DE1762137C - Übertragungseinrichtung zur Über tragung des Ausgangssignales einer hochohmigen Signalquelle über ein Lei tungspaar an einen entfernt liegenden Punkt - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Übertragungseinrichtung zur Übertragung des Ausgangssignals einer eine hohe Impedanz aufweisenden S^:gnak|uelle, beispielsweise in Form eines piezoelektrischen Wandlers, über ein Leitungspaar an einen entfernt liegenden Punkt.

Es ist sehr oft notwendig, ein von einer hochohmigen Spannungsquelle — beispielsweise einer piezoelektrischen Stromquelle — abgeleitetes Signal über eine längere Leitung an einen entfernten Verwendungspunkt zu leiten. Dabei ist es bekannt, daß auf Grund der Leitungskapazität und der Leitungsisolatinnswiderstände sehr starke Beschränkungen an die maximal überbrückbare Entfernung gesetzt sind. Inder Vergangenheit wurden die verschiedensten Versuche gemacht, um diese Schwierigkeiten zu überwinden, jedoch weisen alle diese Versuche gewisse Nachteile und Beschränkungen auf.

So ist beispielsweise ein zweistufiger ÄC-gekoppelter Transistorverstärker bekannt (s. deutsche Patentschrift 1 050 822), welcher als Spannungsquelle entweder einen Akkumulator oder eine Batterie verwendet. Derartige Einrichtungen haben jedoch keine konstante Ausgangsspannung. Es ist fernerhin bekannt, daß das zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren vorhandene Entkopplungs-ÄC-Filter nicht in der Lage ist, eine genü^nd konstante Spannung zu erreichen. Derartige Entkopplungselemente bewirken einzig und allein die Tiennung einer Stufe von der anderen im Hinblick auf das zu verstärkende Signal. Ähnliche Verstärkerschaltungen sind ferner auf Grund der deutschen Auslegeschriften 1 212 159, 1 219 089 und 1 210 047 bekannt.

Demzufolge ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Übertragungseinrichtung zu schaffen, welche gegenüber Leitungskapazitäten und Leitungsisolationswiderständen weniger empfindlich ist und die Verwendung längerer Leitungen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Übertragungseinrichtung durch die Kombination der folgenden Elemente gekennzeichnet ist:

a) eine spannungsregulierte Gleichspannungsquelle,

b) eine mit der Gleichspannungsquelle in Serie angeordnete unveränderliche Impedanz, von welcher das Ausgangssignal in Abhängigkeit des auftretenden Stromflusses abgenommen und einem Verstärker zugeführt ist,

c) ein an der Impedanz angeschlossener Spannungskonstanthalter, welcher die an das Leitungspaar abgegebene Spannung unabhängig des momentanen Stromflusses konstant hält, und

d) einen mit dem Leitungspaar verbundenen Elektronikkreis, welcher in Abhängigkeit der an den Klemmen des Elektronikkreises angeschlossenen, einen hohen Innenwiderstand aufweisenden Signalquelle den über das Leitungspaar geführten Strom steuert.

