Fernsehen über das Internet

Technik & Bildung
Fachwissen
Digitaler Rundfunk
Fernsehen über das Internet
Digitaler Rundfunk (digital broadcasting) bedeutet die unidirektionale Übertragung
digitaler Radio- und Fernsehprogramme über Satelliten, Kabelnetze oder terrestrische
Sender in Echtzeit (realtime). Damit sollen möglichst viele Teilnehmer gleichzeitig erreicht
werden. Das gelingt auch durch die Verbereitung über das Internet auf eine andere Art.
B
ei IP (internet protocol) handelt es sich
dagegen um ein Transportprotokoll,
dessen Nutzung im Internet verbindlich vereinbart ist. Im Gegensatz zum digitalen Rundfunk basiert das Internet auf individueller Datenübertragung zwischen
zwei Stellen, was als Unicast bezeichnet
wird. Dafür kommen als Rahmen (frame)
bezeichnete Datenpakete zum Einsatz. Bei
ihrem Empfang festgestellte Fehler lassen
sich in der Regel durch wiederholte Übertragung der betroffenen Datenpakete kompensieren, was allerdings die Übertragungszeit für das jeweilige Dokument verlängert.
Ein solches Verfahren ist beim digitalen
Rundfunk nicht anwendbar, weil hier die
Übertragung bekanntlich in Echtzeit erfolgt.
Um die kontinuierliche Übertragung von
Bild und Ton via IP gewährleisten zu können,
wurden als Streaming bezeichnete Konzepte entwickelt, bei denen es sich im Prinzip
um die intelligent gesteuerte Nutzung von
Servern mit Pufferspeichern handelt, was die
richtige Reihenfolge der Datenpakete ohne
merkbare Unterbrechungen ermöglicht. Dafür ist stets ein entsprechender Prozessoraufwand erforderlich, was abhängig von der
Verarbeitungsgeschwindigkeit ein zeitlich
verzögertes Signal bewirkt.
Neben der Übertragung von Rundfunkprogrammen via IP in Echtzeit, kann diese auch
mit Zeitversatz (timeshift) auf Abruf erfolgen. Beim Direktempfang liegt lineares
Fernsehen vor und es gilt die Bezeichnung
IPTV, während bei der zeitversetzten Übertragung nicht-lineares Fernsehen gegeben
ist. Da beide Varianten denselben Übertragungsmechanismus verwenden, brauchen
für die weiteren Betrachtungen keine Unterscheidungen berücksichtigt zu werden.
Als ein erstes Zwischenergebnis lässt sich
feststellen, dass digitaler Rundfunk nicht nur
über digitale Rundfunknetze, sondern auch
über IP-basierte Netze (Kurzform: IP-Netze)
übertragen werden kann. Dabei ist es mit
entsprechendem technischen Aufwand auch
möglich, den gleichzeitigen Zugriff mehrerer Nutzer auf dasselbe oder unterschiedliche
Programme zu realisieren. Dies erfolgt durch
den Einsatz von Servern, Routern und Switches, die das ankommende Signal auf meh-
116
rere Ausgänge verteilen. Dadurch geht Unicast auf Multicast über, wobei durch geschickte Kaskadierung der angeführten
Funktionseinheiten auch viele Teilnehmeranschlüsse gleichzeitig erreichbar sind.
vorzugen soll oder wie er beide zusammen
optimal nutzen kann. Dabei ist folgende Situation zu berücksichtigen:
\ Einerseits steht digitaler Rundfunk als Satellitenfernsehen DVB-S/S2, Kabelfernsehen DVB-C oder Antennenfernsehen
DVB-T zur Verfügung.
\ Andererseits arbeitet jeder einfache Internetanschluss, jedes leitungsgebundene lokale Datennetz (local area network –
LAN) und jedes funkgestützte lokale
Datennetz (wireless local area network –
WLAN) IP-basiert.
In der Praxis stehen viele Programme über
DVB und IP zur Verfügung. Dabei gibt es
zwischen Rundfunknetzen und nicht-öffentlichen IP-Netzen (z. B. DSL) bei der Signalqualität inzwischen keine merkbaren Unterschiede mehr, wenn die verfügbare Datenrate hinreichend groß ist. Es lässt sich also
in beiden Fällen stets eine Dienstgüte (quality of service – QoS) sicherstellen. Das gilt
Gemeinsamkeiten und Unterschiede
Digitaler Rundfunk wurde hauptsächlich
durch die Standardisierung DVB (digital video broadcasting) ermöglicht, primär konzipiert für Fernsehen, aber ebenso für Radio
geeignet. Vergleichbar IP wird auch bei DVB
mit Rahmen gearbeitet, es besteht jedoch
keine Kompatibilität zwischen beiden Verfahren, weil DVB für die „Broadcasting
(BC)-Welt“ entwickelt wurde, während IP
aus der Welt der Informationstechnik
stammt. In der Praxis gewinnt jedoch die
Konvergenz zwischen BC und IP für den
Nutzer immer größere Bedeutung. Deshalb
stellt sich die Frage, welches Konzept er beBild 1: Varianten der InHaus-Verbreitung für
Fernsehen
Verteilung via DVB
IPTV
IPTV
DVB
DVB
DVBIn-HausNetz
DVBEmpfänger
Verteilung via IPTV und DVB
IPTV
IPIn-HausNetz
DVB
DVBIn-HausNetz
IPTVEmpfänger
DVBEmpfänger
z. B. Smart-ZVEmpfänger
Verteilung via IP
IPTV
DVB
DVB
IPIn-HausNetz
DVBEmpfänger
IPTV
rfe-Elektrohändler | 9 · 2013
allerdings nur bedingt für Web-TV und WebRadio, also über das Internet übertragene
Programme.
Solange nur ein Endgerät beim Nutzer versorgt werden soll, ist unter Umständen die
Entscheidung zwischen DVB und IP relativ
einfach. Interessant wird es allerdings, wenn
mehrere Endgeräte in einem Haushalt versorgt und unterschiedliche Programme empfangen werden sollen. Es ist dann zu entscheiden, wie und auf welchem Weg Rundfunk
empfangen und an die Teilnehmeranschlüsse
verteilt werden soll. Dabei wäre zu berücksichtigen, dass die im Handel verfügbaren
Fernsehgeräte üblicherweise für Satellit, Kabel und/oder Terrestrik ausgelegt sind, aber
nur begrenzt auch für IPTV.
Der Empfang von Rundfunkprogrammen
und anderer Anwendungen über das Internet
erfordert einen breitbandigen Internetanschluss. Das bedeutet 16 Mbit/s oder mehr.
Die Empfangsgeräte müssen in diesem Fall
allerdings IP-fähig sein, was zum Beispiel
bei Smart-TV-Geräten gegeben ist.
