WO2023006260A1 - Koppelschaltung zum einspeisen oder zum abgreifen eines gleichspannungsanteils an einem elektrischen leitungsdraht eines datenübertragungskabels sowie messgerät zum untersuchen einer datenübertragung sowie signalverarbeitungseinheit und system - Google Patents

Koppelschaltung zum einspeisen oder zum abgreifen eines gleichspannungsanteils an einem elektrischen leitungsdraht eines datenübertragungskabels sowie messgerät zum untersuchen einer datenübertragung sowie signalverarbeitungseinheit und system Download PDF

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capacitor
signal processing
voltage
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Michael Kaindl
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • Coupling circuit for feeding in or for tapping off a DC voltage component on an electrical wire of a data transmission cable and measuring device for examining a data transmission and signal processing unit and system
  • the invention relates to a coupling circuit that can be used both for feeding in and for tapping off a DC voltage component in an electric wire of a data transmission cable.
  • a DC component can be present in PoC (power over coaxial cables) and PoDL (power over data line) applications for the transmission of electrical power from a power-supplying signal processing unit (PSE - power sourcing equipment) to a power-consuming signal processing unit (PD - powered device).
  • PSE power over coaxial cables
  • PoDL power over data line
  • the invention also includes these signal processing units and a system with two such signal processing units (PSE and PD).
  • bias tee So-called remote feeding circuits or bias tee circuits (“bias tee”) for the respective signal processing unit (PSE, PD) represent a common solution for feeding in and tapping off electrical power.
  • a capacitor element e.g. a single capacitor or several capacitors connected in parallel
  • the direct voltage component DC of the electrical power to be transmitted and the alternating voltage component HF of the data signal are present at the first capacitor connection. Only the AC voltage component HF is also made available at the second capacitor connection (PD) via the capacitor element, or it is transmitted the other way round from there to the first capacitor connection (PSE).
  • the direct voltage component DC is fed in via an inductance from a direct voltage supply connection of a voltage source at the first capacitor connection (PSE) or is conducted from there via the inductance to the direct voltage supply connection (PD).
  • PSE first capacitor connection
  • PD direct voltage supply connection
  • FIG. 5 shows a configuration of the PoDL known per se, ie the transmission of electrical power P via a data transmission cable DL.
  • an AC voltage component HF can be fed into the data transmission cable DL via a signal processing circuit PHY for symmetrical transmission via capacitors C1, C2 and a common-mode choke CMC1.
  • a direct voltage component DC can be fed by a power source PSE via two inductances L1, L2 through the common-mode choke CNC1 into the data transmission cable DL.
  • a signal processing circuit PHY can decouple the AC component HF from the data transmission cable DL via two capacitors C3, C4, but for this purpose the AC component HF must also be routed through a common-mode choke CNC2.
  • the direct voltage component DC can be generated via two inductances L3,
  • L4 are decoupled and used in a load circuit PD, such as a power supply.
  • the effort involved in clear signal separation can be very high, since both the tapping and the feeding of the DC voltage component are implemented in such a measuring device in order not to disturb the operation of the signal processing units during the measurement, ie the measuring device is "transparently" connected to the data transmission cable or replaces it.
  • the described transmission of a direct voltage component DC is used in particular in circuits according to PoC (power over coaxial cable) and in PoDL (power over data line), for example in PoE (power over ethernet).
  • the invention includes a coupling circuit for feeding in or tapping off a DC voltage component on an electric wire of a data transmission cable.
  • a capacitor element is connected via a first capacitor connection to the line wire (signal components: DC + HF) and via a second capacitor connection to a signal processing circuit of a signal processing unit (signal component: only HF) and the capacitor element transmits an AC voltage component HF of the data transmission, i.e. the Data signal between the first and the second capacitor terminal, so that the AC voltage component HF is present on both sides of the capacitor element at the first and the second capacitor terminal.
  • the “first capacitor connection” is therefore the “line-side capacitor connection” and the “second capacitor connection” is the “device-side capacitor connection” of the signal processing unit to which the coupling circuit belongs or to which it is connected upstream.
  • the embodiment just described relates to a coupling circuit such as can be integrated in a signal processing unit. If the coupling circuit is to be integrated into a measuring device, the capacitor element is connected to a connection contact of a first device connection via the first capacitor connection and to a connection contact of a second device connection via the second capacitor connection.
  • a Signal processing unit or a data transmission cable can be connected. It can be a coax connection or a plug connection, for example.
  • the coupling circuit includes that a common mode choke is provided.
  • a common mode choke a first input terminal is coupled to a first output terminal via a first inductor and a second input terminal is coupled to a second output terminal via a second inductor.
  • the second inductance is magnetically coupled to the first inductance for common-mode rejection, e.g. by means of a common ferromagnetic core.
  • CMC common mode choke
  • the first input terminal is now connected to the first capacitor terminal and the second input terminal is electrically connected to the second capacitor terminal and the first output terminal is electrically or galvanically connected to the DC voltage supply terminal (to conduct direct current) and the second output terminal is connected to the DC voltage supply terminal via a capacitor or it is connected to a (high-impedance) measurement input of a voltage measurement circuit.
  • “High-impedance” means in particular an electrical resistance of more than 1 kiloohm, in particular more than 10 kiloohms.
  • the AC voltage component HF of the data signal is therefore present simultaneously at the two input terminals of the common-mode choke, so that this AC voltage component HF is suppressed as a common-mode signal at the output terminals of the common-mode choke.
  • This is caused not only by the two inductances of the common-mode choke due to their inductive effect, but also by the interaction via the magnetic coupling according to the principle of common-mode rejection.
  • With less circuit complexity, namely with the two inductances of the common-mode choke greater suppression of the AC voltage component at the output connections of the DC voltage choke and thus at the DC voltage supply connection is achieved than would be the case if a simple coil were used as the inductance.
  • the direct voltage component is only present at the first input connection and is therefore available at the first output connection without any damping or throttling being due common-mode rejection would occur.
  • the direct voltage component can thus be transmitted from the first capacitor connection to the direct voltage supply connection without or with only insignificant damping or losses. The same applies to the transfer of the direct voltage component from
  • the DC voltage supply connection can have one of two possible functions. If a direct voltage component is fed into a transmitting signal processing unit (PSE), a direct voltage source of the direct voltage component can be connected to the direct voltage supply connection. In the case of tapping the DC component at the receiving signal processing unit (PD), the DC voltage supply connection represents the tap or the supply line for the signal processing unit.
  • sending and “receiving” refer to the power transmission via the DC component and is independent of the data signal transmission e.g. can be bidirectional.
  • the invention also includes developments whose features result in additional technical advantages.
  • a development includes that the first and the second input connection of the common-mode choke are each connected to the respective capacitor connection via a respective additional inductance. Both the first and the second input connection are therefore connected to their respective capacitor connection (first input connection with first capacitor connection, second input connection with second capacitor connection) in a symmetrical connection via an additional inductance. This brings about an additional advantageous damping of the AC voltage component of the data signal.
  • a further development includes that in the common-mode choke whose inductances a respective resistance element is connected in parallel. As a result, an oscillation or oscillation can be damped, which could otherwise be caused by the inductances of the common-mode choke on the one hand and the capacitor element on the other hand according to the principle of the resonant circuit.
  • a development includes that in the case of the common-mode choke, the first and the second input connection are connected to one another via an additional capacitor. The additional capacitor is thus connected in parallel with the capacitor element. This results in the advantage that the AC voltage component at the two input connections of the common-mode choke can be equalized independently of the capacitor element that is present.
  • a development includes that the DC voltage supply connection of the coupling circuit is connected to a DC voltage source, which feeds a direct current into the conducting wire via the first output connection and via the first input connection. This results in a transmitting signal processing unit.
  • An alternative development includes the DC voltage supply connection being connected to an electrical consumer circuit or signal processing circuit, which draws the direct current from the line wire via the first output connection and the first input connection.
  • the electrical load circuit can be part of the receiving signal processing unit in the manner described.
  • the consumer circuit is operated by the direct current drawn from the line wire, which is operated or caused by the direct voltage component.
  • Another name for such a consumer circuit is PHY.
  • the direct voltage component DC can be present or tapped off, for example with respect to a ground potential.
  • a control device can be provided as a signal processing unit, for example, as can be provided in a motor vehicle, for example.
  • a coaxial cable or a twisted pair line can be provided as the data transmission cable.
  • the data transmission can be, for example, an Ethernet network or a CAN bus (CAN—Controller Area Network).
  • a frequency of the data signal i.e. the AC voltage component HF
  • a further development includes the second output connection being connected to a measuring input of a voltage follower circuit which reproduces a direct voltage measured at the second output connection at a voltage follower output.
  • the voltage follower circuit detects at the measurement input the DC component, as detected by the common-mode choke.
  • the measurement takes place in particular with high resistance, ie it is a voltage measurement circuit in the sense mentioned above.
  • a voltage follower circuit is known per se from the prior art.
  • the measurement input it detects a current voltage value of a DC voltage to be measured and generates or reproduces the same voltage value or a voltage value that is scaled relative to it at the voltage follower output, albeit with a low-impedance internal resistance, with “low-impedance” in particular being a resistance value of less than 1 kilohm, in particular less than 100 ohms voltage source means.
  • the voltage follower circuit has the advantage that losses when measuring or detecting the DC voltage component do not lead to a change in the DC voltage component in the data transmission cable or when supplying a consumer circuit of a receiving signal processing unit.
  • a further development includes the voltage follower output being connected to the first capacitor connection via at least one inductance and/or at least one common-mode choke in order to feed in or reproduce the DC voltage component determined at the second capacitor connection at the first capacitor connection.
  • This can advantageously be measured in a measuring device at the second capacitor connection, for example, and the measured DC voltage component can be fed back in at the first capacitor connection, with measurement losses and/or ohmic losses during the transmission of the DC voltage component being able to be compensated for.
  • the measuring device remains transparent for the signal processing units that carry out the data transmission (HF) and the power transmission (DC) via the data transmission cable.
  • a further development includes that at least one further common-mode choke is connected in series between the common-mode choke and the DC voltage supply connection.
  • a series connection of at least two common-mode chokes can be provided.
  • a further development includes that in the case of the embodiment as a signal processing unit, another electrical wire of the Data transmission cable is connected to the signal processing unit via a further capacitor element and the first capacitor connection and the second capacitor connection of the further capacitor element are connected to a further common-mode choke (of the type described).
  • a further connection contact of the first device connection is connected to a further connection contact of the second device connection via a further capacitor element.
