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Dreitorschaltung Die Erfindung betrifft eine 1>reitorschaltung
(Sechspol) mit nichtreziproken Übertragungseigenschaften zwischen jeweils zwei der
drei Anschlußklemmenpaare derart, daß von dem ersten Anschlußklemmenpaar innerhalb
des Sechspols Signalenergie nur in Richtung auf das dritte Anschlußklemmenpaar übertragen
wird und von dem zweiten Anschlußklemmenpaar nur in Richtung auf das erste Anschlußklemmenpaar,
während zweites und drittes Anschlußkleinmenpaar innerhalb des Sechspols an sich
entkoppelt sind.
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Ein derartiger Sechspol ist aus der Zeitschrift Proc. IEEE, Vol. 55,
Nr. 3, März 1967, S. 471-472, bekannt.
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In Fernsprechanlagen erfolgt im allgemeinen der Übergang von einer
Zweidrahtleitung auf eine Vierdrahtleitung mittels einer Gabel unter Verwendung
sogenannter Differentialspulen oder Differentialübertrager. Bekannt sind auch nach
dem Resonanztransferprinzip arbeitende Zeitgabeischaltungen unter Verwendung von
Spulen. Diese Gabelschaltungen haben den Nachtcil, daß sie wegen ihrer magnetischen
Bauteile nicht in integrierter Bauiseise realisierbar sind. Nachteilig ist weiter,
daß diese Gabelschaltungen nur innerhalb eines begrenzten Frequenzbandes funktionsfähig
sind
und daß sie keine einen Gleichspannungsanteil enthaltende Spannung
und keinen einen Gleichstromanteil enthaltenden Strom übertragen können.
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Aus der deutschen Patentschrift 1 152 728 ist weiter ein tibergang
bekannt, bei dem ein Sende- und ein Empfangskanal über ein Verstärkerelement, wie
einen Transistor, mit einer Zweidrahtleitung verbunden sind. Dieser uebergang ist
zwar in integrierter 3ausweise realisierbar, jedoch ist seine Entkopplung zwischen
Sende- und Empfangskanal für spezielle Anwendungsfälle nicht ausreichend.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine die
Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidende Lösung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung des eingangs
geschilderten Sechspols als Übergang von einem Zweidrahtübertragungssystem auf ein
Vierdrahtübertragungssystem in der Weise gelöst, daß das erste Anschlußlclemmenpaar
als Anschluß für das Zaseidrahtsem vorgesehen ist, daß als Anschluß für den ankommenden
Ubertragungsweg des Vierdrahtübertragungssystems das zweite Anschlußklemmenpaar
vorgesehen ist, und daß den Anschluß für den abgehenden Übertragungsweg des Vierdrahtsystems
der Ausgang einer Summierschaltung bildet, die mit dem zweiten und dem dritten Anschlußklemmenpaar
verbunden und die derart ausgebildet ist, daß der Anschluß des zeiten Anschlußkleelmenpaares
vom Ausgang der Summierschaltung entkoppelt ist.
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Für die praktische Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist es vorteilhaft,
wenn in den Ausgang der Suinmierschaltung ein in Richtung des abgehenden Übertragungslreges
des Vierdrahtübertragungssystems übertragender Trennverstärker eingeschaltet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn als Sechspol eine mit dem ersten Ausgangsklemmenpaar
verbundene und von de Spannung oder dem Strom am zuleiten Ausgangsklemmenpaar gesteuerte
Spannungs- oder Stronqucllc und eine mit dem dritten Ausgangsklemmenpaar verbundene
und von der Spannung oder dem Strom am ersten Ausgangsklemmenpaar gesteuerte weitere
Spannungs-oder Stromquclle vorgesehen sind.
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Vorteilhaft ist es dabei, wenn ein in Richtung vom zweiten Ausgangsklemmenpaar
zum ersten Ausgangsklemmenpaar und/oder von ersten Ausgangsklemmenpaar zum dritten
Ausgangsklemmenpaar verstärkender Sechspol vorgesehen ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn als Summierschaltung
ein Spannungsteiler vorgesehen ist Enthalt der Sechspol einen Verstärker mit negativer
Verstärkung, so ist es vorteilhaft, wenn zwischen der Summierschalt und dem Sechspol
ein Inverter vorgesehen ist.
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Dic erfindungsgemäße Dreitorschaltung eignet sich in besonders vorteilhafter
Weise für die Verlrendung in einem Zweidrahtverstd:rker oder einem Dreitor- bzw.
Mehrtorzirkulatort Zar ist aus Proceedings IEEE, 53 (1965) 3, S. 260-267, bereits
ein aktiver Zirkulator mit drei Toren unter Verwendung von Trafl£istoren bekannt,
jedoch ist dieser wegen seiner Wechselstromkopplung für sehr niedrige Frequenzen
ungeeignet.
