DE1002046B

DE1002046B - Frequenzumsetzer mit Kristallgleichrichtern auf pn-Basis in Traegerfrequenzeinrichtungen, insbesondere in Vielfach-Fernsprech-Systemen

Info

Publication number: DE1002046B
Application number: DES47607A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Kopp; Dipl-Ing Reginhard Pospischil
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-02-22
Filing date: 1956-02-22
Publication date: 1957-02-07

Description

DEUTSCHES

Die Wirkungsweise von Modulationsschaltungen, insbesondere von Doppelgegentäktmodiulationsschaltungen, kann vorteilhaft veranschaulicht werden, indem man sie als Umpolung der Signalspannung im Takt der Trägerfrequenz ansieht. Die nicht Linearen Elemente in den einzelnen Zweigen der Modulationssdialtung werden hierbei als Schalter aufgefaßt, die im Takt der Trägerfrequenz öffnen und schließen. Bei der positiven Trägerhalbwelle bilden sich gewisse Strompfade für die Signalspannung aus, die aus solchen Schaltzweigen bestehen, deren Schalter gerade geschlossen sind, während bei der negativen Trägerhalbwelle andere Strompfade durch Schließen der in ihnen vorhandenen Schalter entstehen und die vorherigen unterbrochen werden. Diese verschiedenen Strompfade sind derart miteinander vermascht, daß diie Signalspannung je nach dem Vorzeichen der Trägerhalbwelle verschieden polarisiert am Ausgang der Modtulationsschaltung erscheint.

Die Schalter in den einzelnen Schaltzweigen werden üblicherweise durch nicht lineare Widerstände realisiert, deren Widerstands werte vom Augenblickswert der angelegten Spannung oder von dem des durch sie fließenden Stromes gesteuert werden. Durch dlie nicht lineare Strom-Spannungs-Kennlinie dieser gesteuerten Widerstände wird je nach Phase der aufgedrückten Trägerspannung ein verschieden großer Widerstand eingestellt, der jeweils mit Hilfe der durch den augenblicklichen Arbeitspunkt an die Strom-Spannungs-Kennlinie gelegten Tangente charakterisiert werden kann.

Bisher wurden in Modulationsschaltungen hauptsächlich Kupferoxydulgleichrichter als gesteuerte Widerstände verwendet, wobei die Nichtlinearität der Sperr-Durchlaßkennlinie zu den erwähnten Schaltzwecken ausgenutzt wurde. Diese Gleichrichterelemente haben jedoch den Nachteil einer relativ großen Sperrkapazität, welche ihren Sperrwiderstand für die Signalfrequenzen herabsetzt.

In neuerer Zeit wurde die Verwendung von Kristallgleichrichtern als Schaltmittel bei Modulationsschaltungen bekannt. Es werden hierbei insbesondere Germanium-Punktdioden verwendet, die einen guten Gleichrichterwirkungsgrad auch für höhe Frequenzen zeigen und daher z. B. auch für Fernseh-Demodulationsschaltungen angewandt werden können. Daneben ist aber auch die Verwendung von Germanium- oder Silizium-Dioden auf pn-Basis bekannt, die den Vorteil eines extrem hohen Gleichrichteverhältnisses bieten. Das Verhältnis von Durchlaß- zu Sperrstrom beträgt etwa 10⁷:1 bei IV gegenüber einem wesentlich kleineren Wert bei einer Punktdiode. Auch die Temperaturempfindlichkeit bei hohen Außentemperaturen ist bei pn-Dioden wesentlich kleiner als bei Punkt-Frequenzumsetzer
mit Kristallgleichrichtern auf pn-Basis

in Trägerfrequenzeinrichtungen,

insbesondere in Vielfach-Fernsprech-

Systemen

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 4

Dipl.-Ing. Hans Kopp

und Dipl.-Ing. Reginhard Pospischil, München,
sind als Erfinder genannt worden

dioden. Gegenüber den Kupferoxydiulgleichrichtern haben diese pn-Dioden den wesentlichen Vorteil einer kleineren Sperrkapazität für die Signalfrequenzen und einer erhöhten Schalterwirkung bei Verwendung als Schaltmittel in den Zweigen einer Modulationsschaltung.

