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Doppelleitniigstelephonsystem.
Der Zweck der Erfindung ist es, eine Signaleinrichtung vorzusehen, die das günstigste Verhältnis zwischen empfangener und gesendeter Energie ermöglicht, wobei gleichzeitig jeder"Nebenton"ver- mieden wird.
Der Zweck der Erfindung wird erreicht, indem eine Teilnehmerstelle mit einem Sender, Empfänger, Hilfswiderstande und einem-Transformator vorgesehen ist und diese Teile mit einet Telephonlinie so kombiniert sind, dass folgenden Grundbedingungen Genüge geleistet wird.
Gegeben seien zwei gleiche Teilnehmerstellen für unveränderlichen Doppelleitungsverkehr, die durch eine Leitung von gegebener Impedanz und Länge verbunden sind und es soll der Energiebetrag, der durch den Empfänger auf der Empfangsstation verbraucht wird, der grösste Teil der telephonischen Gesamtenergie sein, die durch. den Transformator auf der Sendestation entwickelt wird, soweit dies mit einem unveränderlichen Doppelleitungsverkehr und wie hernach erklärt, mit einem gewünschten Mass der Sicherung gegen störende Liniengeräusche vereinbarlich ist.
Hiebei soll unter unveränderlichem Doppelleitungsverkehr eine Anordnung-verstanden werden, bei der die Apparate einer gewöhnlichen Telephonstation (Sender, Sehalthaken, Induktionsspule, Emp- fänger usw. ) jederzeit für den Doppelleitungsverkehr (Zweiwegübertragung) verwendbar sind, ohne dass der Empfangsapparat beim Senden oder der Sendeapparat beim Empfangen abgeschaltet werden müsste.
Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein :
1. Sender und Empfänger müssen einander zugeordnet (konjugiert) oder angepasst sein, d. h. der"Nebenton"im Empfänger, infolge der Wirkung des Senders durch die Schallwellen, soll zu vernachlässigen sein.
2. Die Linie und der Hilfswiderstand müssen einander angepasst sein, damit nichts von der durch die Teilnehmerstelle aufgebrachten Energie von der Linie in diesem Hilfswiderstande vernichtet wird.
3. Die für eine gegebene Linie mit einer bestimmten charakteristischen Impedanz durch den Sender gelieferte telephonische Energie muss ein Maximum sein.
4. Der Energiebetrag, der über die Linie nach der Teilnehmerstelle übermittelt wird, soll ein Maximum sein, mit andern Worten, die Impedanz der Teilnehmerstelle, von der Linie aus betrachtet, soll gleich sein der charakteristischen Impedanz der Linie, welche normalerweise identisch ist mit der sogenannten Charakteristik der Linie.
5. Es muss möglich sein, mit einem kleinen Opfer an Wirksamkeit störenden Liniengeräuschen wirksam entgegenzutreten und dieselben von telephonischen Signalen, die von der angeschlossenen Station kommen, zu unterscheiden.
Eine Teilnehmerstelle, die obigen Bedingungen Genüge leistet, ist eine ideale darin, dass ihr Gesamtwirkungsgrad vom Sender einer Teilnehmerstation zum Empfänger der angeschlossenen Teilnehmerstation ein theoretisches Maximum ist, welches nicht übertreffen werden kann, durch. irgendwelche unveränderliche Teilnehmerstellen, ob sie der Forderung bezüglich-Zuordnung oder Anpassung von Sende und Empfänger Genüge leisten oder nicht. Sie ist ferner ideal in dem Sinne, dass eine Minimalzahl vor Elementen angewendet wird, ja sogar nur ein Hilfselement notwendig ist, um das Freisein von"Nebentönen" sicherzustellen ;
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Nach Fig. 2 bewirkt die Betätigung des Senders T Variationen im Widerstande desselben, welche in ihrer Wirkung der einer wechselnden elektromotorischen Kraft in genanntem Sender gleichkommen.