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Außerdem iird das Signal im Zirkulator stets gedämpft Die erfindungsgemäße
Drcitorschaltung eignet sich besonders für ihre Ausbildung in integrierter Bauweise.
Diese gliedert sich in sehr unterschiedliche Ausführungsarten. Die nennensweitesten
Ausführungsarten lassen sich durch folgende mechanisch konstruktive Bauvorchriften
klassifizieren:
a) Es wird vorgeschrieben, daß eine Leiterbahnen
tragende Isolierstoffplatte vorgesehen ist, auf der einzelne oder mehrere der'erforderlichen
elektrischen Baudlemente angeordnet werden, und daß mehrere solche elektrische Bauteile
tragende Platten zu der Gesamtschaltung über besondere Verbindungen zusammengefaßt
werden (z.i3. Mikromodultechnik).
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b) Es wird vorgeschrieben, daß auf einem Isolierstoffträger die einzelnen
elektrischen Bauelemente einschließlich der zugehörigen Verbindungsleitungen z.B.
im Wege der Aufdampftechnik als Dtlnnschichten und Leiterbahnen aufgebracht werden,
wobei ggf. Dioden und Transistoren in diese Tsolierstofplatten eingesetzt werden
(z.B. DUnnfilmtechnik). Bei einer besonderen Ausführungsform werden elektrische
Bauelemente, und zwar auch Transistoren und Dioden, nach einem Druckverfahren mit
eingebracht.
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c) Es wird vorgeschrieben, daß die einzelnen elektrischen Bauelemente
in und/oder auf einem einen einzelnen Baustein bildenden Halbleiterkörper durch
Legierungs-, Dotierungs- bzw. DiffusionsvorgUnge gebildet werden.
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Die Bauelemente können dabei Transistoren, Dioden, Widerstände und
Kondensatoren sein. Auch die Leitungsverbindungen werden durch entsprechende Verarbeitungsvorgänge
des Halbleiterbausteines ggf. durch Anwendung der Aufdampftechnik oder der Drucktechnik
gebildet.
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Es handelt sich um eine integrierte Schaltung im Sinne eines Nonoliths
auf Haibleiterbasis.
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d) Mehrere Halbleiterbausteine werden über ggf. mechanisch stcife
elektrische Verl>indungen zusammengehalten (Beom-lead-Technik) oder auf einem
Isolierstoffträger angeordnet und über dünne Drähte verbunden,
Es
gibt noch einc Reihe weiterer Mischformen zwischen diesen Bauvorschriften mechanisch
konstruktiver Art. Allen diesen Bativorschriften ist aber gemoinsam, daß sie die
Verwendung von Spulen und ffbertragern praktisch nicht zulassen. Es würde sonst
der Raumanteil des Ubertragers ein Vielfaches von dem der sonstigen elektrischen
Bauteile bzw.' der Gesamtschaltung sein.
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Nachstehtnd wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert, die sich als besonders vorteilhafte Lösungsmöglichkeiten für die Realisierung
des Erfindungsgegenstandes erwiesen haben.
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Die Big. 1 zeigt das Blockßchaltbild eines Uberganges Ü mit dem Zweidrahtanschluß
1, dem Vierdrahteingang 2 und dem Vierdrahtausgang 6. Eine tibertragung ist nur
vom Vierdrahteingang 2 zum Zweidrahtanschluß 1 bztr. vom Zweidrahtanschluß 1 zum
Vierdrahtausgang 6 möglich.
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Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Dreitorschaltung
mit dem Sechspol S und der Summierschaltung Su. Der Sechspol S hat drei Anschlußklemmwpaare
1, 2 und 3. Für diese Anschlußklemmenpaare sollen folgende Bedingungen gelten: a)
Der Sechspol soll vom Anschlußklemmenpaar 2 in Richtung auf das Anschlußklemmenpaar
1 übertragen.
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b) Der Sechspol soll in Richtung vom Anschlußklemmenpaar 1 zum Anschlußklemmenpaar
3 übertragen.
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c) Es soll keine Übertragung vom Anschlußklemmenpaar -1 in Richtung
zum Anschlußklemmenpaar 2, vom Anschlußklemmenpaar 3 in Richtung auf das Anschlußklemmenpaar
2 und vom Anschlußklemmenpaar 3 in Richtung auf das Anschlußklemmenpaar 1 gegeben
sein
Die Anschlußklemmenpaare 2 bzls. 3 des Sechspols S sind jeweils
mit den Anschlußklemmenpaaren 5 bzw. 4 der Summierschaltung Su verbunden. Die Drcitoranschlüsse
1, 2 und 6 entsprechen denen des Uberganges ii nach Fig. 1.
