DE2050742A1

DE2050742A1 - Gabelschaltung mit einem Gabel übertrager

Info

Publication number: DE2050742A1
Application number: DE19702050742
Authority: DE
Inventors: Joe"l Serge Creteil; Girard Pierre Paris; Lerouge Claude Paul Henri Maurepas; Colardelle (Frankreich)
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1969-10-17
Filing date: 1970-10-15
Publication date: 1971-06-09
Also published as: ES384624A1; GB1268038A; ZA706849B; DE2050742C3; CH558616A; FR2063475A5; BE757529A; DE2050742B2; US3689710A

Description

Patentanwalt

Dipl.-Phys, Leo Thul '

Stuttgart

J.S. Colardelle 2-12-22

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Gabelschaltung mit einem Gabelübertrager.

Die Erfindung bet'rifft eine Gabelschaltung mit einem Gabelübertrager zur Verbindung einer Zweidrahtleitung mit einer Vierdrahtleitung, insbesondere zum Anschluß an elektronische., M vierdrähtig durchzuschaltende Koppelnetze in Fernmeldevermittlungsanlagen.

Es ist bekannt,.die Informationsübertragung zwischen Teilnehmern (oder Konzentratoren) und einem Fernmeldezentrum, beispielsweise einer zentralen Fernsprechvermittlungsanlage., mittels einer Zweidrahtleitung vorzunehmen, wobei wegen der geringen Aderzahl Kupfer gespart wird.

Wenn andererseits in den Koppelstufen dieser zentralen Fernsprechvermittiungsanlage elektronische Koppelpunkte benutzt werden, wird generell gefordert, daß die zwei Übertragungs-

richtungen zu trennen sind, sodaß VierSSnlltungen benötigt I

werden.

In bekannten Anordnungen zur Verbindung einer Zweidrahtleitung mit einer Vierdrahtleitung sind Gabelschaltungen in Form von Brückenschaltungen mit Gabelübertragern benutzt worden. Eine solche Gabelschaltung verwendet einen oder zwei Gabelübertrager, die eine hohe Qualität aufweisen müssen, und der Ausgleich der verschiedenen Impedanzen der Brückenschaltung muß sehr genau sein, um die gegenseitige Beeinflußung der zwei Übertragungsrichtungen und die Einfügungsdämpfung sehr klein zu halten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gabelschaltung

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-Λ"

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der eingangs genannten Art zu schaffen bei der Nachbildwiderstände hoher Genauigkeit nicht erforderlich sind und / bei der die durch die Gabelübertrager und durch die Vier-' ^: drahtleitung gebildete Einfügungsdämpfer kompensiert ist. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der■ Gabelübertrager T eine mit der Zweidrahtleitung L verbundene Primärwicklung aus ρ Windungen und eine mit ihrem Mittelabgriff über einen Widerstand geerdete • Sekundärwicklung aus 2p Windungen aufweist daß die ^ freien Enden der Sekundärwicklung über je einen als ', Stromverstärker mit niedriger Eingangs impedanz und höher Ausgangsimpedanz ausgebildeten Verstärker mit der abgehenden bzw. ankommenden Leitungszweig der Vierdrahtseite ^; verbunden sind, wobei jeder Verstärker mit einem bipolaren _s in Basisgrundschaltung betriebenen Transistor versehen ist. und daß die Gabelschaltung so bemessen ist,- daß beim Anlegen einer Spannung u an die Primärwicklung des Gabel-Übertragers am Ausgang des Gabelempfangsstärkers e'in Strom' Im2. = und dabei am Eingang des anderen Verstärkerskein Strom erzeugt wird und daß beim Anlegen einer,Spannung e an den Gabelsendeverstärker bzw. eines Eingangsstroms InI= j£j- an der Primärwicklung des Gabelübertragers eine

Spannung u' = Rl · In2 =<*.^e und dabei am Ausgang des_x anderen Verstärkers kein Strom erzeugt wird, wobei Ql der Wert des genannten Widerstandes, «-der Stromverstärkungsfaktor des in Basisgrundschaltung betriebenen Transistors. In2 der Ausgangsstrom des Gabel'sendestärkers ist und die Abschlußimpedanzen der Leitungen jeweils dem Wert des genannten Widerstandes entsprechen.