Die bisher bekannten Modulationsschaltungen unter Verwendung von Kristallgleichrichtern auf pn-Basis nutzten jedoch ausschließlich die Nichtlinearität der Sperr-Durchlaßkennlinie für die Sdhalterwirkung in den einzelnen Schaltzweigen aus. Der Arfoeitspunkt wurde dabei im Takt der Trägerfrequenz einerseits in den Durchilaßbereich des Gleichrichters verschoben, was einem geringen Durchlaßwiderstand des Schaltmittels und daher einer geschlossenen Schalterstellung entspricht, und andererseits in den Sperrbereich verschoben, was einer offenen Schalterstellung gleichkommt. Die Sperr-Durchlaßkennlinie dieser Kristallgleichrichter auf pn-Basis und die der K-upferoxydulgleichrichter weicht jedoch von der idealen Knickkennlinie ab. Diese Kennlinien haben Exponentlalcharakter und können daher im Bereich des durch die Trägerspannung verschobenen Arbeitspunktes nur in erster Näherung durch eine Gerade ersetzt werden. Die zusätzliche Aussteuerung durch diie Signalspannung erfolgt daher wieder an einem nicht linearen Kennlinienteil und führt demzufolge zu unerwünschten Moduilationsprodukten,. die den Klirrfaktor der Demodulationsschialtung weiter erhöhen.

Der Fehler, der durch die Annäherung der Sperr-Durdhlaßkennlkiie durch eine Gerade entsteht, ist nur

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etwa ΙΟ⁷ beträgt. Damit unterscheiden sich die pn-Dioden vorteilhaft von den Punktdiioden, bei denen dieses Verhältnis wesentlich kleiner ist.

Der Sperrbereich des pn-Gleichrichters, der schon 5 bei sehr kleinen positiven Spannungen erreicht wird, setzt sich in das Gebiet negativer Spannung fort (Fig. 1). Der Widerstandswert R_Sl> ändert sich mit wachsender negativer Spannung nicht wesentlich, bis die sogenannte Zener-Spannung erreicht ist. In diesem

dann vernacMässigbar klein, wenn in unmittelbarer Nähe des Arbeitspunktes ausgesteuert wird. Daher ist die Eingangsieistung der bisher üblichen Modulatoren begrenzt durch den höhen Klirrfaktor, der durch die Form der Sperr-Durchlaßkennlinie begründet ist.

In steigendem Maße wird jedoch die Aufgabe gestellt, Modulatoren für einen hohen Eingangspegel zu bauen, um Verstärker einsparen zu können. Das ist bei Verwendung der bekannten Gleichrichter als

Schaltmittel in den Modulations schaltungen nur mög- io Bereich bewirlcen schon kleinste negative Spannungs lieh, wenn man die Trägeramplitude und damit die zunahmen ein Absinken des Widerstandes um mehrere Träger leistung wesentlich vergrößert und weit in den Dekaden. Der Widerstand bricht zusammen, und der Sperr- bzw. Durchlaßbereieh der Sperr-Durchlaßkenn- sogenannte Zener-Strom muß durch einen mit dem linie aussteuert, wo die zusätzlichen Niohtlinearitäten Kristallgleichrichter in Serie liegenden Widerstand R_E kleiner sind, oder durch Verwendung einer rechteck- 15 begrenzt werden.

förmigen Trägerspannung. Im Gegensatz zu der Sperr-Durehlaß'kennlinie im

Bereich positiver Spannungen, die einen exponentiellen Charakter bat, weist die Sperr-Widerstandskennlinie im Bereich der Zener-Spannung einen scharf ver- 20 ausgeprägten Knick auf und ist daher für Modulationszwecke vorteilhaft zu verwenden. Besonders gute Ergebnisse werden bei der Ausnutzung desZener-Knicks von Silizium-pn-Gleichrichtern zu Modulationszwecken erzielt. Wird der Arbeitspunkt A, wie sprech-Systemen. Der Arbeitspunkt der als Schalt- 25 in Fig. 1 gezeichnet, durch eine der Zener-Spannung mittel verwendeten Kristallgleichrichter (z. B. SiIi- entsprechende negative Vorspannung in den Zenerzium-pn-Dioden) wird gemäß der Erfindung durch
eine entsprechend gewählte negative Vorspannung auf

Die Aufgabe. Modulatoren mit hoher Eingangsleistung zu bauen, zwingt wegen des Klirrfaktors zu einer neuen Modulationsmetfaode, wenn man den Aufwand der Trägergeneratoren nicht wesentlich großem will.

