DE4136314A1 - Schaltung zur isolierung der erde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Isolierung der Erde bzw. Masse für elektronische Schaltungen und insbesondere eine Schaltung zur Isolierung der Erde bzw. der Masse zur Isolierung einer Vielzahl von Signalkanälen, wie in einer in einem Kraft­ fahrzeug montierten stereophonen Audioanlage.

In einer in einem Kraftfahrzeug montierten stereophonen Audio- bzw. Musikanlage, welche auf enorme Rauschstrahlung trifft, ist es üblich, abgeschirmte Kabel für die Verbindung diskreter elektronischer Schaltungen mit Kabeln, wie einen Compactdisk­ (CD)-Spieler und einen Vorverstärker, einzusetzen und die Ab­ schirmungen bzw. Abschirmleitungen der abgeschirmten Kabel sind an den Erden bzw. Massen jedes elektronischen Schaltkreises an beiden Enden geerdet, um die elektronischen Schaltkreise vor externem Rauschen zu schützen.

Das externe Rauschen bzw. die äußeren Rauscheinflüsse können durch Verbindung der elektronischen Schaltungen mit abgeschirm­ ten Kabeln, wie vorstehend erwähnt, ausgeschaltet werden, je­ doch können diese ein anderes Problem hervorrufen, sie können sogenanntes Erdungsrauschen oder -brummen, den sogenannten "Ground loop noise", in solch einem Abschirmungssystem er­ zeugen, da eine Erdungsschleife durch die geerdeten Abschirm­ leitungen zwischen den angeschlossenen elektronischen Schaltun­ gen gebildet wird und, falls dabei eine Differenz zwischen den Erd- bzw. Massepotentialen besteht, ein Kreisstrom durch die gebildete Erdungsschleife fließen kann.

Dementsprechend wird, um das Rauschen der Erdungsschleife zu eliminieren, hervorgerufen durch die Potentialdifferenz der Erden bzw. Massen zwischen den verbundenen elektronischen Schaltungen, falls deren Verbindung unter Einsatz von abge­ schirmten Kabeln vorgenommen wurde, ein Differenzverstärker normalerweise an der Eingangsseite der elektronischen Schaltung bei der Nach- bzw. Folgestufe als eine Komponente der Erdungsisolierungsschaltung für die Isolierung bzw. Trennung der Erden oder Massen der verbundenen elektronischen Schaltun­ gen voneinander eingesetzt.

In Fig. 1 wird als Beispiel eine Erdungsisolierungsschaltung entsprechend dem bekannten Stand der Technik für die Verwendung beim Anschließen einer CD-Player-Einheit an einen Verstärker in einer in einem Kraftfahrzeug montierten stereophonen Audioanla­ ge dargestellt. Bekannterweise existieren eine Anzahl von Rauschstrahlungsquellen in dem Kraftfahrzeug, wie ein Motor, ein Zündsystem, ein Mikrocomputer zur Kontrolle des Fahrzeugs und ähnliche mehr, und abgestrahltes externes Rauschen wird leicht durch einen innerhalb des Fahrzeugkörpers zur Verbindung diskreter elektronischer Einheiten installierten Kabelbaum auf­ genommen.

Konsequenterweise wurde ein RCA "cord 5"-Kabel oder auch Cynch- Kabel, dessen zusammengesetzte Elemente unabhängig durch Ab­ schirmleitungen 4L und 4R abgeschirmt sind, in solch einer Kraftfahrzeugverkabelung zur Übertragung der Signale des linken (L) und des rechten (R) Kanals der stereophonen Audioanlage durch abgeschirmte Signalleitungen 3L und 3R eingesetzt.

In Fig. 1 ist die Signalleitung 3L des RCA "cord 5"-Kabels für das Signal des L-Kanals zwischen einem Ausgangsanschluß L1 des Signals des L-Kanals der CD-Playereinheit 1 verdrahtet mit einem Eingangsanschluß L2 des Signals des L-Kanals einer Ver­ stärkereinheit 2. In gleicher Weise ist die Signalleitung 3R des R-Kanals zwischen einem Ausgangsanschluß R1 des Signals des R-Kanals der CD-Playereinheit 1 verdrahtet mit dem Eingangsan­ schluß R2 des Signals des R-Kanals der Verstärkereinheit 2. Weiterhin sind die Abschirmleitungen 4L und 4R des RCA "cord 5"-Kabels zusammengefaßt, dementsprechend zu einer Abschirmung auf beiden Seiten der CD-Playereinheit 1 und der Verstärkerein­ heit 2 und sind geerdet, um dementsprechend die Erdungs- bzw. Masseanschlüsse G1 und G2 der Einheiten 1 und 2 zu erden.