Die Entscheidung zwischen DVB und IP
wird primär durch das vorhandene InhausNetz und die verfügbaren Endgeräte bestimmt. Im Bedarfsfall ist auch eine Konvertierung von DVB in IP bzw. von IP in DVB
möglich. Das bedeutet jedoch stets einen entsprechenden technischen Aufwand und stellt
eine kostenrelevante Maßnahme dar (Bild 1).
Sollen Fernsehprogramme nur als DVB verteilt werden, dann müssen die IP-Streams
für jedes Programm in ein DVB-Signal konvertiert und danach in einem Multiplex zu-
sammengefasst werden. Eine separate Verteilung von DVB und IP ist nur möglich,
wenn für beide Signalformen jeweils ein Verteilnetz zur Verfügung steht.
Bei ausschließlicher Verteilung der Fernsehprogramme über IP ist ggf. ein für Internetanwendungen bereits vorhandenes lokales
Datennetzes in der Wohnung oder im Haus
nutzbar. Bei diesem kann es sich um LAN
oder WLAN handeln. Viele Router unterstützen beide Netzvarianten. Bei der aufgezeigten Form dieser Programmverbreitung ist es
allerdings erforderlich, jedes DVB-Programm in einen IP-Stream umzusetzen.
Der ausschließliche Einsatz von IP-Netzen
in der Wohnung oder im Haus für die Verteilung der Fernsehprogramme bietet folgende Vorteile:
\ Diese Netze werden bereits für Internetanwendungen genutzt.
\ Für IPTV-Angebote sind keine gesonderten Maßnahmen erforderlich.
IP-Netze sind wesentlich flexibler als die
klassischen Kabelnetze in Koaxialtechnik,
weil über WLAN neben der stationären auch
die portable Nutzung möglich ist.
Im vorstehend angeführten Fall wäre also
lediglich die Konvertierung von DVB auf
IP erforderlich, was die Umsetzung jedes
DVB-Programms in einen IP-Stream bedeutet. Bei dieser Konstellation ist es allerdings erforderlich, dass die eingesetzten
Endgeräte IP-fähig sind. Bei Smart-TV-Geräten liegt das systembedingt bereits vor, im
Falle üblicher Fernsehempfänger für DVB
müsste eine für IP geeignete Set-Top-Box
LNB
SAT>IP-Converter
DVB
IPIn-HausNetz
IPTV
IP-fähige
Endgeräte
Ethernet
Unteres Band (10,7 GHz bis 11,7 GHz)/Horizontale Polarisation (H)
Unteres Band (10,7 GHz bis 11,7 GHz)/Vertikale Polarisation (V)
Oberes Band (11,7 GHz bis 12,75 GHz)/Horizontale Polarisation (H)
Oberes Band (11,7 GHz bis 12,75 GHz)/Vertikale Polarisation (V)
Bild 2: Sat>IP (Konzept)
Smart-TV-Gerät
(mit W-LANAnschluss)
IP-In-Haus-Netz
(funkgestützt)
Tablet
von LNB
1
1
2
2
3
3
…
…
n
n
Smartphone
Σ
WLAN
Ethernet
Laptop/
Notebook
Router
LAN
IP-In-Haus-Netz
(leitungsgebunden)
Verbindungsmöglichkeiten
mit SAT>IP
IPTVSet-Top-Box
Spielekonsole
TV-Gerät
(als Monitor)
rfe-Elektrohändler | 9 · 2013
PC
Smart-TV-Gerät
(mit LAN-Anschluss)
Bild 3: Versorgungsmöglichkeiten mit Sat>IP
117
Technik & Bildung
Fachwissen
Technik & Bildung
Fachwissen
(STB) vorgeschaltet werden. An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass Programme mit
normaler und hoher Bildauflösung bei DVB
und IPTV keine Unterschiede in der Qualität aufweisen.
Als weiteres Zwischenergebnis lässt sich somit feststellen, dass die In-Haus-Verteilung
von Fernsehprogrammen über IP grundsätzliche Vorteile bietet, weil die erforderliche
Infrastruktur auch für alle Internetanwendungen genutzt werden kann, wobei über
WLAN auch der Einsatz portabler Endgeräte möglich ist. Diese Variante erscheint deshalb bei neuen Installationen von Vorteil.
Damit ist nach bisherigen Erkenntnissen Zukunftssicherheit gewährleistet.
Die vorstehend aufgezeigte Art der Signalverteilung stellt einen Mehrwert für den Nutzer dar, da es sich um eine einheitliche Basis
handelt, über die unterschiedliche Inhalte
ohne gegenseitige Beeinflussung übertragen
werden können.
Sat IP
Die dargestellte Variante der In-Haus-Versorgung mit Fernsehprogrammen via IP
wurde von der Firma SES, als Betreiber der
Satellitenfamilie Astra, durch das Konzept
Sat IP befördert. Dabei handelt es sich um
ein Kommunikationsprotokoll, welches die
Umsetzung empfangener DVS-S/S2-Programme in IP-Streams und die Verteilung
dieser an die Endgeräte regelt, wobei es sich
um das typische Server-Client-Konzept handelt.
Bei Sat IP erfolgt im Prinzip der Austausch
des DVB-Transportprotokolls gegen das IPTransportprotokoll. Die Umsetzung erfolgt
in einer als Sat-IP-Converter bezeichneten
Baugruppe, die vom LNB der Satellitenantennen gespeist wird (Bild 2). Die Leistungsfähigkeit dieser Converter ist von der
Zahl der integrierten Tuner abhängig, weil
für jedes Programm ein Tuner benötigt wird,
damit über IP gleichzeitig auf mehrere Programme zugegriffen werden kann. Bei den
derzeit verfügbaren Sat-IP-Konvertern sind
vier Programme der typische Wert. Die am
Ausgang des Sat-IP-Converters auftretenden
IP-Streams können nun an die Endgeräte verteilt werden. Sie werden deshalb über ein
Ethernet-Kabel (Cat. 5) einem Router zugeführt. Dieser bietet zumindest einen Ausgang für die leitungsgebundene Verteilung
über ein LAN sowie einen Zugangspunkt
(access point) für WLAN (Bild 3). Bei einem
leitungsgeführten IP-Inhaus-Netz lassen
sich Datenleitungen, Koaxialleitungen,
Stromleitungen oder Lichtwellenleiter einsetzen.