Vorliegende Erfindung betrifft Frequenzumsetzer mit Kristallgleichrichtern auf pn-Basis in Trägerfrequenzeinrichtungen, insbesondere in Vielfach-Fern-

den im Sperrbereich bei der Zener-Spannung auf-

Knick der Widerstandskennlinie oder in die Nähe des Knicks hineinverlegt, so bewirkt eine Aussteuerung durch die positive Trägerhalbwelle eine Verschiebung tretenden Knick der Sperr-Widerstandskennlinie oder 30 des Arbeitspunktes in den Sperrbereich des Gleichin die Nähe des Knicks eingestellt. DerAussteuerungs- richters. Dabei nimmt der pn-Kristallgleichrichter den bereich der Kristallgleichrichter durch die aufge- Widerstandswert R_Sl> an, der in der Größenordnung drückte Trägerspannung erstreckt sich um diesen von 100 ΜΩ liegt, und sperrt dadurch den betreffen-Arbeitspunkt bei positiver Trägerhalbwelle in den Be- den Schaltzweig der Modulationseinrichtung für den reich des hohen Sperrwiderstandes und bei negativer 35 Durchgang der Signalfrequenzen. Bei der negativen Trägerhalbwelle in den Bereich des Zener-Stromes. Trägerhalbwelle wird der Arbeitspunkt schon bei

Bei Frequenzumsetzern nach vorliegender Erfin- kleiner Trägeramplitude in den Zener-Bereich verdung wird es möglich, durch Ausnutzung des Zener- schoben, und es stellt sich ein Durchlaßwiderstand von Knicks in der Sperr-Widerstandskennlinie von pn-Kri- der Größe R_E ein, der den betreffenden Schaltzweig Stallgleichrichtern in an sich bekannten Modulations- 40 für die Signalfrequenzen öffnet.

schaltungen (z. B. Gegentaktmodulatoren, Ring-, Der Widerstand R_E muß so groß gewählt werden,

Stern- oder andere Doppelgegentaktmodulatoren) den daß die thermische Belastbarkeit des pn-Gleichrichters Störpegel der unerwünschtenModulationsprodukte bei durch den Zener-Strom nicht überschritten wird·, gleicher oder kleinerer Trägerleistung als bisher Die Widerstandswerte R_Sp bzw. R_E werden durch

wesentlich niedriger zu halten, als es bei Ausnutzung 45 die zusätzliche Aussteuerung des Gleichrichters durch

der Sperr-Durchlaßkennlinie zu Modulationszwecken möglich wäre.

Es bietet sich weiterhin der große Vorteil, daß der Eingangspegel des Modulators wesentlich höher sein

die Signalfrequenzen nicht verändert und stellen daher für die Signalfrequenzen Ohmsche Widerstände dar. Im Gegensatz dazu erfolgt bei einer Ausnutzung der Sperr-Durchlaßkennlinie zu Modulationszwecken die

in Frequenzumsetzer-Trägerfrequenzsystemen)

darf als bei der bisher bekannten Aussteuerung der 50 zusätzliche Aussteuerung durch die Signalfrequenzen nicht linearen Schaltelemente längs der Sperr-Durch- an einem nicht linearen Teil der Kennlinie. Die hierbei laßkennlinie, ohne daß ein größerer Klirrfaktor auf- entstehenden, störenden Modulationsprodukte werden tritt. Dadurch ist es mc ~

-einrichtungen (z. B. bei
Verstärker einzusparen.

Die Erfindung wird im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine typische Widerstandskennlinie für Kristallgleichrichter auf pn-Basis,

Fig. 2 das vereinfachte Ersatzschaltbild eines 60 eines Gleichrichters, und ein Durchlaßwiderstand R_E Schaltzweiges einer Modulationsschaltung, während vorgesehen sind. Parallel zu diesem Zweig liegt der Fig. 3 eine beispielsweise Schaltung zur Erzeugung Sperrwiderstand R_Sp, der jedoch so groß ist, daß er der negativen Vorspannung an den Kristallgleich- bei geschlossenem Schalter vernachlässigt werden richtern darstellt. kann. Bei offenem Schalter stellt er jedoch den Real-

Die Widerstandskennlinie eines Kristallgleich- 65 teil des Gleichrichterwiderstandes dar. Die Sperr-

durch eine Ausnutzung des Zener-Knicks nach der Erfindung vermieden.

55 Das vereinfachte Ersatzschaltbild eines Schaltzweiges in einer Modulationseinrichtung wird in Fig. 2 dargestellt. Das Gleichrichterelement wird dabei als idealer Schalter aufgefaßt, wobei eine in Serie liegende Nichtlinearität, dargestellt durch das Symbol

eines

xichters auf pn-Basis weist, wie in Fig. 1 gezeigt,
■einen Sperrbereich und einen ausgeprägten Durchlaßbereich auf. Diese beiden Bereiche gehen bei ungefähr
1 V ziemlich scharf ineinander über, wobei das Verhältnis von Sperrwiderstand zu DuTchlaßwiderstand 70 linearität weg. Daher nimmt der Schaltzweig der Mo-

kapazität des Gleichrichters wird durch den parallel geschalteten Kondensator C dargestellt.

