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Schaltungsanordnung zur Dämpfung bzw. Entdämpfung von
Zweidrahtleitungen
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B.Das Verstärkungsmass, das erzielbar ist, ohne dass unerwünschte Schwingungen auftreten, ist dabei umso höher, je höher die Echodämpfung in dem betreffenden Übertragungssystem ist. Dies setzt weitestgehend reflektionsfreie teitungsstossstellen voraus ; es muss der Wellenwiderstand des NLT-Verstärkers möglichst gleich dem Wellenwiderstand der angeschlossenen Leitung gemacht werden.
Eine Veränderung der Ver- stärkereinstellungjstnicht ohne weiteresmöglich ; vielmehr muss dazu sowohl der negative Längswiderstand als auch der negative Querleitwert verändert werden, wobei aber eine bestimmte gegenseitige Abhängigkeit zwischen beiden beachtet werden muss, um die ursprünglichen Anpassungsverhältnisse möglichst aufrecht zu erhalten. Bei Anwendung der bekannten Massnahmen werden jedenfalls je nach dem bereits vorhandenen Dämpfungsmass einer Leitung unterschiedliche'Dämpfungsausgleichsschaltungen verwendet, je nachdem, ob eine zusätzliche Dämpfung oder eine Entdämpfung erzielt werden soll..
Die Erfindung geht nun einen ganz andern Weg, um mit ein und derselben Schaltungsanordnung je nach den Erfordernissen entweder eine Dämpfung oder eine Entdämpfung einer Zweidrahtleitung vornehmen zu können. Die Erfindung betrifft somit eine Schaltungsanordnung zur Dämpfung bzw. Entdämpfung von Zweidrahtleitungen ; diese Schaltungsanordnung ist gekennzeichnet durch zwei in die Zweidrahtleitung in Serie eingefügte, zu gegeneinander versetzten Zeitpunkten periodisch impulsweise betätigte Schalter, an deren Verbindungspunkt ein Energiespeicher mit einer entsprechend der gewünschten Dämpfung bzw.
Entdämpfung einzustellenden Zeitkonstante angeschlossen ist. Die Erfindung gestattet es, bei einer Zweidrahtleitung entweder eine Entdämpfung oder aber eine zusätzliche Dämpfung zu erzielen, ohne dass sich am Aufbau der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung irgend etwas zu ändern hätte.
Es genügt vielmehr lediglich, mit Hilfe eines geeigneten Steuersignals die Zeitkonstante des in der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung enthaltenen Energiespeichers, d. h. die Zeitkonstante, die für die Schnelligkeit der Abnahme bzw. des Anwachsens von im Speicher gespeicherter Signalenergie massgebend ist, zu verändern, um entweder bei mehr oder weniger grosser positiver Zeitkonstante eine grössere oder kleinere Dämpfung
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Änderung des Dämpfungs- bzw. Verstärkungsmasses vornehmen zu können, ohne dass dies einen störenden Einfluss auf die Anpassungsverhältnisse im betreffenden Übertragungssystem hätte.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist insbesondere dort von Vorteil, wo die über die Leitung, bei der die Dämpfung bzw. Entdämpfung erzielt werden soll, von den beiden Endstellen her jeweils zu der andern Endstelle hin zu übertragenden Signale bereits in pulsamplitudenmodulierter Form vorliegen, so dass sie jeweils gerade zum Schliessungszeitpunkt eines der beiden Schalter über diesen hinweg dem Energiespeicher zugeführt werden und zum Schliessungszeitpunkt des jeweils andern der beiden Schalter abgegeben und weiter übertragen werden. Dies ist z.