Bei Datenleitungen handelt es sich um verdrillte Zweidrahtleitungen, deren Adern einzeln und/oder als Adernpaare eine ausgeprägte Schirmung aufweisen. Diese Ethernet-Kabel arbeiten mit der bewährten
Schnittstelle RJ-45. Aus technischer Sicht
könnte die Datenübertragung auch über koaxiale Leitungen erfolgen. Es bedarf dann
allerdings einer entsprechenden Adaption
der zu übertragenden Daten an die technischen Spezifi kationen und die mechanischen Werte dieser Leitungen. Dadurch
wäre es auch möglich, bisher für DVB-C genutzte koaxiale Netze ohne Änderung der
Infrastruktur ebenfalls als IP-Netze zu verwenden.
Da jede Wohnung und jedes Haus immer ein
umfangreiches Stromversorgungsnetz aufweist, kann dieses mit Hilfe von Powerline
Communication (PLC) auch für Datenübertragung genutzt werden, wobei jede Steckdose als Anschlussstelle fungiert. Es kommen dafür PLC-Adapter in der Bauform von
Steckernetzteilen zum Einsatz. Sie weisen
RJ-45-Anschlüsse für das IP-Signal und
häufig auch eine integrierte Steckdose auf.
Da PLC-Adapter jede in Wohnung und Haus
vorhandene Steckdose nutzen können, sind
über den Weg des Stromnetzes theoretisch
beliebige hausinterne IP-Verbindungen ohne
zusätzliche Infrastruktur realisierbar. Für
die Praxis ist allerdings zu berücksichtigen,
dass PLC nur dann funktioniert, wenn bestimmte Randbedingungen erfüllt werden.
Als Beispiel sei das Erfordernis der Verbindung betroffener Steckdosen über dieselbe
Stromphase oder der Einbau sogenannter
Phasenkoppler angeführt. Diese Situation
ergibt sich, weil das Stromnetz für die Energieversorgung konzipiert ist und nicht für
informationstechnische Anwendungen.
Bei Lichtwellenleitern (LWL) wird im Gegensatz zu den vorstehend aufgezeigten
Netzvarianten nicht mit elektrischen, sondern mit optischen Signalen gearbeitet. Statt
der Elektronenleitung handelt es sich nun um
eine Photonenleitung. Solche Netze können
mit Glasfasern (fiber) aufgebaut sein, es sind
für In-Haus-Netze aber auch Polymerfasern
(polymer optical fiber – POF) geeignet. In
beiden Fällen werden allerdings elektrooptische und optoelektrische Umsetzer benötigt, da die IP-Streams als elektrische Signale anstehen und die Endgeräte ebenfalls
solche Signale an ihren Eingängen benötigen.
Fazit
Radio- und Fernsehprogramme lassen sich
nicht nur als DVB über Satellit, Kabel und
Terrestrik übertragen, sondern in gleicher
Qualität auch via IP über geeignete Leitungsnetze und/oder Funknetze. Da IP für alle Internetanwendungen verbindlich ist, wird die
Versorgung mit digitalem Rundfunk auf Basis dieses Transportprotokolls zunehmen
und damit mittelfristig die bisherigen Endgeräte für den Rundfunkempfang überflüssig
machen. Aus technischer Sicht wäre der
komplette Übergang des digitalen Rundfunks von Broadcast zu IP konsequent, aus
wirtschaftlichen Gründen ist allerdings davon auszugehen, dass die Koexistenz von
DVB und IP für die Rundfunkversorgung
noch einige Zeit andauern wird.
Die Migration der Fernsehprogramme von
DVB zu IP stellt eine typische technische
Evolution dar, deren Geschwindigkeit allerdings schwer vorhersagbar ist. Einen wesentlichen Unsicherheitsfaktor stellt die Akzeptanz der Nutzer dar. Diese hängt nämlich
primär von seinem Gefühl ab, ob der Übergang von DVB auf IP für ihn einen Mehrwert darstellt.
Ulrich Freyer
LNB
LNB
Umsetzer
PoE
IP
Ethernet
IPIn-HausNetz
Glasfaser
IP-fähige
Endgeräte
Netzteil
–
Bild 4: Rundfunkversorgung über Sat>IP
118
opt.
el.
IPIn-HausNetz
IP-fähige
Endgeräte
230 V/50 Hz
Bild 5: Sat>IP-Converter mit Glasfaseranschluss
rfe-Elektrohändler | 9 · 2013
Fachwissen
Technik & Bildung
Grundlagen
Antennen
Antennen sind Wandler
zwischen Feldenergie und
leitungsgebundener Energie.
reites
Vom Aussehen her gibt es ein breites
ormen.
Spektrum unterschiedlichster Formen.
D
as könnte zu der Ansicht verleiten,
Antennen seien ein äußerst komplexes Fachgebiet. Ganz so ist es aber
nicht, denn es existieren im Wesentlichen
nur drei grundlegende Antennenformen:
\ Dipol,
\ Monopol,
\ Schleife.
Von der Aufgabe her unterscheidet man in
Empfangs- und Sendeantenne. Die Empfangsantenne entnimmt einem elektromagnetischen Feld Energie und wandelt sie in
Hochfrequenzenergie um, die Sendeantenne
strahlt Hochfrequenzenergie durch den Aufbau eines elektromagnetischen Feldes ab.
Eine passive Antenne (Antenne ohne integrierten Verstärker) vermag beides. Man
spricht von reziproker (umkehrbarer) Funktion, weil sich die Verhältnisse beim Senden
und Empfangen im Grunde gleichen. Dies
gilt allerdings nur für die Antenne allein und
nicht für das System Antenne plus Zuleitung.
Offene Antennen
Passive Antennen kann man in völlig und
teilweise offene Antennen gliedern. Für jede
Antenne lässt sich ein Ersatzschaltbild mit
Kapazitäten und Induktivitäten erstellen. Bei
der völlig offenen Antenne tragen alle diese
Cmittel
ge. Damit hat man eine universellere Angabe als in Metern, da die Betriebsfrequenz
nun unerheblich ist.
Offene Antennen lassen sich prinzipiell in
Dipol- und Monopolantennen sowie (elektrisch) große Schleifen aufteilen. Erste kann
man vom Grundaufbau her in gestreckte
(z. B. üblicher Halbwellendipol), gewinkelte
(Winkeldipol) und gefaltete (z. B. Faltdipol)
Antennen einteilen. Eine große Schleife hat
z. B. eine Wellenlänge Umfang. Als populäres Beispiel sei die Delta-Loop-Antenne
genannt (dreieckige Schleife).
Bei teilweise offenen Antennen unterscheidet
man zwischen Magnetantenne und elektrisch
kurzem Strahler. „Elektrisch kurz“ bedeutet
kurz in Bezug zur Betriebswellenlänge und
zwar deutlich kürzer als eine Viertel Betriebswellenlänge. Bei der Magnetantenne
ist das elektrische Feld in einem diskreten
Kondensator konzentriert, während mindestens eine großflächige („offene“) Windung
strahlt. Beim elektrisch kurzen Strahler enthält das Ersatzschaltbild eine Kapazität, deren elektrisches Feld nicht zur Strahlung beiträgt, die sogenannte Totkapazität.
