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Gabelschalting Die Erfindung bezieht sich auf eine Gabelschaltung.
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In der Technik der elektrischen Nachrichtenübertragung werden Gabelschaltungen
häufig zur Entkopplung von Stromkreisen, insbesondere von Sende- und Empfangsschaltungen
angewendet. Insbesondere ist es beim Aufbau einer Fernsprechverbindung zwischen
zwei Sprechstellen vorteilhaft, Mikrofon und Telefon in jeder Sprechstelle derart
voneinander zu entkoppeln, dass die Ströme aus dem Mikrofon nicht in das Telefon
derselben Station gelangen. Die Gabelschaltung.lässt sich so dimensionieren, dass
von der über die Zweidrahtleitung von der Gegensprechstelle ankommenden Signalenergie
der maximal mögliche Anteil an das Telefon gelangt. Weitere Gründe, insbesondere
die Verhinderung der Rückkopplung zwischen Telefon und Mikrofon derselben Sprechstelle
und die Reduktion des sogenannten Rückhörens, machen die Anwendung von Gabelschaltungen
notwendig.
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Näheres zu diesem Problem siehe "Nachrichtentechnik",
Steinbuch/Rupprecht,
Verlag Srpinger, Berlin/Heidelberg/ New York, 1967, Library of Congress Catalog
Card Number 66-23509, Seiten 239 - 244 und 296 sowie "Grundlage der Uebertragungstechnik",
Jacot, 1955, Gen.
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Dir. PTT, Bern, S. 196 - 198.
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Die Wirkungsweise der genannten Gabelsehaltungen beruht auf ihrem
Charakter als Bruckenschaltungen. Sie weisen zwar gewisse Uebertragungsverluste
auf, doch sind diese Verluste in der Praxis noch tragbar. Die genannten Gabelschaltungen
sind mit speziellen Gabelübertragern ausgerüstet, deren Wicklungen eine hohe Symmetrie
aufweisen.
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Diese Gabelschaltungen benötigen daher mit Kupferdraht bewickelte
Gabelübertrager, welche in ihrer Herstellung zwar problemlos sind, ihrer Dimension
und ihres Gewichtes wegen auch wegen ihres Preises erhebliche Nachteile aufweisen.
Wegen der unvermeidlichen Kupferverluste und der dadurch verursachen Grunddämpfung
lassen sich solche Uebertrager auch mit modernsten Materialien nicht in gewtlzischtem
Masse miniaturisieren. Es kann auch durch den relativ hohen Nikrofongleichstrom
eine Sättigung des Uebertrager-Kernmaterials eintreten.
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Es sind seit einiger Zeit Bestrebungen im Gange, Telefonschaltungen
zu transistorisieren und hierbei auch insbesondere die aufwendigen induktiven Bauelemente,
wie Uebertrager und Drosselspulen, zu eliminieren. So
sind bereits
Sprech- und Hörverstärker entwickelt und in der Praxis angewendet worden; das heiklere
Gebiet der Gabelsehaltungen blieb jedoch bisher praktisch unbeachtet. Es sind zwar
bereits verschiedene auf dem Brückenprinzip basierende Halbleiterschaltungen für
Telefonapparate bekannt, es müssen in ihnen aber zur Erzielung der erforderlichen
Bezugsdämpfungen zusatzliche transistorisierte Sende- und Empfangsverstärker vorgesehen
werden, was eine unerwünschte Verteuerung gegenüber konventionellen Schaltungen
mit sich bringt.
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Diese Lösungen kommen daher nur in Spezialfällen, d.h.
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in geringen Stückzahlen, in Page.
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Um Reflexionsverluste zu vermindern, strebt man bei der Entwicklung
neuer Fernsprechapparate danach, der Teilnehmerstation eine Klemmenimpendanz zu
verleihen, welche besser an die Beitungsimpedanz angepasst ist als dies bisher üblich
war. Das heisst z. B., dass die ohnehin in jedem Falle notwendige kapazitive Kabelnachbildung
im Telefonapparat direkt oder transformiert an den An schlussklemmen erscheinen
sollte. Eine solche-Schaltung ist aus der Literatur bekannt. (Siehe NTZ, 1969, Heft
11, S. 668 - 671 "Verbesserung der Homogenität in Fernsprechnetzen durch Transistor-Gabelschaltungen",
M. Tabor.) Diese Schaltung ist in ihrem Aufbau einfach und über sichtlich, weil
sie der symmetrischen Gabeschaltung bekannter Art sehr (ilmlich ist, sie erweist
sich jedoch
in der Anwendung in einem tSssenprodukt, wie Telefon-Teilnehmerapparate,
als zu aufwendig. Ausserdem muss auch nach Einführung vollelektronischer Telefonschaltungen
die Möglichkeit weiterbestehen, die bekannten Mikrofon und Hörertypen weiterhin
verwenden zu können.
