ist zu einem ersten Eingang
40 ein Widerstand 41 geschaltet. Ein zweiter Eingang 42 des Verstärkers 34 ist über
eine Leitung 43 mit der Nullpotential-Sammelschiene 24' verbunden. Der Ausgang 39
des Verstärkers 34 ist auch über zwei in Serie geschaltete Kondensatoren 44 und
45 mit dem ersten Eingang 40 des Verstärkers verbunden. Der mit dem Eingang 46 des
Verstärkers 34 gekoppelte Verbindungspunkt 46 der beiden Kondensatoren 44 und 45
ist ausserdem uber.
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einen Widerstand 47 mit der Nullpotential-Sammelschiene 24' und ueber
einen Eingangswiderstand 48 mit der Eingangsklemme 27 verbunden.
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Diese Beschaltung des Verstärkers 34 entspricht dem Schaltbild 12,
Seite 222, des eingangs erwähnten Buches "Theory and Design of Active RC Circuits",
L.P. Huelsman.
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Erfindungsgemäss wird nun der Wert des ersten Eingangswiderstandes
48-, welcher von der ersten Eingangsklemme 27 zum Verbindungspunkt 46 führt und
der Wert des vQn diesem Verbindungspunkt 46 zu der zweiten, am Nullpotential liegenden,
Eingangsklemme 24 zweiten Eingangswiderstandes 47 so gewählt, dass das Widerstandsverhälthis
zwischen
dem ersten und zweiten Widerstand so gross ist, dass bei der am Eingang des Filters
höchsten zu erwartenden Spannung die am Verstärker des aktiven Filters dabei auftretende
Eingangssp'vg noch unter der Zerstörungsgrenze des Verstärkers liegt.
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Vorzugsweise wird für den ersten Eingangswiderstand ein stossspannungsfester
Typ gewählt. Beispielsweise kann für den Eingangswiderstand 48 oder mindestens einen
Teil desselben, ein stossspannungsfester Widerstand des Typs SG-45 von RESISTA oder
HVX von VITROHM gewählt werden. Bei dem aktiven Filter 29 eines Empfangsfilters
1 eines an ein Starkstromnetz anzuschliessenden Fernsteuerempfängers der genannten
Art führt dies, unter Berücksichtigung der früher erwähnten Bedingungen, bei der
geforderten Selektivität dazu, dass die Ausgangsspannung U39 des ersten aktiven
Filters 29 wesentlich kleiner ist als das zwischen den Klemmen 24 und 27 auftretende
fernsteuerfrequente Eingangssignal.
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Es ist daher besonders vorteilhaft, wie in der Figur dargestellt,
dem ersten aktiven Filter 29 ein zweites aktives Filter 30 mit einem Verstärker
49 folgen zu lassen, dessen Schaltbild vorzugsweise gleich gewählt ist wie dashenige
des ersten aktiven Filters 29. Bei diese: zweiten aktiven Filter 30 wird nun jedoch
durch Wahl eines kleineren Wertes für senen Eingangswiderstand
50
als für den Widerstand 48 und an diesen angepasste Werte für die übrigen Widerstände
51 und 52 ein solcher Verstärkungsgrad für die Fernsteuerfrequenz eingestellt, dass
am Ausgang 3 des zweiten aktiven Filters 30 die gewünschte Stärke des Ausgangssignals'U49
erreicht wird. Im übrigen werden die Widerstände 50, 51 und 52 sowie die Kondensatoren
53 und 54 in bekannter'Weise so gewählt, dass sich die gewünschte Durchlassfrequenz
des aktiven Filters 30 ergibt. Sowohl dem Widerstand 47 als auch dem ibm entsprechenden
Widerstand 51 im zweiten aktiven Filter ist je ein Parallelwiderstand 47' bzw.
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51' parallel geschaltet, mit dessen Hilfe ein Feinabgleich der aktiven
Filter möglich ist. -Durch geringfügige Verschiebung der Durchlassfrequenz des ersten
aktiven Filters 29 bzw. des zweiten aktiven Filters 30 in bezug auf die Fernsteuerfrequenz
lässt sich eine Durchlasscharakteristik erzielen, welche der Durchlasscharakteristik
eines beispielsweise kritisch gekoppelten zweikreisigen Bandfilters ähnlich ist.
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In einem konkreten Fall ist für den Eingangswiderstand-48 ein Wert
von etwa 300 Kiloohm und für die Parallelschaltung der Widerstände 47 und 47' ein
Wert von etwa 100 Ohm gewählt worden, wodurch das aktive Filter 29, welches für
eine Durchlassfrequenz von etwa 217 Hz dimensioniert war, eine einwandfreie Funktion
für den
slektiven Empfang eines Fernsteuersignals von etwa 1 Volt,
217 Hertz neben einer gleichzeitig an den Eingang 27 des aktiven Filters 29 angelegten
Netzspannung von 220 Volt/SO Hz und den iiblichen Netzharmonischen in der Grösse
von einigen Prozenten der Netzspannung ergab und weder durch die üblichen Ueberspannungen
noch Stossspannungen zerstörbar war.
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Für den Eingangswiderstand 50 bzw. für die Parallelschaltung der Widerstände
51 und 51' im zweiten aktiven Filter 30 wurden die Werte etwa 30 Kiloohm bzw. etwa
100 Ohm gewählt, wodurch der Verstärkungsverlust des ersten aktiven Filters 29 zufolge
der Wahl eines erhöhten Wertes für den Eingangswiderstand 48 wieder ausgeglichen
werden konnte.