Die erfindungsgemäße Übertragungseinrichtung weist einen niederohmigen Ausgang am Verwendungspunkt auf, wodurch die Empfindlichkeit der auf der Leitung induzierten Spannungen und der beim Biegen des Kabels induzierten elektrischen Geräusche bei niedrigen Frequenzen minimiert werden. Das FrequenzverhaUen des Systems wird dabei bei normalen Werten von Leitungsisolationswiderständen und Leitungskapazitäten nicht nachteilig beeinflußt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine iu spannungsregulierte Stromversorgungseinheit verwendet. Normale Batterien weisen demgegenüber einen nicht vernachlässigbaren Innenwiderstand auf, so daß beim Ziehen eines Stroms ein Spannungsabfall eintritt. Demzufolge kann als regulierte Gleichspannuiigsquelle keine gewöhnliche Batterie verwendet werden. Dasselbe gilt für einen einfachen Gleichrichterkrcis mit einem gefilterten Ausgang. Um eine regulierte Ausgangsspannung zu erzeugen, ';· t es notwendig, zusätzlich zu einem Gleichrichter lv.w. einer Batterie einen Spannungsregelkreis vorzusehen. Zur Erzielung einer guten Spannungsregelung können diese Kreise relativ komplizierter Natur sein.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Spannungskonstanthalter bilden einen zweiten Spannungsregelkreis, welcher getrennt zu der Gleichspannungsquelle wirksam ist. Die regulierte Gleichspannungsquelle gibt an ihren Ausgangsklemmen eine vorgegebene Spannung ab. Diese Spannung wird von dem Spannungskonstanthalter als Vergleichsspannung verwendet. Dieser Spannungskonstanthalter vergleicht die zwischen den Vergleichsklemmen auftretende Spannung mit der an den Ausgangsklemmen auftretenden Spannung und reguliert die Impedanz der veränderlichen Impedanz derart, daß der gesamte Spannungsabfall konstant gehalten ist. Dies wird trotz Fluktuationen des Stromes erreicht, welcher von der Signalquelle über das Leitungspaar hergeleitet wird.'

Da die Impedanz unveränderlich ist, bewirken Änderungen des Stromes durch dieses Element eine Veränderung des Spannungsabfalls an demselben. Diese Veränderung des Spannungsabfalls wird als Eingangssignal dem Spannungsverstärker zugeführt, der an seinen Klemmen ein Ausgangssignal abgibt.

Die Signalquelle ist in der Regel ein piezoelektrischer Wandler. Wenn am Ausgang des piezoelektrischen Wandlers ein Strom abgegeben wird, dann fließt dieser Strom in Abhängigkeit der von dem piezoelektrischen Wandler erzeugten Spannung. Da dieser piezoelektrische Wandler einen sehr hohen Innenwiderstand aufweist und da dieser Stromfluß zu einem entsprechenden Spannungsabfall führt, wird das erzeugte Signal dementsprechend verzerrt. Demzufolge ist es wünschenswert, in Abhängigkeit der Signale sowenig wie möglich Strom aus dem piezoelektrischen Wandler zu ziehen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein einen hohen Innenwiderstand aufweisender Spannungsverstärker verwendet, welcher das in Form eines Spannungssignals vorhandene Eingangssignal in ein in Form eines Stroms vorliegendes Ausgangssignal umwandelt. Dabei ist der Spannungsverstärker in vielfacher Hinsicht ein Ladungsverstärker. Ein derartiger Spannungsverstärker hat einen relativ geringen Verstärkungsfaktor mit einer negativen Rückkopplung kapazitiver Natur, so daß Spannungsänderungen der Signalquelle verstärkt werden können, ohne u*Z dabei aus der Signalquelle in den Spannungsverstärker ein nenenswerter Strom fließt. Die am Ausgang des Spannungsverstärkers vorhandene Spannung wird dabei in Abhängigkeit der durch dir Signalquelle abgegebenen Ladung gesteuert.

Obwohl die vorliegende Erfindung zur übertragung von beliebigen, aus hochohmigen elektrischen Quellen herstammenden Signalen verwende; λ erden kann, so liegt ihre wichtigste Anwendung doch in Verbindung mit Ladungsträger erzeugenden Signal· quellen, beispielsweise piezoelektrischen Wandlern. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft für die übertragung von Signalen verwendbar, die durch Kondensatormikrophone, piezoelektrischen Temperaturmeßwertgeber u. d»l. erzeugt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich an Hand der Unteransprüche 2 bis 6.

In dem Folgenden soll die Erfindung an Hand eines AusführungsbeispieN näher erläutert und beschrieben werden, wobei -uf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltdiagramm der Übertragungseinrichtung gemäß der vorliegenden Lrfindung und

Fig. 2 ein schematisches Schaltdiagramm eines Zusatzelemenis zu der in F i g. I gezeigten Vorrichtung.

