DE4136314C2 - Anordnung zur Störunterdrückung bei elektronischen Schaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Störunterdrückung bei elektronischen Schaltungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2.

In der "Funkschau", 1984, Heft 1, S. 62-64 werden Maßnahmen gegen elektrische und magnetische Störeinrichtungen beschrieben. Dabei wird auf Schaltungen eingegangen, welche verschiedene, voneinander unabhängige Signale verarbeiten und welche daher in sich abgeschirmt sein müssen, wobei jede dieser Abschirmungen an das ihr zugeordnete Bezugspotential anzuschließen ist. Eine direkte Verbindung zwischen den verschiedenen Abschirmungen ist dabei unzulässig, es sei denn, die entsprechenden Signale haben ein gemeinsames Bezugspotential. Die Abschirmung eines Kabels darf dabei niemals beidseitig an Masse angeschlossen werden.

In der "NTZ", 1966, Heft 7, S. 400 und 401 werden ebenfalls Maßnahmen zur Herabsetzung niederfrequenter Störungen erörtert. Niederfrequente Störungen aus benachbarten Starkstromanlagen können eine Video-Übertragung sehr stark stören bzw. sogar unmöglich machen. Die Brummbeeinflussung wird durch den Spannungsabfall des niederfrequenten Störstromes am Außenleiter eines Koaxialkabels verursacht. Dabei kann der Spannungsabfall am Außenleiter erheblich vermindert werden, wenn man die galvanische Erdschleife durch einen Übertrager unterbricht. Der Störstrom auf dem Außenleiter kann dann nur noch über eine Kapazität zwischen dem Außenleiter und dem Mantel fließen. Zur guten Hochfrequenz-Erdung des Außenleiters wird am Eingang und Ausgang des Verstärkers zwischen dem Außenleiter und der Erde ein zusätzlicher Kondensator geschaltet.

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.

Die äußeren Störeinflüsse 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 ein Brummsignal 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 die Störungen 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 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 Störstrahlungsquellen in dem Kraftfahrzeug, wie ein Motor, ein Zündsystem, ein Mikrocomputer zur Kontrolle des Fahrzeugs und ähnliche mehr, und abgestrahlte Störungen werden leicht durch einen innerhalb des Fahrzeugkörpers zur Verbindung diskreter elektronischer Einheiten installierten Kabelbaum auf­ genommen.

Konsequenterweise wurde ein 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 Cynch-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 Cynch- 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 ein störendes Brummsignal 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 Gleichtakt- oder gleichphasi­ ger Strom bezeichnet. Generell liegt der Grund des Störsignals nicht in den gleichphasigen Strömen sondern in einem sogenann­ ten Gegentakt-Strom, in welchem die Stromphase entgegenge­ setzt ist. Da die Stromphase des Gleichtakt-Stromes in Phase ist, tritt die Auslöschung innerhalb der Stromschleife ein, wo­ durch kein Erdschleifenstörsignal 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 Gleichtakt bzw. gleichphasigen Strömen in ein Gegentakt-Störsignal verwandelt, wenn elektronische Schaltungen der Vorstufe und der Nach- bzw. Folgestufe miteinander ohne irgendeine Maßnahme ge­ gen das Störproblem verbunden sind. Dieses Störsignal tritt danach in den Signalleitungen als Erdschleifenstörsignal auf.

Um das mit dem Erdschleifenstörsignal 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 Gleichtakt-Stromes, der durch die Signalleitung 3L fließt, identisch zu dem der Abschirmleitung 4L sein und der Anteil des Gleichtakt-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 Gleichtakt-Strömen, die durch die Sig­ nalleitungen und die Abschirmleitungen fließen, zu Null auszulöschen. In dieser Weise wird kein Transfer des Gleichtakt- Stromes in den Gegentakt-Strom stattfinden. Dies gibt demnach keinen Anlaß zu Erdschleifenstörungen.

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 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 Störstrahlung in diese Gleichstromschleife einkoppelt, ein Störstrom induziert, wel­ cher in der Gleichstromschleife wie durch den Pfeil in Fig. 1 dargestellt zirkuliert.

Eine durch den induzierten Störstrom 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 Gegentakt-Strömen durch diese zu bewirken. Konsequen­ terweise besteht dadurch das Problem, daß das durch den Gegentakt- Strom induzierte Störsignal in der Signalleitung jedes Ka­ nals als überlagerndes Störsignal 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 Störstrahlung angefüllten Umgebung betrieben werden müssen.

Die Aufgabe, die dieser Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, 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 Störungen durch externe Störstrahlung 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 z. B. ein Cynch-Kabel gemacht werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 u. 2 angegebenen Merkmale gelöst.

