EP1844382B1 - Siebschaltung - Google Patents

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EP1844382B1
EP1844382B1 EP06706268A EP06706268A EP1844382B1 EP 1844382 B1 EP1844382 B1 EP 1844382B1 EP 06706268 A EP06706268 A EP 06706268A EP 06706268 A EP06706268 A EP 06706268A EP 1844382 B1 EP1844382 B1 EP 1844382B1
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EP
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regulating
filter circuit
output
connection
path
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Martin Huber
Hendrik Köhler
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Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
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Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/59—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • G05F1/595—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices including plural semiconductor devices as final control devices for a single load semiconductor devices connected in series

Definitions

  • the invention relates to a filter circuit for voltage stabilization of a power supply to which several consumers can be connected.
  • a data transmission of a spatially separated operating unit should be able to take place via the power supply line.
  • a supply voltage stabilization becomes necessary. Changes in the supply voltage dU b sufficient edge steepness, for example, by a sudden load change to a second consumer, would overlap the data signal and lead to misinterpretations in the evaluation of the data signal. For example, in the case of the Manchester code, a data signal with bandpass characteristic can be assumed which has no DC component.
  • the invention has for its object to provide a filter circuit with high control dynamics.
  • an RC low-pass circuit is provided such that the gain of the screening characteristics of the RC element is enhanced by the control element.
  • the voltage stabilization circuit according to the invention can be seen as low-pass filtering on the one hand and as regulating the output voltage on the other hand.
  • the data signal as well as the load changes dI v and dU b , are characterized by the fact that they can have higher-frequency components which are superimposed on the data in the frequency domain.
  • these higher-frequency components can be reduced and thus the supply voltage can be smoothed.
  • the resistor R 1 of this circuit can be designed very high impedance.
  • the FET in particular MOSFET, serves to amplify the low-pass effect and can be understood as a P-controller in the control arrangement.
  • bipolar transistors still flows a small emitter base current, which must be considered in the design of the low-pass filter.
  • the low base current must be compensated circuit technology by a correspondingly low parallel resistance R 1 .
  • the resistor R 1 can then be designed very high impedance.
  • the output voltages U 1 and U 3 in Fig. 1 arise as the sum of the reference voltage U 2 and U 4 on the capacitor and the almost fixed drain gate voltage U DG .
  • U 1 or U 2 is reduced by the drain-gate voltage U DG .
  • the series connection of two such circuits allows for a further screening of the supply voltage and the gradual adjustment or Targeted reduction of the desired output voltage U 3 with the help of these drain-gate voltages.
  • a voltage is thus available at the output which is smaller by n U DG than the original input voltage, eg. B.
  • n means the stages of the circuit.
  • an inductance can be provided which prevents feedback of the data on the filter circuit and in particular avoids a short circuit on the charging capacitor at the output of the filter circuit according to circuit ground.
  • a first stage S 1 is connected for voltage stabilization.
  • the current load of these consumers is summarized in the drawing with I v .
  • This first stage S 1 consists of a control element V 1 , which is preferably formed by a transistor, more preferably by a field effect transistor (FET in particular MOSFET).
  • the source-drain path forms a controlled system RS 1 .
  • Its control path input RE 1 which is formed by the source of the FET, is connected via a terminal E to the battery B.
  • the terminal E forms the input terminal of the screening circuit.
  • a first resistor R 1 connects the control path input RE 1 with a first control terminal RG 1 of the first control element V 1 of the first stage S 1 , z. B. with the gate of the FET, and together with the capacitor C 1 forms an RC low-pass circuit.
  • the capacitor C 1 is connected between the control terminal RG 1 and the circuit ground M.
  • a reference voltage U 2 drops, which forms the voltage U 1 together with the gate-drain voltage of the FET or with the base-collector voltage in the case of using a bipolar transistor.
  • the first stage S 1 of the filter circuit 1 for voltage stabilization and screening which is formed by the resistor R 1 , the capacitor C 1 and the control element V 1 , connects the input terminal E in the illustrated preferred embodiment with a second stage S 2 for further voltage stabilization and screening.
  • This second stage S 2 of the filter circuit 1 is constructed analogously to the first step S 1, a second resistor R 2 to the second control path input RE 2 connects to the second control terminal RG 2, and a second capacitor C 2 is connected to the control terminal RG 2, and connects this with the circuit ground M.
  • the reference voltage U 4 thereby drops across the capacitor C 2 and forms, together with the gate-drain or base-collector voltage of the FET or bipolar transistor, the voltage U 3 .