Es wird daher ein Wechselstrom von Telephonfrequenz auf den Gleichstrom (nicht angedeutet) überlagert. Der Weg und die relative Richtung dieses Wechselstromes sind durch Pfeile angezeigt. Da die Teilnehmerstation ohne Nebenton ist, fliesst der ganze Wechselstrom im Sender, wie durch 11 bezeichnet, von Klemme 8 über Wicklung 3 zur Linienklemme 6. Hier teilt sich der Strom, ein Teil 14 fliesst über die Linie und ein Teil Iz, fliesst über den Widerstand Z zur Klemme 9. Von der Klemme 9 fliesst der
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ihm zusammen über den Sender zurückfliesst. Es ist klar, dass der Senderstrom 11 gleich ist der Summe des Linienstromes 14 und des Stromes 13, der über den Widerstand X fliesst.
Der Strom 13 wird in dem Widerstande X verbraucht, aber dieser Verbrauch ist im Doppelleitungsverkehr unvermeidlich. Wenn der Hilfswiderstand weggelassen werden würde, so würde ein äquivalenter nutzloser Energieverbrauch im Empfänger nebst der Störung durch den Nebenton notwendigerweise eintreten. Man. sieht auch, dass kein Strom über den Empfänger R fliesst und infolgedessen die Klemmen 8 und 9 bezüglich des Übertragerstromes auf dem gleichen Potentiale sein müssen. Dies wird ermöglicht durch eine geeignete Bemessung der relativen Linienimpedanzen und des Hilfswiderstandes mit Bezug auf die relative Windungszahl der Wicklungen 3 und 4.
Da ein grösserer Strom über die Wicklung 3 fliesst als über die Wicklung 4, so muss die Windungszahl der Wicklung 4 grösser sein als die der Wicklung 3. Tatsächlich müssen, wenn der Transformator hohen Wirkungsgrad haben soll, die Ströme in den Wicklungen 3 und 4 verkehrt proportional ihrer bezüglichen Windungszahl sein. Wenn daher verlangt wird, dass der Strom in Wicklung 4 gleich dem Strome sein soll, der über den Widerstand X fliesst, so fliesst kein Strom über den Empfänger R und die Klemmen 8 und 9 müssen notwendigerweise dasselbe Potential aufweisen.
Nach Fig. 3 fliesst der Telephonstrom über L zur Klemme 6 und dann über 3 zur Klemme 8, und wird mit 14 bezeichnet. Dieser Strom induziert, wenn er durch die Wicklung 3 fliesst, in der Wicklung 4 einen Strom 12 von entgegengesetzter Richtung. Die relativen Werte der Ströme 14 und 7 sind verkehrt proportional. der relativen Windungszahl der Wicklungen 3 und A Der Strom Ifliesst überden EmpfängerR zur Klemme 8, wo er sich mit 14 vereinigt, worauf die kombinierten Ströme 12 und 14 über den Sender T zur Klemme. 7 fliessen.
Dieser Summenstrom ist Strom 11, Bei Klemme 7 teilt sich der Strom. 14 fliesst über die Linie zurück, während I, über die Wicklung 4 geht. Über den Hilfswiderstand X fliesst kein Strom, wenn die Elemente der Station entsprechend bemessen, d. h. die relativen Widerstände von Sender und Empfänger mit Bezug auf. das Transfprmatorverhältnis richtig bemessen sind.
Es soll nun eine allgemeine theoretische Abhandlung folgen, welche den Bereich der Erfindung und die Prinzipien, auf welchen alle Anwendungen derselben beruhen, klarlegt. In dieser Abhandlung und in den Gleichungen und Formeln beziehen sich die Indizes 1, 2, 3 und 4 entsprechend auf Sender, Empfänger, Hilfswiderstand und Linie.
