DE10119039A1 - Apparatus for transmitting data via electrical mains network, amplifies data signal using switched amplifier and couples into power network - Google Patents

Abstract

A power supply is provided for an amplifier (1) used to amplify a data signal. A coupling circuit (3,4) couples the amplified data signal into the mains network. The amplifier is a switched amplifier, and preferably comprises a controlled digital modulator (1a), such as a pulse width modulator or a pulse-density modulator. The amplifier may also include a power switch (1b) comprising two switching elements (S1,S2), such as FETs. A passive filter (2) is provided between the amplifier and the coupling circuit.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten über das Stromversorgungsnetz, mit einem Eingang für ein über das Stromversorgungsnetz zu übertragendes Datensig­nal, einem Verstärker für das Datensignal, einer Stromversor­gungseinrichtung für den Verstärker und einer Koppelschal­tung, die das verstärkte Datensignal in das Stromversorgungs­netz einkoppelt.The invention relates to a device for transmittingData on the power grid, with an input fora data signal to be transmitted via the power supply networknal, an amplifier for the data signal, a power suppliersupply device for the amplifier and a coupling scarfdevice that the amplified data signal into the power supplynetwork.

Es ist bereits bekannt, die Stromversorgungsleitungen von de­zentral angeordneten elektrischen oder elektronischen Geräten zusätzlich zur Übermittlung von Daten zu verwenden. Derartige Systeme werden oft auch als Powerline-Systeme bezeichnet.It is already known that the power supply lines from decentrally located electrical or electronic devicesto be used in addition to the transmission of data. suchSystems are often referred to as powerline systems.

Bei diesen Systemen sind Sendeverstärker vorgesehen, in denen die über das Stromversorgungsnetz zu übertragenden Daten ver­stärkt werden. Die Energieversorgung dieser Senderverstärker erfolgt ebenfalls aus dem Stromversorgungsnetz. Diese zusätz­liche Leistungsaufnahme ist in der Regel begrenzt und soll daher möglichst effektiv mit hohem Wirkungsgrad in Sendeleis­tung umgesetzt werden.In these systems, transmission amplifiers are provided in whichver the data to be transmitted via the power supply networkbe strengthened. The power supply of this transmitter amplifieralso takes place from the power supply network. This additionalThe power consumption is usually limited and should betherefore as effective as possible with high efficiency in transmitter icetion can be implemented.

Bisher wurden als Sendeverstärker oftmals ungeregelte Ver­stärker benutzt. Alternativ dazu ist es auch bekannt, eine Verstärkungsregelung des Sendeverstärkers mittels einer Mes­sung und Rückführung der Ausgangsspannung und/oder des Aus­gangsstromes durchführen. Da die Anschlussimpedanz einer der­artigen Powerline-Einrichtung starken Schwankungen unterwor­fen ist, muss eine derartige Regelung derart ausgelegt sein, dass unter allen Umständen ein Überschreiten der Leistungs­aufnahme des Sendeverstärkers vermieden wird. Dies führt da­zu, dass vorhandene Leistungsreserven nicht effektiv ausge­nutzt werden.So far, unregulated Verused more. Alternatively, it is also known to be aGain control of the transmitter amplifier using a measurementSolution and feedback of the output voltage and / or the offcarry out current. Since the connection impedance is one of thelike Powerline device subject to strong fluctuationsis such a regulation must be designed suchthat in all circumstances exceeding the performancerecording of the transmitter amplifier is avoided. This leads thereto that existing performance reserves are not effectively exhaustedbe used. 

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie eine Über­tragung von Daten über das Stromversorgungsnetz effektiver vorgenommen werden kann.The invention is based on this prior artbased on the task of showing a way like an overCarrying data over the power grid more effectivelycan be made.

Diese Aufgabe wird durch ein Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhän­gigen Ansprüchen.This object is achieved by a device with the in the claim1 specified features solved. Advantageous configurationsand further developments of the invention result from the dependcurrent claims.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass sie eine Regelung der Amplitude des zu übertragenden Daten­signals ohne nennenswerte Verschlechterung des Wirkungsgrades erlaubt. Durch die Verwendung eines geschalteten Verstärkers als Verstärker für das zu übertragende Datensignal entsteht Verlustleistung nur während der relativ kurzen Schaltzeiten der Schaltelemente.The advantages of the invention are in particular thatthey regulate the amplitude of the data to be transmittedsignals without significant deterioration in efficiencyallowed. By using a switched amplifierarises as an amplifier for the data signal to be transmittedPower loss only during the relatively short switching timesof the switching elements.

