DE1074624B - Schaltungsanordnung zur Differenzbil dung zweier Gleichspannungen msbeson dere am Gleichstromausgang von Disknmmatoren und Doppelgegentaktmodulatoren, fur Telegrafieubertragungssysteme - Google Patents

Description

DEUTSCHES

kl. 21 al 7/03

INTERNAT. KL. H 04 1

PATENTAMT

S62424VIIIa/21a^]

ANMELDETAG: 3.APRIL1959

B EKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

4. FEBRUAR 1960

In Telegrafieübertragungssystemen, bei denen die Modulation in einem Umtasten der Frequenz oder der Phase der Trägerfrequenz im Rhythmus der TeIegrafieschritte besteht, kommt sehr häufig die Aufgabe vor, daß ein an den Demodulator angeschlossener Verbraucher entsprechend der Modulation von Gleichstrom in der einen oder der entgegengesetzten Richtung durchflossen werden soll. Der Verbraucher ist hierbei z. B. ein gepoltes Telegrafenrelais oder, was in letzter Zeit immer häufiger anzutreffen ist, eine aus Transistoren bestehende Relaisersatzschaltung. Die Leistung, die zur Erregung des Relais oder zur Durchsteuerung der Relaisersatzschaltung aufgebracht werden muß, wird an einem Frequenz- oder_v Phasendiskriminator gewonnen, der im allgemeinen keine beliebig große Leistung abzugeben in der Lage ist. Die Ausgangsleistung der bekannten Demodulationsschaltungen beträgt selbst bei optimaler Anpassung nur einen geringen Prozentsatz der zugeführten Leistung. Der größte Teil der zugeführten Leistung geht in den zur Entkopplung der beiden Spannungsquellen unvermeidlichen Widerständen verloren.

Den folgenden Betrachtungen wird ein einfacher Frequenzdemodulator, ein sogenannter Amplitudendiskriminator, nach Fig. 1 zugrunde gelegt. Die beiden Gleichspannungen, deren Differenz im Verbraucherwiderstand einen Strom in der einen oder in der anderen Richtung hervorrufen soll, werden dabei durch Gleichrichtung der an den Sekundärwicklungen von zwei Schwingkreisübertragern 3 und 4 auftretenden Wechselspannungen gewonnen. Die beiden Schwingkreisübertrager 3 und 4 sind auf die Frequenzen /1 und /2 abgestimmt. Liefert der umschaltbare Generator 1 mit dem Innenwiderstand 2 eine Spannung mit der Frequenz/I, so wird die an der Sekundärwicklung des Schwingkreisübertragers 3 auftretende Spannung Ul größer als die an der Sekundärwicklung des Schwingkreisübertragers 4 auftretende Spannung U2 sein. Umgekehrt wird die Spannung U2 größer als die Spannung Ul sein, wenn die Generatorspannung die Frequenz /2 hat.

Die Generatorspannung habe beispielsweise die Frequenz/1. Die Spannung Ul wird gleichgerichtet und läßt zwischen den Punkten α und b eine Gleichspannung derart auftreten, daß der Punkt α positiv gegen b wird. Es fließt demnach ein Strom, von dem Punkt α ausgehend, über den Widerstand 5 zum Punkt l·, ein weiterer über den Verbraucherwiderstand 7 und den Widerstand 6 nach Punkt 5. Da aus Gründen der Symmetrie die Widerstandswerte von 5 und 6 gleich sind, ist der vom Punkt α über den Verbraucherwiderstand 7 und den Widerstand 6 fließende Strom kleiner als der über den Widerstands fließende. Für den Fall, daß der Generator 1 eine Spannung mit Schaltungsanordnung zur Differenzbildung

zweier Gleichspannungen, insbesondere am Gleichstromausgang

von Diskriminatoren und Doppelgegentaktmodulatoren, fürTelegrafieübertragungssysteme

Anmelder: Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Hans von Plata, München,