Es sei eine Unterstation mit Sender, Empfänger, Hilfswiderstand und entsprechend bemessenen Transformatorwicklungen, welche Station mit einer Linie von gegebener charakteristischen Impedanz verbunden ist, in Betracht gezogen. In der Praxis verbindet die Linie zwei gleiche Unter-oder Teilnehmerstationen, zwischen welchen eine Gesprächsverbindung hergestellt ist.
Es ist ein bekanntes Prinzip, dass, wenn eine Klemmenimpedanz mit einer Quelle elektromotorischex Kraft über eine elektrische Fern-
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komponente der charakteristischen'Impedanz ist, verbunden ist, die Klemmenimpedanz für das Maximum an Energieverbrauch R, - i R14 sein muss ; Speziell wenn die Linienimpedanz keine charakteristische Reaktanzkomponente hat, so muss die Impedanz der Klemmenanordnung von der Linie aus gesehen gleich der ohmschen Widerstandskomponente der charakteristischen Impedanz der Linie sein. Die Bedingung, bei welcher die Teilnehmerstelle das Maximum an Energie von der Linie absorbiert, ist sodann die, dass ihre Impedanz von der-Linie aus gesehen, der charakteristischen Linienimpedanz gleich ist.
Die Bedeutung der vorhergehenden. Festlegung mag nun an der Hand der Fig. 1 wie folgt erklärt werden :
Die Teilnehmerstelle sei von der Linie getrennt und die Impedanz der Teilnehmerstelle sei über die Klemmen 6 und 7 gemessen. Sodann muss die so gemessene Impedanz gleich der Linienimpedanz sein. Wenn die Linie an jedem Ende in einer Teilnehmerstelle endigt, die dieser Bedingung genügt, so kann die Linie hinsichtlich der Übertragung von-jeder Station durch ein Impedanzelement ersetzt werden, das einen der charakteristischen Impedanz der Linie gleichen Widerstand besitzt. Irgendeine Reaktanzwirkung, die in der Praxis klein ist, kann durch eine. neutralisierende Reaktanz beseitigt werden und braucht daher nicht berücksichtigt zu werden.
Die Bedingung, bei welcher die Teilnehmerstelle das Maximum an Energie von der Linie aufnimmt, ist sodann die, dass ihre Impedanz von der Linie aus gesehen ein reiner ohmscher Widerstand ist, dessen Wert gleich der charakteristischen Linienimpedanz ist. Diese Bedingung ist offenbar folgender Forderung gleich : Eine B M K sei auf die TeiIne1unerstationsklemmen über einen Widerstand aufgedrückt, der gleich der charakteristischen Linienimpedanz ist, dann muss die in der Teilnehmerstation verbrauchte Energie gleich der in genanntem Widerstande verbrauchten Energie sein.
Ferner sind nach früher fest-
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gesetzter Forderung (2) Linie und Hilfswiderstand einander zugeordnet oder angepasst, oder mit andern Worten der Hilfswiderstand ist mit Punkten gleichen Potentials bezüglich einer auf die Linienklemmen aufgedrückten E M K verbunden. Es sei sodann eine E M K = E4 über einen Widerstand R4 auf eine Teilnehmerstation aufgedrückt, deren Sender- und Empfängerwiderstand entsprechend mit R1 und R2
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Diese Gleichung bestimmt, dass der Energieverbrauch im Widerstande R4 gleich ist jenem in der Teilnehmerstation und dass die Teilnehmerstation von der Linie aus betrachtet gleichwertig ist einem Widerstande vom Werte R4.