Weiterhin wird in vorteilhafter Weise die Amplitude der Aus­gangsspannung am Übertrager sowie die Stromaufnahme des Ver­stärkers im Netzteil überwacht und es erfolgt eine Regelung der Verstärkung in Abhängigkeit von den genannten Größen. Da­durch erfolgt eine Anpassung des Verstärkers an die schwan­kende Netzimpedanz.Furthermore, the amplitude of the off is advantageousoutput voltage at the transformer and the current consumption of the vermonitored in the power supply unit and regulation takes placethe gain depending on the sizes mentioned. becauseby adjusting the amplifier to the swannetwork impedance.

Zur Verstärkungsregelung wird vorzugsweise der Modulationsin­dex des digitalen Modulators verändert, bei welchem es sich um einen Pulsbreitenmodulator oder einen Pulsdichtemodulator handelt.The modulation is preferably used for gain controldex of the digital modulator changes, which it isa pulse width modulator or a pulse density modulatoris.

Eine Pulsbreitenmodulation ist als solche bekannt und wird bei Audio-Verstärkern und Schaltnetzteilen verwendet. Dort wird stets mit Taktfrequenzen von einigen hundert Kilohertz gearbeitet. Bei höheren Frequenzen wird der Wirkungsgrad zu­nehmend schlechter, so dass eine Pulsbreitenmodulation bei höheren Frequenzen nicht verwendet wurde. Bei einer Übertra­ gung von Daten über das Stromversorgungsnetz, wie sie Gegen­stand der Erfindung ist, benötigt der Verstärker für Daten­signale mit 200 kHz Signalbandbreite eine Taktfrequenz im Be­reich von etwa 1 bis 10 MHz. Bei derartigen Taktfrequenzen wurde bisher stets davon ausgegangen, dass ein Pulsbreitenmo­dulationsverfahren wegen des bei diesen Frequenzen schlechten Wirkungsgrades nicht anwendbar ist. Es hat sich jedoch in ü­berraschender Weise gezeigt, dass aufgrund der Anpassbarkeit des Verstärkers an die stets schwankende Netzimpedanz bei Verwendung einer Pulsbreitenmodulation oder eines ähnlichen anderen digitalen Modulationsverfahrens bessere Ergebnisse erzielt werden als beispielsweise bei herkömmlichen linearen Verstärkern.Pulse width modulation is known as such and will beused in audio amplifiers and switching power supplies. Thereis always with clock frequencies of a few hundred kilohertzworked. At higher frequencies, the efficiency increasestaking worse, so that a pulse width modulationhigher frequencies was not used. With a transfer supply of data via the power grid, such as counterstate of the invention, the amplifier needs for datasignals with 200 kHz signal bandwidth one clock frequency in the loadingranging from about 1 to 10 MHz. At such clock frequenciesSo far it has always been assumed that a pulse width modulation procedure because of the bad at these frequenciesEfficiency is not applicable. However, it has changed in üsurprisingly shown that due to adaptabilityof the amplifier to the constantly fluctuating line impedanceUsing pulse width modulation or the likeother digital modulation methods better resultscan be achieved than, for example, with conventional linearAmplifiers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Figur ge­zeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is based on the ge in the figureshowed exemplary embodiment explained in more detail.

Die Figur zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Übertragung von Daten über das Stromversorgungsnetz, von wel­chem Stromversorgungsleitungen5 und6 dargestellt sind.The figure shows a block diagram of a device for transmitting data via the power supply network, of which power supply lines5 and6 are shown.

Das Sendesignal, das die über das Stromversorgungsnetz zu ü­bertragenden Daten in modulierter Form enthält, liegt noch unverstärkt am Eingang E der Vorrichtung an. Von dort aus wird es einem geschalteten Verstärker1 zugeführt, welcher einen Pulsbreitenmodulator1a und einen Leistungsschalter1b aufweist. Der Pulsbreitenmodulator stellt einen digitalen Verstärker dar, in welchem ein Taktsignal, dessen Frequenz wesentlich größer ist als die Frequenz des Sendesignals, in Abhängigkeit vom Sendesignal in seiner Pulsbreite moduliert wird. Beispielsweise wird ein hochfrequentes Dreiecksignal unter Verwendung eines Komparators in ein hochfrequentes Di­gitalsignal umgesetzt, wobei das Sendesignal das Impuls-/Pausen-Verhältnis dieses Digitalsignals bestimmt.The transmit signal, which contains the data to be transmitted via the power supply network in modulated form, is still unamplified at input E of the device. From there it is fed to a switched amplifier1 , which has a pulse width modulator1 a and a power switch1 b. The pulse width modulator represents a digital amplifier in which a clock signal, the frequency of which is substantially greater than the frequency of the transmission signal, is modulated in its pulse width as a function of the transmission signal. For example, a high-frequency triangular signal is converted into a high-frequency digital signal using a comparator, the transmission signal determining the pulse / pause ratio of this digital signal.