  • a first output connection of the additional common-mode choke is connected to a ground potential (GND).
  • GND ground potential
  • this connection can be produced in the same way by means of a common-mode choke not only on the line wire that carries the DC voltage component, but also on another line wire that provides the ground potential or is connected to it. This further increases the suppression of undesired AC voltage components.
  • a conductor wire of a data transmission cable can be provided as copper wire or as aluminum wire or as copper braid or aluminum braid, just to name examples of an electrically conductive conductor wire for transmitting the data signal or a ground potential.
  • the invention includes a measuring device for examining a data transmission between a transmitting signal processing unit and a receiving signal processing unit.
  • the measuring device has a first device connection for connecting the receiving signal processing unit and a second device connection for connecting the transmitting signal processing unit for interposition between the transmitting and the receiving signal processing unit.
  • the connection to a signal processing unit can also be made via a data transmission cable (as a connection extension) if, for example, a physical distance between the devices requires this.
  • the device connections can have connection contacts in a manner described per se.
  • the measuring device has at least one embodiment of the coupling circuit according to the invention.
  • a first capacitor connection of the coupling circuit is connected to the first device connection and a second capacitor connection of the coupling circuit electrically connected to the second device connection, in particular to a respective connection contact of the respective device connection.
  • the measuring device is therefore in particular able to read or measure the data transmission between two signal processing units.
  • the measuring device conducts the AC voltage component of the data signal via a capacitor element through the measuring device between its two device connections and also taps the DC voltage component via an embodiment of the coupling circuit according to the invention, so that this DC voltage component can be measured or analyzed.
  • the measuring device can be designed as a so-called logger.
  • a development includes that the second output terminal of the common-mode choke of the coupling circuit is electrically connected to a voltage measuring circuit and the first output terminal of the common-mode choke is electrically connected to a voltage source.
  • the direct voltage component that is fed into the data transmission cable by the transmitting signal processing unit can be measured and at the same time the receiving signal processing unit can be supplied with a direct voltage component from the voltage source of the measuring device.
  • the operation of the two signal processing units can continue or be carried out undisturbed despite the interposition of the measuring device.
  • the measuring device is therefore able to read or measure the data transmission between two signal processing units without interfering with the data transmission.
  • the voltage source is designed as a voltage follower circuit and is set up to set an electrical voltage at the first output connection of the common-mode choke of the coupling circuit, which voltage corresponds to a voltage value measured by the voltage measuring circuit at the second output connection.
  • the voltage follower circuit can be used to simulate the time profile of the direct voltage component at the first device connection, as measured at the second device connection. In this way, a change in the direct voltage component, which can be caused by the transmitting signal processing unit, can advantageously also be simulated for the receiving signal processing unit.
  • the invention comprises a signal processing unit with a signal processing circuit (often represented by the designation PHY for the physical connection level), the signal processing unit having at least one signal connection for connecting a respective conductor wire of a data transmission cable, the signal connection being connected to a first capacitor connection of a capacitor element of a Embodiment of the coupling circuit according to the invention and the signal processing circuit is electrically connected to a second capacitor connection of the capacitor element of the coupling circuit, with a first output connection of a common-mode choke of the coupling circuit being connected to a voltage source of the signal processing unit for feeding a DC voltage component into the line wire (designed as a transmitting signal processing unit PSE) or a consumer circuit for Tapping off the DC component from the lei tion wire (designed as a receiving signal processing unit PD) is provided.
  • “Sending” and “receiving” here means the DC voltage component, as the electrical supply power.
  • the consumer circuit can be a signal processing circuit of the receiving signal processing unit PD.
  • the invention comprises a system with a sending signal processing unit and a receiving signal processing unit, which are connected via a data transmission cable, the respective signal processing unit being designed according to the invention.
  • 1 shows a schematic representation of an embodiment of the system for PoC according to the invention
  • 2 shows a schematic representation of an embodiment of the system for PoDL according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the measuring device according to the invention
  • FIG. 5 shows a signal supply unit with a BIAS-T circuit.
  • the system 10 can be installed in a motor vehicle 13, for example.
  • the signal processing unit 11 can be a control unit or a central computer of the motor vehicle 13, for example.
  • the signal processing unit 12 can, for example, be a control device for a sensor, for example for a camera of the motor vehicle 13 .
  • the signal processing units 11, 12 can be connected to one another via a data transmission cable 14, via which the signal processing units 11, 12 can transmit data signals 15.
  • the data signals 15 represent an AC voltage component HS of a voltage signal of the data transmission cable 14.
  • the data signals 15 can each be generated and/or received by a signal processing circuit 16 of the respective signal processing unit 11, 12.
  • both signal processing units 11, 12 can send and receive data signals 15, so that the two signal processing units 11, 12 communicate.
  • the system 10 provides that the signal processing unit 11 supplies the signal processing unit 12 with electrical power 17, which is also transmitted as a direct voltage component DC of the voltage signal of the data transmission cable 14 from the signal processing unit 11 to the signal processing unit 12.
  • the signal processing unit 11 is therefore also referred to here as the transmitting signal processing unit 11 , the transmission relating to the electrical power 17 .
  • the signal processing unit 12 is also referred to here as a receiving signal processing unit 12 , the receiving relating to the direct voltage component DC and thus to the electrical power 17 .
  • Fig. 1 illustrates how in the data transmission cable 14 a conductor wire 18 can carry the voltage signal carrying both the AC component HF and the DC component DC.
  • a wire 19 of a sheath of the data transmission cable 14 can be connected to a ground potential 20 .
  • the data transmission cable 14 can be designed as a coaxial cable.
  • the transmitting signal processing unit 11 In order to supply the transmitting signal processing unit 11 with the electrical power, it can be connected to, for example, an on-board electrical system 21 of the motor vehicle 13 .
  • a power pack 22 of the signal processing unit 11 can provide the electrical power 17 and generate an electrical supply voltage UP S E for this purpose.
  • the received electrical power 17 can be received by supplying it with the direct voltage component DC in a consumer circuit 23, which can represent, for example, a power supply unit of the receiving signal processing unit 12, where the direct voltage component DC is used to generate a supply voltage UPD for the signal processing unit 12 and for Operating the signal processing circuit 16 may be provided.
  • the transmitting signal processing unit 11 has a coupling circuit 24 .
  • the receiving signal processing unit 12 also has a coupling circuit 24 for decoupling the direct voltage component DC from the conductor wire 18 and for decoupling the alternating voltage component HF.
  • the coupling circuit 24 can be operated both for feeding in and for tapping off the direct voltage component DC.
  • a capacitor element 25 which can have one or more capacitors, is provided for transmitting the AC voltage component HF between the respective signal processing circuit and the conductor wire 18 .
  • a first Capacitor connection 26 is connected to the lead wire 18 and a second capacitor connection 27 is connected to the signal processing circuit 16 .
  • the data transmission cable 14 can be connected to the signal processing unit 12 via a signal connection 28 which can have corresponding connection contacts for each conductor wire.
  • the coupling circuit 24 also has a common-mode choke 29 , in which a first input connection 30 is connected to a first output connection 32 via an inductance 31 and a second input connection 33 is connected to a second output connection 35 via a further inductance 34 .
  • the two inductances 31, 34 of the common-mode choke 29 can be magnetically coupled to one another via a ferromagnetic core 36, resulting in common-mode suppression between the input terminals 30, 33 on the one hand and the output terminals 32, 35 on the other.
  • a common-mode signal that is present as an electrical voltage between the input terminals 30, 33 is not transmitted to the output terminals 32, 35, or only with a common-mode attenuation.
  • a voltage signal present only at the first input connection 30 and missing at the second input connection 33 is transmitted to the first output connection 32 without attenuation or with only insignificant attenuation (less than 10 dB, in particular less than 6 dB).
  • the first output connection 32 is connected directly or galvanically to a direct voltage supply connection 37, where the direct voltage component DC is provided without the alternating voltage component HF.
  • the second output connection 35 is connected to the DC voltage supply connection 37 via a capacitor 38 .
  • the two coupling circuits 24 are arranged in a mirror-inverted manner or in a mirrored arrangement with respect to one another, so that the respective first capacitor connection 26 and thus the first input connection 30 are connected to the line wire 18 and thus both the direct voltage component DC and the alternating voltage component HF are present there. If the power supply unit 22 now feeds in the direct voltage component DC, a direct current can flow in the transmitting signal processing unit 11 for transmitting the electrical power 17 via the first output connection into the first inductance 31 to the first input connection 30 and thus to the first capacitor connection 27.
  • the direct voltage component DC can flow over the lead wire 18 while passing through the Capacitor or the capacitor element 25 in the sending signal processing unit 11 is prevented from flowing to the signal processing circuit 16 of the sending signal processing unit 11 .
  • the direct voltage component DC can flow via the first capacitor connection 26 and the first input connection 30 via the first inductor 31 and the first output connection 32 to the direct voltage supply connection 37 of the load circuit 23 .
  • the DC component is prevented from flowing to the signal processing circuit 16 of the receiving signal processing unit 12 by the capacitor element 25 of the receiving signal processing unit 12 .
  • the respective AC voltage component HF is transmitted via the capacitor element 25 and is therefore present both in the transmitting and in the receiving signal processing unit 11, 12 both at the first and at the second input connection of the common-mode choke 29 and is therefore not or only to an insignificant proportion transmitted towards the output terminals 32,35. Furthermore, the remaining AC voltage components transmitted are short-circuited via the respective capacitor 38 , so that the AC voltage components do not reach the DC voltage supply connections 37 of the transmitting or the receiving signal processing unit 12 .
  • Another designation for a signal processing circuit 16 is also PHY.
  • Supply voltage can be a battery voltage Ubatt.
  • the ground potential 20 can be a ground potential GND of the motor vehicle 13 .
  • a data transmission cable 14 is provided, which can be configured with two conductor wires 18, 18' for balanced transmission. It can be a twisted pair cable, for example.
  • the second line wire 18' can be coupled to the ground potential 20 with regard to a DC voltage component.
  • a coupling circuit 24 can also be provided both in the transmitting and in the receiving signal processing unit 11, 12.
  • a common-mode choke 40 can be connected upstream of the signal processing circuit 16 in a manner known per se.
  • the first capacitor connection 26 with the conductor wire 18' and the second capacitor connection 27 with the signal processing circuit 16 via the additional coupling circuits 24 of their capacitor element 25 are connected in the manner described Common mode choke 40 coupled.
  • the first input connection 30 of the first inductance 31 of the common mode choke 29 is connected to the first capacitor connection 26 and leads via the first inductance 31 to the first output connection 32 which is connected to the ground potential 20 .