In ähnlicher Weise kann, wenn Sender und Empfänger einander angepasst sind, die Bedingung, dass der Sender seine grösste Abgabe an die Linie und Hilfswiderstand haben soll, wie folgt formuliert werden : Die EM = im Sender erzeuge im Sender, Linie und Hilfswiderstände die Ströme 110 14 und Is ; dann folgt (Fig. 2) für die grösstmöglichste Abgabe :
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Gleichung (2) ist die Analogie von Gleichung (1) und kann unter Bezugnahme auf Fig. 1 folgendermassen ausgelegt werden. Der Leiter, welcher den Sender T mit der Klemme 7 verbindet, werde unterbrochen und die Impedanz quer über die Klemmen 7 und 8 gemessen. Wenn sodann der Gleichung (2) Genüge geleistet ist, so muss die so gemessene Impedanz der Impedanz des Senders selbst gleich sein.
Mit andern Worten die Impedanz der Kombination vom Sender-aus betrachtet ist gleich der Impedanz des Senders selbst.
Wie später für die besonderen Anwendungen der Erfindung gezeigt wird, ergibt sich Gleichung (2) als Folge der Bedingungen der doppelten Zuordnung und aus der Gleichung (1). Es entsprechen daher die vorhergegangenen vier Forderungen nur drei Bedingungen bei der Teilnehmerstelle.
Zur Vervollständigung erübrigt noch, die Energieteilung zwischen Empfänger und Sender beim Empfangen (Fig. 3) und zwischen Linie und Hilfswiderstand beim Senden (Fig. 2) zu behandeln. Es sei Wo der Gesamtbetrag der Telephonenergie, die durch den Sender auf der sendenden Teilnehmer- station. entwickelt wird, dann ist nach Gleichung (2) :### der Energiebetrag, der auf die Linie und den Hilfswiderstand entfällt.
Wenn der Energiebetrag, der durch den Hilfswiderstand entnommen wird,
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Sender y-mal so viel Energie verbrauchen als der Empfänger absorbiert, dann wird der Wirkungsgrad des Empfängers gemessen durch
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Der Gesamtwirkungsgrad vom Sender einer Station zum Empfänger der mit ihr verkehrenden Station ist natürlich proportional dem Produkte aus dem Übertrager- und Empfängerwirkungsgrad ; die Formel für den Gesamtwirkungsgrad ist daher aus den Formeln (3) und (4) zusammengesetzt und lautet :
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werden, kann jedoch-gezeigt werden, dass a : und y durch die Gleichung xy = 1 verknüpft sind.
Eliminiert man a ; aus obiger Formel durch diese Gleichung, so wird der Ausdruck für den Gesamtwirkungsgrad
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Um obige Feststellung, nämlich dass xy = 1 ist, zu beweisen, bezeichne man die Elemente oder Stromzweige T, B, X und L durch 1, 2, 3 und 4 und lasse 1 und 2 sowie 3 und 4 einander zugeordnet
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oder angepasst sein. Ferner sei angenommen, dass der E M K im Zweige 4 der Gleichung (1) und der
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eine Einheit der im Zweige 1 vorhandenen E M K erzeugten Strom, 812 den Strom, der im Zweige 2 durch eine Einheit der E M K im Zweige 1 erzeugt wird usw.
Durch die Zuordnung der Zweige 1 und 2 und der Zweige 3 und 4 zueinander folgt, dass
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Da die Stromkreise 1 und 2 einander zugeordnet sind, so ist der im Stromkreis 2 durch die Einheit der elektromotorischen Kraft im Stromkreise 1 (dargestellt durch Si, s) erzeugte Strom gleich Null, wie dies im Vorhergehenden erklärt ist. In gleicher Weise sind die Stromkreise 3 und 4 konjugiert, so dass der im Stromkreise durch die Einheit der elektromotorischen Kraft im Stromkreis 3 (durchS3, 4 dargestellt)
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Angenommen, die Gleichung (1) sei gliedweise identisch mit derim folgenden genannten Gleichung (1') so ergibt sich nach Subtraktion derselben :
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Daraus folgt die Bestätigung der Annahme, dass die Gleichungen die gleichen sind.
