DE2306453B2 - Aktive RC-Filteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive RC-Filteranordnung mit einem Operationsverstärker und einem zwischen den Eingangsklemmen eingeschalteten Spannungsteiler, dessen gemeinsamer Punkt mit einem Eingangsanschluß des Operationsverstärkers gekoppelt ist.

Die Theorie und der Entwurf aktiver Filter ist beispielsweise aus dem Buch »Theory and Design of Active RC Circuits« von L. P. Huelsman (S. 211 -229), McGraw-Hill Book Company, 1968, bekannt. Solche aktiven Filter eignen sich auch 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 LC-Schwingkreisen, schwierig ist, preiswerte, ein kleines Volumen aufweisende, ausreichend trennscharfe Filter zu bauen. Es wäre daher zu erwarten, daß man versucht hätte, solche aus LC-Schwingkreisen aufgebaute Filter durch die neueren aktiven Filter zu ersetzten, und zwar auch deshalb, weil durch die Anwendung integrierter Schaltkreise eine weitgehende Miniaturisierung solcher Filter möglich ist.

Dennoch kommen diese aktiven Filter bisher nur auf ausgewählten Spezialgebieten zur Anwendung. Dies ist offenbar eine Folge davon, daß eine wesentliche Schwierigkeit bei der Anwendung der in Frage stehenden aktiven Filter vor allem in ihrer verhältnismäßig leichten Übersteuerung durch hohe Eingangssignale aufgrund ihrer tiefliegenden Aussteuerungsgrenze besteht.

Dieser Gesichtspunkt spielt vor allem 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.

In der Fernsteuerungstechnik über ein Starkstromnetz ist es nämlich 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 Fernsteuersignal 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 die gleichzeitig anwesende Netzspannung von 220 Volt, 50 Hz und gegebenenfalls auch von einer oder mehreren bis einige Prozente der Netzspannung betragenden Harmonischen, dies insbesondere bei

ίο Fernsteuerfrequenzen unter etwa 300 Hz, bereits derart übersteuert werden, daß eine einwandfreie Verarbeitung des Nutzsignals unmöglich wird.

Stoßspannungen auf dem Starkstromnetz stellen ein weiteres Problem dar. Solche Stoßspannungen können beispielsweise durch atmosphärische Entladungen oder durch Schaltvorgänge verursacht sein, und sie können einige Kilovolt betragen.

Es ist daher bereits versucht worden, aktive Filter in Fernsteuerempfängern derart anzuwenden, daß zwisehen dem Starkstromnetz und dem aktiven Filter ein konventioneller, stoßspannungsfester LC-Schwingkreis vorgesehen wird. Durch diese Maßnahme kann zwar das Problem der Stoßspannungsfestigkeit gelöst werden, sie führt jedoch nicht zum gewünschten Ersatz der aufwendigen und für die tiefen Frequenzen zum voluminösen LC-Filtern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine aktive RC-Filteranordnung d^r eingangs definierten Art mittels einfacher Maßnahmen derart auszubilden, daß sie ohne die

so Gefahr von Funktionseinbußen oder Beschädigungen auf dem Gebiet der Netzüberlagerungstechnik eingesetzt werden kann und den dabei auftretenden extremen Spannungsbedingungen standhält.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden den Spannungsteiler bildenden Widerstände zum Anschluß an die Netzspannung bestimmt und derart diemensioniert sind, daß die Eingangsspannungen des Operationsverstärkers innerhalb zulässiger Grenzen bleiben und gleichzeitig die

•w Übertragungscharakteristik des aktiven RC-Filters mitbestimmende Bestandteile bilden.

Durch die Maßnahme der geziehen, im Hinblick auf die sonst übliche Bemessung des einem Operationsverstärker zugeordneten Netzwerkes atypischen Dimensionierung des Spannungsteilers und die gleichzeitige Ausnutzung der den Spannungsteiler bildenden Widerstände zur Bestimmung der Übertragungscharakteristik wird es möglich, die gestellte Aufgabe in vollem Umfange zu lösen.