In dem Folgenden soll auf F i g. I in der Zeichnung Bezug genommen werden, in welcher ein piezoelektrischer Wandler IO dargestellt ist, der am Eingang eines hochohmigen dargestellten Verstärker* 11 liegt. Der Verstärkern kann ebenfalls als Spannungsstromwandler angesehen werden. Lin Zweileiterkabel 12 mit verteilter Kapazität und Isolaii^nswiderständen verbindet den Verstärker 11 mit einem innerhalb einer Einheit 13 angeordnetem Spannungssteuerelement. In Serie mit einem der beiden Leiter des Kabels 12 ist ein innerhalb einer Einheit 14 angeordnetes Stromsteuerelement angeordnet, welches durch das Spannungssteuerelement 13 gesteuert ist. Eine geregelte Gleichslrom-Ver-orgungseinheit 15 ist, wie dargestellt, über eine Impedanz 16 mit der Stromsteuereinheit 14 verbunden. Eir. innerhalb einer Einheit 17 angeordneter Verstärker, der von der Stromversorgungseinheil 15 gespeist ist, ist mit seinen Eingangsklemmen mit der Impedanz 16 verbunden. Aus einer Kapazität 18 und einem Widerstand 19 bestehendes Netzwerk verbindet den Ausgang des Verstärkers 17 mit einem Ausgangsklemmenpaar 20.

In dem Folgenden soll der Verstärkern genauer untersucht werden, der mit seinen Eingangsklemmen

21 und 22 mit dem piezoelektrischen Wandler 10 bzw. einer ähnlichen Quelle verbunden ist. Dabei soll angenommen werden, daß der Verstärkern in tier Nähe des Wandlers 10 angeordnet ist. Die Klemme

22 ist über einen Leiter 23 mit der Ausgangskleiume 24 des Verstärkers Il verbunden. Die Einjwngsklemme21 ist über eine Leitung 25 mit der Torelektrode 26 eines Feldeffekttransistors 27 verbunden. Die Quellenelektrode 28 des Transistors 27 ist — wie dargestel'.f — über einen Widerstand 29 über einen Kondensator 30 mit der Klemmstelle von drei Widerständen 31, 32 und 33 verbunden. Während der Widerstand 33 die Torelektrode 26 mit besagter Klemmjtelle verbindet, bilden Widerstände 31 und 32 einen Spannungsteiler, der zwischen dem Leiter 23 und einer Ausgangsklemme 34 angeordnet ist. Die Aus-

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gangsstufc des Verstärkers 11 hcstcht aus einem Stromversorgereinheit 15 über den Leiter 49, den

Stromstcuerelcment in Form eines N-P-N-Transistors Widerstand 43. den Transistor 45, die Leitung 46.

35. Die Basiselektrode 36 des Transistors 35 ist — die Klemme 40, einen der beiden Leiter des Kabels

wie dargestellt — mit der Abflußclektrodc 37 des 12 (vorzugsweise der innere Leiter, wenn das Kabel

Feldeffekttransistors 27 verbunden. Die Kollektor- 5 ein Koaxialkabel ist), die Klemme 34, die Transisto-

elektrodc des Transistors 35 ist hingegen mit dem rcn35 und 27, den Leitungswiderstand 29, von dort

Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 29 und zur Klemme 24 und über den äußeren Leiter des

der Quellenelektrode 28 verbunden. Die Emitter- Kabels 12, die Klemme 41, die Erdleitung 42 zur

elektrode 39 ist mit der Ausgangsklcmmc 34 verbun- positiven Klemme der Stromversorgungseinheit 15

