DE2710198B2 - Gleichstromtrennschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstromtrennschaltung mit einem Oszillator, einem oignaldetektor und einer nicht leitenden Koppeltincichtung zur Ankopplung des Oszillators an den Signaldetek .or.

Auf dem Gebiet der Signalübertragung tritt gelegentlich das Problem auf, eine Gleichstromtrennung zwischen zwei gewählten Punkten auf einem Übertragungsweg herzustellen. Das wird im allgemeinen erreicht mit Kondensatoren, Transformatoren, Relais oder optischen Isolatoren. Die optischen Isolatoren sind besonders brauchbar mit der Signalverarbeitung, beispielsweise Verbindungsleitungen von Rechnern, da sie sehr klein sind und sehr schnell ansprechen.

Ein Nachteil optischer Isolatoren ist jedoch ihr verhältnismäßig niedriger Wirkungsgrad, der sich aus Verlusten bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht, Verlusten bei der Lichtausbreitung und Verluste bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie ergibt.

Auf einem anderen Gebiet der Technik werden Gleichspannungswandler benutzt, um eine Gleichspannung mit einem Wert in eine Gleichspannung mit einem anderen Wert umzuwandeln. Bei solchen Wandlern benutzt man im allgemeinen Oszillatoren mit hohem Wirkungsgrad zur Umwandlung der Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung, einen Transformator zum Transformieren der Wechselspannung und einen Gleichrichter für die transformierte Wechselspannung. Zur Erzielung eines annehmbaren Wirkungsgrades sind die in solchen Gleiehspannungswancflern benutzten Transformatoren im allgemeinen groß und haben einen Kern verhältnismäßig hoher Permeabilität im Vergleich zu der von Luft. Außerdem verwenden solche Gl<"„'!!spannungswandler im Interesse guten Wirkungsgrades meist Schaltoszillatorcn anstelle von Sinusos/.illatorcn und betreiben sie mit Frequenzen unterhalb 100 kHz. In der Zeitscift Electronics,

W) !,November 1957, Seite 163, ist aber auch ein Gleichspannungswandler beschrieben, der einen im Hochfrequenzbereich arbeitenden Sinusoszillator mit einer Vakuumröhre und einen eisenlosen Transformator verwendet

Für viele Anwendungen sind alle bekannten Gleichstromtrennschaltungen der Gegenwart entweder zu groß ode>- haben einen zu niedrigen Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine extrem Ideine Gleichstromtrennschaltung mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Gleichstromtrennschaltung der eingangs genannten Art und ist gekennzeichnet durch die Verwendung ein^s beim Anlegen eines Eingangssignals Mikrowellen erzeugenden Oszillators und eines Transformators als Koppeleinrichtung, wobei der Oszillator, der Transformator und der Signaldetektor auf einem Halbletfarsubstrat integriert sind.

Durch einen Betrieb bei Mikrowellenfrequenzen, typischerweise zwischen !,5 und 20GHz₁ lassen sich demgemäß extrem kleine, integrierbare Gleichstromtrennschaltungen verwirklichen, die einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen.

Es ist bekannt einen vollständigen Oszillator auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat unterzubringen. Für einen Oszillator irt Bereich von 100 MHz (DE-AS 19 36 746) ist dabei auf einem Substrat mit negativem Widerstand auf einer Seite eine Elektrode und auf der anderen Seite über eine Isolierschicht eine Induktivität in Form einer Spirale oder eines Streifenleiters angebracht. Mikrowellenoszillatoren, beispielsweise unter Verwendung des Gunn-Effektes, sind bekannt (VDI-Nachrichten, Heft 31, 1966, Seite 1). Auch andere Schaltungsteile, beispielsweise Detektoren, sind schon für sich in Form einer integrierten Schaltung auf einem Halbleitersubstrat verwirklicht worden. Bekannt ist schließlich auch die Verwendung eines Transformators als Koppeleinrichtung.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Trennschaltung nach der Erfindung;

Fig.2 eine zweckmäßige Anordnung für die in der Schaltung nach F i g. 1 benutzten Spulen;

Fig.3 eine zweckmäßige Anordnung für Transformatoren, die in der Schaltung nach Fig. I benutzt werden.

Das Bauteil 10 in F i g. 1 ist ein Mikrowellenoszillator, der auf ein zwischen die Anschlüsse 101 und 102 angelegtes Eingangssignal anspricht. Das Eingangssignal ist seiner Natur nach ein Gleichstromsignal, beispielsweise ein impulsförmiges (logisches) Signal mit einer Gleichstromkomponente. Im Bauteil 10 legt ein Netzwerk Λ/1 das Eingangssignal an den Kollektoranschluß eines Transistors Q und verhindert, daß das Wechselstromsignal am Kollektor des Transistors Q den Anschluß 101 erreicht. Das Netzwerk /V1 kann ein übliches Tiefpaßfilter sein, beispielsweise entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein mit Kondensatoren und Spulen aufgebautes T-Netzwcrk. Das am Anschluß 101 zugefüiirte Eingangssignal wird außerdem über das Netzwerk N 1 und einen Widerstand Wi der Basis des Transistors (J zugeführt. Der Wert des Widerstandes R-, bestimmt den Ruhestrom des Transistors Q.