Cmax
Der Dipol
Blindelemente mit ihren Feldern zur Strahlung bei (sie sind also quasi offen), bei der
teilweise offenen Antenne jedoch nicht.
Eine völlig offene Antenne, auch nur offene
Antenne genannt, stellt im Ersatzschaltbild
ein Netzwerk aus verteilter Induktivität und
Kapazität dar (Bild 1). Die oft strapazierte
Vorstellung von einem Schwingkreis ist eine
grobe Vereinfachung, da sie nur eine optimale Betriebsfrequenz – die Resonanzfrequenz – ermöglicht. Tatsächlich können viele offene Antennen jedoch auf im Verhältnis
1:3:5... zueinander liegenden Frequenzen
günstig betrieben werden. Hierzu zeigt Bild
2 den Verlauf der Anschlussimpedanz eines
symmetrischen Dipols in Abhängigkeit von
seiner elektrischen Gesamtlänge. Unter
„elektrischer Länge“ versteht man die Längenangabe bezüglich der Betriebswellenlän-
Q/2
Cmin
L
L
L
L
L
L
L
L
L 8 nH/cm
Bild 1: Der gestreckte Halbwellendipol und sein Ersatzschaltbild. Ein gestreckter Leiter besitzt
eine Induktivität von etwa 8 nH/cm. Die Kapazität angenommener symmetrisch liegender Teilstücke zueinander fällt mit dem Abstand von der Mitte. Alle Ersatzinduktivitäten und -kapazitäten sind „offen“, d. h., können ihr Feld abstrahlen bzw. aus einem Empfangsfeld Energie aufnehmen.
rfe-Elektrohändler | 9 · 2013
Dipol heißt Zweipol, eine Bezeichnung, die
durchaus verunsichern könnte. Denn jede
Antenne besitzt zwei Pole (Anschlüsse), anders könnte man sie gar nicht betreiben. Gemeint ist jedoch eine Antenne mit zwei
Schenkeln, also Teilen, die beide leitungsgebundene elektrische Energie in Strahlungsenergie umwandeln und umgekehrt.
Aber Achtung: Manchmal sagt man zu einer
119
Technik & Bildung
Fachwissen
Bild 2: Theoretische Verläufe von Strom
(gestrichelt) und Spannung auf einem
Halbwellendipol. Die Augenblickswerte
der Spannung an den Enden haben zueinander entgegengesetzte Richtungen
(180° Phasenversatz).
Bild 3: Qualitative Darstellung der Verläufe
von Strom (gestrichelt) und Spannungsbetrag (ohne Phaseninformation) auf einem
realen Halbwellendipol. Aus den Werten
am Einspeisepunkt ergibt sich ein Widerstand von etwa 60 Ω.
RS
900 Ω
600 Ω
300 Ω
Minimum
Q/4
theor. 73 Ω
prakt. ≈ 60 Ω
Mittelpunkt
Q/4
Bild 4: Verlauf des Strahlungswiderstands
eines Halbwellendipols. Unsymmetrischer
Anschluss ist demnach problemlos möglich, ergibt aber einen Anschlusswiderstand über 60 Ω.
Bild 5: Theoretische Verläufe der Spannungen (gestrichelt) und Ströme auf den parallelen Abschnitten eines Faltdipols
120
schmalen Schleifenantenne auch Falt- oder
Schleifendipol. Diese Antenne besteht jedoch aus einem Stück.
Dipolantennen können symmetrisch (Mittenspeisung) oder unsymmetrisch aufgebaut
sein.
Heinrich Hertz begann seine Experimente
Ende des 19. Jahrhunderts mit einem Dipol
aus zwei je 1,5 m langen Stäben mit Kugeln
an den Enden. Er stellte bald fest, dass diese
Antenne bei 50 MHz (6 m Wellenlänge) am
besten funktioniert. Damit war der Halbwellendipol entdeckt. Er ist für die Praxis optimal.
Der Widerstand, der sich aus Spannung und
Strom an seinen mittigen Anschlussklemmen ergibt, beträgt theoretisch (Drahtdurchmesser null) 73 Ω. Praktisch ist dieser Anschlusswiderstand geringer (z. B. etwa 60 Ω
für Kurzwellen-Drahtantennen).
Strom, Spannung und
Strahlungswiderstand
Strom und Spannung auf dem Dipol sind
örtlich verschieden, siehe Bild 2 und 3. Den
Quotienten aus Spannung und Strom bezeichnet man als Strahlungswiderstand. Das
ist quasi der Widerstand, der die zugeführte
Leistung und somit abgestrahlte Leistung
aufnimmt. Somit ist er am Anschluss der
Antenne mit dem Anschlusswiderstand von
z. B. 60 Ω beim symmetrischen Halbwellendipol identisch. Er variiert mit dem Ort auf
der Antenne und nimmt zu den Enden hin
zu, wie in Bild 4 dargestellt.
Anhand des „Netzwerks“ in Bild 1 kann man
gut den Strom- und Spannungsverlauf begründen. Vorausgesetzt, dass in einem bestimmten Augenblick alle Kondensatoren
eine bestimmte maximale Ladung haben,
dann entladen sie sich darauf hin über die
Induktivitäten in ihrem Bereich. Dabei entsteht jeweils ein Strom, wobei der in Strahlermitte am größten ist und die Ströme an
den Strahlerenden am kleinsten sind. Durch
den Stromfluss bauen sich um die Induktivitäten magnetische Felder auf, die dann
eine erneute Aufladung der Kapazitäten bewirken, jedoch mit entgegengesetzter Polarität. Daraus lässt sich die Strom-SpannungsVerteilung ableiten. Da der Dipol in Wirklichkeit mittig aufgetrennt ist und dort die
Eingangsspannung (größer als null) auftritt,
ist die Theorie ein vereinfachtes Abbild der
Praxis.
Es besteht ein Phasenunterschied von 90°
zwischen Strom und Spannung, da die Antenne theoretisch nur aus Blindelementen
besteht. Die Elektrotechnik lehrt, dass in
diesem Fall keine elektrische Leistung in
Wärme umgesetzt wird und prägte dafür den
Begriff „Blindleistung“. Auf einer verlustlosen Antenne herrscht also 100 % Blindleistung. Die Antenne selbst verbraucht kei-
ne Leistung, sondern wandelt reine elektrische Leistung in Strahlungsleistung
(Sendefall) bzw. umgekehrt (Empfangsfall).