ilen. ίο führt. Die von dem Wandler abgegebenen Signale

Das Zweileiterkabel 12 verbindet — wie darge- erzeugen Leitfähigkeitsänderungen innerhalb des stellt — die Ausgangsklemmen 24 und 34 des Ver- Transistors 35. Dadurch werden an den Klemmen 40 stärkers 11 mit den Eingangsklemmcn 40 und 41 des und 41 Spannungsschwankungen erzeugt, welche Auswertungsstromkreises, der mehrere hundert Meter über das aus den Widerständen 57 und 58 und dem entfernt sein kann. Die Eingangsklemme 41 ist mit 15 Kondensator 59 bestehende Netzwerk an die Basiseiner Erd- bzw. Bezugslcitung 42 verbunden. Die elektrode 56 des Transistors 52 geleitel werden. Diese Impedanz 16 besteht — wie dargestellt — aus einem Spannungsänderungen werden mit einer Vergleichs-Widerstand 43 und einem dazu parallellicgcndcn spannung verglichen, die über dem aus den WiderKondensator 44. Das Seriensteiierelement 14 ist — ständen 53 und 54 bestehenden Spannungsteiler an wie dargestellt — ein P-N-P-Transistor45. 20 die Emitterelektrode 55 geführt sind. Es soll darauf

Ein Stromkreis bildet sich somit von der Hingangs- hingewiesen werden, daß die Widerstände 53 und 54

klemme 40 über einen Leiter 46 bis zur Emittcrelek- mit der Stromversorgungseinheit 15 verbunden sind.

trodc47 eines Transistors 45 und von dort über die Demzufolge ändert sich die Leitfähigkeit des Tran-

Kollcktorclcktrode48, die Parallelschaltung des sistors52 in bekannter Weise als Funktion der an

Widerstandes 43 und des Kondensators 44 und über as den Klemmen 40 und 41 auftretenden Spannung,

eine Leitung 49 bis zur negativen Klemme der Strom- Vcinderungen der Leitfähigkeit des Transistors

\cr-orgungscinheit 15 aus. Die positive Klemme der 52 bedingen eine an dem Widerstand50 auftretende

Stromversorgung 15 ist mit der Leitung42 verbun- Stcucrspannung. Das wiederum bestimmt die Leit-

den. fäliigkcit und damit die Impedanz des Transistors 45

Von der negativen Klemme der Slromversorgungs- 30 in bezug auf den zu der Klemme 40 fließenden Strom, einheit ί5 wird Strom über eine Leitung 49 und einen uaraus erklärt sich, daß aus den Einheiten 13 und 14 Laslwiderstand 50 zur KollcklorclektrodcSl eines bestehender Stromkreis einen Spannungsregler darweiteren P-N-P-Transistors 52 geleitet. In Serie gc- stellt, der im wesentlichen eine konstante Spannung schaltete Widerstände53 und 54 sind mit der Strom- an den Klemmen40 und 41 aufrechterhält. Demversorgungseinheit 15 verbunden, wobei der gemein- 35 gegenüber ändert sich jedoch der durch das Kabel 12 same Klcmmpunkt mit der Emitterelektrode55 des zum Verstärker fließende Strom. Diese Stromändc-Transistors 52 verbunden ist. Die Basiselektrode 55 rungen bedingen am Widerstand 43 ein Spannungsdes Transistor«« 52 ist hingegen mit dem Verbindung*-· signal, welches durch die zwei Stufen des Verstärkers punkt von zwei Widerständen 57 und 58 verbunden. 17 verstärkt wird.

die zwischen den Klemmen 40 und 41 angeordnet 40 Es soll verstanden sein, daß die Transistoren 27

sind. Der Widerstand 57 ist ferner durch einen und 35 einen unipolaren-bipolaren Kaskadenverstiir-

parallcllicgcndcn Kondensator 59 überbrückt. ker darstellen, der mit Hilfe des Feldeffekttransistors

Der Ausgangsverstärker 17 besteht aus einem eine sehr hohe Eingangsimpedanz aufweist. Die Über-

P-N-P-Transistor61 und einem N-P-N-Transislor 60. tragungscigenschaften dieses Verstärkers 11 werden

die in Kaskade miteinander verbunden sind. Die 45 durch das von dem piezoelektrischen Wandler 10 ab-

Basiselcktrodc 62 des Transistors 60 ist — wie dar- gegebene Signal gesteuert.