Dipl.-Phys. Günter Kretzschmar, München-Neuaubing, und Dipl.-Ing. Hans Barthelme, München, sind als Erfinder genannt worden

der Frequenz /1 liefert, ist der Widerstand 5 eine unnötige Belastung, der Widerstand 6 ein unerwünschter Vorwiderstand für den Verbraucher, der aber notwendig ist, um den Stromfluß über den Verbraucher zu ermöglichen. Um die gesamte über die Klemmen a und b abgenommene Leistung am Verbraucher wirksam werden zu lassen, müßte der Widerstand 5 = 00 und der Widerstand 6 = 0 sein. Die Rolle der beiden Widerstände bezüglich des gewünschten Widerstandswertes kehrt sich um, wenn der Generator eine Spannung mit der, Frequenz /2 liefert, d. h., in diesem Fall müßte der Widerstand 5 = 0 und der Widerstand 6 = 00 sein. Erwünscht und einer Verbesserung des Wirkungsgrades dienlich wären Schaltelemente, die sich selbsttätig schalten und den gewünschten Widerstandswert 0 bzw. 00 wenigstens annähernd annehmen.

Die Erfindung betrifft eine solche Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Differenzbildung zweier Gleichspannungen, z. B. am Gleichstromausgang von Diskriminatoren und Doppelgegentaktmodulatoren, und ist dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle von Widerständen zur Entkopplung der beiden Spannungsquellen elektronische Schalter, vorzugsweise Transistoren, vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Polarität der Differenzspannung wechselweise so auf- bzw. zugesteuert werden, daß die abgebbare Leistung möglichst vollständig zum Verbraucher gelangt. Die Steuerung dieser elektronischen Schalter erfolgt dabei über parallel zum Ver-

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braucherkreis liegende, gegenüber dem Verbraucher hochohmige und im Verbraucherkreis liegende, gegenüber dem Verbraucher niederohmige Spannungsteiler. Diese Spannungsteiler können teilweise aus in ihrem Widerstandswert steuerbaren Schaltelementen, vorzugsweise ebenfalls Transistoren, bestehen. Der Widerstandswert dieser Schaltelemente ist von der Polarität der Differenzspannung abhängig und wird zur Steuerung der an Stelle der Entkapplungswiderstände vorgesehenen elektronischen Schalter benutzt.

Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. An die Stelle der Widerstände 5 und 6 in Fig. 1 sind in Fig. 2 die Transistoren 20 und 21 getreten. Die Widerstände 30 bis 34 haben die Aufgabe, die Transistoren 20 und 21 so zu steuern, daß einer von ihnen durchlässig gesteuert wird, während der andere sperrt. So befinden sich beispielsweise der Transistor 20 im gesperrten und der Transistor 21 im durchlässigen Zustand, wenn die Spannung Ul größer ist als die Spannung U 2, d. h. wenn der Generator 1 eine Spannung mit der Frequenz/1 liefert. Im umgekehrten Fall, wenn der Generator 1 eine Spannung mit der Frequenz f2 liefert, die Spannung U2 also größer ist als die Spannung U1, befinden sich der Transistor 20 im durchlässigen und der Transistor 21 im gesperrten Zustand.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist folgende:

Es sei der Zustand angenommen, daß der Generator 1 eine Spannung mit der Frequenz/1 liefert, daß also die Spannung Ul größer ist als die Spannung U2. Zwischen den Klemmen α und b liegt eine Spannung derart, daß die Klemme α positiv gegenüber der Klemme b wird. Der Widerstand 32 sei niederohmig und die Widerstände 30., 31, 33 und 34 hochohmig gegenüber dem Verbraucher 7. Der Hauptteil des vom Punkt α ausgehenden und über den Widerstand 30 fließenden Stromes fließt also über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 21 und über den Widerstand 32 zum Punkt b. Der über die Basis-Emitter-Strecke fließende Strom steuert den Transistor 21 durchlässig. Vom Punkt α ausgehend, fließt nun auch ein Strom über den Verbraucher 7, den durchlässig gesteuerten Transistor 21 und den Widerstand 32 zum Punkt b. Gemäß der Bemessung der Widerstände ist der über den Verbraucher 7 fließende Strom wesentlich größer als die übrigen Ströme. Der am Widerstand 32 auftretende Spannungsabfall wird dazu benutzt, den Transistor 20 zu sperren, der über den aus den Widerständen 31 und 34 gebildeten Spannungsteiler an seiner Basis eine negative Spannung gegenüber dem Emitter erhält und also gesperrt ist. Auch dieser Strom ist gemäß der hochohmigen Bemessung der Widerstände 31 und 34 wesentlich geringer als der über den Verbraucher 7 fließende Strom.