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Kohlemikrofone sind nämlich auch heute noch, wirtschaftlich betrachtet,
undbertroffen, weil sie bei relativ hoher Lebensdauer und Qualität ausgesprochen
billig herzustellen sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte
Gabelschaltung zu schaffen, welche bei kleinstmöglichem Aufwand für eine Gabelschaltung
wesentliche technische Bedingungen optimal erfüllt, d.h.
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einerseits eine weitgehende Entkopplung der Sende- und Empfangsschaltung
ergibt und anderseits den bisher Ublichen bzw. notwendigen Gabelübertrager eliminiert
und vorzugsweise auch eine optimale Beeinflussung der Anschlussimpedanz der Gabelschaltung
an die Zweidrahtleitung erlaubt.
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Die Erfindung betrifft eine Gabelschaltung zur Ankopplung einer Sendeschaltung
und einer Empfangsschaltung an eine Zweidrahtleitung, wobei einerseits durch die
Leitungsimpedanz der Zweidrahtleitung und ihre Nachbildungsimpedanz zwei Arme einer
Brückenanordnung gebildet sind und anderseits zwei weitere Impedanzen die anderen
beiden Arme der Brückenanordnung darstellen und die Sendeschaltung an die eine Brückendiagonale
und die Empfangsschaltung an die andere Brückendiagonale angeschlossen ist, welche
Gabelschaltung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sendeschaltung einen Ringangskreis
und einen Ausgangskreis aufweist, wobei der Ausgangskreis und der Eingangskreis
der Sendeschaltung über wenigstens einen Teil der Brückenanordnung miteinander gekoppelt
sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen
erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels.
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Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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Fig. 3 ein Schaltbild einer vollelektronischen Telefonschaltung, in
welcher eine Gabelschaltung gemäss vorliegender Erfindung enthalten ist.
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Als erstes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1 eine Gabelschaltung, welche
zur Ankopplung einer ein Mikrofon M enthaltenden Sendeschaltung S und einer einen
Telefonhörer T enthaltenden Empfangsschaltung E an eine an die Klemmen A und B angeschlossene
Zweidrahtleitung mit den Adern a und b vorgesehen ist. Dabei ist angenommen, dass
die Ader a galvanisch mit dem Minuspol und die Ader b mit dem Pluspol der Zentralenbatterie
verbunden ist.
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Zwischen den Klemmen A und B erscheint die mit ZL bezeichnete Leitungsimpendanz
der Zweidrahtleitung. Eine leitungsnaehbildungsimpedanz ZN ist einerseits an die
Klemme A und anderseits an eine Klemme D angeschlossen.
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Die Impedanzen ZL und ZN bilden zwei zusammenstossende Arme einer
Brückenanordnung, deren gegenüberliegende Arme zwischen den Klemmen CD und CB ein
Kompensationsglied X bzw. eine Lastimpedanz RE enthalten.
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Die genannte Brückenanordnung ist mit ihren beiden Diagonalpunkten
A und C in den lastkreis einer Sendeschaltung S eingeschaltet. An die anderen beiden
Diagonalpunkte der Brückenanordnung, nämlich an die Klemmen B und D ist die Empfangsschaltung
E angeschlossen, welche beispielsweise einen Telefonhöhrer T aufweist. Im Steuerkreis
der Ser,deschaltullg S liegt das Mikrofon M.
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Eine Gabelschaltung nach Fig. 1 kann sinngemäss aucil für andere Sende-
und Empfangsschaltungen, beispielsweise
solche der Fernschreibtechnik
oder der Datenübertragungstechnik angewendet werden.
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Die Sendeschaltung S weist einen als Verstärker wirkenden Transistor
1 auf, dessen Kollektor 2 über eine Bei tung 3 an die Klemme A der Brückenschaltung
angeschlossen ist, während sein Emitter 4 über eine Leitung 5 mit der der Klemme
A gegenüberliegenden Klemme C der Brückenschaltung verbunden ist. Im Emitterkreis
des Transistors 1 liegt ferner die Impedanz RE im Brückenarm BC. Die Stromversorgung
der Sendeschaltung erfolgt über die Adern a und b der Zweidrahtleitung aus der 7,entralenbatterie.