Auf der anderen Seite sind Differenzverstärker 6L und 6R, wie zum Beispiel Operationsverstärker, zwischen dem Eingangsan­ schluß L2 des Signals des L-Kanals und dem Erdungs- bzw. Mas­ seanschluß G2 der Verstärkereinheit 2 zwischengeschaltet, und das Gleiche zwischen dem Eingangsanschluß R2 des Signals des R-Kanals und dem Erdungs- bzw. Masseanschluß G2, um dementsprech­ end eine sogenannte Erdungsisolierungsschaltung zu bilden. In dieser Fig. 1 sind die Widerstände 7 bis 14 Abgleich- bzw. Di­ mensionierungswiderstände für jeden Differenzverstärker.

In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist für das leichtere Verständnis die CD-Playereinheit 1 symbolisch durch einfach kennzeichnende Signalquellen 15L und 15R und innere Widerstände 16L und 16R für die L und R Kanäle dargestellt. Es ist für Fachleute jedoch offensichtlich, daß eine optische Aufnahme- bzw. Wiedergabeeinheit, Vorverstärker und ähnliche Geräte durch die CD-Playereinheit 1 dargestellt werden.

Nachstehend wird eine Zusammenfassung der Gründe gegeben, warum Erdungsrauschen, bzw. "Ground loop noise" in der Schaltung der Fig. 1 erzeugt wird.

Wenn durch irgendeinen Grund eine Potentialdifferenz Vn zwischen den Erden bzw. Massen der CD-Playereinheit 1 und der Verstärkereinheit 2 erzeugt wird, können Kreisströme durch die Signalleitungen 3L und 3R und die Abschirmleitungen 4L und 4R aufgrund der generierten Potentialdifferenz Vn fließen. Der Kreisstrom, welcher durch jede Schleifenschaltung fließt hat die gleiche Phase und wird als "common mode" oder gleichphasi­ ger Strom bezeichnet. Generell liegt der Grund des Rauschens nicht in den gleichphasigen Strömen sondern in einem sogenann­ ten "normal mode"-Strom, in welchem die Stromphase entgegenge­ setzt ist. Da die Stromphase des "common mode"-Stromes in Phase ist, tritt die Auslöschung innerhalb der Stromschleife ein, wo­ durch kein Erdschleifenrauschen erzeugt wird.

In einer tatsächlichen Schaltungsanordnung ist es jedoch üblich, daß die Impedanzen der Signalleitungen 3L und 3R und der Abschirmleitungen 4L und 4R jeweils voneinander verschieden sind. Wegen dieser Tatsache wird eine Differenz in den "common mode" bzw. gleichphasigen Strömen in ein "normal mode"-Rauschen verwandelt, wenn elektronische Schaltungen der Vorstufe und der Nach- bzw. Folgestufe miteinander ohne irgendeine Maßnahme ge­ gen das Rauschproblem verbunden sind, und dieses Rauschen tritt danach in den Signalleitungen als Erdschleifenrauschen auf.

Um das mit dem Erdschleifenrauschen verbundene Problem zu eli­ minieren wurde, wie in Fig. 1 dargestellt, vorgeschlagen, daß Differenzverstärker 6L und 6R zwischen den Signalanschlüssen und den Erd- bzw. Masseanschlüssen der jeweiligen Kanäle in den elektronischen Schaltungen der Nach- bzw. Folgestufe zwischen­ geschaltet werden und das Signal eines jeden Kanals zwischen einem nicht invertierenden Eingangsanschluß (+) und einem in­ vertierenden Eingangsanschluß (-) jedes Differenzverstärkers angelegt wird. In dieser Schaltungsanordnung wird ein Anteil des "common mode"-Stromes, der durch die Signalleitung 3L fließt, identisch zu dem der Abschirmleitung 4L sein und der Anteil des "common mode"-Stromes, welcher durch die Signallei­ tung 3R fließt, wird identisch zu dem der Abschirmleitung 4R sein. Dadurch ist es möglich, durch Subtraktion des einen "co­ mmon mode"-Stromes von dem anderen mit demselben Wert, an dem jeweiligen Differenzverstärker 6L und 6R den Anteil der Differenz zwischen den "common mode"-Strömen, die durch die Sig­ nalleitungen und die Abschirmleitungen fließen, zu Null auszulöschen. In dieser Weise wird kein Transfer des "common mode"-Stromes in den "normal mode"-Strom stattfinden. Dies gibt demnach keinen Anlaß zum Erdschleifenrauschen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, werden jedoch, falls die elektroni­ schen Schaltungen der Vorstufe und der Folgestufe miteinander unter Verwendung abgeschirmter Verbindungskabel, zum Beispiel wie dem RCA "cord 5"-Kabel oder einem Cynch-Kabel, in welchem jedes Kabel unabhängig für jeden Kanal abgeschirmt ist, eine Gleichstromschleife durch die Abschirmleitung 4L für den L-Kanal und die Abschirmleitung 4R für den R-Kanal geformt. Da­ durch wird, falls externe Rauschstrahlung in diese Gleichstromschleife einkoppelt, ein Rauschstrom induziert, wel­ cher in der Gleichstromschleife wie durch den Pfeil in Fig. 1 dargestellt zirkuliert.

