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"liIit Konstantgleichstrom gespeister Transistorverstärker, insbesondere
ferngespeister Zwischenverstärker, vorzugsweise solcher in Vielkanal-Trägerfrequenzsystemen"
Die Erfindung bezieht sich auf mit Konstantgleichstrom ferngespeiste Transistorverstärker,
insbesondere auf ferngespeiste Zwischenverstärker, vorzugsweise solche in Vielkanal-Trägerfrequenzsystemen:
Bei Trägerfrequenz-Vielkanal-Übertragungssystemen, insbesondere solchen hoher Kanalzahl
müssen Zwischenverstärker in verhältnismäßig kurzem-Abstand voneinander :eingesetzt
werden, um einen hinreichenden Abstand des Nutzsignales vom Rausch-Pegel sicherzustellen.
In einigen Fällen sind die Feldlängen zwischen den Verstärkern nur wenige Kilometer
lang; Herbei ist es nicht üblich, in so kurzen Abständen jeweils eine gesonderte
Stromversorgung einzusetzen, üblich ist es vielmehr, den größten Teil der Verstärker
von einigen geeigneten Stellen der Verstärkerkette aus über die Ubertragungsleitungen
fernzuspeisen.
Hierbei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt,
an den Speisestellen Konstantgleichstromquellen einzusetzen und von hier aus die
versorgungsstrommäßig in Reihe geschalteten Verstärker über die übertragungsleitung
mittels eines eingeprägten 'tromes zu speisen.
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Die zulässige Feldlänge zwischen den ferngespeisten Z"!ischenverstärkern
kann vergrößert werden, wenn der :iusgangspegel jedes Verstärkers erhöht wird. Dieses
ist aber nur möglich, wenn die Verstärker für eine höhere Ausgangsleistung ausgelegt
werden, was üblicherweise aber auch ein Ansteigen der Versorgungsleistung zur Folge
hat, die ja den Verstärkern von der Speisestelle aus über die Übertragungsleitung
zugeführt werden muß.
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Es muß hierbei aber berücksichtigt werden, daß aus 2icherheitsgründen
für das überwachungspersonal die von einer Speisestelle abgegebene Speiseleistung
begrenzt ist. So liegt der zulässige höchste Speisestrom bei etwa 50 mA und die
Speisespannung gegen Erde soll 300 V nicht überschreiten iblicherweise werden Verstärker
nun aber mit konstanter Versorgungsgleichspannung betrieben und für diese Betriebsart
ist eine Vielzahl von Schaltungsanordnungen bekannt.
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Wenn nun mit Konstantgleichstrom ferngespeiste Verstärker ausgelegt
werden sollen, so wird in den meisten Fällen eine Zenerdiode parallel zu dem Versorgungsstromeingang
des Verstärkers gelegt, und so eine konstante Versorgungsspannung erzielt.
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Diese und andere Anordnungen zum Erzielen einer Konstantspannung für
den Verstärker verbrauchen einen nicht unbeträchtlichen Teil des Versorgungsstromes,
der so nicht mehr zum Erzielen einer möglichst großen Ausgangsleistung zur Verfügung
steht.
| Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Tran- |
| sistorverstärkerschaltung anzugeben, die bei vorgegebener |
| Versorgungsleistung, also konstantem Versorgungsspannungs- |
| abfall bei angeliefertem eingeprägten Versorgungs-leichström |
| einen hohen '.'rirkungsgrad bei gleichbleibender Aus,teizerun,5s-
. |
| grenze aufweist, so däß ein einfaches y;infiz@-_ei@ eines solchen |
| Verstärkers in eine ferngespeiste Ver.3t:rkerlcette ermöglicht |
| wird. Hierbei soll auch entweder infol e des guten ;@r':un:s- |
| grades eine VerF,rößerung der 'Tc"r:tirkerfeldlänge oder bei |
| gleichbleibender verst-*:rkerfeldlän;ge eine 'i<-rvleirierung
vier |
| abfallender mö_-lich sein. |
| Erfindunt-Feri-*ß wird die gestellte einem mit |
| honstantbs.eichström gespeisten Trarisi::torverstärl.::ir,
insbe- |
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sol- |
| chen in bei dein die .'ei- |
| tungsei-djtufe una weitere -v-Gi@#:@rz'gun.@rstromverbrauchf"r@
wie |
| `vorverst-_:r#ker und etwaige -,'t@erw#,ictlunt.-s- un(1 -tet`eleiririchtun- |
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.Jie Erfindung soll nun anhand der 1'iguren eingehend beschrieben
werden. Es zeigen dabei: Fig.1 einen mit Konstantgleichstrom gespeisten Transistorverstärker
gemäß der Erfindung; Fig.2 eine andere Ausbildung der in Emitterschaltung betriebenen
Ausgangsstufe dieses-Verstärkers; Fig.3 eine gemäß den Prinzipien der Fig.2 aufgebaute
Gegentaktausgangsstufe; Fig.4 eine Ausgangsstufe in Basisschaltung; Fig.5 eine solche
in Kollektorschaltung.
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In Fig.1 ist nun 'ein mit Konstantgleichstrom ferngespeister Ver;3t;-#*Lrker
dargestellt, dessen Fernspeisestrom, wie üblich, 50 mA getragen soll und der dem
VerstIrker über die Anschlüsse 12,13 von der Leitung über eine nicht dargestellte
Speiseweiche zugeführt wird.
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Die Transistoren 1 und 2 bilden mit den zugeordneten Schaltelernenten
einen üblichen Kleinsignal-Vorverstärker, dessen Gleichstromarbeitspunkt durch eine
Gleichstromgegenkopplung auf die Basis des ersten Transistors stabilisiert ist.
Wenn in die Lmitterleitung des ersten Transistors eine Zenerdiode anstatt des üblichen
@t('iderstandes eingefügt wird, bleibt der Strom in diesen stufen auch bei Änderungen
der Transistorparameter konstant.
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Nun soll die ichaltung des Transistors 3 der Ausgangsleistungs-_ stufe
beschrieben werden. Dieser Transistor 3 erhält seine Basisvorspannung über eine
Zenerdiode 5, über die der Basisstrom fließt, und einen ,;iderstand 9, in dem nur
wenig Gleichspannung abfällt, von der Stromversorgungsklemme 12, an der auch der
Kollektor des Transistors 3 über eine Primär-üicklung des @_usgangsübertragers 6
angeschlossen ist.
Unüblieherweise erhält also die Basis eine- Vorspannung,
die um einen festen Betrag unter der Spannung der Klemme 12 liegt. Der Emitter des
Transistors 3 ist über einen wertmäßig kleinen Widerstand 8 und einer weiteren Primärwicklung
des Ausgangsübertragers 6 mit der anderen Stromversorgungsklemme 13 verbunden.
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Da an den ßtromversorgungsklemmen 12, 13 ein Konstantgleichstrom
eingespeist wird, stellt sich selbsttätig zwischen den Klemmen 12 und 13 eine Gleichspannung
ein, die nur ein wenig (um das Basis Emitterpotential des Transistors 3) größer
ist als die Zenerspannung der Zenerdiode 5, wobei der ganze Strom über den Verstärker
selbst fließt. ',Denn also der btrom in den beiden Vorstufen durch die Gleichstromgegenkopplung
konstant gehalten wird, fließt der ganze restliche -3trom durch die Endstufe, wobei
nur ein wahrhaft kleiner Spannungsverlust durch die für den Schaltungsaufbau benötigten
mit dem Transistor 8 in Zeihe liegende Bauelemente auftritt.
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Auf diese Weise fließt der größte Teil des zur Verfügung stehenden
Versorgungsstromes durch die Ausgangsstufe des Verstärkers, so daß auch die maximal
mögliche Ausgangsleistung erzielt werden kann.
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Die beiden Primärwicklungen des Ausgangsübertragers 6 bilden zusammen
mit dem Widerstand 8 und der R/C Kombination 7 einen Brückengegenkopplungsnetzwert.
