Bidirektionale Pegelanhebung ohne galvanische Trennung

[Hans D. (hansdampf06)]

Hallochen allerseits!

Ich habe ein kniffliges Problem, das ich nicht allein zu lösen vermag. 
Dazu sind mir mehrere Punkte unklar bzw. ich kann eine Reihe von Fragen 
nicht selbst sicher beantworten. Die nachfolgende Darstellung ist trotz 
der Komplexität hoffentlich nicht zu umfangreich.

Problemstellung :
Handy als USB-Gerät am Autoradio (Host): Laden und Datenzugriff -> 
grundsätzlich erkannt, aber keine Kommunikation und kein Laden.
USB-Spezifikation (vgl. http://en.wikipedia.org/wiki/USB): H-Pegel 2,8 V 
bis 3,6 V; Bitwert = Differenz aus D+ und D- = NRZI-Kodierung (konkret: 
NRZ-S) ;
Messung: UD+ = 2,81 V, Strom = 0,188 mA, Frequenz wechselnd 9,76 bis in 
Spitze > 16 kHz (Multimeter nur Anzeige für kHz);
Zwischenschaltung einfacher USB-Hub: UD+ = 2,86 V => Kommunikation 
läuft, aber kein Laden, da Hub ohne externen Stromanschluss
Anderes Handy am Radio: UD+ = 3,06 V => kommuniziert und lädt.
Autoradio, USB 2.0 kompatibel, liefert bis zu 1 A Ladestrom, was eine 
direkte Kommunikation erfordert, um mehr als 500 mA zu liefern; über 
einen Repeater / Hub geht das nicht.

Ziel also:
Anhebung von UD+ bei H-Pegel um mindestens 0,05 bis 0,1 V. Jedoch darf 
dies die bidirektionale Kommunikation und die komplexe Signalisierung 
auf D+ nicht behindern.

Deshalb scheiden nach meinem Verständnis unidirektional wirkende 
Pegelanhebungen (z.B. Verstärker etc.) sowie bidirektionale Varianten 
und sonstige Lösungsansätze mit galvanischer Trennungswirkung (z.B. 
diskreter Pegelumwandler) aus. Zudem sind bidirektionale Wandler-IC 
untauglich, weil entweder ein zusätzliches Steuersignal oder kurzzeitig 
ein hoher Strom zum Treiben der Eingänge benötigt wird.

Lösungsansatz:
Prinzipiell habe ich an einen Spannungsteiler oder „Pull-up-Widerstand“ 
gedacht, der den H-Pegel anhebt, aber nicht den L-Pegel. Erforderlich 
wäre somit ein „Funktionsfenster“, das oberhalb 1 V liegt. Wegen USB 2.0 
müsste ein Bruttodatendurchsatz von 12 Mbit/s (fullspeed) oder gar 480 
Mbit/s (highspeed) möglich sein.
Die beigefügte Skizze ist eine grundsätzliche Darstellung. Am Punkt A 
wäre noch ein „Schalter“ (z.B. Transistor, MOSFET; vgl. Detailzeichnung 
darunter) einzufügen, der das genannte Funktionsfenster abbildet. Der 
Spannungsregler [nur symbolisch dargestellt] generiert eine stabile 
Spannung (USR), z.B. 3,6 V. Der „Innenwiderstand“ des Radios und des 
Handys liegen parallel und bilden zusammen den Widerstand RL zwischen D+ 
und GND (sowie RB).
Im Ruhezustand (D+ auf L-Pegel / 0 V) trennt der „Schalter“ / 
Kondensator D+ von USR.
UD+ = H-Pegel und „Schalter“ offen: Kondensator lädt. RC, D1 und RL 
bilden jetzt einen Spannungsteiler. RC muss im Verhältnis zu RL so 
dimensioniert sein, dass die über RL abfallende Spannung den H-Pegel 
ausreichend anhebt. Zugleich muss der Ladestrom des Kondensators 
hinreichend begrenzt sein, um weder das Radio noch das Handy zu 
beschädigen.
Die gestrichelte Diode und Widerstand sollen sicherstellen, dass beim 
Wechsel von H auf L der C1 sehr schnell entladen wird, sobald der 
„Schalter“ geschlossen ist.
NRZI-Kodierung: Signalwechsel nur bei Null; sechs Bits mit EINS 
hintereinander => nach der fünften EINS eine Null eingefügt => 
Dimensionierung von C1: H-Pegel muss für mehr als fünf Perioden 
ausreichend angehoben werden, andernfalls H fehlerhaft zu L => 12 MHz 
(fullspeed; T = 83,3 ns): Dauer Pegelanhebung >> 416,5 ns (~ 0,42 µs).
„Schalter“: kein Optokoppler, weil Betriebsstroms im Bereich von 
mehreren mA höchstwahrscheinlich Radio und Handy unnötig belastet.
Transistor, npn-Typ (z.B. BC548B/C): wie Skizze -> RL = 
Emitterwiderstand; RC, D1, C1 = Collectorwiderstand. Pegel von D+ wirkt 
auf die Basis -> H = Öffnen, L = Schließen.