Das entstandene pulsbreitenmodulierte Signal schaltet den Leistungsschalter1b. Dieser weist zwei Schaltelemente S1, S2 auf, bei denen es sich beispielsweise um Feldeffekttransisto­ren handelt. Diese werden in Abhängigkeit vom pulsbreitenmo­dulierten Signal derart geschaltet, dass stets ein Schalter geöffnet und der andere geschlossen ist. Die beiden Schalt­elemente S1, S2 sind in Reihe hintereinander und zwischen ei­nem Stromversorgungsausgang einer Stromversorgungsseinrich­tung7, bei der es sich um ein Netzteil handelt, und Masse8 angeordnet. Ein weiterer Ausgang der Stromversorgungseinrich­tung7 ist ebenfalls an Masse8 angeschlossen. Der Verbin­dungspunkt P zwischen den beiden Schaltelementen S1 und S2 ist mit dem Eingang eines passiven Filters2 verbunden. Da die beiden Schaltelemente abwechselnd leiten, wird abwech­selnd die vom Netzteil abgeleitete Versorgungsspannung und Masse dem passiven Filter2 zugeführt.The resulting pulse width modulated signal switches the circuit breaker1 b. This has two switching elements S1, S2, which are, for example, field effect transistors. These are switched depending on the pulse width modulated signal in such a way that one switch is always open and the other is closed. The two switching elements S1, S2 are arranged in series and between a power supply output of a power supply device7 , which is a power supply unit, and ground8 . Another output of the Stromversorgungseinrich device7 is also connected to ground8 . The connec tion point P between the two switching elements S1 and S2 is connected to the input of a passive filter2 . Since the two switching elements conduct alternately, the supply voltage and ground derived from the power supply are alternately fed to the passive filter2 .

Bei einem derartigen Vorgehen entsteht Verlustleistung nur während der relativ kurzen Schaltzeiten der Schaltelemente.Such a procedure only results in power lossduring the relatively short switching times of the switching elements.

Das passive Filter2 weist Spulen L1 und L2 sowie Kondensato­ren C1, C2 und C4 auf und hat die Aufgabe, aus dem hochfre­quenten pulsbreitenmodulierten Signal das verstärkte Daten­signal zu gewinnen. Dieses wird über eine Ankoppelschaltung, die einen Übertrager3 und einen Kondensator4 aufweist, in die Stromversorgungsleitungen5,6 eingekoppelt und über die­se einem dezentralen elektrischen oder elektronischen Gerät zugeführt.The passive filter2 has coils L1 and L2 and capacitors C1, C2 and C4 and has the task of extracting the amplified data signal from the high-frequency pulse-width-modulated signal. This is coupled into the power supply lines5 ,6 via a coupling circuit, which has a transformer3 and a capacitor4 , and is supplied to a decentralized electrical or electronic device via said line.

Die Stromversorgungsleitungen5,6 sind auch mit dem Netzteil7 verbunden. Das Netzteil7 enthält Messmittel, mittels derer die Stromaufnahme des Verstärkers1 gemessen wird. In Abhän­gigkeit von der gemessenen Stromaufnahme erfolgt über die Leitung11 eine Regelung des Verstärkers1, indem der Modula­tionsindex des Pulsbreitenmodulators verändert wird. Ist die Stromaufnahme zu groß, dann erfolgt eine Erniedrigung des Mo­dulationsindex.The power supply lines5 ,6 are also connected to the power supply7 . The power supply unit7 contains measuring means by means of which the current consumption of the amplifier1 is measured. Depending on the measured current consumption, the amplifier1 is regulated via the line11 by changing the modulation index of the pulse width modulator. If the current consumption is too high, the modulation index is lowered.