Diese Gegenkopplungsart wurde bei dem beschriebenen Beispiel gewählt, weil durch
sie die Ausgangsimpedanz des Verstärkers bei geringenlEigenverbrauch optimal eingestellt
und so bei vorgegebener Versorgungsleistung die maximale Ausgangsleistung erzielt
werden kann.
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Wenn die am rdiderstand 8 abfallende Gleichstromleistung zu hoch erscheint,
kann dieser durch eine Drossel mit geringem öhmschen, aber für die Signalfrequenzen
hohem Wechselstromwiderstand
überbrückt werden.
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'gieitere geeignete erfindungsgemäße Ausgangsstufenkonfigurationen
sollen jetzt noch beschrieben werden.
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Fig.2 zeigt nun eine solche rusgangsstufe.
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Hier erfolgt die Kopplung zwischen Vorstufen und Ausgangsstufe über
einen Übertrager 16. Irgendwelche Gegenkopplungsmaßnahmen sind nicht eingezeichnet,
da sie dem Stande der Technik zuzurechnen sind. Die Zenerdiode 5 liegt in Reihe
mit der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers 16 zwischen der Basis des Transistors
3 und der positiven itromversorgungsklemme 12, an der auch über die Primärwicklung
aes nusgangsübertragers 6 der Kollektor des Transistors 3 liegt, während sein Emitter
unmittelbar an der negativen Stromversorbungsklemme 13 angeschlossen ist. aie angedeutet,und
zur Fig.1 beschrieben, mögen die Vorstufen parallel an uen Stromversorgungsklenmen
12 und 13 angeschlossen sein. Da Konstantstromquellen an sich einen hohen Wechselstrominnenwiderstand
aufweisen, sind, wie auch bei dem Verstärker nach iig.1, die Stromversorgungsklemmen
12 und 13 wechselstrommäßig durch einen Kondensator 14 überbrückt. ebenso kann die
Zenerdiode 5, die auch hier die bei Konstantgleichstromspeisung am Verstärker abfallende
Spannung bestimmt, wechselstrommäßig durch einen Kondensator mit der Klemme 13 verbunden
werden.
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Fig.3 zeigt nun eine Gegentaktendstufe. In dem Emitterzweig der beiden
Transistoren 3 bzw. 3a sind '"iderstände 8 bzw.8a niedrigen Ohmwertes eingefügt,
um eine gleichmäßige #-ufteilung des zur Verfügung stehenden Versorgungsstromes
auf beide Transistoren zu erreichen. Dieses bringt zwar einen zusätzlichen Spannungsabfall
von 1...2 Volt, der aber in Kauf genommen werden kann. Um eine Stromgegenkopplung
auszuschalten, sind die k'mitter wechselstrommäßig über einen Kondensator 18 verbunden.
Außer diesen erwähnten Schaltungseinzelheiten entspricht die-Gegentaktstufe in ihrem
Aufbau der Ausgangsstufe nach Fig.3
| Bisher sind Ausgangsstufen beschrieben worden, deren Tran- |
| sistoren in Emitterschaltung arbeiten; Fi,#-.4 zeigt nun eine |
| solche, deren Transistor in Basisschaltung betrieben wird. |
| Die Basis des Transistors 3 liegt hier wiederum über eine |
| Zenerdiode 5 an der positiven ßtromversor - gungsklemme.12; |
| Die Zeiierdiode wird dabei wechselstrommäßig durch einen |
| Kondensator 15 überbrückt. Der Emitter des Transistors |
| liegt über die Sekundärwicklung des :#ingangsÜberträgers 14 |
| an der negativen 3trömversorgungsklemme 13, wobei noch ein |
| Widerstand 17 eingeschaltet sein kann, um einen bestimmten |
| Eingangswiderstand einzustellen und die Stufe zu linearie- |
| sieren. Der Kollektor ist über die j-rime,rwicklung des _tus- |