B. bei Zeitmultiplex-Fernsprechvermittlungssystemen der Fall, deren Anschlussleitungen zeitlich gegeneinander versetzt jeweils mit Hilfe von Zeitkanalschaltern periodisch impulsweise an eine Zweidraht-Multiplexschiene anschaltbar sind, die mit einem Koppelnetzwerk verbunden ist, über das Verbindungen einer Anschlussleitung des Zeitmultiplex-Vermittlungs- systems mit einer andern Anschlussleitung sowohl desselben als auch eines andern Vermittlungssystems geführt werden. Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist jedoch nicht an eine solche Voraussetzung gebunden ; sie kann vielmehr mit Vorteil auch dann angewendet werden, wenn die über die Leitung zu übertragenden Signale nicht zuvor einer Impulsfolge aufmoduliert worden sind.
Da die in der erfindungs- gemässen Schaltungsanordnung enthaltenen Schalter jeweils nur impulsweise geschlossen werden, während : ler Öffnungszeiten aber keine Energie über die Schalter übertragen werden kann, ist es dabei im letzteren Fall zweckmässig, besondere Massnahmen zu treffen, um eine Beeinträchtigung der Energieübertragung zu vermeiden. Auf derartige Massnahmen wird im folgenden bei der näheren Erläuterung der Erfindung an Hand der Zeichnung eingegangen werden.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung zur Dämpfung bzw. Entdämpfung einer Zweidrahtleitung dargestellt, bei der der Energiespeicher mit einer in Abhängigkeit von einem Steuersignal veränderbaren Zeitkonstante durch einen Parallelschwingkreis mit dem Kondensator C und der Spu- . e L gebildet ist, der einen durch das Steuersignal gesteuerten Parallelwiderstand R aufweist. Dieser Parallelschwingkreis ist an den Verbindungspunkt der beiden in die Zweidrahtleitung 1, 2 in Serie eingefüg- en Schalter ZS'und ZS" angeschlossen. Die Schalter ZS' und ZS" können dabei als elektronische Schal- : erausgebildetsein.
Der Parallelschwingkreis ist auf eine Eigenfrequenz abgestimmt, die gleichderSchalt- requenz, mit der diebeiden Schalter ZS'und ZS"zeitlich gleichmässig gegeneinander versetzt geschlos- en werden, oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz ist. Der Parallelwiderstand R ist n Abhängigkeit von einem Steuersignal so steuerbar, dass sein Widerstandswert positiv, unendlich oder legativist. Hiezu kann der Parallelwiderstand R durch einen ohmschen Widerstand und einen parallel da-
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;schen dem Verbindungspunkt der beiden Schalter ZS'und ZS" und den den Energiespeicher bildenden
Schwingkreis L, C, R eingefügt.
Diese Induktivität 1 wirkt, gegebenenfalls zusammen mit den Schalt- elementen eines vorstehend erläuterten Reaktanznetzwerkes, dahingehend, dass beim Schliessen eines Schalters, wie des Schalters ZS', die im Energiespeicher L, C der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ge- speicherte Signalenergie vollständig auf die eine Seite der Zweidrahtleitung, gegebenenfalls also zunächst in den dort als Speicherkondensator wirkenden Kondensator c bzw. umgekehrt übertragen wird. Um die gewünschte vollständige Energieübertragung zu erreichen, ist der aus der genannten Spule mit der Längs- induktivität 1 und dem Energiespeicher L, C gebildete Schwingkreis so abzustimmen, dass seine Eigenschwingungsperiodedoppeltsolang ist wie die jeweilige Schliessungsdauer t eines Schalters ZS'bzw. ZS".
Hiebei kann der durch einen Parallelschwingkreis L, C gebildete Energiespeicher als kapazitiv komplexer Scheinwiderstand betrachtet werden, da seine Eigenfrequenz auf die Schaltfrequenz der Schalter ZS'und ZS"abgestimmt ist, die Schaltperiodendauer T aber grösser als die jeweilige Schaltdauer t der Schalter ZS' und ZS" ist. Durch diese dem Energiespeicher L, C der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung vorgeschaltete Induktivität 1 wird dann bei entsprechender Anpassung an die angeschlossene Leitung gegebenenfalls im Zusammenwirken mit einem Schalter zugeordneten Reaktanznetzwerk praktisch eine dämpfungsfreie Übertragung von von einer Seite der Zweidrahtleitung her zugeführter Signalenergie in den Energiespeicher und von gespeicherter Signalenergie zur andern.
