DE69614344T2 - Kombinierte Übertragung von Daten und Energie - Google Patents

Kombinierte Übertragung von Daten und Energie

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Power Engineering (AREA)
  • Dc Digital Transmission (AREA)

Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zum kombinierten Übertragen von Daten und Energie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Eine kombinierte Daten- und Energie-Übertragungsanordnung kann beispielsweise verwendet werden, um elektrische Energie an verschiedene Komponenten in einem Fahrzeug zu verteilen und ferner digitale Datensignale zwischen diesen Komponenten zu übertragen.
  • Ein Problem bei kombinierten Daten- und Energie-Übertragungen auf dem gleichen physischen Kabel besteht darin, dass Schwankungen im Netz-Pegel, die z.B. durch Änderungen in der von der Last aufgenommenen Energie verursacht werden, die Datensignalpegel beeinflussen können und damit zu einer Verfälschung der Daten führen können. Das Datensignal kann gegenüber Netz-Spannungsänderungen durch kapazitive Kopplung mit der Leitung isoliert werden. Ein Nebeneffekt hierzu besteht jedoch darin, dass der mittlere Pegel der Daten dann von dem Datenmuster abhängt, so dass die Daten musterabhängig werden.
  • Die US Patentschrift 53 91 932 beschreibt eine transistorisierte Netz-Kopplungsvorrichtung zum Koppeln einer Energiequelle mit einem Paar von Übertragungsleitern, wobei das gleiche Paar von Übertragungsleitern verwendet werden kann, um Energie in Zellen eines Kommunikationssystems einzuspeisen, während Datensignale zwischen diesen Zellen transportiert werden. Es wird hierbei jedoch das Problem von Schwankungen in dem Energiequellenpegel nicht angesprochen.
  • Des weiteren beschreibt die US Patentschrift 40 29 904 eine Empfängerschaltung zum automatische Korrigieren von Gleichstrompegel-Störungen. Hier wird jedoch nicht eine kombinierte Daten- und Energieübertragung auf dem gleichen physischen Kabel erwähnt, und es ist hieraus nicht klar, ob diese Schaltung in der Lage ist, das Problem von Schwankungen im Netz-Pegel bei einer derartigen kombinierten Anordnung zu lösen.
  • Aufgabe der Erfindung ist, die Probleme von Schwankungen im Netz-Pegel bei einer kombinierten Daten- und Energie-Übertragungsanordnung zu verringern oder zu lösen.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Gemäß der Erfindung ist eine kombinierte Daten- und Energie-Übertragungsanordnung mit einem oder mehreren Netzteilen und Belastungen, die durch eine Energie-Übertragungsleitung miteinander verbunden sind, sowie Sendern und Empfängern zum Übertragen eines digitalen Datensignals über die Übertragungsleitung dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und der Empfänger jeweils einen Induktor zur Erzielung einer hohen Impedanzbarriere für ein Datensignal auf der Leitung aufweisen, um das Datensignal gegenüber dem Netzteil und der Belastung zu isolieren, und der Empfänger eine Vergleichseinrichtung aufweist, um das ankommende Datensignal aus der Leitung mit einem Schwellwert zu vergleichen, damit ein Ausgangssignal erzeugt wird, wobei die Vergleichseinrichtung einen ersten Eingang, der das ankommende Datensignal aufnimmt, und einen zweiten Eingang, der den Schwellwert aufnimmt, besitzt, wobei der Schwellwert ein gesteuertes positives Rückkopplungssignal enthält, das aus dem Eingang der Vergleichseinrichtung abgeleitet wird, und wobei das Schwellwertsignal dem Hauptpegel des ankommenden Datensignals folgt.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer kombinierten Daten- und Energie- Übertragungsanordnung nach der Erfindung mit zwei Übertrager/Empfänger- Einheiten;
  • Fig. 2 zeigt ein Schaltdiagramm mit einer Übertragerschaltung, die einen Teil einer der Übertrager/Empfänger-Einheiten darstellt;
  • Fig. 3 ist ein Schaltdiagramm, das eine Empfänger-Schaltung zeigt, die einen Teil einer der Übertrager/Empfänger-Einheiten bildet.
    • Beschreibung einer Ausführungform der Erfindung
  • Eine kombinierte Daten- und Energie-Übertragungsanordnung gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
  • In Fig. 1 weist die kombinierte Daten- und Energie-Übertragungsanordnung zwei Übertrager/Empfänger-Einheiten 10, 11 auf, die miteinander über eine Leitung 12 verbunden sind. Eine Übertrager/Empfänger-Einheit 10 ist mit einer 12 Volt GC- Netzspeisequelle 13 verbunden, während die andere Übertrager/Empfänger-Einheit 11 mit einer elektrischen Last 14 verbunden ist.
  • Jede der Übertrager/Empfänger-Einheiten weist einen Dateneingang TXI zur Eingabe von zu übertragenden Daten, und einen Datenausgang RXO zum Abgeben von empfangenen Daten auf. Die Leitung 12 führt elektrische Energie von der Speisequelle 13 zur Last 14 und transportiert Datensignale in beiden Richtungen zwischen den beiden Übertrager/Empfänger-Einheiten. Die Leitung kann ein herkömmliches zweiadriges Energiekabel sein. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit beträgt etwa 200 Kbits pro Sekunde.
  • Fig. 2 zeigt den Übertragerteil einer der Übertrager/Empfänger-Einheiten 10, 11.
