VGA-Videoverteiler

Häufig besteht das Problem, dass ein Videosignal aus einer Quelle auf mehrere Monitore oder andere Signaleingänge verteilt werden soll. Leider lassen sich Videoeingänge nicht einfach parallel mit einem Ausgang betreiben, wie das z.B. bei Audiosignalen möglich ist. Das liegt daran, dass ein Videoausgang einen definierten Ausgangswiderstand, meistens 75 Ohm, hat und auch der Eingang mit 75 Ohm abgeschlossen ist. Bei einfacher Parallelschaltung mehrerer Eingänge würde sich ein ungünstigeres Spanungsteilungsverhältnis ergeben, sodass das Videosignal erheblich abgeschwächt werden würde, je nachdem, wieviele Eingänge angeschlossen sind. Das Problem ließe sich umgehen, wenn man auf die Abschlusswiderstände verzichten, d.h. den Ausgang sehr niederohmig und die Eingänge hochohmig machen würde. Das ist technisch zwar kein Problem, funktioniert aber nur auf lokaler Ebene, z.B. auf einer Leiterplatte. In der Praxis sind aber immer mehr oder weniger lange Zuleitungen erforderlich. Da sich das Videosignal in einem Kabel maximal mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann, können z.B. sehr steile Flanken, wie sie bei scharfen vertikalen Kanten im Bildsignal auftreten, am Kabelende reflektiert werden und laufen in ungünstigen Fällen mehrmals im Kabel hin und zurück. Das äußert sich in einem oder mehreren störenden Schatten, die sich rechts neben der eigentlichen Kante im Bild zeigen. Reflexionen lassen sich nur sicher vermeiden, wenn das Kabel am Signalein- und ausgang jeweils mit dem Wellenwiderstand des Kabels abgeschlossen ist. Videokabel haben standardmäßig einen Wellenwiderstand von 75 Ohm, weshalb auch alle Geräte in der Videotechnik mit Abschlusswiderständen von 75 Ohm versehen sind. Häufig findet man an Videoeingängen auch abschaltbare Abschlusswiderstände. Damit ist es möglich, auch ohne zusätzliche Elektronik mehrere Eingänge aus einer Signalquelle zu versorgen. Voraussetzung ist, dass das Kabel unverzweigt und am Anfang und am Ende jeweils mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen ist. Für die in der Videotechnik weit verbreiteten BNC-Steckverbinder gibt es dazu sog. T-Stücke, mit denen es möglich ist, einen Eingang ohne Stichleitung mit der Hauptleitung zu verbinden. Ohne Abschlusswiderstand ist der Eingang hochohmig und belastet das Signal nur unwesentlich.
Ist die Abschaltung des Abschlusswiderstandes nicht möglich, z.B. weil es bei den Eingängen nicht vorgesehen ist oder weil das Signal zentral verteilt werden muss, ist eine elektronische Aufarbeitung des Signales unumgänglich. Eine Möglichkeit besteht darin, das Signal, nachdem es mit einem 75-Ohm-Widerstand abgeschlossen wurde um den Faktor 2 zu verstärken und den Verstärker mit einem sehr niederohmigen Ausgang zu versehen. An den Verstärkerausgang wird dann für jeden einzelnen Ausgang je ein 75-Ohm-Widerstand in Serie geschaltet. Nachteil ist, das sich ausreichend niederohmige Ausgänge bei den erforderlichen Bandbreiten nur mit sehr breitbandigen Operationsverstärkern realisieren lassen. Außerdem ist die Entkopplung der Ausgänge nicht optimal. Eine diskret aufgebauter Verstärker ist in u.a. Schaltbild zu sehen. Es handelt sich dabei um einen Verteiler für analoge VGA-Signale, wie sie von PCs geliefert werden. Die Bandbreite dieses Verstärkers ist deutlich größer als es für ein gewöhnliches TV-Videosignal nötig wäre. Je nach Aufbau sind bis zu 100 Mhz möglich. Von den Pegeln und der Polarität her sind Videosignale i.d.R. aber weitgehend identisch. Eine Besonderheit der u.a. Schaltung besteht darin, dass sie mit einer einfachen 5-V-Spannungsversorgung auskommt. Gängige Verstärkerschaltungen benötigen meistens 12 V und auch mehr Leistung. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass das Signal zunächst um den Faktor 2 verstärkt wird und dann relativ niederohmig auf eine Verteilerschiene gelegt wird. Von der Verteilerschiene aus werden die Signale mit je einem Emitterfolger pro Ausgang hochohmig ausgekoppelt und mit etwa 75 Ohm auf den Ausgang gelegt. Die einzelnen Emitterfolger bewirken eine relativ gute Entkopplung der Ausgänge untereinander.
Die niedrige Betriebsspannung erfordert eine Regelung des Arbeitspunktes der Schaltung mit Hilfe einer Klemmschaltung. Ohne diese Maßnahme bestünde die Gefahr, dass der Verstärker in Abhängigkeit vom Bildinhalt in die Begrenzung gerät. Das Videosignal wird Eingangs- und Ausgangsseitig geklemmt. Die Dioden D1-D3 erzeugen an C1 eine Vorspannung von ca. 2 V. Diese Spannung wird über D4 der Basis von T1 zugeführt. Das Videosignal wird, nachdem es mit R2 mit dem Kabelwiderstand abgeschlossen wurde, über C2 auf die Basis von T1 eingekoppelt. D4 klemmt den unteren Pegel des Videosignales (Schwarzwert oder Sync-Pegel) an der Basis von T1 auf ca. 1,3 V fest. Damit ist sichergestellt, dass bei einem Videoeingangspegel von üblicherweise 1Vss die Eingangsspannung an der Basis von T1 immer in einem günstigen Arbeitsbereich von etwa 1,3... 2,3 V liegt.