Der Steuerkreis des Transistors 1 führt von seiner Basis 6 über einen Widerstand
RB, über das Sikrofon fl und über die Impedanz RE im Emitterkreis zum Emitter 4.des
Transistors 1 Der Lastkreis der Sendeschaltung S schliesst sich über die Brückenschaltung,
so dass ein Teil des Iaststromes auch durch die Impedanz RE fliesst. Da diese Impedanz
RE anderseits auch im Steuerkreis des Transistors 1 liegt, ist leicht ersichtlich,
dass die Sendeschaltung über diese Impedanz RE gegengekoppelt ist. Würde der Steuerkreis
über einen Uebertrager, beispielsweise mit dem Uebersetzungsverhältnis 1 : 1, an
die Impedanz RE angeschlossen, so könnte bei geeigneter Polung auch eine Rückkopplung
statt einer Gegenkopplung angewendet werden. Ein Kopplungspfad könne bspw. auch
von der Leitungs
nachbildungsimpedanz ZN oder von der Klemme A
abgezweigt und zum Steuerkreis geführt werden.
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Weil nun die Sendeschaltung S bezüglich der Leitungsimpedanz ZL nicht
entkoppelt ist, so ist leicht ersichtlich, dass durch den Grad der angewendeten
Gegen-bzw. Rückkopplung die an den Klemmen A und 3, an welche die Zweidrahtleitung
angeschlossen ist, auftretende Impedanz der Gabelschaltung beeinflusst werden kann,
ohne hierdurch die durch Einstellung des Kompensationsgliedes K zu erzielende Entkopplung
von Sendeschaltung S und Empfangsschaltung E unmöglich zu machen.
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Zur Erzielung optimaler Rückhördämpfung ist das YLompensationsglied
X gemäss folgender Gleichung zu dimensionieren: ZN RK = RE .
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ZL wobei RK die Impedanz des Kompensationsgliedes ist.
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Daraus ist ersichtlich, däss die Kompensation unabhängig von Parametern
des aktiven Verstärkerelementes 1 ist.
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Z N Wenn der Quotient reel ist, dann ist die Rückhör-ZL dämpfung mit
einem reellen Kompensationsglied K, also mit einem Widerstand vom Wert RK abgleichbar.
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Die ieitungsnachbildung ZN sollte somit im Real- und Imaginärteil
der ieitungsimpedanz annähernd proportional sein. In einer ersten Annäherung genügt
eine Serie- oder
Parallelschaltung eines Widerstandes mit einer
Kapazität.
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Bei gegebener Lastimpedanz RE von beispielsweise 100 Ohm und ZT von
beispielsweise 300 Ohm, ist K bezw RK nur von der Impedanz ZN abhlsngig. Letztere
ist nicht beliebig wählbar, weil die Kleramenimpedanz Z der gesamten Teilnehmerstation
ungefähr der Leitungsimpedanz ZL entsprechen sollte. Die Berechnung ergibt für
Die Formel zeigt einen komplexen Lähler- durch einen reellen Nenner - Ausdruck,
d.h. mit dem lmpedanzverlauf im Zähler ist die Klemmenimpedanz-Charakteristik (ob
induktiv oder kapazitiv) der Telefonstationsschaltung bereits gegeben. Die Impedanz
ZN muss deshalb so stark kapazitiv sein, dass sie die induktive Telefonhörerimpedanz
ZT genügend, das heisst mindestens über den ganzen Sprachfrequenzbereich von 300
Hz ... 3400 Hz zu überwiegen vermag. Bei richtiger Dimensionierung ist es somit
möglich, der Stationsimpedanz den erwünschten kapazitiven Charakter zu verleihen.
Im weiteren zeigt die Impedanz berechnung zusätzlich, dass Z. für eine grosse Stromserstärkung
h21 Transistorparameter-unabhängig wird, eine e für die Serieproduktion einer solchen
Schaltung sehr erwünschte Eigenschaft.
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Mit der beschriebenen Gabelschaltung lässt sich somit eine vollelektronische
Telefonschaltung realisieren.