  • the second capacitor terminal 27 is coupled to the second input terminal 33 of the common mode choke 29 .
  • the second input connection 33 is connected via the second inductor 34 to the second output connection 35 which is connected to the ground potential 20 via a capacitor 38 .
  • Fig. 3 illustrates a measuring device 50 which can be connected between a transmitting signal processing unit 11 and a receiving signal processing unit 12 between their signal connections 28 in order to check or monitor data transmission between the signal processing units 11, 12 and the transmission of the direct voltage component DC.
  • the measuring device can have a voltage measuring circuit 51 for measuring the direct voltage component DC sent by the transmitting signal processing unit 11 and a voltage source 52 for generating a direct voltage component DC′ for the receiving signal processing unit 12 .
  • the measuring device 50 can have a coupling circuit 24 for coupling out the DC voltage component DC and for coupling in the DC voltage component DC′ and for transmitting the AC voltage component HF.
  • the coupling circuit 24 in the manner already described, there is a capacitor element 25 for transmitting the AC voltage component HF between a first device connection 53 for connecting the receiving signal processing unit 12 and a second device connection 54 for connecting the transmitting signal processing unit 11.
  • the capacitor element 25 can have one or more capacitors .
  • the first Capacitor connection 26 of the capacitor element 25 is connected to the first device connection 53
  • the second capacitor connection 27 is connected to the second device connection 54 .
  • a series connection of two common-mode chokes 29, 29' is provided. Provision can also be made for the first input connection 30 to be connected to the respective capacitor connection 26, 27 via an additional inductor 55 and for the second input connection 33 also to be connected via an additional inductor 56.
  • the respective inductances 31, 34 of the common-mode choke 29, 29' can additionally have a respective resistance element 57 connected in parallel.
  • the second output terminal 35 of the common mode choke 29 ′ can be connected to the voltage measurement circuit 51 at a voltage measurement input 58 .
  • the voltage measurement circuit 51 can measure the electrical voltage U between the first output connection 32 of the common-mode choke 29 ′ and the ground potential 20 .
  • a measured voltage value 59 can be used, for example, to control the voltage source 52 .
  • the voltage source 52 can be a voltage follower circuit 60, for example.
  • the voltage source 52 can generate a voltage U at the first output connection 32 of the common-mode choke 29', as a result of which the direct voltage component DC' is generated at the first input connection 30 of the common-mode choke 29 due to the series connection and thus the direct voltage component DC' for the receiving signal processing unit 12 is generated at the first device connection 53 or is provided.
  • At least one CMC is used without the AC voltage component having to pass through the CMC.
  • Two effects help to reduce the component size and component complexity: a) the data signals (HF) at the two input connections of the CMC itself are identical. In the CMC they are regarded as common mode (common mode) and are therefore correspondingly suppressed in the direction of the direct current transmission according to the functional principle of a common mode choke.
  • the inductive component of a simple choke is not at work here, but rather the effect of canceling out the signals.
  • Direct currents running in opposite directions through the CMC cause the magnetic effects in the CMC to cancel each other out.
  • a CMC has thereby in Unlike a single coil, there is no magnetic saturation affecting the effectiveness of high-frequency attenuation.
  • c) Direct currents that run in the same direction through a CMC, on the other hand, amplify the magnetic effects in the CMC; a CMC in this case saturates faster, which affects the effectiveness of the high-frequency attenuation.
  • points b) and c) cannot be exploited simultaneously; on the contrary, they oppose the application. It is not possible to use the common-mode damping for the signal and at the same time this effect for the supply voltage, since the interconnection results in different directions for both components. Therefore, only one output port of the CMC can be used at a time.
  • the CMCs are connected in the order that they correspond to the signal flow and the common-mode rejection can take place through the symmetrical structure.
  • FIG. 4 illustrates an implementation of the voltage follower circuit 60.
  • FIG. 4 is an alternative illustration to the series connection of the common-mode choke 29, 29', in which the cores 36, 36' of the two common-mode chokes 29, 29' are shown symbolically locally separated here.
  • the voltage follower circuit 60 Depending on the specified voltage values 59, the voltage follower circuit 60 generates a corresponding output voltage.
  • One or more of the following components can be provided for this: 61 - op amp; Voltage follower for setting an adjustable DC/DC converter / adjustable voltage source
  • the 62 - DC/DC converter provides the power supply for the PoC system to be fed; It's a new PSE;
  • the DC/DC converter should be able to provide voltages of 3V....16V.
  • a current limitation In order to protect both the components in this circuit and the connected sensor, a current limitation must be provided. Ideally the current limit should be user adjustable (min 50mA....max 300/500mA).
  • an input with e.g. 12V can also be implemented. E.g. via a DC plug (e.g. 5.1mm).
  • DC plugs offer the possibility of switching off an existing other voltage source (- USB) via a mechanical switch.
  • the input circuit has a resettable fuse with a trip at 300mA.
  • 67 - For the USB supply, it must be checked whether a handshake to the power supply defined in the USB standard is possible by wiring with resistors/diodes. Is to be realized in particular for higher power consumption. The resistance shown in the data line is only a symbol here; not the necessary implementation.
  • the exemplary embodiments thus show how an optimization of the common bias-T circuit for applications with PoC (power over coaxial cables)/PoDL (power over data line), in particular in measuring devices, can be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Koppelschaltung (24) zum Einspeisen oder zum Abgreifen eines Gleichspannungsanteils an einem elektrischen Leitungsdraht (18) eines Datenübertragungskabels (14), wobei eine Gleichtaktdrossel (29) vorgesehen ist, bei welcher ein erster Eingangsanschluss (30) über eine erste Induktivität (31) mit einem ersten Ausgangsanschluss (32) und ein zweiter Eingangsanschluss (33) über eine zweite Induktivität (34), die mit der ersten Induktivität (31) für eine Gleichtaktunterdrückung magnetisch gekoppelt ist, mit einem zweiten Ausgangsanschluss (35) gekoppelt ist, bereitgestellt ist und der erste Eingangsanschluss (30) mit dem ersten Kondensatoranschluss (26) und der zweite Eingangsanschluss (33) mit dem zweiten Kondensatoranschluss (27) eines Kondensatorelements (25) elektrisch verbunden ist und der erste Ausgangsanschluss (32) mit einem Gleichspannungsversorgungsanschluss (37) galvanisch verbunden ist und der zweite Ausgangsanschluss (35) mit dem Gleichspannungsversorgungsanschluss (37) über einen Kondensator (38) oder mit einem Messeingang (58) einer Spannungsmessschaltung (51) verschaltet ist.

Description

BESCHREIBUNG
Koppelschaltung zum Einspeisen oder zum Abgreifen eines Gleichspannungsanteils an einem elektrischen Leitungsdraht eines Datenübertragungskabels sowie Messgerät zum Untersuchen einer Datenübertragung sowie Signalverarbeitungseinheit und System
Die Erfindung betrifft eine Koppelschaltung, die sowohl zum Einspeisen als auch zum Abgreifen eines Gleichspannungsanteils in einem elektrischen Leitungsdraht eines Datenübertragungskabels genutzt werden kann. Ein solcher Gleichspannungsanteil kann bei Anwendungen des PoC (power over coaxial cables) und des PoDL (power over data line) zur Übertragung von elektrischer Leistung von einer leistungsliefernden Signalverarbeitungseinheit (PSE - power sourcing equipment) zu einer leistungsverbrauchenden Signalverarbeitungseinheit (PD - powered device) vorhanden sein. Die Erfindung umfasst auch diese Signalverarbeitungseinheiten und ein System mit zwei solcher Signalverarbeitungseinheiten (PSE und PD).
Eine gängige Lösung für das Einspeisen und Abgreifen von elektrischer Leistung stellen sogenannte Fernspeisungsschaltungen oder Bias-T-Schaltungen („bias tee“) für die jeweilige Signalverarbeitungseinheit (PSE, PD) dar. Bei einer Bias-T-Schaltung ist ein Kondensatorelement (z.B. ein einzelner Kondensator oder mehrere parallel geschaltete Kondensatoren) über einen ersten Kondensatoranschluss mit einem Leitungsdraht des Datenübertragungskabels und über einen zweiten Kondensatoranschluss mit der Signalverarbeitungseinheit elektrisch verbunden. Am ersten Kondensatoranschluss liegen der Gleichspannungsanteil DC der zu übertragenden elektrischen Leistung sowie der Wechselspannungsanteil HF des Datensignals an. Überdas Kondensatorelement ist nur der Wechselspannungsanteil HF auch am zweiten Kondensatoranschluss verfügbar gemacht (PD) oder er wird anders herum von dort zum ersten Kondensatoranschluss übertragen (PSE).
Gemäß dem Stand der Technik wird der Gleichspannungsanteil DC über eine Induktivität aus einem Gleichspannungsversorgungsanschluss einer Spannungsquelle am ersten Kondensatoranschluss eingespeist (PSE) oder von dort über die Induktivität zum Gleichspannungsversorgungsanschluss geleitet (PD). Für eine ausreichende Signaltrennung von Gleichspannungsanteil DC und Wechselspannungsanteil HF kann es erforderlich sein, die Induktivität durch eine Reihenschaltung von mehreren Spulen zu realisieren, was eine Koppelschaltung nach dem Base-T-Prinzip technisch aufwendig machen kann.
In diesem Zusammenhang ist auch die Verwendung einer Gleichtaktdrossel (CMC - common mode choce) bekannt. Fig. 5 zeigt hierzu eine an sich bekannte Ausgestaltung des PoDL, also der Übertragung von elektrischer Leistung P über ein Datenübertragungskabel DL. In einer sendenden Signalverarbeitungseinheit S kann durch eine Signalverarbeitungsschaltung PHY für eine symmetrische Übertragung ein Wechselspannungsanteil HF über Kondensatoren C1, C2 und eine Gleichtaktdrossel CMC1 in das Datenübertragungskabel DL eingespeist werden. Ein Gleichspannungsanteil DC kann durch eine Leistungsquelle PSE über zwei Induktivitäten L1, L2 den Gleichspannungsanteil DC durch die Gleichtaktdrossel CNC1 hindurch in das Datenübertragungskabel DL einspeisen. In der empfangenden Signalverarbeitungseinheit E kann eine Signalverarbeitungsschaltung PHY über zwei Kondensatoren C3, C4 den Wechselspannungsanteil HF aus dem Datenübertragungskabel DL auskoppeln, wozu aber auch der Wechselspannungsanteil HF durch eine Gleichtaktdrossel CNC2 hindurch geleitet werden muss. Der Gleichspannungsanteil DC kann über zwei Induktivitäten L3,
L4 ausgekoppelt werden und in einer Verbraucherschaltung PD, beispielsweise einem Netzteil, genutzt werden.