Liefert der Generator 1 eine Spannung der Frequenz /2j ist also die Spannung U2 größer als die Spannung Ul, so vertauschen die Transistoren 20 und 21 und die symmetrisch angeordneten Widerstände 31 und 33 bzw. 30 und 34 ihre Funktionen. In diesem Fall ist dann also der Transistor 21 gesperrt und der Transistor 20 geöffnet.

An Stelle der in Fig. 2 verwendeten Transistoren vom Typ npn lassen sich ohne weiteres auch solche vom Typ pnp verwenden. Die Anschlüsse α und b müssen dazu gegeneinander vertauscht werden, desgleichen die Anschlüsse c und d.

In Fig. 3 ist eine Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wiedergegeben, bei der ebenfalls der Verbraucher in Abhängigkeit von der Frequenz der Generatorspannung von einem Strom in der einen oder der entgegengesetzten Richtung durchflossen wird. Der Unterschied dieser Schaltung gegenüber der in Fig. 1 wiedergegebenen besteht unter anderem darin, daß die Richtleiter 40 bis 43 anders geschaltet sind als die entsprechenden Richtleiter 14 bis 17 in Fig. 1. Die Vorzeichen der beiden Gleichspannungsquellen, bezogen auf den gemeinsamen Punkt g, sind entgegengesetzt. Der Punkt α liefert eine positive, der Punkt / eine negative Spannung gegenüber dem Punkt g. Liefert der Generator 1 eine Spannung mit der Frequenz fl, so fließt über den Widerstand 8 und durch den Verbraucher 7 ein Strom vom Punkt h zum Punkt g. Parallel zum Verbraucher liegt dabei über die Richtleiter 40 bis 43 der Widerstand 9. Liefert der Generatori eine Spannung mit der Frequenz fl, so fließt über den Widerstand 8 und durch den Verbraucher 7 ein Strom vom Punkt h zum Punkt g. Parallel zum Verbraucher liegt dabei über die Richtleiter 40 bis 43 der Widerstand 9. Liefert der Generator 1 eine Spannung mit der Frequenz /2, so ist die Spannung i/2 größer als die Spannung Ul. Durch den Verbraucher 7 fließt dann ein Strom vom Punkt g nach Punkt h. Parallel zum Verbraucher liegt über die Richtleiter 10 bis 13 der Widerstand 8. Diese Schaltung hat den gleichen schlechten Wirkungsgrad wie die in Fig. 1 gezeigte, weil auch in ihr der größte Teil der vom Generator gelieferten Leistung in den Entkopplungswiderständen 8 und 9 nutzlos in Wärme umgewandelt wird. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wäre es auch in dieser Schaltung günstig, wenn sich die beiden Entkopplungsglieder, im jeweils richtigen Sinne, niederohmig bzw. hochohmig steuern würden. Diese Aufgabe lösen die beiden Transistoren 22 und 23 in Fig. 4 in ähnlicher Weise wie die Transistoren 20 und 21 in Fig. 2. Es besteht nur insofern ein Unterschied, als an Stelle von zwei Transistoren des gleichen Leitungstyps in Fig. 2 zwei Transistoren verschiedenen Leitungstyps verwendet werden. Die Wirkungsweise dieser Schaltung sei nachfolgend beschrieben :

Zunächst sei wieder der Fall betrachtet, daß die Spannung Ul größer als die Spannung U2 ist. Vom Punkt α ausgehend, fließt dann zunächst ein Strom über den Widerstand 35, die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 22 und den Widerstand 36 zum Punkt g. Der Transistor 22 wird dadurch geöffnet, und es schließt sich ein weiterer Stromkreis, vom Punkt α ausgehend, über den Widerstand 35, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 22 und den Verbraucherwiderstand 7 zum Punkt g. Durch den aus den Widerständen 35, 39 und 38 gebildeten, ständig eingeschalteten Spannungsteiler wird erreicht, daß der Punkt k in diesem Fall positiver als der Punkt g ist, da die Punkte e und / über die Gleichrichter 40 bis 43 als kurzgeschlossen betrachtet werden können. Der Transistor 23 ist also sicher gesperrt, da der Emitter positiv gegenüber der Basis ist und es sich um einen Transistor vom Typ npn handelt. Für den Fall, daß die Spannung U2 größer als die Spannung Ul ist, bildet sich ein Strom, vom Punkt g ausgehend, über den Widerstand 37, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 23 und den Widerstand 38 zum Punkt / aus. Der Transistor 23 wird dadurch durchlässig gesteuert und ein weiterer Stromkreis, ausgehend vom Punkt g, über den Verbraucherwiderstand 7, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 23 und den