Es sei daran erinnert, daß ein idealer Stromverstärker

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eine Eingangsimpedanz der Größe O und eine unbestimmt hohe Ausgangsimpedanz hat. Ein solcher idealer Stromverstärker kann durch einen bipolaren Transistor in Basisgrundschaltung gebildet werden, welcher eine Stromverstärkung ausweist,,die etwas kleiner als 1 ist. Mit den Stromverstärkern kann die durch die Vierdrahtleitung entstehende Einfügungsdämpfung ausgeglichen werden., auch wenn die Vierdraht-Leitung einen erheblichen Widerstandswert ausweist. Dies ist der Fall, wenn Koppelpunkte mittels MOS-Transistoren gebildet werden und im Zuge der Vierdrahtleitung liegen.

.Eine weitere, vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet , daß die vom Reglereingang abgeleitete Spannung stabilisiert ist.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 das Prinzip der Gabelschaltung gemäß der Erfindung

Fig.2 in ausführlicher Darstellung einen Vierdrahtweg, über den eijie Verbindung zwischen den Leitungen La und Lb hergestellt wird.,

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Pig. 3 die Einrichtungen in einem Verbindungssatz für,ein,e : ■ Übertragungsrichtungj und '

Fig. 4 die Punktion EE 4 gleich f(VCE 4) des Transistors Q,

Fig. 1 zeigt die Gabelschaltung gemäß der Erfindung im Prinzip zur Optimierung der Anpassung, einer Zweidrahtleitung L mit der Impedanz ZL an einen Sender mit der Impedanz ZK und an einen Empfänger mit der Impedanz ZR. Die Gabelsehaltung f enthält: '

W a) einen symetrischen Gabelübertrager T, rait einer Primärwicklung aus. ρ .Jfindungen und dne* mittelangezapften

/ Sekundärwicklung aus 2 ρ W-indungen, wobei dieser

Mittelabgriff über einen Widerstand R 1 geerdet ist; ein Sekundärabwicklungsende m und ein Sekundärabwieklungsende η bilden jeweils zusammen mit der Erdklemme eine Zweidrahtleitung für die Informationsüber- , tragung in einer Richtung auf der Vierdrahtseite;

b) Stromverstärker Gm und Gn mit sehr niedriger Eingangsimpedanz Re. die einen konstanten Strom mit der Amplitude I 2 -GX Il - ■ liefern, wobei mit I 1 der Eingangsstrom ,

fe mit I 2 der Ausgangsstrom !Und mit <=κ die Stromverstärkung bezeichnet J.-st. Diese Verstärker haben eine Ausgangsimpec/anz Rs, die sehr hoch ist;

c) einen Empfänger R mit der Impedanz ZR und einen Sender K., der symbolisch durch eine Spannungsquelle e und deren Innenwiderstand ZK angedeutet ist; diese Impedanzen ZR ;■ und ZK sind dei?jä.rt gewählt, daß sie Sehr hoch gegenüber der Impecianz Re und niedrig gegenüber der Impedanz Rs sind,

Es soll nun gezeigt werden, daß diese Schaltung eine Gabelschaltung ist, das heißt/ daß die durch den Sender

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K gesendete Energie nur zur Leitung L übertragen wird ■ (Übertragungsrichtung N) und daß die üiier die Leitung L empfangene Energie nur zum Empfänger R übertragen wird (Übertragungsrichtung M).

1. Die vom Sender K abgegebene Energie

Es sei angenommen, daß ein in Fig. 1 gezeichns ter Umschalter W 1 In seiner Position b und der in der Ader m eingefügte Schalter W 2 offen ist. Der vom Sender K abgegebene Strom

In 1 wird in den Verstärker Gn injiziert und hat -den Wert: ™

In 1 = ^e 42 -L ZK + Re ⁷^

Dieser Verstärker liefert einen Strom In 2 = ©<> In 1, welcher der Reihenschaltung aus der einen Sekundärwicklungshälfte des Gabelübertragers T und dem Widerstand R 1 zugeführt wirdj parallel zu dieser Sekundärwicklungshälfte ist die übersetzte Impedanz ZL der Leitung zu denken. Die Potentialdifferenz Vn - Vg zwischen dem Sekundärwicklungsanschluß η und der Erdklemme ist daher: Vn - Vg= (Rl+ZL).In2. Wird R I=ZL=ZK gesetzt, so ist zu erkennen, daß die Energie gleichmäßig zwischen der Impedanz ZL und dem Widerstand %SR 1 verteilt ist; '^;es ergibt sich daher: f

Ve - Vg= R I.ln2= + u¹ ;· f a< e ^ ₎ Vn - Ve= +u¹.