  • a charging capacitor C 3 is preferably arranged, which connects the controlled system output RA 2 of the second control element RE 2 with the circuit ground M.
  • an inductance L is provided, which connects the output A to one terminal of the capacitor C 3 and the second controlled system output RA 2 .
  • a line X 1 is preferably connected, which serves a not shown spatially separate operating unit with a Supply voltage as well as with data.
  • the line X 1 may be formed, for example, by a coaxial cable or a twisted pair line.
  • the data is coupled in at the output A of the filter circuit 1 via a suitable connection.
  • the inductance L is used to prevent a feedback of the data on the filter circuit 1 and in particular to prevent a short circuit on the capacitor C 3 to ground.
  • the total voltage applied to the output A on the line X 1 is in with Fig. 1 U rec .
  • this filter circuit 1 in preferably two stages, a suitable data transmission is made possible while stabilized power supply of an external device, such as a control unit, which is connected via the line X 1 to a central unit.
  • an external device such as a control unit
  • the invention is not limited to the illustrated and described embodiment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Siebschaltung (1) zum Sieben einer an einem Eingangsanschluß (E) anliegenden Eingangs Spannung (Ub) zur Erzeugung einer gesiebten Ausgangsspannung (Ua) an einem Ausgangsanschluß (A). Die Siebschaltung (1) weist zumindest ein Regelelement (V1) Mit einem Regelanschluß (RG1) und einer Regelstrecke (RS1) mit einem mit dem Eingangsanschluß (E) in Verbindung stehenden Regelstreckeneingang (RE1) und einem Regelausgang (RA1) auf . Ferner hat die Siebschaltung (1) einen an dem Regelanschluß (RG1) angeschlossenen Kondensator (C1) und einen Widerstand (R1), der den Regelstreckeneingang (RE1) mit dem Regelanschluß (RG1) verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Siebschaltung zur Spannungsstabilisierung einer Spannungsversorgung an der mehrere Verbraucher angeschlossen werden können. Zusätzlich soll über die Spannungsversorgungsleitung eine Datenübertragung einer räumlich getrennten Bedieneinheit stattfinden können.
  • Wenn mehrere Verbraucher an einer Gleichstromquelle, z.B. an einer Batterie, angeschlossen sind, kommt es bei Laständerungen dIv über den Batterieinnenwiderstand Ri zu einer proportionalen Änderung dUb= Ri · dIv der Batteriespannung Ub (siehe Fig. 1).
  • Werden gleichzeitig Daten über die Strom- oder Spannungszuleitung zu und von der Bedieneinheit übertragen, so wird eine Versorgungsspannungsstabilisierung notwendig. Änderungen der Versorgungsspannung dUb genügender Flankensteilheit, z.B. durch eine plötzliche Laständerung an einem zweiten Verbraucher, würden sich dem Datensignal überlagern und zu Missinterpretationen bei der Auswertung des Datensignals führen. So kann z.B. im Falle des Manchester Codes von einem Datensignal mit Bandpasscharakteristik ausgegangen werden, das keinen Gleichanteil besitzt.
  • Spannungsregelschaltungen ohne Siebcharakteristik sind bekannt. So wird z. B. in der DE 101 49 827 A1 zur Spannungsstabilisierung als Längsregler ein Transistor eingesetzt . US 5668506 offenbart die Merkmale des Oberbegriffs vom Patentanspruch 1.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Siebschaltung mit hoher Regeldynamik zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Durch die Merkmale der Anspruchs 1 wird eine RC-Tiefpassschaltung bereitgestellt der Art, dass eine Verstärkung der Siebeigenschaften des RC-Gliedes durch das Regelelement erfolgt. Somit läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung zur Spannungsstabilisierung zum einen als Tiefpassfilterung und zum anderen auch als Regelung der Ausgangsspannung sehen.
  • Das Datensignal, wie auch die Laständerungen dIv bzw. dUb, zeichnen sich dadurch aus, dass diese höherfrequente Anteile besitzen können, die sich im Frequenzbereich den Daten überlagern. Durch geeignete Tiefpassfilterung vor der Einkoppelung der Daten können diese höherfrequenten Anteile reduziert werden und damit kann die Versorgungsspannung geglättet werden.