Widerstand 38 zum Punkt / geschlossen. Die Punkte a und b sind über die Gleichrichter 10 bis 13 als kurzgeschlossen anzusehen, so daß durch den aus den Widerständen 35, 39 und 38 gebildeten Spannungsteiler der Punkt i negativ gegenüber dem Punkt g ist und der Transistor 22 deshalb sicher sperrt, da seine ' Basis positiver als sein Emitter ist. In dieser Schaltungsanordnung sind die Widerstände, 35 und 38 niederohmig, die Widerstände 36, 37 und 39 hochohmig gegenüber dem Verbraucherwiderstand 7 auszulegen. Die Größe dieser Widerstände und damit der ' Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung sind abhängig von der Güte der Schwingkreisübertrager, d. h. von dem Verhältnis der Spannungen Ul: U 2 bzw. U2: Ul und von der Güte der verwendeten Transistoren. Je größer das Verhältnis der beiden Spannungen und je größer die Stromverstärkung der verwendeten Transistoren ist, ein desto besserer Wirkungsgrad läßt sich bei geeigneter Dimensionierung dieser Widerstände dann erreichen.

Eine weitere Schaltungsanordnung zum Ersatz der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 zeigt Fig. 5. Gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 ergibt sich ein erhöhter Aufwand, dafür wird jedoch ein höherer Wirkungsgrad erreicht. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig., 5 ist folgende:

Es sei wieder der Zustand angenommen, daß der Generatori eine Spannung mit der Frequenz fl liefert, daß also die Spannung Ul größer als die Spannung £72 ist. An den Klemmen α und b herrscht eine Spannung derart, daß die Klemme α positiv gegenüber der Klemme b ist. Es fließt ein Strom, ausgehend vom Punkt a, über den Gleichrichter 44, die Widerstände 51 und 53 und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 24 zum Punkt b. Der Transistor 24 wird dadurch durchlässig gesteuert. Der über den Widerstand 53 fließende Strom ruft einen Spannungsabfall hervor, der über den Widerstand 54 an die Basis des Transistors 25 gelangt und an demselben als Sperrspannung wirksam wird. Als Folge des durchlässig gesteuerten Transistors 24 werden zwei weitere Stromkreise geschlossen. Über den Gleichrichter 44, die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 26, den Widerstand 25 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 24 fließt ein Strom, der den Transistor 26 durchlässig steuert. Der Verbraucherwiderstand 7 wird von einem Strom vom Punkt h zum Punkt g durchflossen. Die über die Widerstände 50 und 51 fließenden Ströme sind wesentlich kleiner als der über den Verbraucher 7 fließende Strom. Somit ergibt sidh ein guter Wirkungsgrad der Schaltung.

Ist die Spannung U2 größer als die Spannung Ul, so werden die Transistoren 25 und 27 in analoger Weise durchlässig gesteuert wie im vorher beschriebenen Fall die Transistoren 24 und 26. Der Strom durch den Verbraucherwiderstand 7 fließt dann vom Punkt g zum Punkte. Der Spannungsabfall an den Gleichrichtern 44 und 45 wird zum Sperren bzw. öffnen der Transistoren 26 und 27 benutzt. Die Widerstände 50, 51, 52, 55, 56 und 57 sind hochohmig gegenüber dem Verbaucherwiderstand 7, während die Widerstände 53 und 54 ungefähr die gleiche Größe wie der Verbraucherwiderstand 7 haben. Die optimale Dimensionierung dieser Widerstände wird, wie bei dem vorherigen Beispiel, durch die Güte der Schwingkreisübertrager und die Güte der verwendeten Transistoren bestimmt. Hin Nachteil der in Fig. 4 und 5 dargestellten Schaltungsanordnung ist es, daß Komplementärtransistoren Verwendung finden. Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es jedoch möglich,

diese Komplementärtransistoren durch gleichartige Transistoren zu ersetzen, wenn man dabei eine Verminderung des Wirkungsgrades in Kauf nimmt. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in Fig. 6 dargestellt.