  • Jede der Einheiten 10, 11 weist eine 1,5 mH Drossel L1 auf, die in Serie zwischen die Leitung 12 und die angeschlossene Energiequelle 13 oder Last 14 geschaltet ist. Die Drossel stellt einen geringen Widerstand für den Gleichstrom dar und beeinflusst damit die Energieübertragung nicht. Andererseits stellt die Drossel eine verhältnismäßig hohe Impedanz für die Datensignale dar und wirkt somit als eine Sperre für solche Signale, wobei sie verhindert, dass diese Signale die Speisequelle oder Last erreichen. In diesem Beispiel besitzt die Drossel L1 120 Windungen, die auf einen EP25 Kern mit Schenkeln gewickelt sind.
  • Das Eingangs-Datensignal TXI wird dem Gatter eines FET (Feldeffekttransistor) Q1 aufgegeben, der in diesem Beispiel ein VN1206 FET ist. Die Drain-Elektrode von Q1 ist mit der Leitung 12 über eine 120 uH Drossel L2, einem 100 nF Kondensator C1, und einem 220 Ohm Widerstand R1 verbunden. Die Drossel L2 bewirkt, dass das übertragene Datensigna eine verhältnismäßig geringe Anstiegszeit von 0,5 Mikrosekunden hat, so dass eine HF-Strahlung aus der Leitung ein Minimum wird. L2 ist eine kleine Komponente, die so ausgelegt ist, dass sie nur 10 mA ohne Sättigung führt. Die Resonanz von L2/C1, bei 50 kHz berechnet, stellt kein Problem aufgrund der schweren Stromkreisdämpfung des Serienwiderstandes R1 dar.
  • Eine Kette aus vier Dioden D1-D4 ist zwischen die Quelle und die Drain-Elektroden von Q1 gelegt. Diese Dioden begrenzen den Spannungsausschlag der Drain-Elektrode von Q1 auf ein Maximum von 3 V.
  • Ein Füntel dieses Signales wird entlang der Leitung geführt, und dieses kleine Signal (600 mV bei 10 mA) minimiert die HF-Strahlung ebenfalls.
  • Ein 220 Ohm Widerstand R4 ist parallel zur Drossel L1 gelegt. Dies ergibt zusammen mit R1 eine Leitungs-Anpassungsimpedanz von 110 Ohm. Die Zeitkonstante von L1 mit den Widerständen R1, R4 beträgt 20 Mikrosekunden.
  • Fig. 3 zeigt den Empfängerteil einer der Übertrager/Empfänger-Einheiten 10, 11. Es ist darauf hinzuweisen, dass in Fig. 3 die Drossel L1 und der Widerstand R4 erneut gezeigt sind: Dies sind die gleichen Komponenten wie in Fig. 2 dargestellt.
  • Das Datensignal aus der Leitung 12 wird über einen 2, 2 nF Kondensator C5 mit dem invertierenden Eingang (Pin 3) einer Hochgeschwindigkeits-Vergleichsschaltung U1 gekoppelt. Die Zeitkonstante von C5/R8 beträgt 22 Mikrosekunden. Die Vergleichsschaltung U1 vergleicht das Datensignal mit einem Schwellwertsignal das dem positiven Eingang (Pin 2) aufgegeben wird. U1 erzeugt einen tiefen Ausgang, wenn das Datensignal größer ist als der Schwellwert, und einen hohen Ausgang, wenn das Datensignal niedriger ist als der Schwellwert. Der Ausgang von U1 (Pin 7) wird dem Datenausgangs-Terminal RXO zugeführt.
  • Das Schwellwertsignal ist ein positives Rückkopplungssignal, das von dem Ausgang U1 über eine Spannungsteilerkette abgeleitet wird, die einen 100 kOhm Widerstand R9 und einen 10 kOhm Widerstand R7 besitzt. Parallel zum Widerstand R7 ist ein 1 nF Kondensator C3 gelegt, der eine Zeitkonstante von 9 Mikrosekunden ergibt. Diese Zeitkonstante ist angenähert die Gesamtzeitkonstante der Übertragerkomponenten plus der von C5/R8 und stellt sicher, dass das Schwellwertsignal dem mittleren Pegel des ankommenden Datensignals folgt und unabhängig von dem Datenmuster ist.
  • Daraus resultiert, dass die Empfängerschaltung adaptiv ist, insoferne, als der Schwellwertpegel der Vergleichsschaltung dem mittleren Pegel der eingehenden Daten folgt, so dass sichergestellt ist, dass Schwankungen im mittleren Signalpegel die korrekte Aufnahme der Daten nicht nachteilig beeinflussen. Eine Immunität gegen hochfrequente Geräusche von etwa 200 mV wird sowohl während als auch bei Fehlen einer Datenübertragung aufrecht erhalten. Bei niedrigeren Frequenzen wird eine höhere Geräuschimmunität aufgrund des niedrigen Wertes des AC- Kopplungskondensators C5 erzielt.
  • Es hat sich herausgestellt, dass das System es mit Einschwing-Lasten aufnehmen kann, die ausreichend sind, um bis zu 6 V Ausschläge bei der 12 V Last zu erzeugen, bevor eine Datenverfälschung auftritt. Mit einer derartigen Einschwinglast wurde der Ausschlag auf der Energieleitung mit 4 V Spitzenwert gemessen, und zwar mit einer maximalen Kantengeschwindigkeit von 10 V/msec. Eine Berechnung zeigt, dass dies eine Versetzungsspannung von 220 mV am Pin 3 von U1 während der Kante ergibt. Dies entspricht der Geräusch-Unempfindlichkeit des Empfängers.
  • Die Komponenten R10, C4, D5 und D6 stellen sicher, dass der Ausgang der Vergleichsschaltung an einen hohen Pegel in dem Fall zurückgeführt wird, dass er während einer Periode über 5 msec niedrig war; dies ist ein Erfordernis der speziellen Anwendung.
    • Mögliche Modifikationen
  • Es sind eine Vielzahl von Modifikationen an dem vorbeschriebenen System möglich. Beispielsweise sind die Komponentenwerte nur als Beispiele angegeben und können variiert werden.
  • Bei einer möglichen Modifikation kann der Vergleich zwischen dem ankommenden Datensignal und dem Schwellwert unter Verwendung eines digitalen Signalprozessors digital durchgeführt werden, anstatt eine analoge Vergleichsschaltung, z.B. U1, zu verwenden.
  • In der vorstehenden Beschreibung wurde die Energiequelle als GS-Quelle beschrieben, die Erfindung kann jedoch auch so ausgelegt werden, dass sie eine Datenübertragung über die gleiche Leitung in Form einer WS-Energiequelle vornimmt.