| gangsübertragers 6 an der positiven itromver"orgungskle:nme |
| 12 angeschlossen. ::uch hier wird die Über der hndstufe ab- |
| fallende Versorgungsgleichspannung von der Zenerdiode 5 be- |
| stimmt. |
| -In Fig.5 ist nur eine Stufe in Kollektorschältung darge- |
| stellt. liier ist der Basiskreis des Transistors 3 entweder |
| entsprechend dem der Ausganüsstufe der Fig.1 oder dem mit |
| eingangs äbertrager nach i; . 2 ausge Lilde i, Der Kollektor |
| des Transistors 3 ist direi;t mit der positiven 3tromversor- |
| gungsklemme 12 verbunden, w:hrend sein @mitter über die |
| Primärwicklung des Ausgangsübertragers 6 an der- negativen |
| 5tromversorgungsklemme 13 liegt. =_uch hier bestimmt die |
| Zenerdiode 5 die über der :tusgangsstufe abfallende 'versor- |
| gungsspannung. Die Vorstufen können wie bisher parallel an |
| die Stromversorgungsklemmen 12 und 13 angeschlossen werden. |
| i@iit der Basisstufe nach Jig.4 und der Kollektorstufe nach |
| Fi-g:5 lassen sich entstrechend der Gegentaktstufe nach |
| Fg.3 entsprechend auch segentaktstufen ausbilden: |
| Bekannte üe`enkopplungsschaltungen über eine oder mehrere |
| Stufen k',#?uieii in allen mit den erfindungsgemäßen Ausgangs- |
| stufen aufgebauten Verstärkern eingesetzt werden. =benso |
| wurden in allen beschriebenen yeismielen n-p-n Transist:)ren |
verwendet. Unter Berücksichtigung der dadurch bedingten Polaritätsumkehr
können diese auch mit p-n-p Transistoren realisiert werden.
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In dem Beispiel nach Fig.1 wurde anenommen, daß die Transistoren 1,2
des Vorverstärkers versorgungsstrommäßig parallel zu der Ausgangsstufe betrieben.
werden. Um den für den Vorverstärker benötigten Versorgungsstrom erniedrigt sich
der fär die Ausgangsstufe zur Verfügung stehende Speisestrom, wobei durch Ausbildung
des Vorverstärkers als Konstantstromverbraucher dafür gesorgt wurde, daß der für
die #,usgangsstufe verbleibende Speisestrom selbst auch ein Konstantstrom bleibt.
Insbesondere, wenn außer dem Vorverstärker in einem ferngespeisten Zwischenverstärker
noch weitere itrornverbraucher wie Lberwachungs- und Regeleinrichtungen vorgesehen
sind, kann es zweckmäßig sein, diese Einrichtungen einzeln oder. in Gruppen zusammengefaßt
stromversorgungsmäßig in Reihe mit der Ausgangsstufe zu betreiben. Hierbei erhält
dann jeweils die Basis eines Transistors jedes Gliedes dieser stromversorgungsmwßigen
Reihenschaltung wiederum ihre Vorspannung über eine Zenderdiode, wie zu den Fig.1..:5
beschrieben, während weitere in jedem Glied vorhandene Stromverbraucher dann als
honstantstromverbraucher ausgebildet sind wie der lorverstä.rker mit aen Transistoren
1 und 2 in rig.1.
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Zusammenfassend sei darauf hingewiesen, daß die beschriebenen erfindungsgemäßen,
mit Konstantgleichstrom ferngespeisten Transistorverstärker, nicht nur eine optimale
l@usnutzung des zur Verfügung stehenden Versorgungsstromes gestatten. Bei einer
Kettenschaltung gleichartig aufgebauter Zwischenverstärker, wie sie bei dem Einsatz
als ferngesf;eiste Leitungsverst#-:rker immer erfolgt, wird zusätzlich sichergestellt,
daß an jedem -:,inzelverstärker bei gleicher Aussteuerungsgrenze
die
gleiche Versorgungsgleichspannung abfällt. Dieses ermöglicht auch eine knappere
Bemessung der Aussteuerreserve gegenüber den üblichen Leitungaverstärkeranordnungen.