Es sei wiederum der Fall angenommen, daß die Spannung Ul größer als die Spannung U2 ist. Vom Punkt α ausgehend, bildet sich dann zunächst ein Stromfluß über den Widerstand 60, die Emitter-Basis-Strecke des -Transistors 28 und den Widerstand 61 zum Punkt b aus. Der Transistor 28 wird dadurch durchlässig gesteuert und ein weiterer Stromkreis, vom Punkt α ausgehend, über den Widerstand 60, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 28, den Widerstand 62 und den Verbraucherwiderstand 7 zum Punkt b geschlossen. Durch den Spannungsabfall an dem Widerstand 62 ist der Punkt m positiv gegenüber dem Punkt h und der Transistor 29 sicher gesperrt, da der Punkt h mit dem Emitter, der Punkt m dagegen mit der Basis des Transistors 29 verbunden ist. Ist im anderen Fall die Spannung U2 größer als die Spannung Ul₁ so bildet sich zunächst ein Stromfluß, vom Punkt e ausgehend, über den Verbraucherwiderstand 7, die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 29 und den Widerstand 64 zum Punkt f aus. Der Transistor 29 wird dadurch geöffnet und ein weiterer Stromkreis, vom Punkt e ausgehend, über den Verbraucherwiderstand 7, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 29 und den Widerstand 65 zum Punkt / geschlossen. Gleichzeitig wird der Transistor 28 gesperrt, da der Punkt g positiv gegenüber dem Punkt η wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Widerstände 60, 62 und 65 niederohmig, die Widerstände 61, 63 und 64 dagegen hochohmig gegenüber dem Verbraucherwiderstand 7 zu wählen. Der Widerstand 65 wäre an und für sich überflüssig, ist jedoch als Symmetriewiderstand zu den Widerständen 60 und 62 gedacht und soll deswegen so dimensioniert werden, daß seine Größe der Summe der Widerstände 60 und 62 entspricht.

Eine Verbesserung des Wirkungsgrades läßt sich nicht nur bei Amplitudendiskriminatoren nach den gezeigten Beispielen erreichen, sondern z. B. auch bei Doppelgegentaktmodulatoren für Gleichstromausgang. In den Schaltungen nach Fig. 7 und 8 haben die Widerstände 66 und 67 die gleichen Funktionen zu erfüllen wie die Widerstände 5 und 6 in der Schaltung nach Fig. 1. Der Wirkungsgrad der Schaltungen nach Fig. 7 und 8 läßt sich durch eine Anordnung von Transistoren und Widerständen verbessern, wie sie in Fig. 2 wiedergegeben ist. Die Transistoren müssen hierbei vom Typ npn sein, weil die beiden Gleichspannungsquellen in Fig. 7 und 8 negatives Potential gegen den gemeinsamen Mittelpunkt haben.

Der Wirkungsgrad der Schaltungen nach Fig. 9 und 10, bei denen die Widerstände 68 und 69 die gleichen Funktionen wie die Widerstände 8 und 9 in Fig. 3 haben, läßt sich eine Anordnung von Transistoren und Widerständen verbessern, wie sie in Fig. 4, 5 oder 6 wiedergegeben sind.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Schaltungsanordnung zur Differenzbildung zweier Gleichspannungen, insbesondere am Gleichstromausgang von Diskriminatoren und Doppelgegentaktmodulatoren für Telegrafieübertragungssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entkopp-

   lung der beiden Spannungsquellen an Stelle von Widerständen elektronische Schalter, vorzugsweise Transistoren, vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Polarität der Differenzspannung wechselweise so auf- bzw. zugesteuert werden, daß die abgebbare Leistung möglichst vollständig an den Verbraucher gelangt.

   .2, Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der elektronischen Schalter über parallel zum Verbraucherkreis liegende, gegenüber dem Verbraucher hochohmige und im Verbraucherkreis liegende, gegenüber dem Verbaucher niederohmige Spannungsteilerschaltungen erfolgt.

   3. Schaltunganordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Spannungsteilerschaltungen teilweise aus in ihrem Widerstandswert steuerbaren Schaltelementen, vorzugsweise Transistoren, bestehen,

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert dieser Schaltelemente von der Polarität der Differenzspannung abhängig ist.

   5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert dieser Schaltelemente die an Stelle der Entkopplungswiderstände vorgesehenen elektronischen Schalter steuert.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   909 728/206 1.60