gestellt -- durch einen Leiter direkt mit dem Ver- Eine zufriedenstellende Ausführunesform des in

bindungspunkt. dem Widerstand43 und der Kollek- F'ig. 1 gezeigten Stromkreises wurde gebaut, wobei

torelektrode 48 des Transistors 45 verbunden. Emit- die folgenden in der Tabelle angegebenen Werte vci-

tcrelcktrode63 des Ί ransistors 60 ist hingegen über 50 wendet wurden. Es so'I verstanden sein, daß diese

einen Widerstand 64 mit dem gegenüberliegenden Werte in Form eines speziellen Ausführungsbeispicls

finde des Widerstandes 43 verbunden. Die Kollektor- gegeben sind (s. TabcHe).
elektrode 65 des Transistors 60 ist direkt mit der

Basiselektrode 66 des Transistor«. 61 verfnindcn. Die Widerstände

Kollcktnrclcktrnde 67 des Transistors 61 ist hingegen 55 Bc/i.gsicichen Ohm

mit der Verbindungsstelle des Widerstandes 64 und 19 ]00 |ς

der Emitterelektrode 63 verbunden. Die Emittcrelek- 29 1,000

trede 68 des Transistor«. 61 Ut über einen Widerstand 31 3^3 M

69 über eine Leitung 70 mit einer Erdleitung 42 ver- 32 2,2 M

blinden. Die Leitung 70 ist ebenfalls mit der einen der 60 33 22^0 M

beiden Ausgangsklemmen 20 verbunden. Die andere 43 1,000

Klemme ist hineegrn — wie dargcstcPt — über den 50 20,(1 K

Widerstand 19 mit der I .fitting 70 verbunden. Schließ- 53 5^620

lieh ist der Kondensator 71 /wischen der Basiselck- „ 54 1.580

lrr.de 66 und der l.citunp 70 angeordnet. 65 57 5,o20

Es ist leicht 711 erkennen, daß die Transistoren des 58 5,620

VcTstiikcrkrcises 11 ibic I eisiimg fiber einen Strom- 64 1,000

kreis beziehen, der von der negativen Klemme der 69 1,001»

Kondensatoren Bezugszeichen raF

18 50

30 3,3 S

44 2,2· ΙΟ-*

59 1

71 O₁I-IO-='

Transistoren

Bezugszeichen Typ

27 2 N 2606

35 2N3904

45 2N3906

52 2N3906

60 2N3904

61 2N3906

Stromversorgungseinheit 15 : 42 Volt.

Die maximal verwendbare Kabellänge einer gemäß ao dem in F i g. 1 gezeigten Schaltdiagramm gebauten Vorrichtung kann wesentlich erhöht werden, indem zusätzliche Spannungssteuerkreise an gewissen Stellen entlang des Kabels gemäß der Darstellung in F i g. 2 angeordnet werden.

So wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, ist innerhalb des Kabels zwischen den Klemmen 24 und 34 auf einer Seite und den Klemmen 40,41 auf der anderen Seite cSnsY!srⁿQ!sⁿannun^o*steuereinheit 72 angeordnet. Die Steuereinheit besteht aus einem Seriensteuerelement bzw. einer veränderlichen Impedanz in der Form eines p-N-P-Transistors 73, der zwischen den Klemmen 74 und 75 angeordnet ist. Ein aus den Widerständen 76 und 77 bestehender Spannunsgteiler ist — wie dargestellt — zwischen der Klemme 74 und einer Klemme 78 angeordnet. Die Verbindungspunkte der Widerstände 76 und 77 sind mit der Basiselektrode 79 eines anderen P-N-P-Transistors 80 verbunden. Die Kollektorelektrode 81 des Transistor 80 ist mit der Basiselektrode 82 eines Transistors 73 und von dort übet einen Lastwiderstand 83 mil der Klemme 75 verbunden. Ein aus den Widerständen 84 und 85 und einem Kondensator 86 bestehender Stromkreis ist — wie dargestellt — zwischen der Klemme 75 und einet anderen Klemme 87 angeordnet. Die Emitterelektrode 88 des Transistors 80 ist dem gemeinsamer Verbindungspunkt der drei Elemente des erwähnter Stromkreises verbunden. Die Kollektorelektrode 89 des Transistors 73 ist mit der Klemme 75 und die Emitterelektrode 90 dieses Transistors mit der Klemme 74 verbunden.