Die Gleichung (1) gibt den Wert der Spannung u^T an, die an den Anschlüssen der Primärwicklung des GabelUbertragers auftritt. Die Sekundärwicklung des GabelUbertragers bildet einen Sparübertrager, wobei folgendes gilt:

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Vm - Ve = Ve - Vn = - u¹.
Aus diesen Gleichungen folgt:

(Ve - Vg) + (Vm - Ve) = Vm - Vg = + u¹ - u^f = O.

Es ist zu erkennen, daß es¹ eine Potentialdifferenz 0 zwischen den Punkten m :und g gibt, d.h., daß das Wicklungsende m des Gabelübertragers Irdpptential ftlhrt. Wenn der [ Schalter W 2 geschlossen wird, ist der Strom Im 1 = 0, weil f der Schalter mit dem Eingang des Verstärkers Gm verbunden ^ ist der seinerseits über den Widerstand Re geerdet ist.

/ Es ist zu erkennen, daß die vom Sender zur Leitung in

/ Richtung N gesendete Energie gleichmäßig zwischen der

? Leitung L und dem Widerstand R 1 aufgeteilt ist und daß

■ überhaupt keine Energie zum Empfänger R gelangt, unab-

• hängig davon, wie groß die Impedanz ZK ist. .

\ 2. Die von der Leitung L empfangene Energie«

Diese Energie werde von einer Spannungsquelle u mit einem ■■: Innenwiderstand ZL geliefert, wobei der Umschalter W 1 sich ? in der Position a befindet. Diese Spannung ,u erzeugt zwei Qj) Spannungen, welche gleich sind, und entgegengerichtet an j ■ ■■ den Sekundärwicklungshälften des Gabelübertragers auftreten.

Das Ersatzschaltbild der Anordnung zwischen dem Sekundärwicklungsanschluß η und Erde weist somit eine Spannungs- , quelle u mit einem Innenwiderstand ZL + R 1 auf, der mit ' dem Widerstand Rs belastet ist; der Wert dieses Widerstandes Rs 1st praktisch unbestimmt. Past die ganze Spannung u erscheint daher am Widerstand Rs,doch weil in äer Praxis jeder der Stromverstärker Gm und Gn durch einen bipolaren Transistor in Basisgrundschaltung mit einer sehr niedrigen Spannungsrüokwirkung au(etwa 5.10 ) verkörpert ist, aoheint

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praktisch überhaupt kein Signal am Ausgang des Verstärkers Gn. -

Das Ersatzschaltbild der Anordnung zwischen dem Sekundärwicklungsanschluß m und Erde weist eine Spannungsquelle u mit einem Innenwiderstand 'ZL = Rl auf, der durch einen sehr kleinen Widerstand Re belastet ist. Es kann daher geschrieben werden:

γηϊ ^{una Im2}

Wenn ZL = Rl ist. ist zu erkennen, daß die Hälfte der in Richtung M von der Leitung zum Empfänger übertragenen Energie im Widerstand Rl umgesetzt wird.

Es ist daher

Fig. 2 zeigt ausführlich eine Anordnung des Vierdrahtweges, über den eine Verbindung zwischen den Leitungen La und Lb mittels eines Verbindungssatzes Jx hergestellt wird. Der Weg zwischen einer Leitung und dem Verbindungssatz enthält:

a) eine Leitungsschaltung LCa bzw. LCh, |

b¹ )zwei Teileinrichtungen Jxa und Jxb des Verbindungssatzes Jx

c) Kondensatoren C2 und Cj5- die die Teileinrichtungen Jxa Jxb des Verbindungs s at ze s gleien jtiäßig trennen,

d) Widerstände Rds, die im Zuge der Übertragungsleitungen der Richtungen M und N liegen und die die mittels MOS-Transistoren geschalteten Koppelnetzwege symbolisieren. Jeder Widerstand Rds stellt den Ersatz -

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widerstand für die im Koppelnetzschaltweg liegenden

der¹
Schaltstreckenwiderstände MOS-Transistoren'dar. Pur diesen Widerstand kann gesetzt werden:

Rds <[6OO Ohm.

Dieser Wert kann sich aufgrund der individuellen Kennlinien der MOS-Transistoren ändern.

Eine Leitungsschaltung, beispielsweise die Leitungsschaltung LCa, weist den Gabelübertrager ' , Ta auf, der mit dem Gabelübertrager T der Pig.l identisch ist. Ferner enthält die Leitungsschaltung Widerstände Ria, RIb ·..'■ ',wobei* Ria = RIb = 2Rl ist. Ferner sind in der Leitungsschaltung 2 bipolare npn-Transistoren QIa, QIb in Basisgrundschaltung enthalten, Welche die Stromverstärker Gm und Gn bilden. Die Teileinrichtungen Jxa bzw. Jxb des Verbindungssatzes weisen folgende Teile auf:

a) für die Übertragungsrichtung M: komplementär e bipolare Transistoren Q^a, Q4a und Widerstände Rj5a, R4:a;

b) für die Übertragungsrichtung N: npn-Transistoren Q5a und Widerstände R5a, R6a.