  • Bei Verwendung eines Feldeffekttransistors für das Regelelement kann der Widerstand R1 dieser Schaltung sehr hochohmig ausgestaltet werden kann. Der FET, insbesondere MOSFET, dient dabei zur Verstärkung des Tiefpaßeffekts und läßt sich als P-Regler in der Regelanordnung begreifen. Bei der Verwendung bipolarer Transistoren fließt noch immer ein kleiner Emitter-Basisstrom, der bei der Auslegung des Tiefpasses berücksichtigt werden muß. Der geringe Basisstrom muß schaltungstechnisch durch einen entsprechend niedrig ausgelegten Parallelwiderstand R1 ausgeglichen werden. Bei Verwendung von FETs oder MOSFETs fließt dagegen kein Gatestrom. Damit besteht keine Verbindung zwischen Gate und Source-Drain-Kanal. Der Widerstand R1 kann dann sehr hochohmig ausgelegt werden.
  • Die Ausgangsspannungen U1 bzw. U3 in Fig. 1 ergeben sich als Summe der Referenzspannung U2 bzw. U4 am Kondensator und der nahezu fixen Drain-Gate Spannung UDG. Dabei ist U1 bzw. U2 um die Drain-Gate Spannung UDG reduziert. Die Hintereinanderschaltung zweier solcher Schaltungen ermöglicht zum einen die weitere Siebung der Versorgungsspannung und die schrittweise Einstellung bzw. gezielte Reduzierung der gewünschten Ausgangsspannung U3 mit Hilfe dieser Drain-Gate Spannungen.
  • In der bevorzugten mehrstufigen Ausführung steht damit am Ausgang eine Spannung zur Verfügung, die um n UDG kleiner als die ursprüngliche Eingangsspannung, z. B. eine Batteriespannung, ist, wobei n die Stufen der Schaltung bedeutet.
  • Darüber hinaus kann vorteilhaft eine Induktivität vorgesehen sein, die eine Rückkoppelung der Daten auf die Siebschaltung verhindert und insbesondere einen Kurzschluß über den Lade-Kondensators am Ausgang der Siebschaltung nach Schaltungsmasse vermeidet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt
    • Fig. 1
    ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Siebschaltung.
  • An einer Batterie B ist neben einem oder mehreren weiteren Verbrauchern eine erste Stufe S1 zur Spannungsstabilisierung geschaltet. Die Strom-Last dieser Verbraucher ist in der Zeichnung zusammenfassend mit Iv, gekennzeichnet.
  • Diese erste Stufe S1 besteht aus einem Regelelement V1, das bevorzugt durch einen Transistor, besonders bevorzugt durch einen Feldeffekttransistor (FET insbesondere MOSFET) gebildet ist. Die Source-Drain-Strecke bildet eine Regelstrecke RS1. Dessen Regelstreckeneingang RE1, der durch die Source des FET gebildet ist, ist über einen Anschluß E mit der Batterie B verbunden. Der Anschluß E bildet den Eingangsanschluß der Siebsschaltung 1.
  • Ein erster Widerstand R1 verbindet dabei den Regelstreckeneingang RE1 mit einem ersten Regelanschluß RG1 des ersten Regelelements V1 der ersten Stufe S1, z. B. mit dem Gate des FETs, und bildet zusammen mit dem Kondensator C1 eine RC-Tiefpassschaltung. Der Kondensator C1 ist dabei zwischen den Regelanschluß RG1 und die Schaltungsmasse M geschaltet.
  • Am Kondensator C1 fällt eine Referenzspannung U2 ab, die zusammen mit der Gate-Drain-Spannung des FET bzw. mit der Basis-Kollektorspannung im Falle der Verwendung eines Bipolartransistors die Spannung U1 bildet.
  • Die erste Stufe S1 der Siebschaltung 1 zur Spannungsstabilisierung und Siebung, die durch den Widerstand R1, den Kondensator C1 und das Regelelement V1 gebildet ist, verbindet den Eingangsanschluß E im dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer zweiten Stufe S2 zur weiteren Spannungsstabilisierung und Siebung.
  • Diese zweite Stufe S2 der Siebschaltung 1 ist analog zu der ersten Stufe S1 aufgebaut, wobei ein zweiter Widerstand R2 den zweiten Regelstreckeneingang RE2 mit dem zweiten Regelanschluß RG2 verbindet und ein zweiter Kondensator C2 an den Regelanschluß RG2 angeschlossen ist und diesen mit der Schaltungsmasse M verbindet. Die Referenzspannung U4 fällt dabei über dem Kondensator C2 ab und bildet zusammen mit der Gate-Drain- bzw. Basis-Kollektor Spannung des FET bzw. Bipolartransistors die Spannung U3. Am Ausgang der zweiten Stufe S2 ist vorzugsweise ein Lade-Kondensator C3 angeordnet, der den Regelstreckenausgang RA2 des zweiten Regelelements RE2 mit der Schaltungsmasse M verbindet.