Claims (3)

1. Kombinierte Daten- und Energie-Übertragungsanordnung mit einem oder mehreren Netzteilen (13) und Belastungen (14), die durch eine Energie-Übertragungsleitung (12) miteinander verbunden sind, sowie Sendern (10, 11) und Empfängern (10, 11) zum Übertragen eines digitalen Datensignals über die Übertragungsleitung, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sender (10, 11) und der Empfänger (10, 11) jeweils einen Induktor (L1) zur Erzielung einer hohen Impedanzbarriere für ein Datensignal auf der Leitung aufweisen, um das Datensignal gegenüber dem Netzteil und der Belastung zu isolieren, und
der Empfänger (10, 11) eine Vergleichseinrichtung (U1) aufweist, um das ankommende Datensignal aus der Leitung mit einem Schwellwert zu vergleichen, damit ein Ausgangssignal erzeugt wird, wobei die Vergleichseinrichtung einen ersten Eingang (3), der das ankommende Datensignal aufnimmt, und einen zweiten Eingang (2), der den Schwellwert aufnimmt, besitzt, wobei der Schwellwert ein gesteuertes positives Rückkopplungssignal enthält, das aus dem Eingang (7) der Vergleichseinrichtung abgeleitet wird, und wobei das Schwellwertsignal dem Hauptpegel des ankommenden Datensignals folgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der Schwellwert aus dem Ausgang der Vergleichseinrichtung über eine positive Rückkopplungsschleife (R9, R7, C3) abgeleitet wird, die eine Zeitkonstante etwa gleich der des Senders hat.
3. Sender/Empfänger-Schaltung zur Verwendung mit einer kombinierten Daten- und Energieübertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2.
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