Es soll nun die . ' Energieübertragung von der Leitung La zur Leitung Lb erläutert werden, wobei die Anordnung gemäß Fig.5 zu Hilfe genommen wird, die auch als "endfaltete" Darstellung der Schaltungen Jxa oder Jxb des .. Verbindungssatzes Jx betrachtet werden kann.

Bei der Verbindungsherstellung zwiischen den Leitungen La und Lb (Fig.2) benutzt der Verbindungsweg je Übertragungsrichtung die in dieser Pig. dargestellten Schaltungen. Um die Beschreibung und die Pig, zu vereinfachen, sind die den Transistoren zugeordneten Buchstaben a und b fortgelassen worden.

Der Verbindungssatz Jx erhält in der Übertragungsrichtung M-

T0 982W1Q42 -/-

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einen Strom Im2. Wenn angenommen wird, daß alle Transistoren im Arbeitspunkt A betrieben werden, so ist für kleine Signale die Spannung Vb4 die Basisspannung des Transistors Q4 und die Spannung Ve4 die Emitterspannung dieses Transistors. Es gilt dann:

Vb4 = Ve4 =ocR3: Im2.

Diese Spannung wird einem Transistor Q5 über eine Impetanz r6 zugeführt. Der Strom beträgt dabei:

Der Kollektorstrom dieses Transistors ist dann:

InI =(* . Io =

Der Kollektorstrom InI wird der Basis des Transistors Q2 zugeführt, dessen Kollektorstrom Folgenden Wert hat: In2 = or⁵ . U~ . Inß O).

Wie vorher anhand der Fig. 1 beschrieben, war die der Primärwicklung des Gabelübertragers T zugeführte Spannung: u = (aus 2)

und die sich an der Primärwicklung des Gabelübertragers einstellende Spannung:

u¹ = Rl.In2 (aus 1)

Durch Ersetzen von In2 und Im2 in der Gleichung O) durch die in derreieichungen (l) und (2) gegebenen Werte, wird folgende Beziehung erhalten:

Daraus ist zu erkennen, daß die Übertragungsverluste unabhängig vom Wert der Widerstände Rds sind. Es hat sich bei der Beschreibung der Fig. 1 auch gezeigt, daß

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AO

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die ankommenden Leitungen La und die abgehenden Leitungen Ltr durch die selbe Impedanz Rl = ZL belastet sind, sodaß das Verhältnis, zwischen der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung = dem Quadrat des durch die Gleichung (4) gegebenen Spannungsverhältnisses.

gewählt wird, so ist der Übertragungsverlust im Pig.2= 0.

Im folgenden wird nun die Gleichstromarbeitsweise dieser Schaltungen beschrieben, wobei die in Pig. 2 genannten Werte der Speisespannungen und folgende Beziehungen zugrunde gelegt werden:

Ria = RIb = R2 = R3 = R4 = R5 = 1 200 Ohm R6 = 600 0hm

Der Basis-Emitter-Spannungsabfall am bipolaren Transistor ist ein Volt,

die Stromverstärkung«* kann vernachläßigt werden, sie hat einen Wert von etwa 1.

1. Übertragungsrichtung M

Der Emitterstrom des Transistors Ql ist: IEl = jLg = 5,8 mA.

Die Kollektorspannung des Transistors Q2 ist: VC3 = 12 - (5,8 χ 1,2) = 5 V·

Die Emitterspannung des Transistors Q4 ist daher VE4 = 6V und der Emitterstrom dieses Transistors ist:

IE4 = γ-g: = 5 mA.

Die Werte VE und IE4 bestimmen den statischen Betriebspunkt des Transistors.

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2. Übertragungsrichtung N

Der Emitterstrom des Transistors Q5 ist:

IE5 = -J-K- = 5,8 rnA ■

J. j C.

Der Emitterstrom und der Kollektorstrom des Transistors 0,2 haben die gleichen Werte; Es ist zu erkennen, daß alle Transistoren in Basisgrundschaltung so vorgespannt sind, daß ein Emitterstrom von 5*8 mA fließt. Sie

arbeiten daher im Arbeitspunkt A. bei Signalen, deren ä

Amplituden, von Spitze zu Spitze gemessen, zwischen 0 und 10 mA liegen.