Eine durch den induzierten Rauschstrom verursachte Spannung addiert sich dabei in Serie mit einer Spannung an den Eingangs­ anschlüssen (+) und (-) von jedem der Differenzverstärker 6L und 6R und wirkt auf die Differenzverstärker ein, um den Fluß von "normal mode"-Strömen durch diese zu bewirken. Konsequen­ terweise besteht dadurch das Problem, daß das durch den "normal mode"-Strom induzierte Rauschen in der Signalleitung jedes Ka­ nals als überlagerndes Rauschen auftritt. Dieses Phänomen stellt ein ernsthaftes Problem für in einem Kraftfahrzeug mon­ tierte stereophone Musik- oder Audioanlagen dar, da diese in einer äußerst ungeeigneten, von Strahlungsrauschen angefüllten Umgebung betrieben werden müssen.

Es ist deshalb ein Ziel dieser Erfindung die Probleme, welche bei den Erdungsisolierungssschaltungen gemäß Stand der Technik auftreten, zu lösen und eine Erdungsisolierungsschaltung be­ reitzustellen, welche in der Lage ist, das Induzieren von Rau­ schen durch externe Rauschstrahlung zu verhindern, sogar wenn Zwischenverbindungen zwischen zwei elektronischen Schaltungen in der Vorstufe und der Nach- bzw. Folgestufe durch Verwendung abgeschirmter Verbindungskabel für den jeweiligen Kanal, wie ein RCA bzw. ein Cynch-Kabel gemacht werden.

Zur Erreichung dieses Zieles stellt die vorliegende Erfindung eine Erdungsisolierungsschaltung zur Verwendung bei der Verbin­ dung elektronischer Schaltungen mit einer Vielzahl von Kanälen zugeordneten Signalleitungen zur Verfügung. Insbesondere ist die Erdungsisolierungsschaltung, welche die vorliegende Erfin­ dung verkörpert, für die Verwendung bei der Verbindung zweier elektronischer Schaltungen in der Vorstufe und der Nach- bzw. Folgestufe vorgesehen. Die Verbindung der beiden elektronischen Schaltungen wird durch Einsatz eines abgeschirmten Signalkabels für jeden Kanal durchgeführt, wobei diskrete Erdungsanschlüsse an jeder der elektronischen Schaltungen zu Verfügung gestellt werden, eine für jeden Kanal, und die Erdungsanschlüsse dabei voneinander getrennt sind. Jede Abschirmung bzw. Abschirmungsleitung des abgeschirmten Kabels für den jeweiligen Kanal, die an der elektronischen Schaltung angeschlossen ist, an welcher die diskreten Erdungsanschlüsse zur Verfügung ges­ tellt werden, ist unabhängig an den jeweiligen Erdungsanschluß angeschlossen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Abschirmungs­ leitungen keine Kreisschleife, wie es bei den aus dem Stand der Technik bekannten Isolierungsschaltungen der Fall ist, gebil­ det, da die Abschirmung der abgeschirmten Kabel für jeden Kanal unabhängig an einem der diskreten, an jeder der elektronischen Schaltungen zur Verfügung gestellten Erdungsanschlüsse geerdet ist. Dies wiederum hat zur Folge, daß kein induziertes Rauschen erzeugt wird, sogar wenn eine Wechselwirkung von externem Strahlungsrauschen mit den Abschirmleitungen stattfindet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Erdungsisolierungsschaltung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels dieser Er­ findung,

Fig. 3 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels dieser Erfindung,

Fig. 4 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels dieser Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltbild eines nochmaligen weiteren Aus­ führungsbeispiels dieser Erfindung,

Fig. 6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels dieser Erfindung.