Aus der Literaturstelle G.B. Clayton: Operational Amplifiers, Butterworth 1971, S. 38 bis 41 ist es zwar bekannt, zur Vornahme einer Messung des Verhaltens eines nicht rückgekoppelten Operationsverstärkers am Eingang dieses Operationsverstärkers einen Spannungsteiler zu verwenden, dessen Widerstandsverhältnis etwa vergleichbar mit der Verstärkung des Operationsverstärkers ohne Rückkopplung sein soll, aber diese Meßschaltung vermittelt keinen Hinweis auf die Ausgestaltung einer aktiven RC-Filteranordnung mit einem Operationsverstärker, die unter Gewährleistung ihrer Filterfunktion auch ungewöhnlich hohen Störspannungen standhalten muß.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Eingang des Operationsverstärkers höchstens

t>5 ein Tausendstel der an den Eingangsklemmen der Filteranordnung auftretenden Spannung zugeführt. Diese Dimensionierungsvorschrift bewährt sich insbesondere auf dem Gebiet der Fernsteuerung über

Starkstromnetze.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der größere der beiden Widerstände des Spannungsteilers stoßspannungsfest ausgebildet ist. '

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Empfangsfilter für einen Fernsteuerempfänger, welches Empfangsfilter üwei aktive Filter aufweist mit einer nachfolgenden Gleich- K) richterstuft zur Gleichrichtung eines empfangenen Fernsteuersignals und einer Ausgangsstufe für das gleichgerichtete Signal.

Die Figur zeig' 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.

Bei der Fernsteuerung mittels einem Starkstromnetz überlagerter, tonfrequenter Signale wird vorzugsweise eine Frequenz unter etwa 2000 Hz benutzt. Für viele Anwendungsfälle liegen die Signalfrequenzen beispielsweise im Bereich von etwa 100 bis etwa 300 Hz. Bei der 2^r> Benutzung eines Starkstromnetzes von beispielsweise 220 Volt/50 Hz als Übertragungskanal für tonfrequente Signale liegt der Signalpegel sowohl aus wirtschaftlichen Gründen, als auch zur Vermeidung von Störungen anderer Nachrichtendienste etwa in der Größe von Ji) 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 andererseits die, verglichen mit dem j> Nutzsignal, etwa gleich großen oder etwa um eine Größenordnung stärkeren Harmonischen der Netzspannung.

Es ist bekannt, die Frequenz des Nutzsignals, im weiteren als Fernsteuerfrequenz bezeichnet, in einen w Bereich zwischen zwei Netzharmonische zu legen. Bei der Fernsteuerung über das Starkstromnetz handelt es sich, verglichen etwa mit der Telefonie, üblicherweise um einen relativ geringen Informationsfluß. Die zur Verwendung kommenden Übertragungsmittel 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 Bereich 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 Übertragungscharakteristik eines Empfangsfüters in einem durch die möglichen Frequenzabweichungen festgelegten Bereich wenigstens annähernd konstant ist. Ein solches Verhalten des Empfangsfüters 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 t>o der Vermeidung allzulanger Einschwingzeiten kann eine angemessene Bandbreite erwünscht sein.

Die Figur zeigt ein Schaltbild eines Empfangsfilters 1 für einen Fernsteuerempfänger sowie einen Stromversorgungsteil 2 für das Empfangsfilter 1. Weitere Teile h> des Fernsteuerempfängers zur Auswertung empfange ner Signale werden als bekannt vorausgesetzt, vergleiche beisDielsweise Schweizer Patent No 4 72 163, und sind daher zeichnerisch nicht dargestellt. An eine Eingangsklemme 3 bzw. 4 ist ein Phasenleiter Pbzw. der Nulleiter O eines 220 Volt/50 Hz Starkstromnetzes angeschlossen. Eine Primärwicklung 5 eines Netztransforrrators 6 ist einerseits an die F.ingangsklemme 3 und andererseits über eine Sicherung 7 an die Eingangsklemme 4 angeschlossen. An eine Sekundärwicklung 8 ist ein Brückengleichrichter 9 und an dessen Gleichstromanschlüsse ein Siebkondensator 10 angeschlossen. Mittels einer Stabilisierungsstufe 11 wird aus der Ausgangsspannung i/iodes Brückengleichrichters 9 eine stabilisierte Speisegleichspannung Uu, 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 Brückengleichrichters 9 bzw. des Siebkondensators 10 liegenden Plussammeischiene 19 verbunden. Hierbei wird in bekannter Weise die Speisespannung U\ \ für das mindestens ein aktives Filter 29 enthaltende Empfangsfilter 1 stabilisiert. Diese stabilisierte Speisespannung Un ist einerseits an eine Eingangsklemme 20 und eine Eingangsklemme 21 des Empfangsfüters 1 gelegt. Mittels einer weiteren Zenerdiode 22 und eines Widerstandes 23 wird die Speisespannung Uu in eine negative Speisespannung U20 und in eine positive Speisespannung L/23 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 liegt je ein Entkopplungskondensator 25 bzw. 26. Von einer Eingangsklemme 27 des Empfangsfüters 1 führt eine Leitung 28 zur Eingangsklemme 3 an welcher der Phasenleiter P des 220 Volt/50 Hz-Starkstromnetzes angeschlossen ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Empfangsfilter 1 zweistufig ausgeführt mit einem ersten aktiven Filter 29 und einem zweiten aktiven Filter 30. Dem zweiten aktiven Filter 30 folgt eine Gleichrichterstufe 31 und dieser eine Ausgangsstufe 32, deren Ausgang in 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.