Zur Erzeugung von Schwingungen wird das WechsclstromAusgangssignal am Kollektor des Transistors Q

mit der richtigen Phase an die Basis des Transistors Q rückgekoppelt Dies geschieht ober eine Reihenschaltung aus einem Kondensator C, einem Netzwerk N 2 zur Impedanzanpassung, einem Koppelnetzwerk N3 und einem Phasenschtebe-Impedanzanpaßnetzwerk NA,. Die Netzwerke N2 und NA können entsprechend der Darstellung in Fig. 1 übliche T-Leiternetzwerke sein und das Netzwerk N3 kann aus einem Hybridkcippler bestehen. Bezeichnet man die Anschlüsse 1 und 4 als ein Paar der konjugierten Anschlüsse des Hybrid-Kcipplers und die Anschlüsse 2 und 3 als das zweite konjugierte Anschlußpaar, so erzeugt ein an den Anschluß 1 des Nerzwerkes Λ/3 angelegtes Signal ein Ausgangssignal am Anschluß 3 und ein Rückkopplungssignal am Anschluß 2. Für die richtige Arbeitsweise des Netzwerkes A/3 ist der konjugierte Anschluß 4 mit einem Widerstand /?z abgeschlossen, der einen geeignet gewählten Wert hat

Das Ausgangssignal des Netzwerkes /V3 (Anschluß 3) stellt das Ausgangssignal des Mikrowellenoszillators 10 dar. Das auf Erdpotentia! bezogene Ausgangssigna! am Anschluß 102 ist an die Primärwicklung 21 eine; ebenen Transformators 20 angeschlossen. Wie bei einem üblichen Transformator ist die Sekundärwicklung 22 des ebenen Transformators 20 elektrisch vor der Primärwicklung isoliert Dies bewirkt die gewünschte Gleichstromtrennung durch die integrierte Trennschaltung nach der Erfindung. Das Ausgangssignal der Sekundärwicklung des Transformators 20 liegt an einem Mikrowellendetektor 30, der das Ausgangssignal der Sekundärwicklung des Transformators 20 gleichrichtet und mittelt Dadurch wird ein Abbild des an den Anschluß 101 angelegten Signals erzeugt Der Detektor 30 kann ein üblicher Mikrowellendetektor sein, beispielsweise des in F i g, 1 dargestellten Diodenkondensatornetzwerk.

Zur Erzielung einer wirkungsvollen Energieübertragung ist der Oszillator 10 so ausgelegt daß er Mikrowellenfrequenzen erzeugt da damit die Verwen dung von Kondensatoren, Spulen und Transformatoren mit kleinen Werten ermöglicht wird.

Die Herstellung von kleinen integrierten Kondensatoren ist bekannt Entsprechend ist die Konstruktion von kleinen Induktivitäten ebenfalls bekannt In diesem Zusammenhang ist eine Spulenkonstruktion bekannt die eine gewisse Ähnlichkeit mit der konventionellen, dreidimensionalen Konstruktion einer Spule hat Alternativ kann eine Spule entsprechend der Darstellung in Fig. 2 durch spiralförmige Führung eines leitenden

2» Weges 41 auf einem Halbleitersubstrat 40 und einen Anschluß an die Mitte der Spirasc durch einen Mehrschichtaufbau hergestellt werden. Ein solcher Mehrschichtaufbau ist auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen bekannt Der Transformator 20 kann durch

-"> Herstellung von zwei parallelen Leitungsabschnitten 51 und 52 auf das Halbleiterplättchen 50 integriert werden. Ein solcher Aufbau ist in F i g. 3 dargestellt, wobei die elektromagnetische Kopplung des Transformators auf bequeme Weise durch Wahl der Länge für die

i<> Leiterabschnitte und deren Abs;and beeinflußbar ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Gleichstromtrennschaltung mit einem Oszillator, einem Signaldetektor und einer nichtleitenden Koppeleinrichtung zur Ankopplung des Oszillators * an den Signaldetektor, gekennzeichnet durch die Verwendung eines beim Anlegen eines Eingangssignals Mikrowellen erzeugenden Oszillators (10) und eines Transformators (20) als Koppeleinrichtung, wobei der Oszillator (10), der "> Transformator (20) und der Signaldetektor (30) auf einem Halbleitersubstrat integriert sind

2. Gleichstromtrennschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator ein ebener Transformator (20) ist

3. Gleichstromtrennschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (21) des ebenen Transformators (20) ein erster ebener Leiter fester Länge und die Sekundärwicklung (22) des ebenen Transformators ein zweiter ^o ebener Leiter fester Länge ist, der nahe und parallel zu dem ersten ebenen Leiter fester Länge angeordnet ist.

4. Gleichstromtrennschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator, der -> Transformator und der Detektor auf einer gemeinsamen Halbleiterfläche hergestellt sind.