Hieraus folgt zwingend die Spannungsverteilung.
Strom- und Spannungsverteilung erscheinen
auch deshalb logisch, weil an den Antennenenden kein Strom mehr fließen kann (wohin?) und weil darum die größte Spannung
zwischen den Antennenenden auftreten
muss. Es muss ja an jedem Punkt der Antenne gelten U × I = P, wobei P die eingespeiste Sendeleistung bzw. die entnommene
Empfangsleistung ist.
Bild 5 zeigt ähnliche Verläufe für den Schleifen- oder Faltdipol.
Anschlussimpedanz und
elektrische Länge
In Bild 6 werden qualitativ praktische Verläufe von Realteil und Imaginärteil eines
symmetrischen Dipols in Abhängigkeit von
der elektrischen Länge eines Schenkels dargestellt. Bei der Länge Q/4 handelt es sich
also um einen Halbwellendipol. Man sieht,
dass der Strahlungswiderstand R von einem
teils erheblichen induktiven oder kapazitiven
Blindanteil X begleitet wird. Beträgt die
elektrische Länge eines Schenkels ein Viertel, drei Viertel, fünf Viertel usw. der Wellenlänge, so geht der Imaginärteil durch null,
und es verbleibt ein Realteil von etwa 60 Ω
bei Q/4, etwa 85 Ω bei ¾ Q und etwa 120 Ω
bei 5/4 Q (für Kurzwellen-Drahtantennen).
Damit ist das Verhalten dort das eines resonanten Serienkreises. Bei Q/2, Q und 3/2 bzw.
6/4 Q geht der Imaginärteil ebenfalls durch
null, jedoch bei maximalem ohmschen Anteil entsprechend einem resonanten Parallelkreis. Man versteht jetzt, warum man bei der
gesamten Antennenlänge das „Halbwellenraster“ anstrebt.
Der Monopol
Was passiert, wenn man einen Schenkel eines Dipols durch eine große metallische Fläche oder gut leitendes Erdreich ersetzt? Die
Metallfläche oder das Erdreich bildet wie
der ehemalige zweite Schenkel eine Kapazität zu dem verbliebenen Schenkel – seine
Induktivität ist hingegen sehr klein – und
stellt daher insofern einen brauchbaren „Gegenpol“ dar, der so als ein rein ohmscher
Anschlusswiderstand agiert und dementsprechend die Verluste gering bleiben (theoretisch null wie beim Dipol). Das in Bild 7
skizzierte Gebilde ist somit weiterhin gut in
der Lage, aus elektrischer Leistung Strahlungsleistung zu erzeugen und umgekehrt.
Hierbei strahlt jedoch der „Gegenpol“ kaum.
Er sorgt aber dafür, dass sich die Verhältnisse dieser „halbierten Antenne“ gegenüber
einem Dipolschenkel nicht ändern. Der Einrfe-Elektrohändler | 9 · 2013
R
bzw.
x
Bild 6: Qualitative praktische Verläufe von
Realteil und Imaginärteil eines symmetrischen
Dipols in Abhängigkeit von der elektrischen
Länge eines Schenkels
R
R
induktiv
Realteil
Imaginärteil
–x
Serienresonanz
gangswiderstand halbiert sich nun zwar, die
Strom- und Spannungsverteilung auf dem
strahlenden Schenkel bleibt jedoch grundsätzlich bestehen. Solche Antennen nennt
man auch Monopol.
Populär gemacht hat sie der Italiener Guglielmo Marconi, den die Hertz‘schen Experimente zu eigenen Forschungstaten inspirierten. Zu seinen Ehren nennt man die
eine Viertel Wellenlänge lange Vertikalantenne (senkrecht angeordnete Antenne) mit
der Erde als „Gegenpol“ Marconi-Antenne.
Wird eine besondere Fläche (z. B. Fahrzeugkarosserie) genutzt oder ein System aus Leitern sternförmig am „Fußpunkt“ der Antenne angeordnet, verwendet man den Begriff
„Gegengewicht“. Jedes einzelne Element eines solchen Leitersystems nennt man Radial. Besonders bei UKW-Antennen setzt man
gern Radials ein, da die Antenne dann für
hohe Reichweite recht hoch angeordnet werden kann. Eine Antenne dieses Typs nennt
man Groundplane. Drei Amerikaner haben
sie sich 1939 patentieren lassen.
Vertikalantennen sind bis auf eine Ausnahme – die Triple-Leg-Antenne mit ihren nur
drei und 45° nach unten abgewinkelten Radials – Rundstrahler. Ihr vertikales Strahlungsverhalten ist jedoch von ihrer Länge
abhängig.
Die Schleifenantenne
Die Schleife (Loop) ist im Gegensatz zu den
meisten Dipolen eine einteilige Antenne.
Man unterscheidet vier Grundformen:
\ Kreis (Ringantenne),
\ Quadrat (Quad-Antenne),
\ Rechteck (Extremfall: Falt- oder Schleifendipol),
\ Dreieck (Delta-Loop-Antenne).
Hier ist ebenfalls die Vorstellung von einem
LC-Netzwerk treffender als die von einem
einfachen Schwingkreis, da sich die Kapazität ja über die ganze Schleife erstreckt.
rfe-Elektrohändler | 9 · 2013
Q
3Q/4
5Q/4
6Q/4
R
Q/2
x = /–x/
x = /–x/
R
kapazitiv
Q/4
Bild 7: Skizze zu Aufbau und Wirkungsweise eines Monopols
Parallelresonanz
Auch diese Antenne geht auf Hertz zurück,
der sie zum Empfang benutzte. Bis heute hat
die Schleife ihre Popularität ihren geringen
Platzansprüchen zu verdanken.
Eine Schleife besitzt in der Regel (etwa) eine
Wellenlänge Umfang. Wesentlich kleinere
Schleifen sind ebenfalls möglich, wenn sie
mit einem abstimmbaren Kondensator versehen werden. Diese nicht abstrahlende Kapazität ersetzt „offene“ und somit zur Abstrahlung fähige Kapazität. Somit ist bei
kleinen Abmessungen eine geringe Betriebsfrequenz möglich. Man spricht von einer
Magnetantenne.
Elektrische und
magnetische Antennen
Bei einer solchen Magnetantenne baut sich
erst mit zunehmendem Abstand von der Antenne ein elektromagnetisches Feld auf. Dipol und Monopol bezeichnet man hingegen
als elektrische Antennen, da hier ein gegenüber dem Magnetfeld starkes elektrisches
Feld sofort aufgebaut wird.