Weiterhin ist der Ausgang des passiven Filters2 im Sinne ei­ner Rückkopplung über die Leitung12 mit dem Pulsbreitenmodu­lator1a verbunden. Ist die am Ausgang des passiven Filters2 zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung zu hoch, dann er­folgt ebenfalls eine Nachregelung durch eine Erniedrigung des Modulationsindex.Furthermore, the output of the passive filter2 in the sense of a feedback via the line12 is connected to the pulse width modulator1 a. If the output voltage provided at the output of the passive filter2 is too high, then it is also readjusted by lowering the modulation index.

Diese Vorgehensweise erlaubt eine Regelung der Amplitude des über das Stromversorgungsnetz zu übertragenden Datensignals ohne den Wirkungsgrad nennenswert zu verschlechtern. Durch die beschriebene Überwachung der Ausgangsspannung des passi­ven Filters2 und der Stromaufnahme des Verstärkers1 wird dessen Verstärkung in weiten Bereichen geregelt und dadurch der Verstärker an die stets schwankende Netzimpedanz ange­passt.This procedure allows the amplitude of the data signal to be transmitted via the power supply network to be regulated without significantly reducing the efficiency. Through the described monitoring of the output voltage of the passive filter2 and the current consumption of the amplifier1 , its amplification is regulated over a wide range and the amplifier is thereby adapted to the constantly fluctuating network impedance.

Claims (12)

Translated fromGerman

1. Vorrichtung zur Übertragung von Daten über das Stromver­sorgungsnetz, mit
einem Eingang für ein über das Stromversorgungsnetz zu übertragendes Datensignal,
einem Verstärker für das Datensignal,
einer Stromversorgungseinrichtung für den Verstärker und einer Koppelschaltung, die das verstärkte Datensignal in das Stromversorgungsnetz einkoppelt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (1) ein geschalteter Verstärker ist.1. Device for the transmission of data over the Stromver supply network, with
an input for a data signal to be transmitted via the power supply network,
an amplifier for the data signal,
a power supply device for the amplifier and a coupling circuit which couples the amplified data signal into the power supply network,
characterized in that the amplifier (1 ) is a switched amplifier.2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker einen geregelten digitalen Modulator (1a) aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the amplifier has a regulated digital modulator (1 a).3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Modulator (1a) ein Pulsbreitenmodulator o­der ein Pulsdichtemodulator ist.3. Device according to claim 2, characterized in that the digital modulator (1 a) is a pulse width modulator or a pulse density modulator.4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (1) einen Leistungsschalter (1b) auf­weist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the amplifier (1 ) has a circuit breaker (1 b).5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter zwei Schaltelemente (S1, S2) auf­weist, die wechselseitig geöffnet bzw. geschlossen sind.5. The device according to claim 4,characterized,that the circuit breaker has two switching elements (S1, S2)points that are mutually open or closed.6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1, S2) Feldeffekttransistoren sind.6. The device according to claim 5,characterized,that the switching elements (S1, S2) are field effect transistors. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem geschalteten Verstärker (1) und der Koppel­schaltung (3,4) ein passives Filter (2) vorgesehen ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a passive filter (2 ) is provided between the switched amplifier (1 ) and the coupling circuit (3 ,4 ).8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung (7) Messmittel zur Mes­sung der Stromaufnahme des Verstärkers (1) aufweist und ein Regelsignal für den Verstärker (1) generiert.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the power supply device (7 ) has measuring means for measuring the current consumption of the amplifier (1 ) and generates a control signal for the amplifier (1 ).9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung eines weiteren Regelsignals für den Ver­stärker (1) der Ausgang des passiven Filters (2) im Sinne ei­ner Rückkopplung mit dem Verstärker (1) verbunden ist.9. Device according to claim 7 or 8, characterized in that is connected to derive a further control signal for the Ver stronger(1) of the output of the passive filter(2) in the sense ei ner feedback to the amplifier(1).10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Verstärkers (1) durch eine Veränderung des Modulationsindex erfolgt.10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the amplifier (1 ) is regulated by changing the modulation index.11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei zu hoher Stromaufnahme des Verstärkers (1) der Modu­lationsindex erniedrigt wird.11. The device according to claim 10, characterized in that if the current consumption of the amplifier (1 ) is too high, the modulation index is reduced.12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei zu hoher Ausgangsspannung am Ausgang des passiven Filters (2) der Modulationsindex erniedrigt wird.12. The apparatus of claim 10 or 11, characterized in that if the output voltage at the output of the passive filter (2 ) is too high, the modulation index is reduced.