Nachteilig bei dieser Schaltung ist, dass auch der Wechselspannungsanteil HF durch die Induktivitäten der Gleichtaktdrosseln CMC1, CMC2 geleitet werden muss, was zu unerwünschten Verlusten führen kann.
Insbesondere bei einem Messgerät, das für eine Untersuchung der Datenübertragung zwischen die sendende und die empfangende Signalverarbeitungseinheit geschaltet werden können soll, kann der Aufwand für eine klare Signaltrennung sehr groß sein, da in einem solchen Messgerät sowohl das Abgreifen als auch das Einspeisen des Gleichspannungsanteils implementiert werden muss, um den Betrieb der Signalverarbeitungseinheiten während der Messung nicht zu stören, d.h. das Messgerät ist „transparent“ in das Datenübertragungskabel geschaltet oder ersetzt dieses. Die beschriebene Übertragung eines Gleichspannungsanteil DC findet insbesondere bei Schaltungen gemäß PoC (power over coaxial cable) und bei PoDL (power over data line) Anwendung, z.B. bei PoE (power over ethernet).
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Datenübertragung eine Koppelschaltung zum Einspeisen oder zum Abgreifen eines Gleichspannungsanteils bereitzustellen, die mit technisch geringem Aufwand eine gute Trennung von Gleichspannungsanteil DC der Leistungsübertragung und Hochfrequenzanteil HF der Datenübertragung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung und die Figuren beschrieben.
Als eine Lösung umfasst die Erfindung eine Koppelschaltung zum Einspeisen oder zum Abgreifen eines Gleichspannungsanteils an einem elektrischen Leitungsdraht eines Datenübertragungskabels. In der beschriebenen Weise ist ein Kondensatorelement über einen ersten Kondensatoranschluss mit dem Leitungsdraht (Signalanteile: DC + HF) und über einen zweiten Kondensatoranschluss mit einer Signalverarbeitungsschaltung einer Signalverarbeitungseinheit (Signalanteil: nur HF) verschaltet und das Kondensatorelement überträgt einen Wechselspannungsanteil HF der Datenübertragung, d.h. das Datensignal, zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensatoranschluss, sodass der Wechselspannungsanteil HF beiderseits des Kondensatorelements am ersten und am zweiten Kondensatoranschluss vorhanden ist. Der „erste Kondensatoranschluss“ ist also der „leitungsseitige Kondensatoranschluss“ und der „zweite Kondensatoranschluss“ ist der „geräteseitige Kondensatoranschluss“ derjenigen Signalverarbeitungseinheit, zu welcher die Koppelschaltung gehört oder welcher sie vorgeschaltet ist.
Die soeben beschriebene Ausführung betrifft eine Koppelschaltung, wie sie in einer Signalverarbeitungseinheit integriert sein kann. Falls die Koppelschaltung in ein Messgerät integriert sein soll, ist das Kondensatorelement über den ersten Kondensatoranschluss mit einem Anschlusskontakt eines ersten Geräteanschlusses und über den zweiten Kondensatoranschluss mit einem Anschlusskontakt eines zweiten Geräteanschlusses verschaltet. An den jeweiligen Geräteanschluss kann eine Signalverarbeitungseinheit oder eine Datenübertragungskabel angeschlossen werden. Es kann sich z.B. um einen Koax-Anschluss oder einen Steckanschluss handeln.
Um nun einen Gleichspannungsversorgungsanschluss mit dem ersten Kondensatoranschluss und damit mit dem Leitungsdraht elektrisch zu verbinden, ist anders als bei der Bias-T-Schaltung keine einfache Induktivität vorgesehen. Stattdessen umfasst die Koppelschaltung, dass eine Gleichtaktdrossel bereitgestellt ist. Wie allgemein bekannt ist, ist bei einer Gleichtaktdrossel ein erster Eingangsanschluss über eine erste Induktivität mit einem ersten Ausgangsanschluss und ein zweiter Eingangsanschluss über eine zweite Induktivität mit einem zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt. Die zweite Induktivität ist dabei mit der ersten Induktivität für eine Gleichtaktunterdrückung magnetisch gekoppelt, z.B. mittels eines gemeinsamen ferromagnetischen Kerns. Eine andere Bezeichnung für eine Gleichtaktdrossel ist CMC (common mode choke). Der erste Eingangsanschluss ist nun mit dem ersten Kondensatoranschluss und der zweite Eingangsanschluss ist mit dem zweiten Kondensatoranschluss elektrisch verbunden und der erste Ausgangsanschluss ist mit dem Gleichspannungsversorgungsanschluss elektrisch oder galvanisch verbunden (zum Leiten von Gleichstrom) und der zweite Ausgangsanschluss ist mit dem Gleichspannungsversorgungsanschluss über einen Kondensator verschaltet oder er ist mit einem (hochohmigen) Messeingang einer Spannungsmessschaltung verschaltet. Mit „hochohmig“ ist insbesondere ein elektrischer Widerstand von mehr als 1 Kiloohm, insbesondere mehr als 10 Kiloohm gemeint.
An den beiden Eingangsanschlüssen der Gleichtaktdrossel liegt also der Wechselspannungsanteil HF des Datensignals gleichzeitig an, sodass an den Ausgangsanschlüssen der Gleichtaktdrossel dieser Wechselspannungsanteil HF als Gleichtaktsignal unterdrückt ist. Dies wird hierbei nicht nur durch die beiden Induktivitäten der Gleichtaktdrossel aufgrund von deren induktiver Wirkung, sondern zusätzlich durch die Wechselwirkung über die magnetische Kopplung nach dem Prinzip der Gleichtaktunterdrückung bewirkt. Damit ist mit weniger Schaltungsaufwand, nämlich mit den zwei Induktivitäten der Gleichtaktdrossel, eine stärkere Unterdrückung des Wechselspannungsanteils an den Ausgangsanschlüssen der Gleichspannungsdrossel und damit am Gleichspannungsversorgungsanschluss erreicht, als es bei Verwendung einer einfachen Spule als Induktivität der Fall wäre. Dagegen liegt (im Falle eines PD) der Gleichspannungsanteil lediglich am ersten Eingangsanschluss an und ist damit am ersten Ausgangsanschluss verfügbar, ohne dass eine Dämpfung oder Drosselung aufgrund einer Gleichtaktunterdrückung eintreten würde. Damit kann der Gleichspannungsanteil vom ersten Kondensatoranschluss bis zum Gleichspannungsversorgungsanschluss ohne oder mit nur unsignifikanter Dämpfung oder Verlusten übertragen werden. Gleiches gilt für die Übertragung des Gleichspannungsanteils vom
Gleichspannungsversorgungsanschluss hin zum ersten Kondensatoranschluss im Falle eines PSE. Denn zu beachten ist, dass der Gleichspannungsversorgungsanschluss eine von zwei möglichen Funktionen aufweisen kann. Im Falle des Einspeisens eines Gleichspannungsanteils in einer sendenden Signalverarbeitungseinheit (PSE) kann an den Gleichspannungsversorgungsanschluss eine Gleichspannungsquelle des Gleichspannungsanteils angeschlossen werden. Im Falle des Abgreifens des Gleichspannungsanteils an der empfangenden Signalverarbeitungseinheit (PD) stellt der Gleichspannungsversorgungsanschluss den Abgriff oder die Versorgungsleitung für die Signalverarbeitungseinheit dar. Hier bezieht sich „sendend“ und „empfangend“ auf die Leistungsübertragung per Gleichspannungsanteil DC und ist unabhängig von der Datensignalübertragung, die z.B. bidirektional sein kann.
Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen, deren Merkmale zusätzliche technische Vorteile ergeben.
Eine Weiterbildung umfasst, dass der erste und der zweite Eingangsanschluss der Gleichtaktdrossel jeweils über eine jeweilige zusätzliche Induktivität mit dem jeweiligen Kondensatoranschluss verbunden sind. Sowohl der erste als auch der zweite Eingangsanschluss sind also in einer symmetrischen Verschaltung über eine zusätzliche Induktivität mit ihrem jeweiligen Kondensatoranschluss (erster Eingangsanschluss mit erstem Kondensatoranschluss, zweiter Eingangsanschluss mit zweitem Kondensatoranschluss) verschaltet. Dies bewirkt eine zusätzliche vorteilhafte Dämpfung des Wechselspannungsanteils des Datensignals.
Eine Weiterbildung umfasst, dass in der Gleichtaktdrossel deren Induktivitäten jeweils ein jeweiliges Widerstandselement parallel geschaltet ist. Hierdurch kann eine Oszillation oder eine Schwingung gedämpft werden, die ansonsten durch die Induktivitäten der Gleichtaktdrossel einerseits und das Kondensatorelement andererseits nach dem Prinzip des Schwingkreises verursacht werden könnte. Eine Weiterbildung umfasst, dass bei der Gleichtaktdrossel der erste und der zweite Eingangsanschluss über einen zusätzlichen Kondensator miteinander verbunden sind. Damit ist der zusätzliche Kondensator parallel zu dem Kondensatorelement geschaltet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass unabhängig von dem vorhandenen Kondesatorelement eine Angleichung des Wechselspannungsanteils an den beiden Eingangsanschlüssen der Gleichtaktdrossel sichergestellt werden kann.
Eine Weiterbildung umfasst, dass der Gleichspannungsversorgungsanschluss der Koppelschaltung mit einer Gleichspannungsquelle verschaltet ist, welcher über den ersten Ausgangsanschluss und über den ersten Eingangsanschluss einen Gleichstrom in den Leitungsdraht einspeist. Dies ergibt eine sendende Signalverarbeitungseinheit.
Eine alternative Weiterbildung umfasst, dass der Gleichspannungsversorgungsanschluss mit einer elektrischen Verbraucherschaltung oder Signalverarbeitungsschaltung verschaltet ist, welche über den ersten Ausgangsanschluss und den ersten Eingangsanschluss den Gleichstrom aus dem Leitungsdraht bezieht. Die elektrische Verbraucherschaltung kann in der beschriebenen Weise Bestandteil der empfangenden Signalverarbeitungseinheit sein. Die Verbraucherschaltung wird durch den aus dem Leitungsdraht bezogenen Gleichstrom betrieben, der durch den Gleichspannungsanteil betrieben oder hervorgerufen wird. Eine andere Bezeichnung für eine solche Verbraucherschaltung ist auch PHY. Der Gleichspannungsanteil DC kann hierzu beispielsweise bezüglich eines Massepotentials anliegen oder abgegriffen werden.