  • Vor dem Ausgang A ist eine Induktivität L vorgesehen, die den Ausgang A mit einem Anschluß des Kondensators C3 sowie dem zweiten Regelstreckenausgang RA2 verbindet.
  • An den Ausgang A ist bevorzugt eine Leitung X1 angeschlossen, die dazu dient, eine nicht dargestellte räumlich getrennte Bedieneinheit mit einer Versorgungsspannung sowie mit Daten zu versorgen. Dabei kann die Leitung X1 z.B. durch ein Koaxialkabel oder eine Twisted-Pair-Leitung gebildet sein.
  • Die Daten werden am Ausgang A der Siebschaltung 1 über eine geeignete Verbindung eingekoppelt. Dabei dient die Induktivität L dazu, eine Rückkoppelung der Daten auf die Siebschaltung 1 zu vermeiden und insbesondere einen Kurzschluß über den Kondensator C3 nach Masse zu verhindern. Die Gesamtspannung die am Ausgang A an der Leitung X1 anliegt, ist mit in Fig. 1 Uempf bezeichnet.
  • Mit dieser Siebschaltung 1 in bevorzugt zwei Stufen wird eine geeignete Datenübertragung ermöglicht bei gleichzeitiger stabilisierter Spannungsversorgung eines externen Geräts, z.B. einer Bedieneinheit, die über die Leitung X1 an ein Zentralgerät angeschlossen ist.
  • Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere ist es möglich, die Siebschaltung 1 auch nur einstufig mit der einzigen Stufe S1 oder bei Bedarf auch mit mehr als zwei Stufen auszubilden. Sämtliche beschriebene Elemente sind beliebig miteinander kombinierbar.

Claims (7)

  1. Siebschaltung (1) zum Sieben einer an einem Eingangsanschluss (E) anliegenden Eingangsspannung (Ub) zur Erzeugung einer gesiebten Ausgangsspannung (Ua) an einem Ausgangsanschluss (A), mit
    zumindest einem ersten Regelelement (V1), das einen ersten Regelanschluss (RG1) und eine erste Regelstrecke (RS1) mit einem mit dem Eingangsanschluss (E) in Verbindung stehenden ersten Regelstreckeneingang (RE1) und einen ersten Regelstreckenausgang (RA1) aufweist,
    einem an dem ersten Regelanschluss (RG1) angeschlossenen ersten Kondensator (C1) und
    einem ersten Widerstand (R1), der den Regelstreckeneingang (RE1) des ersten Regelelements (V1) mit dessen Regelanschluss (RG1) verbindet,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Regelstreckenausgang (RA1, RA2) über eine Induktivität (L) mit dem Ausgangsanschluss (A) verbunden ist und
    dass die Ausgangsspannung (Ua) der Siebschaltung (1) über eine Leitung (X1) zusammen mit Daten übertragen wird, die zusammen mit der Ausgangsspannung (Ua) dem Ausgangsanschluss (A) zugeführt werden.
  2. Siebschaltung nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch
    ein zweites Regelelement (V2), das einen zweiten Regelanschluss (RG2) und eine zweite Regelstrecke (RS2) mit einem mit dem ersten Regelstreckenausgang (RA1) des ersten Regelelementes (V1) in Verbindung stehenden zweiten Regelstreckeneingang (RE2) und einem mit dem Ausgangsanschluss (A) in Verbindung stehenden zweiten Regelstreckenausgang (RA2) aufweist,
    einen an den zweiten Regelanschluss (RG2) angeschlossenen zweiten Kondensator (C2) und
    einen zweiten Widerstand (R2) , der den Regelstreckeneingang (RE2) des zweiten Regelelements (V2) mit dessen Regelanschluss (RG2) verbindet.
  3. Siebschaltung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Regelstreckenausgang (RA1) und/oder der zweite Regelstreckenausgang (RA2) mit einem Kondensator (C3) verbunden ist.
  4. Siebschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kondensatoren (C1, C2, C3) mit der Schaltungsmasse (M) verbunden sind.
  5. Siebschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Eingangsanschluss (E) der Siebschaltung (1) an eine Gleichspannungsquelle, insbesondere eine Batterie (B), angeschlossen ist.
  6. Siebschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Regelelemente (V1, V2) Transistoren sind.
  7. Siebschaltung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Transistoren Feldeffekttransistoren sind.
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