Seite der Zweidrahtleitung hin-abgesehen von Verlusten in den Schaltern ZS'und ZS", worauf unten noch eingegangen wird-erreicht.
Für die bisherige Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemässen Schaltungsanordnung wurde zunächst nur die Übertragung der Signalenergie von der einen Seite 1 der Zweidrahtleitung zur andern Seite 2 hin betrachtet. Die hiezu gegebenen Erläuterungen gelten wegen des symmetrischen Aufbaues der Schaltungsanordnung analog aber auch für die Übertragung von Signalenergie in der umgekehrten Richtung, d. h. von der Seite 2 zur Seite 1 der Zweidrahtleitung. Hiebei wird, wie der Fig. 2b zu entnehmen ist, zur Phase p", zu der der Schalter ZS"impulsweise geschlossen wird, Signalenergie von der Seite 2 der Zweidrahtleitung her in den Schwingkreis L, C übertragen, wodurch wieder eine Schwingung im Schwingkreis angeregt wird.
Diese Schwingung verläuft wieder entsprechend dem den Widerstand R steuernden Steuersignal gedämpft oder ungedämpft oder schaukelt sich sogar auf. Zur Phase p'wird dann der Schalter ZS'impulsweise geschlossen, wobei die zu diesem Zeitpunkt im Schwingkreis gerade gespeicherte Energie über den Schalter ZS'zur Seite 1 der Zweidrahtleitung, gegebenenfalls also zunächst in den Speicherkondensator c des dem Schalter ZS'zugeordneten Reaktanznetzwerkes, übertragen wird.
Wie aus den Fig. 2a und 2b hervorgeht, ist, wenn nur in einer Richtung Signalenergie über die Zweidrahtleitung übertragen wird, im Schwingkreis L, C jeweils nur während einer Hälfte der Schaltperiode der Schalter ZS'und ZS"Energie gespeichert, da nach einer Einspeicherung von Signalenergie über einen der beiden Schalter nach einer halben Schaltperiode der jeweils andere Schalter impulsweise geschlos- sen wird, wobei der Schwingkreis die dann gerade gespeicherte Energie über diesen Schalter abgibt und für die nächste halbe Schaltperiode praktisch energielos bleibt.
Wird nun in beiden Richtungen Signalenergie über die Zweidrahtleitung übertragen, so kommt es beim Schliessen eines Schalters nicht nur zur Übertragung von Signalenergie von einer Leitungsseite inden Energiespeicher oder umgekehrt vom Energiespeicher zu einer Seite der Zweidrahtleitung, sondern es findet jeweils ein Austausch von Signalenergie zwischen dem Energiespeicher, d. h. dem Schwingkreis L, C und der betreffenden Seite der Zweidraht-
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den Fig. 2a und 2b dargestellten Spannungsverläufe ; er ist der Einfachheit halber nur für eine der Kurven (R = ci) dargestellt. Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung wirkt damit wegen ihres symmetrischen
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welches den Signalspannungspegel um das Dämpfungsmass a=T/2. r =T/4RC herabsetzt.
Hierin ist T die Schaltperiode, mit der ein Schalter ZS'bzw. ZS"impulsweise geschlossen wird, während r = 2RC die jeweilige. Zeitkonstante des Schwingkreises ist.
Dabei kann, wie gesagt, das Dämpfungsmass auch negativ sein, nämlich dann, wenn dsr Schwing- kreis mit Hilfe eines negativen Parallelwiderstandes entdämpft wird. Der negative Parallelwiderstand kann
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dabei durch eine rückgekoppelte Verstärkerschaltung mit einem Transistor gebildet sein, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich wird. Der Transistor Tr wird dabei durch das über die Leitung S zugeführte Steuersignal in seinem Arbeitspunkt gesteuert, wobei sich die Steilheit des Transistors ändert.
