AT398016B - Schaltungsanordnung zur übertragung von signalen mit übertragerkopplung und dynamisch erzeugter ausgangsimpedanz - Google Patents

Description

AT 398 016 B

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen, mit Übertragerkopplung und dynamisch erzeugter Ausgangsimpedanz.

In Telefonschaltungen ist es oft notwendig, die Sprechadem a, b durch Transformatoren galvanisch von aktiven Schaltungen zu trennen, um die Störsicherheit zu erhöhen. Soll die Sprechschaltung eine bestimm-s te Impedanz Zo, die durch Wert und Toleranz (zulässige Reflexionsdämpfung) festgelegt ist, aufweisen, so wirkt dieser Übertrager störend, da sein Magnetisierungsstrom die Impedanz verfälscht.

Beispielsweise müßte für Zo = 600 Ohm bei einer zulässigen Fehlerdämpfung von mindestens 20 dB, was einer praktischen Anforderung entspricht, die Gegeninduktivität 1 H betragen.

Soll der Übertrager zusätzlich Gleichstromvormagnetisierung verkraften, und zwar für den Schleifens-10 trom auf den a/b Adern, so kann eine Induktivität von 1 H nicht wirtschaftlich realisiert werden, da der Übertrager zu groß und zu teuer würde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, durch zusätzliche Schaltungsmaßnahmen trotz kleinem Übertrager die hohe Fehlerdämpfung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die Sekundärwicklung des Übertragers 15 eine steuerbare Spannungsquelle angeschaltet ist, deren Steuerung von einem Verstärker bewirkt wird, dessen Verstärkungsfaktor der mit einem konstanten Faktor multiplizierten gewünschten Ausgangsimpedanz entspricht und dessen Eingangssignal mittels eines Stromwandlers aus dem Signalstrom auf der Primärseite des Übertragers abgeleitet wird.

Bei dieser Schaltungsanordnung wird der erforderliche Magnetsierungsstrom durch eine gesteuerte 20 Quelle aufgebracht. Dabei wird die Impedanz auf der Primärseite durch die Wahl des Verstärkungsfaktors des Verstärkers bestimmt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite des Übertragers zwei galvanisch getrennte Wicklungen aufweist und daß an die eine Sekundärwicklung eine steuerbare Stromquelle angeschaltet ist, deren Steuerung vom Ausgangssignal eines Summierverstärkers bewirkt wird, 25 der die Summe bildet von der Ausgangsspannung des Verstärkers, dessen Eingangssignal mittels eines Stromwandlers aus dem Signalstrom der Primärseite des Übertragers abgeleitet wird, und einer Spannung, die an der zweiten Sekundärwicklung entsteht und über eine RC-Serienschaltung dem Summierverstärker zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers steuert somit die Stromquelle, die den gesamten Magnetisierungsstrom für den Übertrager aufbringt. Da die Eingangsimpedanz durch die Wahl 30 des Verstärkungsfaktors, des Übertragungsverhältnisses des Übertragers und von den Widerständen am Eingang des Summierverstärkers bestimmt wird, kann bei dieser Schaltungsanordnung jede beliebige Eingangsimpedanz realisiert werden. Die differenzgesteuerte Stromquelle erfordert zwar einen etwas höheren Schaltungsaufwand, hat aber den erheblichen Vorteil, daß der Übertrager wesentlich kleiner sein kann und daß als Störgrößen nur die primärseitigen Übertrager-Elemente wie Wicklungswiderstand und Streuin-35 duktivität auftreten können. Obwohl beispielsweise die Induktivität nur 0,1 H beträgt, lassen sich Reflexionsdämpfungen über 30 dB erreichen, was einer ausgezeichneten Anpassung entspricht. ln einer Weiterbildung der Erfindung ist der Stromwandler als Übertrager ausgeführt, der an der Sekundärseite eine Spannung liefert, die dem Primärstrom und der Signalfrequenz proportional ist, und der Verstärker enthält eine Entzerrerschaltung, wobei der Verstärkungsfaktor so gewählt ist, daß in der 40 resultierenden Ausgangsspannung die Frequenzabhängigkeit des Signales beseitigt ist und diese nur proportional dem Primärstrom ist. Der Übertrager dient zur galvanischen Trennung und kann mit hinreichend kleinen Toleranzen gefertigt werden, sodaß keine Abgleichmaßnahmen in der Schaltung notwendig sind.