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Gestrichelt sind in Fig. 2 ggf. invertierende oder nicht invertierende
Trennverstärker XV2 bzw. XV3 sowie ein der Verhinderung einer Übertragung vom Anschlußklemmenpaar
6 zum Anschlußklemmenpaar 2 dienender Trennverstärker TVI eingezeichnet.
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In den Figuren 3 und 4 sind die Darstellung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele
vereinfachende Schalt symbole sowie diese realisierende Schaltungen angegeben. Mit
N+ bzw. N- sind jeweils die Stellen gekennzeichnet, an denen eine positive bzw.
negative Versorgungsgleichspannung anzulegen ist. In den Schaltungen nach den Figuren
3 und 4 werden die Widerstände in Form eines Basis-Spannungsteilers bzw. in Form
von Emitterwiderständen in an sich bekannter Weise so bemessen, daß aus dem Anschluß
x der geforderte Betriebsstrom entnommen werden kann, ohne daß sich dieser Strom
bei Schwankungen der am Anschluß x auftretenden Spannung nennenswert ändert. Diese
Betriebsstromquellen haben die Eigenschaft eines sehr hohen Wechselstromasiderståndes,
verbunden mit der vorenjähnten Gleichstromeigenschafto Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Dreitorschaltung nach der Fig. 2. Der Sechspol S enthält einen
als Emitterfolger wirkenden Transistor T1, in dessen Kollektorzuleitung ein Arbeitswiderstand
R3 liegt.
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In die Emitterzuleitung dieses Transistors ist eine Gleichstromquelle
Q1 eingeschaltet, die einen konstanten Emitterstrom für den Transistor TI liefert
und beispielsweise durch eine Anordnung nach den Figuren 3 nder 4 realisiert werden
kann. Zwischen de Basiszuleitung des Trarlsistors Ti und
einer Versorgungsspannung
N- ist ein Widerstand R2 geschaltet. Das mit einem Lastwiderstand R7 der Zweidrahtleitung
abgeschlossene Anschlußklemmenpaar 1 ist aus einer Verbindung über einen Widerstand
R1 mit der Emitterzuleitung des Transistors T1 und dem Bezugspotential, das Anschlußklemmenpaar
3 ist aus einer Verbindung mit der Kollektorzuleitung des Transistors TI und dem
Bezugspotential und das Anschlußklemmenpaar 2 ist aus einer Verbindung mit der Basiszuleitung
des Transistors T1 und dem Bezugspotential gebildet. Die Versorgungsspannungen N-
und N+ liegen wechselspannungsmäßig auf Bezugspotential. Zwisctlen dem Kollektor
und der Basis des Transistors T1 ist als Summierschaltung Su ein Spannungsteiler
mit den Widerstanden R4 bis R6 geschaltet, dessen Abgriff und das Bezugspotential
das Anschlußklemmenpaar 6 bilden. Die Widerstandswerte sind so gewählt, daß
ist <R4+R5+R6»R3).
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach der Fig. 5 ist folgende: Eine
am Anschlußklemmenpaar 2, dem Vierdrahteingang, anliegende Spannung steuert den
Emitterfolger TI, dessen Ausgang das Anschlußklemmenpaar 1 der Ztreidrahtanschluß
ist. Der nunmehr aus der Zweidrahtleitung durch die nicht geerdete Klemme des Anschlußklemmenpaares
1 eintretende Strom durchfließt den Transistor T1, tritt als Kollektorstrom in praktisch
gleicher Größe aus dem Transistor T1 aus und durchfließt den Arbeitswiderstand R3
in der Kollektorzuleitung, an dem daher eine Spannungserhöhung auftritt. Der Spannungsteiler
R4 bis R6 ist so eingestellt, ddß eine echofreie Übertragung in bei den Richtungen
gewahrleistet ist.
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Die Fig. 6 zeigt einen Übergang Ü, die sich von der nach der Fig.