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 Störsignal erzeugt wird, sogar wenn eine Wechselwirkung von externer Störstrahlung 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 Störströmen durch ex­ terne Störstrahlung 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 überlagerte Hochfrequenzstörungen effektiv mit der Erde bzw. Masse der Verstärkereinheit 2 geerdet werden, welches eine wei­ tere Abnahme des unerwünschten Störsignals 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 Störsignals, 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 überlagerte Hochfrequenzstörungen 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.

Claims (5)

1. Anordnung zur Störunterdrückung bei elektronischen Schaltungen mit einer Vielzahl von Signalkanälen (L, R), bei welcher jeweils zwei elektronische Schaltungen (1, 2) mittels einer Vielzahl von abgeschirmten Signalleitungen (3L, 3R) mit jeweils einer Abschirmlitze (4L, 4R) verbunden sind, wobei jede abgeschirmte Signalleitung (3L, 3R) für jeweils einen Signalkanal (L, R) vorgesehen ist, und eine der zwei elektronischen Schaltungen (1) eine Vorstufe und die andere elektronische Schaltung (2) eine Folgestufe bildet, wobei die die Folgestufe bildende elektronische Schaltung (2) Differenzverstärker (6L, 6R) enthält, und ein nicht-invertierender Anschluß (+) jedes Differenzverstärkers an eine Leitung der abgeschirmten Signalleitungen (3L, 3R) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Folgestufe (2) mit einer Vielzahl von NF-mäßig getrennten Erdanschlüssen (G2L, G2R) versehen ist, welche der Vielzahl von Signalkanälen (L, R) entsprechen, und jede Abschirmlitze (4L, 4R) der abgeschirmten Signalleitungen (3L, 3R) mit jeweils einem Anschluß der getrennten Erdanschlüsse (G1L, G1R, G2L, G2R) der elektronischen Schaltungen (1, 2) verbunden ist, und
daß ein invertierender Anschluß (-) jedes Differenzverstärkers an einen Anschluß der getrennten Erdanschlüsse (G2L, G2R) angeschlossen ist.

2. Anordnung zur Störunterdrückung bei elektronischen Schaltungen mit einer Vielzahl von Signalkanälen (L, R), bei welcher jeweils zwei elektronische Schaltungen (1, 2) mittels einer Vielzahl von abgeschirmten Signalleitungen (3L, 3R) mit jeweils einer Abschirmlitze (4L, 4R) verbunden sind, wobei jede abgeschirmte Signalleitung (3L, 3R) für jeweils einen Signalkanal (L, R) vorgesehen ist, und eine der zwei elektronischen Schaltungen (1) eine Vorstufe und die andere elektronische Schaltung (2) eine Folgestufe bildet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorstufe (1) mit einer Vielzahl von NF-mäßig getrennten Erdanschlüssen (G1L, G1R) versehen ist, welche der Vielzahl von Signalkanälen (L, R) entsprechen, und jede Abschirmlitze (4L, 4R) der abgeschirmten Signalleitungen (3L, 3R) mit jeweils einem Anschluß der getrennten Erdanschlüsse (G1L, G1R, G2L, G2R) der elektronischen Schaltungen (1, 2) verbunden ist,
daß die Vorstufe (1) Differenzverstärker (30, 31) aufweist, deren nicht-invertierende Eingänge (+) an die getrennten Erdanschlüsse (G1L, G1R) angeschlossen sind, und daß deren Ausgänge jeweils mit einem Eingangsanschluß (L1, R1) einer Signalleitung verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Erdanschlüsse (G2L, G2R) der Folgestufe (2) über Hochfrequenz-Bypass-Kondensatoren (17, 18) mit der Masse der Folgestufe (2) verbunden sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgestufe eine Vielzahl an Pufferverstärkern (19, 20, 21, 22) enthält, wobei jeder Eingang der Pufferverstärker einer ersten Gruppe von Pufferverstärkern (19, 22) jeweils an eine jeweilige Leitung der abgeschirmten Signalleitungen (3L, 3R) angeschlossen ist und jeder Ausgang der Pufferverstärker der ersten Gruppe von Pufferverstärkern (19, 22) an einen nicht-invertierenden Eingangsanschluß (+) der Differenzverstärker (6L, 6R) angeschlossen ist, und jeder Eingang der Pufferverstärker einer zweiten Gruppe von Pufferverstärkern (20, 21) mit einem jeweiligen Anschluß der getrennten Erdanschlüsse (G2L, G2R) verbunden ist, und jeder Ausgang dieser Pufferverstärker der zweiten Gruppe von Pufferverstärkern (20, 21) an einen der invertierenden Eingänge (-) der Differenzverstärker (6L, 6R) angeschlossen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Erdanschlüssen (G1L, G1R) der Vorstufe (1) mit der Masse der Vorstufe (1) über Hochfrequenz- Bypass-Kondensatoren (36, 37) verbunden sind.