Dem Verstärker 34 werden die Betriebsspannungen einerseits von einer an die Klemme 20 angeschlossenen Minussammeischiene 20' über eine Leitung 35 an einen Anschluß 36 und von der Plussammeischiene 19 über eine Leitung 37 zu einem Anschluß 38 zugeführt. Vom Ausgang 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 Verbindungspunkt 46 der beiden Kondensatoren 44 und 45 ist außerdem über einen Widerstand 47 mit der Nullpotential-Sammelschiene 24' und über einen Eingangswiderstand 48 mit der Eingangsklemme 27 verbunden.

Diese Beschallung des Verstärkers 34 entspricht dem Schaltbild 12, S. 222, des eingangs erwähnten Buches »Theory and Design of Active RC Circuits«, LP. H u e 1 s m a η. Erfindungsgemäß wird nun der von der

Eingangsklemme 27 des aktiven Filters 29 zu dem Verbindungspunkt 46, welcher mit dem Eingang 40 des Verstärkers 34 gekoppelt ist, führende erste Widerstand mindestens 1000 mal größer gewählt als der zweite, von dem Verbindungspunkt 46 zu der am Nullpontential liegenden Klemme 24 führende Widerstand 47.

Vorzugsweise wird für den Eingangswiderstand 48 ein stoßspannungsfester Widerstand, beispielsweise Typ SG-45 von RESlSTA oder HVX von VITHROM, gewählt. 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 aktiven Filters 29 wesentlich kleiner ist als das zwischen den Klemmen 24 und 27 auftretende fernsteuerfrequente Eingangssignal.

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 dasjenige des ersten aktiven Filters 29. Bei diesem zweiten aktiven Filter 30 wird nun jedoch durch Wahl eines kleineren Verhältnisses zwischen seinem Eingangswiderstand 50 zu seinem Widerstand 51, und an diese Widerstandswerte angepaßte Werte für die übrigen Widerstände 51 und 52 ein solcher Verstärkungsgrad für die Fernsteuerfrequenz eingestellt, daß am Ausgang 53 des zweiten aktiven Filters 30 die gewünschte Stärke des Ausgangssignals L^ 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 ihm entsprechenden Widerstand 51 im zweiten aktiven Filter ist je ein Parailelwiderstand 47' bzw. 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

ίο läßt sich eine Durchlaßcharakteristik erzielen, welche der Durchlaßcharakteristik eines beispielsweise kritisch gekoppelten zweikreisigen Bandfilters ähnlich ist.

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, also ein Verhältnis von mehr als 1000:1, wodurch das aktive Filter 29, welches für eine Durchlaßfrequenz von etwa 217 Hz dimensioniert war, eine einwandfreie Funktion für den selektiven Empfang eines Fernsteuersignals von etwa 1 Volt, 217 Hz neben einer gleichzeitig an den Eingang 27 des aktiven Filters 29 angelegten Netzspannung von 220 Volt, 50 Hz und den üblichen Netzharmonischen in der Größe von einigen Prozenten der Netzspannung ergab. Für den Eingangswiderstand 50 bzw. für die Parallelschaltung der Widerstände 51 und 5Γ im zweiten aktiven Filter 30 wurden die Werte etwa 30 Kiloohm bzw. etwa 100 Ohm gewählt, wodurch der Verstärkungsverlust des ersten aktiven Filters 29

jo zufolge der Wahl des größeren Widerstandsverhältnisses wider ausgeglichen werden konnte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Aktive RC-Filteranordnung mit einem Operationsverstärker und einem zwischen den Eingangsklemmen eingeschalteten Spannungsteiler, dessen gemeinsamer Punkt mit einem Eingangsanschluß des Operationsverstärkers gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den Spannungsteiler bildenden Widerstände (47, 48) zum Anschluß an die Netzspannung bestimmt und derart dimensioniert sind, daß die Eingangsspannungen des Operationsverstärkers (34) innerhalb zulässiger Grenzen bleiben und gleichzeitig die Übertragungscharakteristik des aktiven RC-Filters mitbestimmende Bestandteile bilden.

2. Aktive RC-Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des Operationsverstärkers (34) höchstens ein Tausendstel der an den Eingangsklemmen der Filteranordnung auftretenden Spannung zugeführt ist.

3. Aktive RC-Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der größere der beiden Widerstände (47, 48) stoßspannungsfest ausgebildet ist.