Eine Spannung erzeugt bekanntlich ein elektrisches Feld, während jeder Stromfluss ein
magnetisches Feld verursacht. Es kann aber
nur dann ein Strom fließen, wenn eine Spannung vorhanden ist. Daraus folgt, dass zu
einem magnetischen Feld immer ein elektrisches Feld gehört. Jeder Stromfluss er-
zeugt daher zwangsläufig ein elektromagnetisches Feld.
Antennenpolarisation
Die Lage der senkrecht aufeinanderstehenden elektrischen und magnetischen Feldlinien des elektromagnetischen Feldes in Bezug
zur Erdoberfläche nennt man Polarisation.
Sie ist von der Antenne abhängig, durch die
das Feld aufgebaut wurde, und natürlich
durch die Lage der Antenne im Raum. Bei
der Angabe der Polarisation des Feldes bezieht man sich nach Definition auf den Verlauf der elektrischen Feldlinien zur Erdoberfläche.
Die elektrischen Feldlinien des elektromagnetischen Feldes einer gestreckten Antenne
liegen parallel zur Antenne. Bei horizontaler
Installation ist also auch die Polarisation horizontal, bei senkrechter Aufstellung vertikal. Magnetantennen haben stehend horizontale und liegend vertikale Polarisation.
Allgemein spricht man bei horizontaler, vertikaler und auch schräger Polarisation von
linearer Polarisation im Gegensatz zur zirkularen Polarisation, bei der sich das Feld
rechts oder links um die Achse der Ausbreitungsrichtung dreht. Man erreicht dies durch
entsprechend geformte Antennen, wie die
Wendelantenne.
Frank Sichla
Warum strahlt eine Antenne?
Das Geheimnis der Abstrahlungsfähigkeit einer Antenne ist die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Feldern (nahe Lichtgeschwindigkeit in der Luft). Mit der ersten Halbwelle der angelegten Spannung baut sich ein Feld um die Antenne auf. Je weiter weg die Feldlinien von der Antenne liegen, umso größer ist die zeitliche Verzögerung, mit der sie dem
Spannungsverlauf folgen. Das führt dazu, dass neu entstehende Feldkomponenten in Antennennähe die früher entstandenen Feldkomponenten von der Antenne wegdrängen. Im
Gegensatz zum Betrieb mit einem Impuls, nach dem das Feld zusammenbricht und Strom
und Spannung in der Antenne induziert, kann die Leistung des Feldes nicht mehr durch
Selbstinduktion zur Quelle zurückkehren.
121
Technik & Bildung
Fachwissen
Technik & Bildung
Fachwissen
Messtechnik
Driftfreie Messsysteme
Zum zuverlässigen und genauen Messen und Verarbeiten elektrischer Größen
sind Messsysteme, z. B. Verstärker erforderlich, die nicht nur die Änderung einer
Signalspannung, sondern auch deren Gleichanteile unverfälscht messen und verstärken.
S
olche Verstärker gehören zu den Breitbandverstärkern mit einer unteren
Grenzfrequenz von 0 Hz. Der Ausgang
dieser Systeme muss zuverlässig null sein,
wenn die Eingangsspannung null ist, auch
wenn sich die Temperatur oder die Betriebsspannung ändern oder die Bauelemente altern. Die sich daraus ergebende Nullpunktwanderung Messwertänderung nennt man
Drift.
Der Begriff „Drift“ stammt aus der Nautik
und kennzeichnet dort die Abweichung eines
Schiffes von einem voraus berechneten Kurs.
In der Elektronik steht er allgemein als Abweichung des gemessenen Wertes einer
Mess- oder Regelgröße vom wahren Wert.
Häufig meint man mit Drift auch die langsame unerwünschte Nullpunktwanderung,
die nicht durch die Signalspannungen verursacht wird.
Um deren Einfluss auszuschalten, bedarf es
eines erheblichen Zusatzaufwandes, weil hier
die einzelnen Stufen mehrstufiger Verstärker
direkt, also ohne zwischengeschaltete RCGlieder oder Transformatoren, aneinander
gekoppelt sind. Das birgt die Gefahr, dass
Gleichspannungsänderungen vorgeschalteter
Verstärkerstufen auch dann an die nachfolgenden Stufen weitergegeben und verstärkt
werden, wenn sie nicht durch Signalspannungen, sondern beispielsweise durch Temperaturänderungen oder Bauteilalterung verursacht werden. Um die Abweichungen klein
zu halten oder überhaupt zu vermeiden, sind
Maßnahmen erforderlich, die diese kompensieren oder unwirksam machen.
Besonders wirksam sind Zerhackerverstärker,
die früher mit mechanischen Modulatoren
und Demodulatoren ausgerüstet wurden. Deren Kontakte wurden mit einem elektromagnetischen Schwingsystem, das aus Spule und
Schwinganker besteht, periodisch geschlossen und geöffnet. Ihre Schaltfrequenz wurde
durch die mechanische Masse des Schwingsystems einschließlich der Kontakte begrenzt
und liegt zwischen 50…400 Hz. Damit
konnte man mit ihnen nur Wechselspannungen unter 5 Hz verstärken.
Heute sind an die Stelle mechanischer Schaltsysteme optoelektronische Modulatoren getreten, bei denen Leuchtdioden und Fototransistoren miteinander gekoppelt und als Optokoppler in einem Gehäuse untergebracht
122
sind. Die Leuchtdiode schaltet den Fototransistor über Lichtstrahlen periodisch in den
niederohmigen Zustand um, so dass er einmal
wie ein offener und einmal wie ein geschlossener Schalter wirkt (Bild 1). Zwischen Trägerfrequenzgenerator und Modulationsstromkreis ist eine absolute Potentialtrennung gesichert. Die geringe Trägheit
optoelektronischer Bauelemente erlaubt auch
die Verwendung von Modulationsspannung
hoher Frequenzen.
Damit man unabhängig von der Polarität der
Modulationsspannung wird, schaltet man
zwei derartige Optokoppler antiparallel. Da
sie in einem gemeinsamen Gehäuse unterge-
R1
Wechselspannungsverstärker
C1
Ub
wachung des Hauptverstärkers, der auch ein
Operationsverstärker sein kann (Bild 2). Der
Zerhackerverstärker besitzt genau wie der
Hauptverstärker einen Differenzeingang und
wird mit der Differenz zwischen der Eingangsspannung UE und einem Anteil der Ausgangsspannung, die mit dem Spannungsteiler
R3 und R4 herabgeteilt ist, gesteuert. Diese
Differenz ist null, wenn beide Spannungen
gleich sind. Um das zu garantieren, wird das
Teilerverhältnis des Spannungsteilers gleich
dem Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers gewählt. Dieser wird wiederum
durch das Verhältnis der Gegenkopplungswiderstände R1 und R2 bestimmt. Deshalb
Glättungskondensator
R2
Ub
Ub
Ub
UM
C2
V1
V2
V3
UA
V4
Multivibrator als
Trägerfrequenzgenerator
Bild 1: Prinzipieller Schaltungsaufbau eines Zerhacker-Verstärkers
mit Optokopplern in Antiparallel-Schaltung
bracht sind, werden sie invers gesteuert. Dadurch sind die beiden Optokoppler V1 und V3
eingeschaltet, während V2 und V4 ausgeschaltet (hochohmig) sind und umgekehrt. Die
synchron zu V1 und V2 geschalteten Optokoppler V3 und V4 wandeln die verstärkte
Rechteckspannung wieder in eine Gleichspannung zurück. Der Kondensator C2 unterdrückt die Reste der Umschaltspannung und
glättet damit die Ausgangsspannung.