Diskret aufgebauter VGA-Verteiler
Das Signal gelangt vom Emitter von T1 über den Widerstand R4 auf den Emitter des in Basisschaltung betriebenen T2. Dabei ergibt sich aus dem Verhältnis von R6 und R4 eine Spannungsverstärkung ohne Phasendrehung von etwas mehr als 2. Das verstärkte Signal wird dann mit T3 niederohmig der Verteilerschiene zugeführt. Um auch den Ausgang in einem optimalen Arbeitspunkt betreiben zu können, gibt es eine ausgangsseitige Klemmschaltung. Die Diode D5 klemmt den Schwarzpegel des Ausgangssignales auf den Elko C3. Kommt der Schwarzpegel dem Nullpegel zu nahe, sinkt die Basisspannung von T2, sodass sich der Arbeitspunkt von T3 wieder in positive Richtung verschiebt. Umgekehrt sinkt die Spannung an T3, wenn die Ausgangsspannung zu hoch wird. So bleibt der Arbeitspunkt von T3, unabhängig vom Bildinhalt, immer in einem günstigen Bereich, sodass auch die Emitterfolger in den Ausgangsmodulen einen genügend hohen Gleichspannungsanteil erhalten, um das Videosignal noch sauber und unverzerrt ausgeben zu können. Wenn sichergestellt ist, dass die nachfolgenden Videoeingänge einen Abschlusswiderstand von 75 Ohm haben, kann bei den Ausgangstreibern auf einen Arbeitswiderstand vom Emitter nach Masse verzichtet werden (wie im Bild zu sehen). Ansonsten sollte ein Arbeitswiderstand von z.B. 220 Ohm zusätzlich eingefügt werden. Die verwendeten Abschlusswiderstände an Ein- und Ausgängen berücksichtigen evtl. vorhandene Innenwiderstände der Schaltung. Zu den 82-Ohm-Widerständen liegt noch der Eingangswiderstand des Verstärkers parallel, sodass der tatsächliche Eingangswiderstand der Schaltung in Richtung 75 Ohm tendiert. Genauso addiert sich der Ausgangswiderstand der Ausgangstreiber zu den 68-Ohm-Widerständen, sodass man auch hier mit etwas Glück auf 75 Ohm kommt.