Bezugnehmend auf Fig. 2 wird dort eine Erdungsisolierungsschal­ tung dargestellt, die das erste Ausführungsbeispiel dieser Er­ findung bildet. In diesem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Erdungsanschluß G2 (s. Fig. 1) einer Verstärkereinheit 2 in der Nach- bzw. Folgestufe in zwei diskrete Erdungsanschlüsse im Sinne von Gleichstromanschlüssen geteilt, zur Bereitstellung eines unabhängigen Erd- bzw. Masseanschlusses für jeden Signal­ kanal. Wie dargestellt, ist die Abschirmung bzw. Abschirm­ leitung 4L des abgeschirmten Kabels des L-Kanals an den Erdungsanschluß G2L des L-Kanals angeschlossen, während die Abschirmung bzw. Abschirmleitung 4R des abgeschirmten Kabels des R-Kanals an den Erdungsanschluß G2R des R-Kanals an­ geschlossen ist; worin gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in Fig. 1 bezeichnen und keine weitere Beschreibung für die Bestandteile gegeben wird.

Gemäß der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung wird die Erdschleife, welche in den Erdungsisolierungsschaltungen gemäß dem Stand der Technik durch die Abschirmleitungen der abge­ schirmten Kabel des L- und des R-Kanals ausgebildet wurde, nun an den diskreten Erdungsanschlüssen G2L und G2R aufgetrennt. Auf diese Weise kann die Induktion von Rauschströmen durch ex­ terne Rauschstrahlung effektiv verhindert werden.

Darüber hinaus kann durch Zwischenschalten von Bypass-Kondensa­ toren bzw. Durchlaßkondensatoren für hohe Frequenzen zwischen den Erdungsanschlüssen G2L und G2R und der Erde bzw. Masse der Verstärkereinheit 2 ein auf den Abschirmleitungen 4L und 4R überlagertes Hochfrequenzrauschen effektiv mit der Erde bzw. Masse der Verstärkereinheit 2 geerdet werden, welches eine wei­ tere Abnahme des unerwünschten Rauschens zur Folge hat.

In Fig. 3 ist als zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung eine andere Erdungsisolierungsschaltung dargestellt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel hat die gleiche Konfiguration wie das des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 2, bis auf die zwischen den Signaleingangsanschlüssen L2 und R2 und den Er­ dungsanschlüssen G2L und G2R der Verstärkereinheit 2 zwischen­ geschalteten Puffer- oder Trennverstärker. Gemäß diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist es möglich, die Eingangsstufe jeder Signal­ leitung von der folgenden Stufe, bzw. einer Leistungsstufe, durch Ausnutzen der hohen Widerstandscharakeristik jedes Puf­ ferverstärkers, zur Erreichung einer effektiveren Unterdrückung des induzierten Rauschens, zu trennen.

In Fig. 4 ist als drittes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung eine andere Erdungsisolierungsschaltung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind in der Einheit der Vorstufe, anstelle in der Einheit der Nach- bzw. Folgestufe, Differenzverstärker bereitgestellt, um der Einheit der Vorstufe nur die Übertragung von Wechselstromkomponenten der Leitungssignale zur Einheit der Nach- bzw. Folgestufe zu erlauben.

Dementsprechend sind die Differenzverstärker 30 und 31 zur Ver­ wendung bei der Signalaussendung auf der Seite der Einheit 1 bereitgestellt und die Ausgangssignale dieser Verstärker 30 und 31 werden an in der Einheit 2 enthaltene Eingangsverstärker 34 und 35 durch Koppelkondensatoren 32 und 33 gesendet. Die Erd- bzw. Masseanschlüsse der beiden Einheiten 1 und 2 sind dabei in zwei Gruppen von Anschlüssen G1L, G1R und G2L, G2R für jeden Kanal getrennt, und beide Abschirmleitungen 4L und 4R sind un­ abhängig an den beiden Enden an die für jeden Kanal in jeder Einheit zur Verfügung gestellten Erdungsanschlüsse angeschlos­ sen. Weiter sind die Erdungs- bzw. Masseanschlüsse G1L und G1R an die Erde bzw. Masse der Einheit 1 durch Hochfrequenz-Bypass- Kondensatoren 36 und 37 zur Erzeugung einer Hochfrequenzerdung angeschlossen und somit wird auf den Abschirmleitungen 4L und 4R überlagertes Hochfrequenzrauschen ebenfalls geerdet.

Weitere Modifikationen der vorliegenden Erfindung sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. In Fig. 5 ist eine Erdungsisolie­ rungsschaltung vom Typ eines Trenntransformators als Verkörpe­ rung der vorliegenden Erfindung dargestellt, während in Fig. 6 als Verkörperung der vorliegenden Erfindung eine Erdungsisolie­ rungsschaltung vom Stromrückkopplungstyp dargestellt ist.