Die Funktionsweise der in F i g. 2 gezeigten Transistoren 73 und 80 ist im wesentlichen die gleiche wit der entsprechenden Transistoren 45 und 52 vor Fig. 1.

Obwohl in F i g. 2 nur eine Zwischensteuereinhei dargestellt ist, so können doch mehrere derartige Einheiten in geeigneten Abständen voneinander an geordnet werden.

Typische Stromkreiskonstanten sind in F i g. 2 ge zeigten Stromkreises wie folgt:

Widcisiändc 76,77 und 85 je 5620 Olim.
Widerstände 83 und 84 je 10 Ohm.
Kondensator 86: 10//F.
Transistor 73 und 80: Typ 2 N 3906.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Übertragungseinrichtung zur Übertragung des Ausgangssignals einer eine hohe Impedanz aufweisenden Signalquelle, beispielsweise in Form eines piezoelektrischen Wandlers, über ein Leitungspaar an einen entfernt liegenden Punkt, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Elemente:

a) eine spannungsregulierte Gleichspannungsquelle (15),

b) eine mit der Gleichspannungsqueüe (15) in Serie angeordnete unveränderliche Impedanz (16), von welcher das Ausgangssignal in Abhängigkeit des auftretenden Stromflusses abgenommen und einem Verstärker (17) zugeführt ist..

c) ein an der Impedanz (16) angeschlossener Spannungskonstanthalter (13,14), welcher die an das Leitungspaar (IZ) abgegebene Spannung unabhängig des momentanen Stromflusses konstant hält, und

d) tinen mit dem LeitU'ngspaar(12) verbünde- ^a5 nen Elektronikkreis (27, 35), welcher in Abhängigkeit der an den Klemmen (21, 22) des Elektronikkreises (27, 35) angeschlossenen einen hohen Innenwiderstand aufweisenden Signalquelle (10) cien ütx_i· das Leitungspaar (12) geführter. Strom steuert.

2. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Kreis (27,35) einen Verstärker mit einem Stromsteuerelement (35) aufweist, welches wenigstens drei Elektroden besitzt, wobei die erste und zweite Elektrode (38,59) mit dem Leitungspaar (12) verbunden sind, während die dritte Elektrode (36) in Verbindung mit einer der anderen zwei Elektroden (38) das Ausgangssignal von der einen hohen Innenwiderstand aufweisenden Signalquelle (10) empfängt.

3. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Kreis ein Unipoiar-Bipolar-Kaskadentransistorverstärker (27,35) ist, dessen Unipolarelement ein Feldeffekttransistor (27) ist, dessen Gatter und Quellenelektroden (26,28) das Ausgangssignal der einen hohen Innenwiderstand aufweisenden Signalquelle (10) zugeführt ist.

4. Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in das Leitungspaar (12) an einer Zwischenstelle wenigstens ein Vierpol-Spannungssteuerkreis (72 bis 87) angeschlossen ist.

5. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vierpol-Spannungssteuerkreis (72 bis 87) ein veränderliches Impedanzelement (73) aufweist, welches in Serie mit einem der beiden Leiter des Leitungspaares (12) liegt, während der verbleibende Teil dieses Kreises zwischen den beiden Leitern angeordnet und mit dem veränderlichen Impedanzelement (73) derart verbunden ist, daß die Impedanz desselben zur Spannungskonstanthaltung in Abhängigkeit auftretender Spannungsfluktuationen auf der Signalquellenseite gesteuert ist.

6. Übertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Kreis (35) die Ausgangsstufe eines eine hohe Eingangsimpedanz aufweisenden Verstärkers bildet.