Soll die Schaltungsanordnung zur bidirektionalen Übertragung von Signalen verwendet werden, so wird 45 nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das aus der Zweidrahtleitung empfangene Signal an der zweiten Sekundärwicklung des Übertragers abgeleitet und das in die Zweidrahtleitung zu sendende Signal dem Summierverstärker zugeführt.

Dabei kann nach einer Weiterbildung der Erfindung in an sich bekannter Weise zur Richtungstrennung ein zweiter Summierverstärker verwendet werden, dem über einen Widerstand die Empfangs-Signalspan-50 nung und über einen Vierpol die Sende-Signalspannung zugeführt werden, wobei der Vierpol so ausgelegt ist daß bei Abschluß der Klemmen a und b mit einer vorgegebenen Impedanz die Empfangs-Spannung keine Anteile mehr von der Sendesignalspannung enthält. Eine derartige Schaltungsanordnung bildet eine Zweidraht-Vierdraht-Gabeischaltung, bei der auf der Vierdrahtseite das Empfangssignal keinen Anteil aus dem Sendesignal mehr enthält 55 Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels, das in der Zeichnung gezeigt ist näher erläutert Dabei zeigt die Fig. 1 das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Übertragungsschaltung, Fig. 2 das Ersatzschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer differenzgesteuerten Stromquelle, Fig. 4 das entsprechende Ersatzschaltbild dazu und Fig. 5 eine vorteilhaf- 2

AT398 016B te Stromwandlerschaltung für die erfindungsgemäße Übertragerschaltung.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Übertragungsschaltung mit einer stromgesteuerten Spannungsquelle. Der Übertrager UE1 ist mit seiner Primärwicklung W1 an die Zweidrahtleitung a, b angeschlossen und wird vom Schleifenstrom Io durchflossen, wobei an den a-b-Adem die Spannung Uo anliegt. Die Eingangsimpedanz der Anordnung ist mit Zin definiert. Die Sekundärwicklung W2 des Übertragers liegt parallel zu einer stromgesteuerten Spannungsquelle G, die an die Sekundärwicklung die Spannung U2 anlegt, sodaß die Wicklung W2 vom Sekundärstrom I2 durchflossen ist. Die Spannungsquelle G wird von einem Verstärker V1,der in Verbindung mit dem Stromwandler S den Verstärkungsfaktor z hat, gesteuert, wobei der Stromwandler im Primärkreis des Übertragers UE1 liegt und ein dem Strom Io proportionales Signal liefert. Das Übertragungsverhältnis ü ist definiert als das Verhältnis von Sekundärwicklung W2 zur Primärwicklung W1.

Daraus lassen sich folgende Beziehungen ableiten: U1 = U2 = z.lo [1] U2 = Uo. ü [2]

Aus beiden Beziehungen folgt: z.lo

Uo ..... [3] ü

Die Eingangsimpedanz ist dann

Uo z

Zin ..... [4]

Io ü

Die Impedanz der Zweidrahtseite a/b wird durch die Wahl von z bestimmt. Der Magnetisierungsstrom Im des Übertragers wird von U2 aufgebracht und erscheint nicht im Zweidrahtweg: - 10 12 = + Im [5] ü

Aus Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild für die in Fig. 1 gezeigte Schaltung ersichtlich. Dabei ist vereinfachend das Übertragungsverhältnis ü gleich 1 gewählt. Somit ist in diesem Beispiel I2 = Im - Io [6] und damit

Zin = z

Der Gleichstromwiderstand Reu und die Streuinduktivität Ls des Übertragers liegen in Serie zur Impedanz als Fehlerquelle. Dies kann durch geeignete Wahl des Verstärkungsfaktors z vermieden werden. z = Zin - (Reu + j.<a.Ls) [71

In der Fig. 3 ist eine Übertragungsschaltung dargestellt, die eine differenzgesteuerte Stromquelle Q auf der Sekundärseite verwendet.