Hauptverstärker
R2
–
UE
Gleichspannungsverstärker in Kombination
mit Zerhackerverstärkern erfüllen besonders
hohe Genauigkeitsforderungen. Dabei dient
der Zerhackerverstärker lediglich zur Über-
V1
+
R3
Zerhackerverstärker
V2
Zerhackerstabilisierte
Gleichspannungsverstärker
R1
–
+
UA
R4
R1
R3 + R4
–––––––
= ––
R4
R2
Bild 2: Prinzip der Nullpunktkontrolle eines
Verstärkers mit Hilfe eines driftfreien Zerhacker-Verstärkers
rfe-Elektrohändler | 9 · 2013
kann man die Widerstände wie folgt dimensionieren:
R3
R
+1 = 1
R4
R2
lationsspannung UM an. Ändert sich die Polarität der Eingangsspannung, so wird die
modulierte Trägerspannung umgepolt, was
wirkungsmäßig einer Phasenverschiebung
von 180° gleichkommt. Diese dient im Demodulator zur Rückgewinnung der ursprünglichen Polarität. Hier erhält man eine
Spannung, deren Amplitudenverlauf und Polarität derjenigen der Eingangsspannung entspricht. Zur Übertragung modulierter Wechselspannungen können die Verstärkerstufen
über Übertrager oder RC-Glieder aneinander
gekoppelt werden, so dass sie nur Wechselspannungen verstärken. Arbeitspunktänderungen haben hier keinen Einfluss auf die
nachfolgenden Verstärkerstufen (Bild 3).
Wichtig ist, dass die Frequenz der Messspannung wesentlich niederer als diejenige der
Trägerspannung ist. Um die ursprüngliche
Polarität zurückzugewinnen, wird bei der
Demodulation die modulierte und verstärkte Trägerspannung mit der unmodulierten
Trägerspannung (Hilfsträgerspannung) verglichen. Dazu müssen die Spitzenwerte und
Nulldurchgänge beider Spannungen zeitgleich eintreffen und dürfen nicht phasenverschoben sein. Um das zu garantieren,
Weichen die Ruhewerte aus irgendwelchen
Gründen von ihren Sollwerten ab, so hat die
am Widerstand R4 abgegriffene Spannung
einen anderen Wert als die Eingangsspannung UE. Die Differenz zwischen beiden
wird im Zerhackerverstärker verstärkt. Dessen Ausgangsspannung stellt dann den Operationsverstärker am nichtinvertierenden Eingang so nach, dass die Ausgangsspannung
automatisch den Wert bekommt, der ohne die
Nullpunktabweichung vorhanden wäre.
TrägerfrequenzGleichspannungsverstärker
Bei Trägerfrequenzverstärkern wird die zu
verstärkende Spannung UM auf eine Wechselspannung hoher Frequenz (Trägerspannung)
aufmoduliert. Besondere Vorteile bietet hier
die Amplitudenmodulation mit Trägerunterdrückung. Bei der steigt die Amplitude der
Trägerspannung proportional mit der Modu-
Modulator
Wechselspannungsverstärker
Demodulator
verstärkte
modulierte
Trägerspannung
Trägerspannung
UM
Trägerspannung
Bild 3: Prinzipieller
Schaltungsaufbau
von TrägerfrequenzVerstärkern
Trägerfrequenzgenerator
UA
Bild 4: Trägerfrequenz-Gleichspannungsverstärker mit
Dioden-Modulatoren und -Demodulatoren
Hilfsträgerspannung
ϕ
Phasenschieber
modulierte
Trägerspannung
R1
Modulator
(A)
V1
Wechselspannungsverstärker
C1
V5
C3
RP1
R2
Demodulator
R3
(C)
V3
UE
Modulationsspannung
verstärkte modulierte
Trägerspannung
V2
V4
(B)
C4
T1
C2
C6
rfe-Elektrohändler | 9 · 2013
V7
R4
RP3
Phasenschieber
T2
Trägerfrequenzgenerator
C5
RP2
T3
Trägerspannung
V6
V8
(D)
Hilfsträgerspannung
wird diese Phasengleichheit mit einem variablen Phasenschieber hergestellt.
Trägerfrequenzverstärker
mit Diodenmodulator
Modulatoren können nach verschiedenen
Prinzipien arbeiten. Der oft benutzte Diodenmodulator ähnelt dem aus der Telekommunikation bekannten Ringmodulator und
wird als Cowan-Modulator bezeichnet.
Bild 4 zeigt die Prinzipschaltung eines damit
ausgestatteten Trägerfrequenzverstärkers.
Bei ihm sind die Dioden V1 bis V4 als Brückengleichrichter geschaltet. Mit dem Potentiometer P1 kann die Brücke abgeglichen
werden. Dann besteht zwischen den beiden
Punkten (A) und (B) keine Spannungsdifferenz mehr. Die Eingangsspannung des Wechselspannungs-Verstärkers als auch seine Ausgangsspannung sind null. Wirkt zwischen
den Eingangsklemmen eine Modulationsspannung, so verschiebt diese die Arbeitspunkte der Dioden und verstimmt die Brückenschaltung umso mehr, je größer ihr Wert
ist. Mit zunehmender Modulationsspannung
steigt auch der Anteil der Trägerspannung,
die über die verstimmte Diodenbrücke und
den Transformator T1 an den Verstärkereingang gelangt. Dort wird sie entsprechend verstärkt.
Der Demodulator am Ausgang wird ebenfalls
durch eine Diodenbrücke gebildet und durch
die unmodulierte Hilfsträgerspannung gespeist. Die Brückenschaltung ist, wenn keine
modulierte Trägerspannung vorhanden ist,
abgeglichen und die Ausgangsspannung null.
Gelangt zusätzlich zur Hilfsträgerspannung
die modulierte Trägerspannung an die Diodenbrücke, so wird diese Brücke verstimmt.