Damit ändert sich aber auch der Grad der Entdämpfung des Schwingkreises, denn der parallel zum ohmschen Widerstand W auftretende negative Widerstand hat den Betrag
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mit iC der Kollektorstrom des Transistors bezeichnet ist, ü das Übersetzungsverhältnis des in gleicher Weise bezeichneten Übertragers ist und S schliesslich die Steilheit des Transistors darstellt.
Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemässe Schaltungsanordnung besitzt demzufolge ein Dämpfungsmass
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um das sie den Signalspannungspegel der jeweils über die Zweidrahtleitung zu übertragenden Signale ver- ändert. Dabei kann das Dämpfungsmass je nach dem gewählten Arbeitspunkt des Transistors positiv oder negativ sein, wobei die durch die Steuerung des Arbeitspunktes des Transistors vorgenommene Änderung des Vorzeichens oder des Betrages des parallel zum Schwingkreis geschalteten Widerstandes R (vgl. Fig. 1) ohne störenden Einfluss auf die Anpassungsverhältnisse in dem betreffenden Übertragungssystem ist.
Bei der im vorstehend beschriebenen erfindungsgemässen Schaltungsanordnung nimmt der Energiespeicher, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit vom Steuersignal veränderbar ist, zum Schliessungszeitpunkt eines Schalters jeweils die ganze von dort her angebotene Signalenergie auf. Durch die erfindungs- gemässeSchaltungsanordnungwerdendaher keine Reflexionen in der Zweidrahtleitung hervorgerufen. Dies ist insofern von besonderem Vorteil, als dadurch eine hohe Rückhördämpfung in dem die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung enthaltenden Übertragungssystem erreichbar ist, die bei den bekannten Dämpfung- ausgleichsschaltungen nur schwer und mit grossem Aufwand zu erzielen wäre.
Zur Verbesserung der Übertragung von Signalenergie über die Schalter ZS'und ZS"der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung kann es unter Umständen zweckmässig sein, bei Erhaltung der Q. lerkapazi- tät Cl bzw. c 2 des bei einem Schalter ZS'bzw. ZS"vorgesehenen Reaktanznetzwerkes in ihrer ursprünglichen Grösse die zum Schalter ZS'bzw. ZS"hinführende Spule mit der Längsinduktivität 11 I bzw. 12 durch ein die Querkapazität mit enthaltendes impulsformendes Reaktanznetzwerk zu ersetzen, welches dem über den Schalter jeweils übertragenen Stromimpuls anstatt einer sinusförmigen eine angenähert rechteckförmige Gestalt gibt.
Hiedurch kann die Strombelastung des betreffenden Schalters herabgesetzt und damit die Übertragung der Signalenergie erleichtert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, da als Schalter ZS' und ZS"bei entsprechender Schaltgeschwindigkeit und Schalthäufigkeit zweckmässigerweise elektronische Kontakte verwendet werden. Bei elektronischen Kontakten, die mit Hilfe von Dioden oder Transistoren aufgebaut sind, ist der auftretende Spitzenstrom für die Bemessung der Bauelemente von ausschlaggebender Bedeutung. Je höher der Spitzenstrom ist, umso teurere Bauelemente müssen verwendet werden.
Es kann sogar der Fall eintreten, dass bei zu hohem Spitzenstrom geeignete Bauelemente überhaupt nicht zur Verfügung stehen. Da bei denhierinprage kommenden Schaltern die Übertragung der Energie auf einen verhältnismässig sehr kurzen Zeitraum zusammengedrängt wird, nämlich auf die sehr kurze Schlie- ssungszeit t der Schalter ZS'und ZS", treten in der Schaltstrecke verhältnismässig hohe Ströme auf. Sie können die mehrhundertfache Stärke des sonst in der Zweidrahtleitung fliessenden Stromes haben.