Am Ausgang des Verstärkers V1 steht die Spannung U1 zur Verfügung, die dem mit dem Impedanzfaktor z multiplizierten Signalstrom Io entspricht. Dem Summierverstärker V2 wird über den Widerstand Rl die 3

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Spannung U1 und über das RC-Glied C1, R2 die Spannung U22, die an einer zweiten Sekundärwicklung W22 entsteht, zugeführt, wobei gilt: U22 = Uo.ü [8] 5 U1 = - z.lo [9] Am Ausgang des Summierverstärkers V2 entsteht das Differenzsignal U3, das zur Steuerung des Stromes I2 aus der Stromquelle Q verwendet wird. io Wird der Strom Io von außen eingeprägt und ist die Spannung Uo durch Uo = Zin.lo [10] gegeben, so entspricht I2 dem benötigten Blindstrom Im aus Fig. 2: 15

Uo 12 = ------ j.ω.LI.ü 20 mit L1 als Induktivität des Übertragers an der Wicklung W1. Bei gegebenem Konversionsfaktor Rq der gesteuerten Stromquelle Q gilt [11] üo U3 » Rq. 12 ---------.Rq j .to.Ll.ü [12] U3 ergibt sich wegen des Verstärkers V2 zu: 30 U3 U22 ül j.ü.Uo.co.Cl -z.lo 1 R3 R2+ ---- RI l+j.tt.R2.Cl RI 35 j.e.Cl [13]

Aus [12] und [13] folgt

Uo Rq j.tt.ü.Cl.Uo Io j.tt.Ll.ü R3 l+j.tt.R2.Cl RI 45

Rq 1 j.w.ü.Cl.(l-j.tt.R2.Cl) Io R3 j.o.ü.Ll 1+cö2.R22.C12 RI 50 üo Rq 1 j.tt.ü.Cl — . . -----— +------ + Io R3 tt.ü.L I+»2.R22.C12 «2.Ü.R2.C12 z 1+ä2 , R2.2 .Cl2 RI [14] 4 55

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Liegt die Grenzfrequenz 1 tag ----- R2.C1 unterhalb des Betriebsfrequenzbandes, wird 1 gegen a2R22C12 vernachlässigbar und damit folgt:

Uo Rq 1 ü ü -- , (-j — . + j--------+ — Io R3 co.ü.L (0.R22 .CI R2 z RI [15]

Blindanteil

Nach Kompensation des Blindanteiles ist

üo z R2 IO ü RI

Zin [16]

Die Eingangsimpedanz Zin der Schaltung ist daher bestimmt durch die Wahl von z, ü, R2 und R1. Es können somit beliebige Eingangsimpedanzen realisiert werden.

Aus der Kompensationsbedingung ergibt sich der Wert für den Kompensationskondensator C1 zu: R3.L.Ü2 CI = -------- R22.Rq [17]

Durch die Wahl von z kann eine beliebige Eingangsimpedanz Zin^realisiert werden, und es ergibt sich ein Ersatzschaltbild der Anordnung, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Der primärseitige Kupferwiderstand Reu und die primärseitige Streuinduktivität Ls verfälschen die Impedanz. z.R2

Zin -----+ Reu + j .©.Ls Ü.R1 [181

In der Praxis ist es zweckmäßig und auch einfach durchführbar, von der Soll-Impedanz Zo den Kupferwiderstand Reu zu subtrahieren, wodurch Zin nur durch Ls gestört wird. Die Streuinduktivität kann durch wickeltechnische Maßnahmen entsprechend gering gehalten werden.

In Fig. 5 ist eine vorteilhafte Variante einer Stramwandlerschaltung S aus Fig. 1 bzw. 3 gezeigt. Der Stromwandler hat die Aufgabe, einen in einer Signaileitung fließenden Signalstrom galvanisch getrennt in einer Schaltung auszuwerten und eine Ausgangsspannung exakt proportional zum Strom zu liefern.