Die Hilfsträgerspannung addiert sich zu der
modulierten Trägerspannung hinzu oder
subtrahiert sich von dieser und bildet am
Ausgang eine Gleichspannung, deren Höhe
allein von der Höhe der modulierten Trägerspannung und deren Polarität von der Phasenlage zwischen Träger- und Hilfsträgerspannung abhängt.
Temperaturabhängigkeit der
Trägerfrequenzverstärker
UA
Bei Trägerfrequenzverstärkern hat man zwar
die Temperaturabhängigkeit der Verstärkerbauelemente ausgeschaltet. Doch über die
im Modulator und Demodulator verwendeten Halbleiterdioden besitzen diese ebenfalls
eine Temperaturabhängigkeit. Deren Wirkung hebt sich zwar durch die Brückenschaltung weitgehend auf, eine Garantie für einen
driftfreien Verstärker erhält man aber nur
dann, wenn man mindestens den Modulator
in einer Temperaturkammer unterbringt und
mit einem Temperaturregler einer konstanten Temperatur aussetzt.
-rke
123
Technik & Bildung
Fachwissen
Technik & Bildung
Praxistipps
Backup-System mit Supercaps
In der Schaltung des Stromversorgungs-Stützsystems übernehmen zwei Supercaps mit je 360 F
die Rolle der sonst üblichen Akkus. Vergleicht man Supercaps
mit Akkus, fallen mehrere Vorteile auf: Supercaps sind robuster als Akkus: Einem Li+-Akku
billigt man 500 Zyklen zu, während man Supercaps etwa eine
Million mal laden und entladen
kann. Supercaps haben eine
mindestens doppelt so hohe
Energiedichte als elektrisch vergleichbare Akkus. Diese Bauelemente sind übrigens umweltfreundlich, da sie keine Schwermetalle enthalten. Als weiterer
Vorteil ist die kurze mögliche
Ladezeit (Minuten) zu nennen.
Der LTC 3625 ist ein spezieller
Lade-IC für Supercaps. Der
UE
UIN1
5V
294 k
10 μ
UIN
UOUT
EN
SW1
PFI
100 k
CTOP
3,3 μH
360
UIN
CTL
USEL
GND
CBOT
360
PFO
GND
PROG
UE
1μ
LTC 4412 wirkt als automatischer Crossover-Schalter bei
Ausfall der eigentlichen Stromversorgung und bringt die ge-
er den Ladezustand einer einzelnen Zelle. Der Fühlerwiderstand
ist mit 100 mΩ sehr gering. Der
IC integriert analog den gefühlten Strom. Maßgebend ist die
mittlere Spannungsdifferenz
zwischen den Sense-Pins.
Zwischen dem Lade-IC
LTC 4057-4.2 und ihm liegt ein
einfacher Mikroprozessor zur
Steuerung per I2C. Der Lade-IC
liefert bis zu 500 mA. Die Einbindung der Überwachungslösung in andere Ladesysteme
ist leicht möglich.
Si.
Journal of Analog Innovation 2010
BAT
0,1 μ
3,3 V
SENSE+
2k
UDD
GND
3x2k
AL/CC
SDA
SCL SENSE–
GND
RSENSE
0,1
+
Li-Ion
LTC 4057-4.2
μP
Genaue und vielseitige Batterieüberwachung
124
UA2
UOUT2
1,2 V
100 μ
FB2
GND
SENSE
10 k
GND
GATE
CTL
STAT
470 k
ITHM2
GND
LTC 4412
LTM 4616
LTC 2942
ladenen Supercaps mithilfe der
beiden Schalttransistoren ins
Spiel. Der LTM 4616 ist ein DCDC-Konverter mit dualen Aus-
gängen und liefert hier 1,2 und
1,8 V.
Si.
Jim Drew, 2010
Kleiner, aber leistungsstarker
Abwärtswandler
UA
PROG SHDN
22 μ
78,7 k
5V
UCC
4,78 k
ITHM1
LTC 3625
Qualifizierte
Batterie-Zustandsanzeige
Diese Schaltung besitzt gegenüber einfachen Batterie-Kontrollschaltungen einige Vorteile.
Sie ist relativ klein und unkompliziert, arbeitet sehr genau und
ermöglicht einen einfachen I2CAnschluss sowie optional einen
präzisen Fühlerwiderstand.
Die hohe Genauigkeit wird
durch zusätzliche Überwachung
von ein- und ausgehender Ladung des Akkus erreicht.
Der LTC 2942 beruht auf dem
Überwachungs-IC LTC 2941 für
Li+-Akkus, enthält aber noch einen D-D-Wandler. Er überwacht
Spannung und Temperatur und
erlaubt programmierbare Auslöseschwellen. Hier überwacht
UIN2
SW2
UMID
1,8 V
100 μ
FB1
2x
Si 4421 DY
3,3 μH
UA1
UOUT1
1 μH
UE
UIN
2,5…6 V
SW
10 μ
UA
1,2 V/1,5 A
10 μ
OUT
200 k
EN
FB
PG
200 k
MP 2161
Beschaltungsbeispiel für 1,2 V/1,5 A am Ausgang (PG = Power Good)
Die Produkte der MP-215x/216x-Familie eignen sich zur Wandlung von Eingangsspannungen
im Bereich 2,5 bis 6 V auf Ausgangsspannungen zwischen 0,6
und 5,5 V bei einem Laststrom
bis zu 1 bzw. 2 A. Diese synchronen Abwärtsschaltwandler
im QFN-Gehäuse (Footprint
1,5 × 2 mm2) sind für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet
und werden u. a. in Speichersystemen, Netzwerkkarten, tragbaren Geräten oder Point-of-Load-Stromversorgungen eingesetzt.
Ein besonderes Merkmal ist die
sog. adaptive Regelmethode
COT (Constant on Time), welche
eine komplizierte Regelkreiskompensation überflüssig macht
und somit das Design verein-
facht. Diese vom Hersteller MPS
selbst entwickelte Regelung gewährleistet das beste Transientenverhalten branchenweit.
Ein schnelles Einschwingen reduziert nicht nur den Bedarf an
Pufferkapazität, sondern erhöht
auch die Flexibilität bei der Auswahl des Ausgangskondensators. Ein weiterer Vorteil ist der
„nahtlose“ Übergang von hoher
zu niedriger Last. Hinzu kommt
eine hohe Effizienz bei Niedriglasten. Der On-Widerstand
von 100 bzw. 60 Ω ermöglicht
beispielsweise bei 5 V Ein- und
3,3 V Ausgangsspannung einen
maximalen Wirkungsgrad von
96 %. Der Eigenstromverbrauch
liegt bei 17 μA.
Si.
MPS/Endrich Bauelemente 2013
rfe-Elektrohändler | 9 · 2013