Video-Fernspeisung für Überwachungskameras
Videokameras befinden sich häufig weitab jeglicher Elektroinstallation. Zur Versorgung einer Videokamera und einer eventuellen LED-Beleuchtung muss aber i.d.R. Ein zusätzliches Netzteil an der Kamera angeschlossen werden. Auf dem Videokabel soll das Videosignal übertragen werden und dieses ist damit erstmal belegt. Man muss also ein weiteres Kabel zur Stromversorgung der Kamera parallel zum Videokabel verlegen. Dies ist eine umständliche Angelegenheit, insbesondere wenn es sich um eine nicht ortsfeste Verlegung handelt. Wünschenswert wäre da die gleichzeitige Übertragung von Videosignal und Stromversorgung über ein Koaxialkabel. Bewährt aber aufwändig ist die Modulation des Signales auf einen HF-Träger und Einkopplung der Stromversorgung über eine Drossel. Es ist allerdings auch möglich, Stromversorgung und Videosignal im Basisband ohne großen Aufwand parallel zu übertragen, wie die folgende Schaltung zeigt.

Video-Fernspeisung für Überwachungskameras
Im Prinzip sind bei dieser Schaltung einfach nur die Abschlusswiderstände für das Koaxialkabel R1 und R7 statt mit Masse mit der Versorgungsspannung verbunden. Das ist von der Anpassung des Wellenwiderstandes her unerheblich, da die Versorgungsspannungen beidseitig jeweils über C1 und C6 HF-mäßig gegen Masse kurzgeschlossen sind. Auf der Kameraseite wird das Videosignal mit T3, der als Stromquelle arbeitet, invertiert und hochohmig direkt auf die Versorgungsspannung moduliert.Ausgangsseitig wird das Signal mit T6 invertiert, sodass an R12 wieder das ursprüngliche Videosignal mit einer Impedanz von 75 Ohm zur Verfügung steht. Wie man an der Schaltung sieht, funktionioert die Sache in der Realität nicht ganz so einfach. Will man z.B. 100 mA zur Versorgung des Kameramodules über die Leitung übertragen, würden an R1 und R7 jeweils ca. 8 Volt abfallen und man müsste fast 30 Volt einspeisen, damit noch ca. 12 Volt am Kameramodul ankommen. Außerdem müsste die Versorgungsspannung sehr genau der tatsächlichen Stromaufnahme angepasst werden. Um mit einer moderaten und stabilen Versorgungsspannung auszukommen, ist den Abschlusswiderständen jeweils ein Transistor (T1u. T4) parallelgeschaltet, die als Konstantstromquellen arbeiten und deren Arbeitspunkte sich automatisch so einstellen, dass an den Abschlusswiderständen, unabhängig von dem Versorgungsstrom, im Mittel nur ca. 1 Volt abfallen.
Der Kollektorstrom von T1 wird durch die Spannung an C3 bestimmt. Diese wird mit T2 hochohmig ausgekoppelt und über R3 auf die Basis von T1 gegeben. Mit einer Spannung von 1,3...1,5V an C3 kann der Kollektorstrom von T1 von null bis zu mehreren 100 mA gesteuert werden. Sobald der Spannungsabfall an R1 größer als ca. 0,7V wird, erhöht sich der Kollektorstrom von T1, und wirkt dieser Erhöhung entgegen. Da T1 als Stromquelle agiert, bleibt der dynamische Abschlusswiderstand von R1 weitgehend erhalten. R1 und R7 wurden zur Kompensation parasitärer Parallelwiderstände etwas höher als 75 Ohm dimensioniert. Wird der Versorgungsspannung eine Wechselspannung überlagert, sorgt D1 dafür, dass der Minimalwert von 0,7Volt an R1, der dem Synchronpegel des Videosignales entspricht, gerade nicht unterschritten wird. Das Videosignal addiert sich dann zu diesem Minimalabfall, sodass die das Videosignal an R1 in einem Spannungsbereich von 0,7...1,7V einstellt.
In gleicher Weise arbeitet die Empfängerseite. Der Kollektorstrom von T4 stellt sich so ein, dass der minimale Spannungsabfall an R7 ca. 0,7 V beträgt. Der DC-Offset an R7 ist dann auch gerade groß genug, um den mit T6 aufgebauten Auskopplungsverstärker direkt anzusteuern. R10 ist so dimensioniert, dass an R12 im Leerlauf wieder das ursprüngliche Videosignal mit einer Amplitude von ca. 2 Vss mit einem Innenwiderstand von 75 Ohm zur Verfügung steht.
Vom Videoausgang der Kamera wird ein DC-Offset von ca. 1Volt und eine Signalamplitude von 2 Vss (unbelasteter Ausgang) vorausgesetzt, damit T3 richtig arbeiten kann.

© Jörg Rehrmann 2010

zurück