Zur galvanischen Trennung dient ein Übertrager. Dieser kann mit hinreichend kleinen Toleranzen gefertigt werden, ohne daß Abgleichmaßnahmen in der Schaltung notwendig sind. Da dieser Übertrager im Signalweg liegt, muß der Spannungsabfall an ihm möglichst gering sein, weil er sonst die Impedanz zu sehr verfälscht. Bei einer Sollimpedanz Zo von 600 Ohm reell ergibt beispielsweise eine Blindkomponente Xmax der Impedanz von 30 Ohm (5%) noch eine Reflexionsdämpfung von 32 dB. Daraus läßt sich mit der höchsten Betriebsfrequenz «max die für UE2 zu wählende primäre Maximaünduktivität Lmax ermitteln: 5

[19] AT 398 016 B

Xmax

Lmax = ---- amax

Wird der Stromwandlerübertrager UE2 primärseitig von einem Signalstrom Io durchflossen, so fällt an der Primärseite die Spannung Up ab, wobei die gegebene primäre Maximalinduktivität Lmax wirksam ist:

Up = j.^.Io.Lmax [20]

Der Spannungsabfall am Gleichstromwiderstand des Übertragers ist magnetisch nicht wirksam und wird hier nicht berücksichtigt. Der Übertrager übersetzt die Spannung mit dem Übersetzungsverhältnis 1:ü:

Us = Up.ü = j.«>.ü.lo.Lmax [21]

Die Sekundärspannung Us ist proportional der Frequenz ω und dem Signalstrom Io, wobei noch zusätzlich 904 Phasenverschiebung auftreten.

Um die Frequenzabhängigkeit zu beseitigen, muß eine Entzerrerschaltung nachgeschaltet werden. Am besten eignet sich dazu eine Integratorschaltung in Form eines RC-Gliedes R7 und C2.

Die endgültige Stromwandlerschaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Übertragungsfunktion des Integrators ist durch 1

Ul - -US --------- [22] [23] j.a.R7.C2 gegeben. Aus [21 ] ist Us bekannt, somit ist j.a.ü.Lmax.Io ü.Lmax j. w. R7 < C2 R7. C2

Der Konversionsfaktor z der Stromwandlerschaltung ist definiert durch U1 = - z.lo [24]

Setzt man [23] und [24] gleich, so folgt daraus z ü.LmaxR7.C2 [25] ln der Praxis muß zu C2 ein hochohmiger Widerstand R8 parallel geschaltet werden, um die Stabilität des Arbeitspunktes des Operationsverstärkers V1 zu gewährleisten.

Der Übertrager muß praktisch im Leerlauf arbeiten (keine Belastung), was erreicht wird durch: R7»ü>max . ü2. Lmax [26]

Die erwähnten aktiven Schaltungen können zur Richtungstrennung als Teil einer Gabelschaltung eingesetzt werden. Dabei werden erdsymmetrische, auf einem Adempaar a, b geführte bidirektionale Signale in erdbezogene gerichtete Signale Ue, Us umgewandelt. 6

Claims (5)