Fragen/Problempunkte:
Kann dieser Lösungsansatz überhaupt funktionieren? Oder ist das Problem 
so nicht lösbar? Welche Alternativen bestünden dann?

Bewirkt USR als parallele Spannungsquelle zu UD+ einen Ausgleichsstrom 
nach UD+? Könnte das Schäden beim Radio hervorrufen? Ab welchem 
zufließenden Strom?
Wie ließe sich der Innenwiderstand vom Radio ermitteln? Kann wegen der 
anzunehmenden signaltechnischen Anpassung von Sender und Empfänger mit 
den USB-Spezifikationen davon ausgegangen werden, dass beide 
Innenwiderstände nahezu identisch sind, grundsätzlich also Radio = 15 
kOhm?
RL könnte in diesem Sinne zwischen 7 bis 7,5 kOhm liegen. RC dürfte dann 
wohl bis zu 400 Ohm haben können, eher ein Stück weniger, um über eine 
Spannungsteilung die gewünschte Pegelanhebung zu erreichen?
Wie ist der Kondensator für die erforderliche Dauer der Pegelanhebung zu 
dimensionieren, >> 50 pF? Ist für tau = R * C die Summe von RC und RL 
oder doch nur RC einzusetzen?
Würde der Kondensator voll aufgeladen sein, beträgt die über ihm 
abfallende Spannung die Differenz zwischen USR und UD+ oder ist etwa von 
dieser Differenz noch die Durchlassspannung von D1 abzuziehen?
Wie groß müsste der gestrichelte Widerstand für das Entladen des 
Kondensators dimensioniert sein? Wären 100 Ohm in Ordnung? Kann die 
gestrichelte Diode weggelassen werden oder ist sie zwingend? Hat diese 
Diode wegen ihrer Durchlassspannung einen Einfluss auf die am 
Spannungsregler einzustellende Spannung USR (bzw. Differenz zwischen USR 
und UD+)?
Ist bei der Collector-Emitter-Strecke des „Schalter“ von einem 
Mindestspannungsabfall (= CE-Saturation-Voltage?; z.B. 0,3 V) auszugehen 
oder hängt der Spannungsabfall allein vom durchfließenden Kollektorstrom 
ab? Welcher Widerstandswert müsste dann angenommen werden? Bei den 
genannten Werten für RL und RC wäre bei USR = 3,6 V (ohne UD1) ein 
maximaler Kollektorstrom von rund 0,5 mA annehmbar: Kann dann das Öffnen 
und Schließen überhaupt noch sicher betrieben werden oder ist das 
bereits zu wenig, weil der Spannungsabfall oder der Strom zu klein wäre?
Ist für die drei Dioden zwischen Emitter und Basis ein 
Mindestdurchlassstrom zugrunde zu legen und wie hoch wäre der dann (im 
Datenblatt bei http://www.conrad.de steht dazu nichts; IF > Isperr?)? Ab 
welchem Wert von UD+ steuert der „Schalter“ durch, ab 2,1 V? Oder ist 
die Ansteuerung der Basis ganz anders zu gestalten?
Muss der durch die drei Dioden fließende Strom mit einem bestimmten 
Faktor zum Basisstrom bemessen werden (z.B. 3…10) oder ist das relativ 
egal?
Wie wirkt sich die Stromgegenkopplung durch RL und RB auf das 
Schaltverhalten aus?
Sollte für ein besseres Schaltverhalten zwischen Collector und Basis 
eine Diode in Sperrrichtung eingesetzt werden?
Ist diese „Schalter“-Variante als Basisschaltung anzusehen? Ist dann ein 
Schwingen des „Schalters“ zu besorgen?
Ist die Verwendung eines MOSFET für diesen Anwendungsfall besser als die 
eines bipolaren Transistors? Wie müsste die Ansteuerung des Gates dann 
aussehen, genauso? Welcher Typ wäre geeignet.
Welche zusätzlichen Bauelemente (Freilaufdiode etc.) müssten mit welchen 
Wirkungen vorgesehen werden? Wäre es sinnvoll gleichsam C1 einen zweiten 
Kondensator in die Ansteuerung der Basis zu integrieren?
Wie wird das Signalverhalten/-bild (Laufzeit, Flanken etc.) auf D+ 
verändert?

Gruß H.D.