Als Signalverarbeitungseinheit kann beispielsweise jeweils ein Steuergerät vorgesehen sein, wie es beispielsweise in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein kann. Als Datenübertragungskabel kann beispielsweise ein Koaxialkabel oder eine Twisted-Pair- Leitung vorgesehen sein. Bei der Datenübertragung kann es sich beispielsweise um ein Ethernet-Netzwerk oder einen CAN-Bus (CAN - Controller Area Network) handeln. Eine Frequenz des Datensignals (d.h. dem Wechselspannungsanteil HF) kann größer als 5 Kilohertz, insbesondere größer als 100 Kilohertz, sein.
Eine Weiterbildung umfasst, dass der zweite Ausgangsanschluss mit einem Messeingang einer Spannungsfolgerschaltung verschaltet ist, welche eine am zweiten Ausgangsanschluss gemessene Gleichspannung an einem Spannungsfolgerausgang reproduziert. Mit anderen Worten erfasst die Spannungsfolgerschaltung am Messeingang den Gleichspannungsanteil, wie er über die Gleichtaktdrossel erfasst wird. Am Messeingang erfolgt die Messung insbesondere hochohmig, d.h. es handelt sich um eine Spannungsmessschaltung im oben genannten Sinne. Eine Spannungsfolgerschaltung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Sie erfasst am Messeingang einen jeweils aktuellen Spannungswert einer zu messenden Gleichspannung und erzeugt oder reproduziert am Spannungsfolgerausgang denselben oder einen relativ dazu skalierten Spannungswert, allerding mit einem niederohmigen Innenwiderstand, wobei „niederohmig“ insbesondere einen Widerstandswert kleiner als 1 Kilohm, insbesondere kleiner als 100 Ohm der Spannungsquelle meint. Durch die Spannungsfolgerschaltung ergibt sich der Vorteil, dass Verluste beim Messen oder Erfassen des Gleichspannungsanteils nicht dazu führen, dass sich eine Veränderung des Gleichspannungsanteils im Datenübertragungskabel oder bei der Versorgung einer Verbraucherschaltung einer empfangenden Signalverarbeitungseinheit ergibt.
Eine Weiterbildung umfasst, dass der Spannungsfolgerausgang über zumindest eine Induktivität und/oder über zumindest eine Gleichtaktdrossel mit dem ersten Kondensatoranschluss verschaltet ist, um den am zweiten Kondensatoranschluss ermittelten Gleichspannungsanteil am ersten Kondensatoranschluss einzuspeisen oder zu reproduzieren. Hierdurch kann in vorteilhafter weise beispielsweise in einem Messgerät am zweiten Kondensatoranschluss gemessen werden und der gemessene Gleichspannungsanteil am ersten Kondensatoranschluss wieder eingespeist werden, wobei hierbei Messverluste und/oder ohmsche Verluste bei der Übertragung des Gleichspannungsanteils kompensiert werden können. Somit bleibt das Messgerät für die Signalverarbeitungseinheiten, die über das Datenübertragungskabel die Datenübertragung (HF) und die Leistungsübertragung (DC) durchführen, transparent.
Eine Weiterbildung umfasst, dass zwischen der Gleichtaktdrossel und dem Gleichspannungsversorgungsanschluss zumindest eine weitere Gleichtaktdrossel in Reihe geschaltet ist. Mit anderen Worten kann eine Reihenschaltung aus zumindest zwei Gleichtaktdrosseln vorgesehen sein. Hierdurch kann die Unterdrückung des Wechselspannungsanteils am Gleichspannungsversorgungsanschluss verstärkt oder vergrößert werden.
Eine Weiterbildung umfasst, dass im Falle der Ausführungsform als Signalverarbeitungseinheit ein weiterer elektrischer Leitungsdraht des Datenübertragungskabels über ein weiteres Kondensatorelement mit der Signalverarbeitungseinheit verschaltet ist und der erste Kondensatoranschluss und der zweite Kondensatoranschluss des weiteren Kondensatorelements mit einer weiteren Gleichtaktdrossel (der beschriebenen Art) verschaltet ist. Im Falle einer Ausführungsform als Messgerät ist stattdessen ein weiterer Anschlusskontakt des ersten Geräteanschlusses über ein weiteres Kondensatorelement mit einem weiteren Anschlusskontakt des zweiten Geräteanschlusses verschaltet.
Zudem umfasst die Weiterbildung, dass ein erster Ausgangsanschluss der weiteren Gleichtaktdrossel mit einem Massepotential (GND) verbunden ist. Mit anderen Worten kann nicht nur am Leitungsdraht, der den Gleichspannungsanteil führt, sondern auch an einem weiteren Leitungsdraht, der das Massepotential bereitstellt oder damit verbunden ist, diese Verbindung in derselben Weise mittels einer Gleichtaktdrossel erzeugt werden. Dies verstärkt die Unterdrückung von unerwünschten Wechselspannungsanteilen zusätzlich.
Ein Leitungsdraht eines Datenübertragungskabels kann als Kupferdraht oder als Aluminiumdraht oder als Kupfergeflecht oder Aluminiumgeflecht bereitgestellt sein, um nur Beispiele für einen elektrisch leitfähigen Leitungsdraht zum Übertragen des Datensignals oder eines Massepotentials zu nennen.
Als eine weitere Lösung umfasst die Erfindung ein Messgerät zum Untersuchen einer Datenübertragung zwischen einer sendenden Signalverarbeitungseinheit und einer empfangenden Signalverarbeitungseinheit. Das Messgerät weist zum Zwischenschalten zwischen die sendende und die empfangende Signalverarbeitungseinheit einen ersten Geräteanschluss zum Anschließen der empfangenden Signalverarbeitungseinheit und einen zweiten Geräteanschluss zum Anschließen der sendenden Signalverarbeitungseinheit auf. Die Verbindung zu einer Signalverarbeitungseinheit kann jeweils auch über ein Datenübertragungskabel (als Verbindungsverlängerung) erfolgen, falls z.B. ein räumlicher Geräteabstand dies erfordert. Die Geräteanschlüsse können in an sich beschriebener Weise Anschlusskontakte aufweisen.
Das Messgerät weist zumindest eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Koppelschaltung auf. Dabei ist ein erster Kondensatoranschluss der Koppelschaltung mit dem ersten Geräteanschluss und ein zweiter Kondensatoranschluss der Koppelschaltung mit dem zweiten Geräteanschluss elektrisch verbunden, insbesondere mit einem jeweiligen Anschlusskontakt des jeweiligen Geräteanschlusses. Das Messgerät ist also insbesondere in der Lage, die Datenübertragung zwischen zwei Signalverarbeitungseinheiten mitzulesen oder zu messen. Das Messgerät leitet hierbei zum einen den Wechselspannungsanteil des Datensignals über ein Kondensatorelement durch das Messgerät zwischen seinen beiden Geräteanschlüssen hindurch und greift zudem den Gleichspannungsanteil über eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Koppelschaltung ab, sodass dieser Gleichspannungsanteil gemessen oder analysiert werden kann. Das Messgerät kann als sogenannter Logger ausgestaltet sein.
Eine Weiterbildung umfasst, dass der zweite Ausgangsanschluss der Gleichtaktdrossel der Koppelschaltung mit einer Spannungsmessschaltung und der erste Ausgangsanschluss der Gleichtaktdrossel mit einer Spannungsquelle elektrisch verbunden ist. Somit kann der Gleichspannungsanteil, der von der sendenden Signalverarbeitungseinheit in das Datenübertragungskabel eingespeist wird, gemessen werden und zugleich die empfangende Signalverarbeitungseinheit mit einem Gleichspannungsanteil aus der Spannungsquelle des Messgeräts versorgt werden. Hierdurch kann der Betrieb der beiden Signalverarbeitungseinheiten trotz der Zwischenschaltung des Messgeräts weiterhin erfolgen oder ungestört durchgeführt werden. Das Messgerät ist also in der Lage, die Datenübertragung zwischen zwei Signalverarbeitungseinheiten mitzulesen oder zu messen, ohne die Datenübertragung zu stören.
Eine Weiterbildung umfasst, dass die Spannungsquelle als Spannungsfolgerschaltung ausgestaltet ist und dazu eingerichtet ist, an dem ersten Ausgangsanschluss der Gleichtaktdrossel der Koppelschaltung eine elektrische Spannung einzustellen, die einem von der Spannungsmessschaltung am zweiten Ausgangsanschluss gemessenen Spannungswert entspricht. Mittels der Spannungsfolgerschaltung kann am ersten Geräteanschluss der zeitliche Verlauf des Gleichspannungsanteils nachgebildet werden, wie er am zweiten Geräteanschluss gemessen wird. Damit kann in vorteilhafter Weise auch eine Veränderung des Gleichspannungsanteils, wie ihn die sendende Signalverarbeitungseinheit verursachen kann, für die empfangende Signalverarbeitungseinheit nachgebildet werden. Als eine weitere Lösung umfasst die Erfindung eine Signalverarbeitungseinheit mit einer Signalverarbeitungsschaltung (oftmals repräsentiert durch die Bezeichnung PHY für die physikalische Anschlussebene), wobei die Signalverarbeitungseinheit zumindest einen Signalanschluss zum Anschließen eines jeweiligen Leitungsdrahts eines Datenübertragungskabels aufweist, wobei der Signalanschluss mit einem ersten Kondensatoranschluss eines Kondensatorelements einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Koppelschaltung und die Signalverarbeitungsschaltung mit einem zweiten Kondensatoranschluss des Kondensatorelements der Koppelschaltung elektrisch verbunden ist, wobei mit einem ersten Ausgangsanschluss einer Gleichtaktdrossel der Koppelschaltung eine Spannungsquelle der Signalverarbeitungseinheit zum Einspeisen eines Gleichspannungsanteils in den Leitungsdraht (Ausführung als sendende Signalverarbeitungseinheit PSE) oder eine Verbraucherschaltung zum Abgreifen des Gleichspannungsanteils aus dem Leitungsdraht (Ausführung als empfangende Signalverarbeitungseinheit PD) bereitgestellt ist. Mit „sendend“ und „empfangend“ ist hierbei der Gleichspannungsanteil, als die elektrische Versorgungsleistung, gemeint. Die Verbraucherschaltung kann eine Signalverarbeitungsschaltung der empfangenden Signalverarbeitungseinheit PD sein.