5 dadurch unterscheidet, daß ein Verstärker und zusätzliche Trennvelstärker an den
Ausgangsklemmenpaaren 1 und 6 vorgesehen sind. Letztere geloahrleisten eine besonderes
hohe
Rückwirkungsfreiheit des Uberganges S. Während der Sechspol
S dem nach der Fig. 5 entspricht, enthält die Summierschaltung einen Transistor
22 mit Kollektorwiderstand R8 und Emitterwiderstand Rg sowie einen Differenzverstärker
DV mit Ausgangs widerstand RIO.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 6 ist folgende: Es wird
davon ausgegangen, daß das Anschlußklemmenpaar 1 richtig mit dem Lastwiderstand
R7 angepaßt ist. Eine am Ausgangsklemmenpaar 2 ankommende Welle liefert gleiche
Spannungen an den Knotenpunkten y und z, weil die Emitter-bzw. Kollektorwiderstände
der Transistoren T1 und 22 gleich sind (R3 = R8 und RI + R7 = R9). Demzufolge erscheint
am Ausgang des Differenzverstärkers DV, also am Ausgangsklemmenpaar 6, keine Spannung,
wobei die Genauigkeit der Spannungsunterdrückung von der Genauigkeit der verschiedenen
Widerstände abhängt. Wenn das Anschlußklemmenpaar 1 mit dem Widerstand R7 falsch
angepaßt ist, sind die Spannungen an den Punkten y und z unterschiedlich und es
erscheint eine zur Spannung am Ausgangsklemmenpaar 2 proportionale Spannung am Anschlußklemmenpaar
6. Die Größe dieser Spannung hängt von den Verstärkungen der Transistoren TI und
T2 und des Diferenzverstärkers DV ab. Diese Verstärkung kann erheblich sein, d.h.
der Ubergang U kann sehr aktiv sein.
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Eine am Anschlußklemmenpaar 1 ankommende Welle wird nur zum Anschlußklemmenpaar
6 übertragen, während eine am Anschlußklemmenpaar 6 ankommende Welle nicht übertragen
wird.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es leicht, zusätzliche Dimesionierungsbedingungen
zu befriedigen. Die Gleichspannungen können beispielsweise an den verschiedenen
Ausgangsklemmenpaaren jeweils null Volt sein. Die Schaltung kann auch bei 0 Hz,
also bei Gleichstrom, arbeiten.
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Die Fig. 7 zeigt ein an sich bekanntes Blockschaltbild eines Zweidrahtverstärkers.
In diese Anordnung können die erfindungsgemäßen Ubergänge 2, U' beispielsweise nach
den Figuren 4 und 5 eingesetzt werden. Verstärken die tbergänge 8 selbst, so können
die Verstärker V, V' entfallen.
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Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiol der Schaltung nach der Fig.
7 unter Verwendung von Ubergängen nach der Fig. 5.
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Die Fig. 9 zeigt einen Zirkulator mit den Toren 1, II und III unter
Verwendung erfindungsgemäßer gbergSnge 21, Ü2, U3 mit Schaltungen nach den Figuren
2 und 5.
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Der Sechspol S muß nicht unbedingt mit geerdeten Anschlußklemmenpaaren
ausgeführt werden. Ein oder mehrere Anschlußklemmenpaare dürfen potentialmäßig hoch
liegen, so daß es möglich ist, Anscblußklemmenpaare erdfrei, sogenannt schzJimmend,
auszuführen. Ebenso sind erdsymmetrische Anschlußklemmenpaare möglich. Um das Anchlußklemmenpaar
2 des Sechspols S schwimmend auszuführen, ist eine Vorstufe mit einem Differenzeingang
bekannter hrt vorzuschalten. Um das Anschlußklemmenpaar 3 schwimmend auszuführen,
ist eine Nachstufe mit einem differenziellen Ausgang nachzuschalten.
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Dies führt zu einem erdsymmetrischen Anschlußklemmenpaar.
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Es gibt auch andere Möglichkeiten, die Anschlußklemmenpaare 2 oder
3 schwimmend aussuführen. Diese sind jedoch von der Ausführung des Anschlul3klemmenpaares
1 abhängig.
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Das Ausführungsbeispiol nach der Fig. 10 zeigt einen Sechspol S, bei
dem das Anschlußpaar 2 total schwimmend und die Anschlußpaare 1 und 3 erdsymmetrisch
ausgebildet sind. Eine Besonderheit dieser Schaltung besteht darin, daß, obwohl
das Anschlußklemmenpaar 1 bezüglich der Spannungen erdsymmetrisch ist, dasselbe
jedoch nicht für die Ströme durch die Klemmen des Anschlußklemmenpaares 1 gilt,
d.h. der Strom,
der in das Anschlußklemmenpaar 1 fließt, ist nicht
nur ein reiner Gegentaktstrom. Er kann, abhängig von der externen Schaltung, auch
Gleichtaktkomponenten enthalten. Eine weitere Besonderheit der Schaltung nach der
Fig. 10 besteht darin, daß die am Anschlußklemmenpaar 3 era choinende Spannung nur
auf den Gegentaktstrom durch das Anschlußklemmenpaar 1 reagiert, auch wenn gleichzeitig
durch das Anschlußklemmenpaar 1 ein Gleichtaktstrom fließt. Dieses Verhalten könnte
jedoch auch beseitigt werden, wenn es für eine Anwendung uner£nscht ist.
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9 Patentansprüche 10 Figuren