Wie bereits vorstehend unter Bezugnahme auf die beiden elek­ tronischen Schaltungen, wie die CD-Playereinheit und die Ver­ stärkereinheit, beschrieben wurde, ist es jedoch naheliegend, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen Ausfüh­ rungsbeispiele, welche beschrieben und illustriert wurden, be­ schränkt ist und, daß Variationen dahingehend vorgenommen wer­ den können, daß zum Beispiel die Verbindung zwischen zwei Ver­ stärkern vorgenommen wird.

Dementsprechend ist es für Fachleute verständlich, daß die vor­ angehenden Beschreibungen in illustrierender Weise vorgenommen wurden und, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfin­ dung abzuweichen, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erdungsisolierungs­ schaltung zur Verwendung bei der Verbindung elektronischer Schaltungen in der Vorstufe und der Nach- bzw. Folgestufe mit für eine Vielzahl von Kanälen zugeordneten Signalleitungen, in welchen die Verbindung der zwei elektronischen Schaltungen durch Einsatz eines abgeschirmten Signalkabels für jeden Kanal durchgeführt wird, diskrete Erdungsanschlüsse an jeder der elektronischen Schaltungen bereitgestellt werden, eine für jeden Kanal, und dabei jede Abschirmung bzw. Abschirmleitung des abgeschirmten Signalkabels unabhängig an die diskreten Erd- bzw. Masseanschlüsse mit jedem Kanal angeschlossen sind. Dementsprechend wird keine Kreisschleife durch die Abschirmun­ gen bzw. Abschirmleitungen erzeugt, wodurch kein induziertes Rauschen bewirkt wird, selbst wenn eine Wechselwirkung von externer Rauschstrahlung mit der Abschirmung bzw. den Ab­ schirmleitungen stattfindet.

Claims (6)

1. Erdungsisolierungsschaltung für elektronische Schaltungen mit einer Vielzahl von Signalkanälen, in welchen zwei elektronische Schaltungen in der Vorstufe und der Nach- bzw. Folgestufe durch Einrichtungen aus einer Vielzahl von abgeschirmten Signalleitungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zwei elektronischen Schaltungen mit einer Vielzahl von diskreten, voneinander korrepondierend zu der Vielzahl der Signalkanäle isolierten Erdanschlüssen versehen ist und jede an den elektronischen Schaltungen angeschlossene Abschirmung der abgeschirmten Signalleitungen, an welchen die Vielzahl der diskreten Erdanschlüsse zu Verfügung gestellt werden, unabhängig an den betreffenden Erdanschluß mit jedem Signalkanal angeschlossen ist.

2. Erdungsisolierungssschaltung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Differenzverstärkern in der elektronischen Schaltung in der Nach- bzw. Folgestufe, bei welchen die nichtinvertierenden Eingänge dieser Verstärker mit den für die Vielzahl der Signalkanäle zur Verfügung gestellten Signaleingangsanschlüssen verbunden sind, während die invertierenden Eingänge dieser Verstärker unabhängig an die diskreten Erdungsanschlüsse angeschlossen sind.

3. Erdungsisolierungssschaltung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der diskreten Erdungsanschlüsse an die Erde bzw. Masse der elektronischen Schaltung in der Nach- bzw. Folgestufe durch Hochfrequenz- Bypass-Kondensatoren angeschlossen sind.

4. Erdungsisolierungsschaltung gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von mit ihren Eingängen an die Signaleingangsanschlüsse und diskreten Erd- bzw. Masseanschlüsse angeschlossene Pufferverstärkern und dadurch, daß diese mit ihren Ausgängen an die Eingänge der Vielzahl der Differenzverstärker angeschlossen sind.

5. Erdungsisolierungssschaltung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Differenzverstärkern in der elektronischen Schaltung in der Vorstufe, bei welchen die Ausgänge dieser Verstärker an Signalausgangsanschlüsse, bereitgestellt für die Vielzahl der Signalkanäle, angeschlossen sind, während die nichtinvertierenden Eingänge dieser Verstärker unabhängig an die diskreten Erd- bzw. Masseanschlüsse angeschlossen sind.

6. Erdungsisolierungsschaltung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der diskreten Erd- bzw. Masseanschlüsse an die Erde bzw. Masse der elektronischen Schaltung in der Vorstufe durch Hochfrequenz-Bypass- Kondensatoren angeschlossen sind.