Bei Frequenzumsetzern nach der Erfindung fällt die in Serie zu dem idealen Schalter liegende Nicht-

dulationseinriditung, abgesehen von der Sperrkapazität C, je nach der Stellung des idealen Schalters die Widerstandswerte R_Sp bzw. R_E an, deren Widerstandsverhältnis etwa 10⁷ beträgt. Bei geschlossenem Schalter fließt daher der Signalstrom ohne nennenswerten Spannungsabfall durch den Schaltzweig, während er bei geöffnetem Schalter in dem betreffenden Schaltzweig unterbrochen wird.

Je nach dem verwendeten Modulator (Gegentaktmodulator, Ring-, Stern- oder andere Doppeigegentaktmodulatoren) wird die der Zener-Spannung entsprechende negative Vorspannung den pn-Kristallgleichrichtern durch eine geeignete Schaltung zugeführt. In Fig. 3 ist als Ausführungsbeispiel eine Schaltung für einen Doppelgegentaktmodulator dargestellt, wobei die Gleichheit der Gleichrichter 1 und 2 bzw. 3 und 4 in bezug auf die Höhe der Zener-Spannung vorausgesetzt ist.

Bei dieser Schaltung werden regelbare Vorspannungsquellen 5, 6 verwendet, die durch Kondensatoren 7, 8 für die Trägerfrequenz überbrückt sind. Dabei ist die regelbare Vorspannungsquelle 5 an die Schaltzweiggruppe mit den Gleichrichtern 1 und 2 und die regelbare Vorspannungsquelle 6 an die Schaltzweiggruppe mit den Gleichrichtern 3 und 4 geschaltet.

Die den einzelnen Gleichrichtern 1 bis 4 jeweils zugeordneten Begrenzungswiderstände R_E sind mit 10 bis 13 bezeichnet. Die Trägerfrequenz 9 wird induktiv eingekoppelt, um die Gleichstromwege nicht zu unterbrechen. Bei der dargestellten Schaltung wurde die Schaltzweiggruppe mit den Gleichrichtern 1 und 2 von der Schaltzweiggruppe mit den Gleichrichtern 3 und 4 durch Teilung der Primärwicklung des Ausgangsübertragers getrennt.

Falle man die Gleichheit der Größe der Zener-Spannung für die Gleichrichter 1 und 2 bzw. 3 und 4 nicht voraussetzt, können die einzelnen Schaltzweige jeder dieser Gruppen durch Kondensiatoren bezüglich der Vorspannung voneinander getrennt werden und jedes Gleichrichterelement eine selbständige, regelbare, negative Vorspannung erhalten.

Das Verfahren nach der Erfindung kann nicht nur zu Modiulationszwecken, sondern auch mit Vorteil zu Demodulations- bzw.
werden.

Mischzwecken verwendet

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Frequenzumsetzer mit Kristallgleichrichtern auf pn-Basis in Trägerfrequenzeinrichtungen, insbesondere in Vielfach-Fernsprech-Systemen, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspumkt der als Schaltmittel verwendeten Kristallgleichrichter (z.B. Silizium-pn-Dioden) duroh eine entsprechend gewählte negative Vorspannung auf den im Sperrbereich bei der Zener-Spannung auftretenden Knick der Sperr-Widerstandskennlinie oder in die Nähe des Knicks eingestellt ist und daß sich der Aussteuerungsbereich der Kristallgleichrichter durch die aufgedrückte Trägerspannung um diesen Arbeitspunkt bei positiver Trägerhalbwelle in den Bereich des hohen Sperrwiderstandes und bei negativer Trägerhalbwelle in den Bereich des Zener-Stromes erstreckt.

2. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit den als Schaltmittel verwendeten Kristallgleichrichtern niederohmige Begrenzungswidenstände derart vorgesehen sind, daß sie gleichzeitig für die Signalfrequenzen die Durchlaßwiderstände der einzelnen Sohaltzweige darstellen.

3. Frequenzumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gleichstromkreisen der einzelnen Kristallgleichrichter bzw. der einzelnen Gruppen von Kristallgleichrichtern regelbare Vorspannungsquellen vorgesehen sind.

4. Frequenzumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schaltzweiggruppen durch Teilung der Primärwicklung des Ausgangsübertragers bezüglich der Vorspannung voneinander getrennt sind.

5. Frequenzumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Sahaltzweige bzw. die einzelnen Schaltzweiggruppen durch Kondensatoren bezüglich der Vorspannung voneinander getrennt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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