Als eine weitere Lösung umfasst die Erfindung ein System mit einer sendenden Signalverarbeitungseinheit und eine empfangenden Signalverarbeitungseinheit, die über ein Datenübertragungskabel verbunden sind, wobei die jeweilige Signalverarbeitungseinheit gemäß der Erfindung ausgestaltet ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems für PoC; Fig.2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems für PoDL;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts;
Fig.4 eine schematische Darstellung einer Spannungsfolgerschaltung;
Fig. 5 eine Signalversorgungseinheit mit einer BIAS-T-Schaltung.
Fig. 1 zeigt ein System 10 mit einer Signalverarbeitungseinheit 11 und einer Signalverarbeitungseinheit 12. Das System 10 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 13 eingebaut sein. Die Signalverarbeitungseinheit 11 kann beispielsweise ein Steuergerät oder ein Zentralcomputer des Kraftfahrzeugs 13 sein. Die Signalverarbeitungseinheit 12 kann beispielsweise ein Steuergerät für einen Sensor, beispielsweise für eine Kamera des Kraftfahrzeugs 13, sein. Die Signalverarbeitungseinheiten 11, 12 können über ein Datenübertragungskabel 14 miteinander verbunden sein, über welches die Signalverarbeitungseinheiten 11, 12 Datensignale 15 übertragen können. Die Datensignale 15 stellen einen Wechselspannungsanteil HS eines Spannungssignals des Datenübertragungskabels 14 dar. Die Datensignale 15 können jeweils durch eine Signalverarbeitungsschaltung 16 der jeweiligen Signalverarbeitungseinheit 11, 12 erzeugt und/oder empfangen werden. Mit anderen Worten können beide Signalverarbeitungseinheiten 11, 12 Datensignale 15 senden und empfangen, sodass es zu einer Kommunikation zwischen den beiden Signalverarbeitungseinheiten 11, 12 kommt. Zusätzlich ist bei dem System 10 vorgesehen, dass die Signalverarbeitungseinheit 11 die Signalverarbeitungseinheit 12 mit elektrischer Leistung 17 versorgt, die ebenfalls als ein Gleichspannungsanteil DC des Spannungssignals des Datenübertragungskabels 14 von der Signalverarbeitungseinheit 11 zur Signalverarbeitungseinheit 12 übertragen wird. Die Signalverarbeitungseinheit 11 wird deshalb hier auch als sendende Signalverarbeitungseinheit 11 bezeichnet, wobei das Senden sich auf die elektrische Leistung 17 bezieht. Die Signalverarbeitungseinheit 12 wird hier auch als empfangende Signalverarbeitungseinheit 12 bezeichnet, wobei sich das Empfangen auf den Gleichspannungsanteil DC und damit die elektrische Leistung 17 bezieht. Fig. 1 veranschaulicht, wie in dem Datenübertragungskabel 14 ein Leitungsdraht 18 das Spannungssignal übertragen kann, das sowohl den Wechselspannungsanteil HF als auch den Gleichspannungsanteil DC überträgt.
Zudem kann beispielsweise ein Leitungsdraht 19 eines Mantels des Datenübertragungskabels 14 mit einem Massepotential 20 verbunden sein. Das Datenübertragungskabel 14 kann als Koaxialkabel ausgestaltet sein.
Zum Versorgen der sendenden Signalverarbeitungseinheit 11 mit der elektrischen Leistung kann dieses an beispielsweise ein elektrisches Bordnetz 21 des Kraftfahrzeugs 13 angeschlossen sein. Ein Netzteil 22 der Signalverarbeitungseinheit 11 kann die elektrische Leistung 17 bereitstellen und hierzu eine elektrische Versorgungsspannung UPSE erzeugen. In der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 12 kann die empfangene elektrische Leistung 17 durch Versorgung mit dem Gleichspannungsanteil DC in einer Verbraucherschaltung 23 empfangen werden, die beispielsweise ein Netzteil der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 12 darstellen kann, wo der Gleichspannungsanteil DC zum Erzeugen einer Versorgungsspannung UPD für die Signalverarbeitungseinheit 12 und zum Betreiben der Signalverarbeitungsschaltung 16 bereitgestellt sein kann.
Um den Gleichspannungsanteil DC in den Leitungsdraht 18 einzuspeisen und gleichzeitig den Wechselspannungsanteil HF in den Leitungsdraht 18 einzuspeisen, weist die sendende Signalverarbeitungseinheit 11 eine Koppelschaltung 24 auf. Zum Auskoppeln des Gleichspannungsanteils DC aus dem Leitungsdraht 18 und zum Auskoppeln des Wechselspannungsanteils HF weist die empfangende Signalverarbeitungseinheit 12 ebenfalls eine Koppelschaltung 24 auf. Mit anderen Worten kann die Koppelschaltung 24 sowohl zum Einspeisen als auch zum Abgreifen des Gleichspannungsanteils DC betrieben werden. Daher sind im Folgenden die beiden Koppelschaltungen 24 der sendenden und der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 11, 12 gemeinsam beschrieben.
Zum Übertragen des Wechselspannungsanteils HF zwischen der jeweiligen Signalverarbeitungsschaltung und dem Leitungsdraht 18 ist ein Kondensatorelement 25 bereitgestellt, das einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen kann. Ein erster Kondensatoranschluss 26 ist mit dem Leitungsdraht 18, ein zweiter Kondensatoranschluss 27 ist mit der Signalverarbeitungsschaltung 16 verschaltet. Das Datenübertragungskabel 14 kann über einen Signalanschluss 28 an der Signalverarbeitungseinheit 12 angeschlossen sein, der entsprechende Anschlusskontakte für jeden Leitungsdraht aufweisen kann.
Die Koppelschaltung 24 weist des Weiteren eine Gleichtaktdrossel 29 auf, bei welcher ein erster Eingangsanschluss 30 über eine Induktivität 31 mit einem ersten Ausgangsanschluss 32 und ein zweiter Eingangsanschluss 33 über eine weitere Induktivität 34 mit einem zweiten Ausgangsanschluss 35 verschaltet ist. Die beiden Induktivitäten 31, 34 der Gleichtaktdrossel 29 können über einen ferromagnetischen Kern 36 magnetisch miteinander gekoppelt sein, wodurch eine Gleichtaktunterdrückung zwischen den Eingangsanschlüssen 30, 33 einerseits und den Ausgangsanschlüssen 32, 35 andererseits bewirkt ist. Mit anderen Worten wird ein Gleichtaktsignal, das als elektrische Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen 30, 33 anliegt, nicht oder nur mit einer Gleichtaktdämpfung zu den Ausgangsanschlüssen 32, 35 übertragen. Dagegen wird ein nur an dem ersten Eingangsanschluss 30 anliegendes Spannungssignal, das am zweiten Eingangsanschluss 33 fehlt, ungedämpft oder mit nur unwesentlicher Dämpfung (weniger als 10dB, insbesondere weniger als 6dB) zum ersten Ausgangsanschluss 32 übertragen. Der erste Ausgangsanschluss 32 ist direkt oder galvanisch mit einem Gleichspannungsversorgungsanschluss 37 verschaltet, wo der Gleichspannungsanteil DC ohne den Wechselspannungsanteil HF bereitgestellt ist. Der zweite Ausgangsanschluss 35 ist in dem gezeigten Beispiel über einen Kondensator 38 mit dem Gleichspannungsversorgungsanschluss 37 verschaltet.
Zu beachten ist, dass die beiden Koppelschaltungen 24 spiegelverkehrt oder in gespiegelter Anordnung zueinander angeordnet sind, sodass der jeweilige erste Kondensatoranschluss 26 und damit der erste Eingangsanschluss 30 mit dem Leitungsdraht 18 verbunden sind und somit dort sowohl der Gleichspannungsanteil DC als auch der Wechselspannungsanteil HF anliegt. Speist nun das Netzteil 22 den Gleichspannungsanteil DC ein, so kann in der sendenden Signalverarbeitungseinheit 11 ein Gleichstrom zum Übertragen der elektrischen Leistung 17 über den ersten Ausgangsanschluss in die erste Induktivität 31 zum ersten Eingangsanschluss 30 und damit zum ersten Kondensatoranschluss 27 fließen. Damit kann der Gleichspannungsanteil DC über den Leitungsdraht 18 fließen, während er durch den Kondensator oder das Kondensatorelement 25 in der sendenden Signalverarbeitungseinheit 11 daran gehindert wird, zu der Signalverarbeitungsschaltung 16 der sendenden Signalverarbeitungseinheit 11 zu fließen. In der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 12 kann der Gleichspannungsanteil DC über den ersten Kondensatoranschluss 26 und den ersten Eingangsanschluss 30 über die erste Induktivität 31 und den ersten Ausgangsanschluss 32 hin zum Gleichspannungsversorgungsanschluss 37 der Verbraucherschaltung 23 fließen. Dagegen wird der Gleichspannungsanteil durch das Kondensatorelement 25 der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 12 daran gehindert, zur Signalverarbeitungsschaltung 16 der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 12 zu fließen. Der jeweilige Wechselspannungsanteil HF wird dagegen über das Kondensatorelement 25 jeweils übertragen und liegt somit sowohl in der sendenden als auch in der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 11, 12 sowohl am ersten als auch am zweiten Eingangsanschluss der Gleichtaktdrossel 29 an und wird somit nicht oder nur zu einem insignifikanten Anteil hin zu den Ausgangsanschlüssen 32, 35 übertragen. Des Weiteren erfolgt über den jeweiligen Kondensator 38 ein Kurzschluss der restlichen übertragenen Wechselspannungsanteile, sodass die Wechselspannungsanteile nicht zu den Gleichspannungsversorgungsanschlüssen 37 der sendenden beziehungsweise der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 12 gelangen.
Eine weitere Bezeichnung für eine Signalverarbeitungsschaltung 16 ist auch PHY.
Versorgungsspannung kann eine Batteriespannung Ubatt sein. Das Massepotential 20 kann ein Massepotential GND des Kraftfahrzeugs 13 sein.
Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform des Systems 10, bei welcher anstelle eines Koaxialkabels ein Datenübertragungskabel 14 bereitgestellt ist, das mit zwei Leitungsdrähten 18, 18‘ für eine symmetrische Übertragung ausgestaltet sein kann. Es kann sich beispielsweise um ein Twisted-Pair-Kabel handeln. Der zweite Leitungsdraht 18‘ kann hierbei in Bezug auf einen Gleichspannungsanteil mit dem Massepotential 20 gekoppelt sein.