Es soll nun der dynamische Betrieb für große Signale der Kollektorgrundschaltung mit dem Transistor 0,4 erörtert .werden. Fig. 4 zeigt die Punktion:

IE4 = f (VCE4)

wobei VCE4 die Kollektor-Emitter-Spannung dieser Stufe ist,deren statischer Laßwiderstand den Wert RLs = .R4 = 1200 Ohm hat. Der Arbeitspunkt P hat die Koordinaten 6V, 5 mA, wie schon beschrieben worden ist. Der dynamische La.stwiderstand RLd wird durch die Parallelschaltung der Widerstände R4 und R6 gebildet ; er beträgt:

RLd ^^- 400 Ohm

Aus Fig. 4 ist zu erkennen, daß der dynamische Bereich der Stufe, von Spitze zu Spitze gemessen, 10 mA für die Stufen in Bssisgrundschaltung beträgt.

Der dynamische Bereich für große Signale, in dem die Leitungen

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λ%

La und Lb verbindenden Verbindungsweg ist somit 1OmA bzw. 6 Volt, von Spitze zu Spitze gemessen, für-:

Rl = SL = 600 Ohm.

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Claims

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[■^,Gabelschaltung mit einem Gabelübertrager zur Verbindung, insbesondere zum Anschluß an elektrische,vierdrähtig durchzuschaltende Koppelnetze in Fernmeldevermittlungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gabelübertrager T eine mit der Zweidrahtleitung L verbundene Primärwicklung aus ρ Windungen und eine mit ihrem Mittelabgriff über einen Widerstand (Rl) geerdete ' Sekundärwicklung aus 2p Windungen aufweist, daß die i

freien Enden der Sekundärwicklung über je einen als Stromverstärker mit niedriger Eingangsimpedanz und hoher Ausgangsimped.anz ausgebildeten Verstärker (Gm., Gn) mit der abgehenden bzw. ankommenden Leitungszweig (RjK) der Vierdrahtseite verbunden sind, wobei jeder Verstärker mit einem bipolaren, in Basisgrundschaltung betriebenen Transistor versehen ist, und daß die Gabelschaltung so bemessen ist, daß beim Anlegen einer Spannung u an die Primärwicklung des Gabelübertragers am Ausgang des Gabelempfangsstärkers (Gm) ein Strom Im2= j und dabei am Eingang des anderen Verstärkers kein Strom erzeugt wird und daß beim Anlegen einer Spannung e an den Gabelsendeverstärker (Gn) bzw. eines Eingangsstroms InI= ^₁ an " der Primärwicklung des Gabelübertragers eine Spannung u^! = Rl . In2 =of· ^e und dabei am Ausgang des anderen Verstärkers kein Strom erzeugt wird, wobei Ql der Wert des genannten Widerstandes, o< der Stromverstärkungsfaktor des in Basisschaltung betriebenen Transistors, In2 der Ausgangsstrom des Gabelsendestärkers ist und die Abschlußimpedanzen der Leitungen jeweils dem Wert des genannten Widerstandes entsprechen,

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2. Gabelschaltung nach Ansspruch 1 zur Verwendung in yierdrähtig durchzuschaltenden Koppelnetzen., dadurch gekennzeichnet ; daß.jeder Verbindungssatz(Jx) zwei Teileinrichtungen (Jxa., Jxb) aufweist, die während der Herstellung einer Verbindung die Ausgänge der Gabelsendeverstärker mit den Gabelempfangsverstärker der zwei, an einer Verbindung beteiligten Gabelschaltung miteinander verbinden, daß jede Teileinrichtung einen mit niedriger Eingangs- und Ausgangsimpedanz versehenen ersten Verstärker (Al), welcher an seinem Ausgang eine dem Strom Im2 proportionale Spannung (Ve4) abgibt, ferner einen zweiten Verstärker (A2), welcher einen der Eingangsspannung proportionalen Ausgangsstrom InI liefert und ihn dem entsprechenden Gabelempfangsverstärker (Gn) zuführt und einen Kondensator (C2, Cj5) aufwei-st, welcher den ersten Verstärker der einen Teileinrichtung mit dem zweiten Verstärker der anderen Teileinrichtung koppelt, so daß der Strom InI der Ausgangsspannung (Ve4) am ersten Verstärker proportional ist, und daß die Verstärkung der ersten Verstärker (Al) derart bemessen ist, daß durch ihn die im Koppelnetz auftretenden Verluste ausgeglichen werden.

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