1. AT 398 016 B Am Beispiel der differenzgesteuerten Stromquelle wird die Realisierung einer Gabelschaltung in Fig. 3 gezeigt. Wird eine Sendespannung Us über den Widerstand R6 dem Differenzverstärker V2 zugeführt, so liefert die gesteuerte Stromquelle Q einen zusätzlichen Signalstrom, der in die an den Klemmen a/b angeschaltete Lastimpedanz ZL fließt. Es läßt sich zeigen, daß die Schaltung als Spannungsquelle mit dem ermittelten Zin als Ausgangsimpedanz arbeitet. In der Gegenrichtung wird ein an den Klemmen a/b anliegendes Signal Uo auf die Sekundärseite W22 des Übertragers UE1 als Spannung U22 übertragen und mit dem Summierverstärker V3 verstärkt. Die dabei entstehende Ausgangsspannung Ue setzt sich sowohl aus der von außen an a/b herangeführten Spannung als auch aus der zufolge Us entstandenen Spannung an a/b zusammen. Da der Empfang des eigenen Sendesignales unerwünscht ist, muß dieser Anteil im Empfangssignal kompensiert werden. Dies geschieht dadurch, daß dem Summierer V3 ein Kompensationsstrom Ik zugeführt wird, der aus der Sendespannung Us mit einem Vierpol NB abgeleitet wird. Definiert man diesen Vierpol durch seine a-Parameter, so gilt: Us [27] Ik = — al2 Die Kompensationsbedingung lautet: Ik = -14 [28] Mit den Bedingungen U22 (Us) = - r.Us [29] U22 14 = — R4 [30] wobei r das gemessene oder errechnete Rückübertragungsmaß ist, erhält man unter Berücksichtigung von [27] r.Us Us --------. al2 R4 [31] daraus folgt R4 [321 al2 - — r a12 läßt sich eindeutig aus r berechnen oder graphisch ermitteln. Ist r reell, so wird a12 reell, d.h. der Vierpol NB enthält nur ohmsche Widerstände. Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen, mit Übertragerkopplung und dynamisch erzeugter Ausgangsimpedanz, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sekundärwicklung (W2) des Übertragers 7 AT 398 016 B (UE1) eine steuerbare Spannungsquelle (G) angeschaltet ist, deren Steuerung von einem Verstärker (V1) bewirkt wird, dessen Verstärkungsfaktor (z) der mit einem konstanten Faktor multiplizierten gewünschten Ausgangsimpedanz (Zin) entspricht und dessen Eingangssignal mittels eines Stromwandlers (S) aus dem Signalstrom (Io) auf der Primärseite (W1) des Übertragers (UE1) abgeleitet wird. (Fig. 1)
2. 2. Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen, mit Übertragerkopplung und dynamisch erzeugter Ausgangsimpedanz, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite des Übertragers (UE1) zwei galvanisch getrennte Wicklungen (W21, W22) aufweist und daß an die eine Sekundärwicklung (W21) eine steuerbare Stromquelle (Q) angeschaltet ist, deren Steuerung vom Ausgangssignal (U3) eines Summierverstärkers (V2) bewirkt wird, der die Summe bildet von der Ausgangsspannung (U1) des Verstärkers (V1), dessen Eingangssignal mittels eines Stromwandlers (S) aus dem Signalstrom (Io) der Primärseite des Übertragers (UE1) abgeleitet wird, und einer Spannung (U22), die an der zweiten Sekundärwicklung (W22) entsteht und über eine RC-Serienschaltung (C1 ,R2) dem Summierverstärker (V2) zugeführt wird. (Fig. 3)
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler (S) als Übertrager (UE2) ausgeführt ist, der an der Sekundärseite eine Spannung (Us) liefert, die dem Primärstrom (io) und der Signalfrequenz proportional ist und daß der Verstärker (V1) eine Entzerrerschaltung (R7, C2) enthält, wobei der Verstärkungsfaktor (z) so gewählt ist, daß in der resultierenden Ausgangsspannung (U1) die Frequenzabhängigkeit des Signales beseitigt ist und die Ausgangsspannung (U1) nur proportional dem Primärstrom (Io) ist. (Fig. 5)
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei bidirektionaler Übertragung das aus der Zweidrahtleitung (a, b) empfangene Signal an der zweiten Sekundärwicklung (W22) des Übertragers (UE1) abgeleitet und das in die Zweidrahtleitung zu sendende Signal (Us) dem Summierverstärker (V2) zugeführt wird. (Fig. 3)
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Richtungstrennung ein weiterer Summierverstärker (V3) verwendet wird, dem über einen Widerstand (R4) die Empfangs-Signalspannung (U22) und über einen Vierpol (NB) die Sende-Signalspannung (Us) zugeführt werden, wobei der Vierpol (NB) so ausgelegt ist, daß bei Abschluß der Klemmen a und b mit einer vorgegebenen Impedanz (ZL) die Empfangs-Spannung (Ue) keine Anteile mehr von der Sendesignalspannung (Us) enthält. (Fig. 3) Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 8