Im Folgenden wird hier nur der Unterschied in Bezug auf das System gemäß Fig. 1 beschrieben. Die übrigen, im Zusammenhang mit Fig. 2 nicht erläuterten Komponenten können in derselben Weise wie in Fig. 1 ausgestaltet sein. Für den Leitungsdraht 18‘ kann ebenfalls eine Koppelschaltung 24 sowohl bei der sendenden als auch bei der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 11, 12 vorgesehen sein. Zur symmetrischen Übertragung des Wechselspannungsanteils des Datensignals 15 kann eine Gleichtaktdrossel 40 in an sich bekannterWeise der Signalverarbeitungsschaltung 16 vorgeschaltet sein. Um auch bei dem Leitungsdraht 18‘ als Gleichspannungsanteil DC ein Massepotential einprägen zu können, ist in der beschriebenen Weise von den zusätzlichen Koppelschaltungen 24 von deren Kondensatorelement 25 der erste Kondensatoranschluss 26 mit dem Leitungsdraht 18‘ und der zweite Kondensatoranschluss 27 mit der Signalverarbeitungsschaltung 16 über die Gleichtaktdrossel 40 gekoppelt. Der erste Eingangsanschluss 30 der ersten Induktivität 31 der Gleichtaktdrossel 29 ist mit dem ersten Kondensatoranschluss 26 verbunden und führt über die erste Induktivität 31 zum ersten Ausgangsanschluss 32, der mit dem Massepotential 20 verbunden ist. Der zweite Kondensatoranschluss 27 ist mit dem zweiten Eingangsanschluss 33 der Gleichtaktdrossel 29 gekoppelt. Der zweite Eingangsanschluss 33 ist über die zweite Induktivität 34 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 35 verschaltet, der über einen Kondensator 38 mit dem Massepotential 20 verschaltet ist.
Fig. 3 veranschaulicht ein Messgerät 50, das zwischen eine sendende Signalverarbeitungseinheit 11 und eine empfangende Signalverarbeitungseinheit 12 zwischen deren Signalanschlüssen 28 geschaltet werden kann, um eine Datenübertragung zwischen den Signalverarbeitungseinheiten 11, 12 und die Übertragung des Gleichspannungsanteils DC zu überprüfen oder zu überwachen. Das Messgerät kann hierzu zum einen eine Spannungsmessschaltung 51 zum Messen des von der sendenden Signalverarbeitungseinheit 11 gesendeten Gleichspannungsanteils DC und eine Spannungsquelle 52 zum Erzeugen eines Gleichspannungsanteils DC‘ für die empfangende Signalverarbeitungseinheit 12 aufweisen. Zum Auskoppeln des Gleichspannungsanteils DC und zum Einkoppeln des Gleichspannungsanteils DC‘ sowie zum Übertragen des Wechselspannungsanteils HF kann das Messgerät 50 eine Koppelschaltung 24 aufweisen. Bei der Koppelschaltung 24 ist in der bereits beschriebenen Weise ein Kondensatorelement 25 zum Übertragen des Wechselspannungsanteils HF zwischen einem ersten Geräteanschluss 53 zum Anschließen der empfangenden Signalverarbeitungseinheit 12 und ein zweiter Geräteanschluss 54 zum Anschließen der sendenden Signalverarbeitungseinheit 11. Das Kondensatorelement 25 kann einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen. Der erste Kondensatoranschluss 26 des Kondensatorelements 25 ist mit dem ersten Geräteanschluss 53 verbunden, der zweite Kondensatoranschluss 27 ist mit dem zweiten Geräteanschluss 54 verbunden. Bei der Koppelschaltung 24 kann vorgesehen sein, dass eine Reihenschaltung aus zwei Gleichtaktdrosseln 29, 29‘ vorgesehen ist. Zudem kann vorgesehen sein, dass der erste Eingangsanschluss 30 über eine zusätzliche Induktivität 55 und der zweite Eingangsanschluss 33 ebenfalls über eine zusätzliche Induktivität 56 mit dem jeweiligen Kondensatoranschluss 26, 27 verschaltet ist. Die jeweiligen Induktivitäten 31, 34 der Gleichtaktdrossel 29, 29‘ können zusätzlich ein jeweiliges Widerstandselement 57 in Parallelschaltung aufweisen. Der zweite Ausgangsanschluss 35 der Gleichtaktdrossel 29‘ kann mit der Spannungsmessschaltung 51 an einem Spannungsmesseingang 58 verbunden sein. Die Spannungsmessschaltung 51 kann die elektrische Spannung U zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 32 der Gleichtaktdrossel 29‘ und dem Massepotential 20 messen. Ein gemessener Spannungswert 59 kann beispielsweise dazu genutzt werden, die Spannungsquelle 52 zu steuern. Die Spannungsquelle 52 kann beispielsweise eine Spannungsfolgerschaltung 60 sein. Die Spannungsquelle 52 kann eine Spannung U am ersten Ausgangsanschluss 32 der Gleichtaktdrossel 29‘ erzeugen, wodurch der Gleichspannungsanteil DC‘ am ersten Eingangsanschluss 30 der Gleichtaktdrossel 29 aufgrund der Reihenschaltung erzeugt wird und somit der Gleichspannungsanteil DC‘ für die empfangende Signalverarbeitungseinheit 12 am ersten Geräteanschluss 53 erzeugt oder bereitgestellt wird.
Anstelle von einzelnen, unabhängigen Induktivitäten wird somit zumindest eine CMC eingesetzt, ohne dass der Wechselspannungsanteil durch die CMC passieren müsste. Zwei Wirkungen helfen hier die Bauteilgröße und den Aufwand an Bauteilen zu reduzieren: a) die Datensignale (HF) an den beiden Eingangsanschlüssen der CMC selbst sind identisch. In den CMC werden sie als Common Mode (Gleichtakt) angesehen und daher nach dem Funktionsprinzip einer Common Mode Choke entsprechend in Richtung der Gleichstromübertragung unterdrückt. Hier wirkt nicht der induktive Anteil einer einfachen Drossel, sondern der Effekt der Auslöschung der Signale. b) Gleichströme, die gegensinnig durch die CMC laufen, bewirken, dass die magnetischen Effekte in der CMC sich gegenseitig aufheben. Eine CMC hat dadurch im Gegensatz zu einer einzelnen Spule keine magnetische Sättigung, welche die Wirksamkeit der Hochfrequenzdämpfung beeinflusst. c) Gleichströme, die hingegen gleichsinnig durch eine CMC laufen, verstärken die magnetischen Effekte in der CMC; eine CMC kommt in diesem Fall schneller an die Sättigung, welche die Wirksamkeit der Hochfrequenzdämpfung beeinflusst. d) Bei ein und derselben Implementierung oder Anwendung kann der Punkt b) und c) nicht gleichzeitig ausgenutzt werden; im Gegenteil sie stehen der Anwendung entgegen. Man kann nicht die Gleichtaktdämpfung für das Signal und gleichzeitig diesen Effekt für die Versorgungsspannung nutzen, da sich durch die Verschaltung unterschiedliche Richtungen für beide Anteile ergeben. Daher kann nur ein Ausgangsschluss der CMC zur Zeit genutzt werden.
Nutzt man jedoch den Ansatz mit einer Optimierung mit einer Fremdeinspeisung, so reduzieren sich die Gleichstromeffekte und es bleibt der Vorteil der HF-Unterdrückung.
In der Auslegung ist es vorteilhaft, wenn die CMCs in der Reihenfolge verschaltet werden, dass Sie dem Signalfluss entsprechen und die Gleichtaktunterdrückung durch den symmetrischen Aufbau erfolgen kann.
In dem Aufbau sieht man auch die bekannten Elemente wie eine singuläre Spule, als auch Widerstände. Durch die Signalkopplung mit dem Kondensator erfolgt eine gewisse Signalverschiebung; ebenso durch Laufzeiten durch die Leitungslängen. Die Widerstände helfen dabei; dass sich durch die realen Induktivitäten und Kapazitäten zwischen den Wicklungen der CMC beziehungsweise Spulen Resonanzen nicht dominant auswirken können.
Fig. 4 veranschaulicht eine Implementierung der Spannungsfolgerschaltung 60. Fig. 4 ist eine alternative Darstellung zu der Reihenschaltung der Gleichtaktdrossel 29, 29‘, bei welcher die Kerne 36, 36‘ der beiden Gleichtaktdrosseln 29, 29‘ hier symbolisch örtlich getrennt dargestellt sind. Die Spannungsfolgerschaltung 60 erzeugt in Abhängigkeit von den vorgegebenen Spannungswerten 59 eine entsprechende Ausgangspannung. Hierfür können eine oder mehrere der folgenden Komponenten bereitgestellt sein: 61 - OpAmp; Spannungsfolger zum Einstellen eines regelbaren DC/DC Wandlers / einstellbaren Spannungsquelle
62 - DC/DC Wandler stellt die Spannungsversorgung für das zu speisende PoC System die Spannung bereit; Es ist eine neue PSE; Der DC/DC Wandler sollte als die Spannungen von 3V....16V bereitstellen können. Der DC/DC Wandler wird durch den Ausgang von 1 gesteuert und repliziert damit direkt die anliegende Spannung. Der Spannungsabfall von dem Bias-T im ursprünglichen PSE (= Steuergerät) und des Bias-T zum Auskoppeln wird dadurch neutralisiert!
63 - Strombegrenzung: Um Sowohl die Bauelemente in dieser Schaltung, als auch den angeschlossenen Sensor zu schützen ist eine Strombegrenzung vorzusehen. Idealerweise sollte die Strombegrenzung durch den Benutzer einstellbar sein (min 50mA....max 300/500mA).
64 - Stromversorgung: Diese Schaltung arbeitet nicht mehr rein passiv. Deshalb ist eine Stromversorgung zu realisieren. Für einen mobilen Einsatz bietet es sich an die Stromversorgung über PC (oder Smartphone) bzw. eine externe Stromversorgung zu realisieren. Die USB Schnittstelle bietet sich dazu an. Auch der Umstand, dass über externe Powerbanks eine am Markt etablierte Lösung verfügbar ist, macht diesen Ansatz attraktiv.
Optional/Alternativ kann auch ein Eingang mitz.B 12V realisiert werden. Z.B. übereinen DC Stecker (z.B. 5.1mm). DC Stecker bieten die Möglichkeit eine vorhandenen anderer Spannungsquelle (- USB) über einen mechanischen Schalter abzuschalten.