Ferner ergibt sich durch Gleichung (1) :
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und durch Gleichung (2) :
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In Übereinstimmung mit der hier angewendeten Bezeichnung ist die im Zweige 3 verbrauchte Energie x-mal jener, die im Zweige 4 verbraucht wird, wenn eine E M K im Zweige 1 wirkt. Daher ist
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Auch die im Zweige 1 verbrauchte Energie ist y-mal jener, die im Zweige 2 verbraucht wird, wenn eine E M K im Zweige 4 wirkt ; also
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Multipliziert man (b) und (c), so ergibt sich
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Aus (a) und (d) folgt sofort, dass xy = 1 ist.
Der Ausdruck nach Formel (5) ist ein Maximum, wenn y=1. Dies bedeutet, dass für einen bestimmten Betrag der Telephonenergie, die im Sender auf der Sendestation entwickelt wird, ein maximaler Betrag nutzbringend zum Empfänger auf der Empfangsstation, die durch die Linie angeschlossen ist, übertragen wird, wenn y = 1 ist. Da es die erste Forderung in der Telephonie ist, im Empfänger das Maximum an Energie zu bekommen, so würde es anscheinend günstig sein, die Teilnehmerstation so zu bauen, dass y = 1 ist. Ein anderer Umstand modifiziert, jedoch diesen Schluss einigermassen, nämlich die Wirkung der Liniengeräusche. Wenn Innengeräusche in der Linie entstehen, so ist der nach dem Empfänger
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Der Grad der Unterscheidung oder Ausscheidung hängt natürlich vom Betrage der vorhandenen Linien- geräusche ab. In der Praxis wurde durch Versuche gefunden, dass ein wünschenswerter Wert für y = 1. 4 ist. Bei diesem Wert von y wird der Gesamtwirkungsgrad auf 2. 8% unter das Maximum für y = 1 reduziert, während der Empfängerwirkungsgrad auf 16-6% reduziert wird. Jedoch ist es unter gewissen Bedingungen erwünscht, dass y erheblich grösser ist als die Einheit. Es ist daher klar, dass, wenn der Wert von y mit ungefähr 1 angegeben ist, sein wirklicher Wert den theoretisch günstigsten Wert stark überschritten haben kann.
Die obigen Betrachtungen bezüglich des Gesamtwirkungsgrades und der Gegenwirkung gegen Liniengeräusche können für eine in die Linie eingeführte E M K wie folgt formuliert werden :
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In dieser Gleichung soll y einen Wert haben, der vorteilhaft zwischen 1 und J'o liegt.
Es soll nun die Bemessung der Anordnung nach Fig. 1, so dass sie den Grundforderungen genügt, angegeben werden. Der Bedingung, dass der Empfänger R bezüglich des Senders T zugeordnet oder angepasst sein soll, wird Genüge geleistet, wenn in genanntem Empfänger zufolge einer E M K von Telephonfrequenz, die zwischen den Punkten 7 und 8 in Reihe mit genanntem Empfänger geschaltet ist, kein Strom fliesst, so dass also die Punkte 8 und 9 mit Bezug auf genannte E M K auf demselben Potentiale sein müssen. Wenn ferner die Wicklungen 3 und 4 sehr hohen Indentionwiderstand haben, so müssen die Ströme in genannten Wicklungen verkehrt proportional ihrer Windungszahl n, und Ms sein.
Diese Überlegungen in Rechnung ziehend, ist die Bedingung der Zuordnung von Sender und Empfänger wie folgt ableitbar :
Es sei eine E M K im Senderzweige angenommen und 11, Z, s und bezeichnen die Ströme, die bezüglich im Sender, Empfänger, Hilfswiderstand und Linie fliessen.
Dann sind Sender und Empfänger konjugiert, wenn 12 = 0 i = + 13 ist (Fig. 2).
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Wenn die Linienimpedanz und die für die Eneigleteilung zwischen Sender und Empfänger massgebende Zahl y gegeben sind, dann genügt die Teilnehmerstation infolge der Gleichungen (7-12)
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werden :
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