Bei Verwendung solcher impulsformender Reaktanznetzwerke kann man nun eine Herabsetzung der Spitzenstromstärke erreichen, wobei die über die Kontakte übertragenen Siromimpulseeine angenähert rechteckförmige Gestalt an Stelle einer sinusförmigen Gestalt, die sie ohne das Vorhandensein der impulsformenden Reaktanznetzwerke hätten, erhalten. Beim Auftreten des rechteckförmigen Stromimpulses ist die maximale Stromstärke wesentlich niedriger als beim Auftreten eines sinusförmigen Stromimpulses, wenn durch solche Impulse in der gleichen Zeitspanne jeweils die gleiche Signalenergie über die Schaltstrecke übertragen wird. Ein solcher angenähert rechteckiger Impuls wird nun durch Verwendung der impulsformenden Reaktanznetzwerke erzielt. Es kann dabei die maximale Stromstärke um über 35% herabgesetzt werden.
Hiebei ergibt sich im übrigen noch der weitere Vorteil, dass zugleich auch die bei der
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wird. Die Schaltstrecke eines elektronischen Kontaktes hat nämlich auch im durchgeschalteten Zustand noch einen gewissen ohmschen Widerstand. Es wird daher an der Schaltstrecke ein Teil der eigentlich zu übertragenden Energie in Wärme umgesetzt ; es treten also bei der Übertragung gewisse Energieverluste auf.
Da die in Wärme umgesetzte Energie bei konstantem Widerstand proportional dem Quadrat der Stromstärkeist, wird durch Herabsetzung der maximalen Stromstärke auch eine Herabsetzung der Verluste und damit der durch den Schalter verursachten Betriebsdämpfung erreicht. Die Betriebsdämpfung lässt sich über 15% herabsetzen.
Die Ersetzung der zum Schalter hinführenden Spule durch ein impulsformendes Reaktanznetzwerk darf natürlich die wesentlichen Eigenschaften des Tiefpasses, nämlich dessen festgelegte Grenzfrequenz und dessen an die angeschlossene Leitung angepassten Wellenwiderstand, nicht verändern. Es ist deshalb auch vorgesehen, dass die Kapazität c in ihrer ursprünglichen Grösse zu erhalten ist. Bei Beachtung dieser Vorschrift ergibt es sich, dass die in Betracht kommenden Eigenschaften des Tiefpasses durch den Eingriff in die Schaltung nicht verändert werden.
Ein solches impulsformendes Reaktanznetzwerk kann z. B. aus einzelnen, quer zu der Zweidrahtleitungliegenden, verschiedenen Reihenschwingkreisen bestehen, deren Eigenschwingungen jeweils eine Periode PT1, PT2, PT3... haben, die doppelt so lang wie ungerade Bruchteile der Schliessungsdauer t eines Schalters ZS'bzw. ZS"sind, so dass die aufeinanderfolgenden Reihenschwingkreise in Richtung vom Tief-
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PT2 = 2t/3, PT3 = 2t/5 usw. haben ; die Querkapazität c ist dabei auf die Kondensatoren dieser Reihenschwingkreiseinder Weise verteilt, dass die sich ergebenden Teilkapazitäten sich zueinander wie die Quadrateder Eigenschwingungsperioden der zugehörigen Reihenschwingkreise verhalten. Statt dessen kann natürlich auch ein hiezu äquivalentes Netzwerk verwendet werden. So kann z.
B. das impulsformende Reaktanznetzwerk aus dem Schalter ZS'bzw. ZS"vorgeschalteten Parallelschwingkreisen, einer vorgeschalteten Spule und dem ursprünglichen Speicherkondensator mit unveränderter Kapazität c bestehen, wobei dieses impulsformende Reaktanznetzwerk als zu dem ersteren äquivalentes Netzwerk dimensioniert sein kann. Es dürfte sich erübrigen, an dieser Stelle noch weitere Einzelheiten über derartige impulsformende Reaktanznetzwerke anzugeben, zumal die Verwendung solcher impulsformender Netzwerkean sich bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden ist.
PATENTANSPRÜCHE :
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