65 - Lastwiderstand am Eingang. Da die ursprüngliche PSE ggf eine Fehlererkennung bei „open load“ hat, ist ein Lastwiderstand vorzusehen. Ein Überschlagsrechnung ergibt bei einem Wert von 1000hm. Bei 5V einen Laststrom von 50mA; bei 12V einen Laststrom von 120mA. Der Lastwiderstand sollte über Jumper (symbolisiert durch zwei Kontaktpunkte) aktivierbar sein.
Eine Alternative ist eine veränderbare, aktive Stromsenke
66 - Sicherung: der Eingangskreis hat eine rückstellbare Sicherung mit einer Auslösung bei 300mA. 67 - Für die USB Versorgung ist zu prüfen, ob durch eine Beschaltung mit Widerständen/ Dioden ein im USB-Standard definierter Handshake zu der Spannungsversorgung. Insbesondere für höhere Stromaufnahmen zu realisieren ist. Der eingezeichnete Widerstand in der Datenleitung ist hier nur ein Symbol; nicht die nötige Realisierung.
Der beschriebene Ansatz wird insbesondere als Optimierung für Anwendungen / Schaltungen mit BIAS-T-Ausführung für die genannten Messungen, aber auch als Optimierung für Logger-Anwendungen gesehen.
Somit zeigen die Ausführungsbeispiele, wie eine Optimierung der gängigen Bias-T- Schaltung für Anwendungen mit PoC (power over coaxial cables) / PoDL (power over data line), insbesondere in Messgeräten bereitgestellt werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
System
Signalverarbeitungseinheit
Signalverarbeitungseinheit
Kraftfahrzeug
Datenübertragungskabel
Datensignal
Signalverarbeitungsschaltung
Elektrische Leistung
Leitungsdraht
Weiterer Leitungsdraht
Massepotential
Bordnetz
Netzteil
Verbraucherschaltung
Koppelschaltung
Kondensatorelement erste Kondensatoranschluss zweite Kondensatoranschluss
Signalanschluss
Gleichtaktdrossel erster Eingangsanschluss
Induktivität erster Ausgangsanschluss zweiter Eingangsanschluss Induktivität zweiter Ausgangsanschluss Kern
Kondensator
Gleichtaktdrossel
Messgerät
Spannungsmessschaltung Spannungsquelle Geräteanschluss Geräteanschluss zusätzliche Induktivität zusätzliche Induktivität Widerstandselement Spannungsmesseingang Spannungswert Spannungsfolgerschaltung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Koppelschaltung (24) zum Einspeisen oder zum Abgreifen eines Gleichspannungsanteils an einem elektrischen Leitungsdraht (18) eines Datenübertragungskabels (14), wobei ein Kondensatorelement (25)
• über einen ersten Kondensatoranschluss (26) mit dem Leitungsdraht (18) und über einen zweiten Kondensatoranschluss (27) mit einer Signalverarbeitungsschaltung (16) einer Signalverarbeitungseinheit (11, 12) oder
• über den ersten Kondensatoranschluss (26) mit einem Anschlusskontakt eines ersten Geräteanschlusses (53) und über den zweiten Kondensatoranschluss (27) mit einem Anschlusskontakt eines zweiten Geräteanschlusses (54) verschaltet ist und das Kondensatorelement (25) einen Wechselspannungsanteil der Datenübertragung zwischen dem ersten Kondensatoranschluss (26) einerseits und dem zweiten Kondensatoranschluss (27) andererseits überträgt, sodass der Wechselspannungsanteil beiderseits des Kondensatorelements (25) am ersten und am zweiten Kondensatoranschluss (27) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichtaktdrossel (29) bereitgestellt ist, bei welcher ein erster Eingangsanschluss (30) über eine erste Induktivität (31) mit einem ersten Ausgangsanschluss (32) und ein zweiter Eingangsanschluss (33) über eine zweite Induktivität (34), die mit der ersten Induktivität (31) für eine Gleichtaktunterdrückung magnetisch gekoppelt ist, mit einem zweiten Ausgangsanschluss (35) gekoppelt ist, und der erste Eingangsanschluss (30) mit dem ersten Kondensatoranschluss (26) und der zweite Eingangsanschluss (33) mit dem zweiten Kondensatoranschluss (27) elektrisch verbunden ist und der erste Ausgangsanschluss (32) mit einem Gleichspannungsversorgungsanschluss (37) galvanisch verbunden ist und der zweite Ausgangsanschluss (35) mit dem Gleichspannungsversorgungsanschluss (37) über einen Kondensator (38) oder mit einem Messeingang (58) einer Spannungsmessschaltung (51) verschaltet ist.
2. Koppelschaltung (24) nach Anspruch 1 , wobei der erste und der zweite Eingangsanschluss (33) jeweils über eine jeweilige zusätzliche Induktivität (55, 56) (31, 34) mit dem jeweiligen Kondensatoranschluss verbunden sind.
3. Koppelschaltung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Gleichtaktdrossel (29) ihren Induktivitäten (31, 34) jeweils ein jeweiliges Widerstandselement (57) parallel geschaltet ist.
4. Koppelschaltung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Gleichtaktdrossel (29) der erste und der zweite Eingangsanschluss (33) über einen zusätzlichen Kondensator (38) miteinander verbunden sind.
5. Koppelschaltung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichspannungsversorgungsanschluss (37) mit einer Gleichspannungsquelle (52) verschaltet ist, welcher über den ersten Ausgangsanschluss (32) und den ersten Eingangsanschluss (30) einen Gleichstrom in den Leitungsdraht (18) einspeist oder wobei der Gleichspannungsversorgungsanschluss (37) mit einer elektrischen Verbraucherschaltung (23) verschaltet ist, welche über den ersten Ausgangsanschluss (32) und den ersten Eingangsanschluss (30) den Gleichstrom aus dem Leitungsdraht (18) bezieht.
6. Koppelschaltung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Ausgangsanschluss (35) mit dem Messeingang einer Spannungsfolgerschaltung (60) verschaltet ist, welche eine am zweiten Ausgangsanschluss (32) gemessene Gleichspannung an einem Spannungsfolgerausgang reproduziert.
7. Koppelschaltung (24) nach Anspruch 6, wobei der Spannungsfolgerausgang über zumindest eine Induktivität und/oder über zumindest eine Gleichtaktdrossel (29, 29‘) mit dem ersten Kondensatoranschluss (26) verschaltet ist, um den am zweiten Kondensatoranschluss (27) ermittelten Gleichspannungsanteil am ersten Kondensatoranschluss (26) einzuspeisen
8. Koppelschaltung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Gleichtaktdrossel (29) und dem Gleichspannungsversorgungsanschluss zumindest eine weitere Gleichtaktdrossel (29‘) in Reihe geschaltet ist.
9. Koppelschaltung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein weiterer elektrischer Leitungsdraht (18) des Datenübertragungskabels (14) über ein weiteres Kondensatorelement (25) mit der Signalverarbeitungsschaltung (16) oder ein weiterer Anschlusskontakt des ersten Geräteanschlusses (53, 54) über ein weiteres Kondensatorelement (25) mit einem weiteren Anschlusskontakt des zweiten Geräteanschlusses (53, 54) verschaltet ist und ein erster Kondensatoranschluss (26) und ein zweiter Kondensatoranschluss (27) des weiteren Kondensatorelements (25) mit einerweiteren Gleichtaktdrossel (29) verschaltet ist und ein erster Ausgangsanschluss (32) der weiteren Gleichtaktdrossel (29) mit einem Massepotential (20), GND, verbunden ist.
10. Messgerät (50) zum Untersuchen einer Datenübertragung zwischen einer sendenden Signalverarbeitungseinheit (11, 12) und einer empfangenden Signalverarbeitungseinheit (11, 12), wobei das Messgerät (50) zum Zwischenschalten zwischen die sendende und die empfangende Signalverarbeitungseinheit (11, 12) einen ersten Geräteanschluss (53) zum Anschließen der empfangenden Signalverarbeitungseinheit (12) und einen zweiten Geräteanschluss (54) zum Anschließen der sendenden Signalverarbeitungseinheit (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (50) eine Koppelschaltung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist und ein erster Kondensatoranschluss (26) der Koppelschaltung (24) mit dem ersten Geräteanschluss (53) und ein zweiter Kondensatoranschluss (27) der Koppelschaltung (24) mit dem zweiten Geräteanschluss (54) elektrisch verbunden ist.
11. Messgerät (50) nach Anspruch 10, wobei ein erster Ausgangsanschluss (32) einer Gleichtaktdrossel (29) der Koppelschaltung (24) mit einer Spannungsquelle (52) und ein zweiter Ausgangsanschluss (35) der Gleichtaktdrossel (29) mit einer Spannungsmessschaltung (51) elektrisch verbunden ist.
12. Messgerät (50) nach Anspruch 11 , wobei die Spannungsquelle (52) als Spannungsfolgerschaltung (60) ausgestaltet ist und dazu eingerichtet ist, an dem ersten Ausgangsanschluss (32) eine elektrische Spannung einzustellen, die einem von der Spannungsmessschaltung (51) gemessenen Spannungswert (59) entspricht.
13. Signalverarbeitungseinheit (11 , 12) mit einer Signalverarbeitungsschaltung (16) (PHY), wobei die Signalverarbeitungseinheit (11, 12) zumindest einen Signalanschluss (28) zum Anschließen eines jeweiligen Leitungsdrahts (18) eines Datenübertragungskabels (14) aufweist, wobei der Signalanschluss (28) mit einem ersten Kondensatoranschluss (26) eines Kondensatorelements (25) einer Koppelschaltung (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und die Signalverarbeitungsschaltung (16) mit einem zweiten Kondensatoranschluss (27) des Kondensatorelements (25) der Koppelschaltung (24) elektrisch verbunden ist, wobei mit einem ersten Ausgangsanschluss (32) einer Gleichtaktdrossel (29) der Koppelschaltung (24) eine Spannungsquelle (52) der Signalverarbeitungseinheit (11, 12) zum Einspeisen eines Gleichspannungsanteils in den Leitungsdraht (18) oder eine Verbraucherschaltung (23) zum Abgreifen des Gleichspannungsanteils aus dem Leitungsdraht (18) bereitgestellt ist.
14. System (10) mit einer sendenden Signalverarbeitungseinheit (11, 12) und eine empfangenden Signalverarbeitungseinheit (11, 12), die über ein Datenübertragungskabel (14) verbunden sind, wobei die jeweilige Signalverarbeitungseinheit (11, 12) gemäß Anspruch 13 ausgestaltet ist.
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