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Sowohl für den Hörer T, wie auch für das Mikrofon M sind keine zusätzlichen
Verstärker notwendig, wenn auf eine "aktive" Pegelregulierung für die Sende- und
Empfangsrichtung verzichtet wird.
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Die Fig. 2 zeigt.ein Schaltbild eines -zweiten Ausführungsbeispiels,
welches sich vom ersten dadurch unterscheidet, dass das Kompenqationsglied K einen
Transistor 7 enthält und mit einem einstellbaren Basiswiderstand RB2 versehen ist.
Die übrigen Teile der Schaltung sind soweit sie denjenigen der Fig. 1 entsprechen,
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Stromversorgung des Transistors 7 erfolgt
ebenfalls aus der Zentralenbatterie. Ueber eine Leitung 8 ist der Kollektor 9 des
Transistors 7 an die Klemme A angeschlossen und liegt daher an der mit dem Minuspol
der Zentralenbatterie verbundenen Ader a. Der Emitter 10 des Transistors 7 ist mit
der Klemme D und über die Empfangsschaltung mit dem Telefonhörer T mit der Klemme
B verbunden. An die Klemme B ist die Ader b angeschlossen, welche mit dem positiven
Pol der Zentralenbatterie verbunden ist.
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Bei der Schaltung nach Fig. 2 wird die optimale Rückhördämpfung vermittelst
des Widerstandes RB2 eingestellt, wobei folgende Beziehung zu beachten ist
ZN
RR2 = (h21 . RE) .
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e L Die Fig. 9 zeigt eine Anwendung einer erfindungsgemässen Gabelschaltung
G in einer vollelektronischen Telefonschaltung. In Fig. 3 umfasst der Abschnitt
TN die Teilnehmerstation, der Abschnitt L die aus den Adern a und b bestehende Zweidrahtleitung,
während der Abschnitt Z, stark vereinfacht gezeichnet, die zentralenseitige Ausrüstung
darstellt. Die Zweidrahtleitung L dient nicht nur zur Uebertragung der Nachrichtensignale,
sondern auch zur Speisung der Teilnehmerstation TN aus der Zentrale Z. Zu diesem
Zweck ist beispielsweise die Ader a der Zweidrahtleitung über eine Wicklung 11 und
einen Speisewiderstand 12 mit dem Minuspol der Zentralenbatterie verbunden, während
die Ader b der Zweidrahtleitung L über eine Wicklung 13 und einen Speisewiderstand
14 mit dem Pluspol + der Zentralenbatterie verbunden ist. die inneren Enden 15 und
16 der Wicklungen 11 und 13 sind über einen Kondensator 17 miteinander verbunden.
Die Wicklungen 11 und 13 befinden sich auf einem Ausgangsübertrager 18 der Zentrale.
Eine weitere Wicklung 19 des Uebertragers 17 ist mit der Zentralenimpedanz Zz belastet.
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In der Teilnehmerstation TN besteht die elektronische Gabelschaltung
G wie in Fig. 1 aus der Leitungsnachbildung ZN und dem Telefon T sowie aus dem aktiven
Verstärkerelement 1 mit der zugehörigen Impedanz RE und
dem Kompensationsglied
X, welches durch den einstellbaren Widerstand RK dargestellt ist.
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Der Arbeitspunkt des aktiven Verstärkerelementes 1 ist durch einen
an die Klemmen A und B angeschlossenen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen
20 und 21 festgelegt. Der Verbindungspunkt 22 des genannten Spannungsteilers liegt
am Eingang des aktiven Verstärkerelementes 1. Ueber einen Kondensator 23 ist das
Mikrofon M der Teilnehmerstation an die Gabelschaltung G angeschlossen. Es ist hierbei
angenommen, dass als Mikrofon ein Kohlemikrofon verwendet wird. Der Betriebsgleichstrom
wird dem Mikrofon M über einen Eonstantstromzweipol zugeführt. Hierdurch wird vermieden,
dass die niedrige Impedanz des Nikrofons M von beispielsweise 70 Ohm, die an den
Klemmen A und 3 erscheinende Stationsimpendaz Zi in unzulässiger Weise erniedrigt.
Der Konstantstrom-Zweipol weist einen Transistor 24 mit einem Emitterwiderstand
25 auf. Im Kollektorstromkreis des Transistors 24 liegt das Mikrofon M und der Arbeitspunkt
des Transistors 24 und damit der Mikrofonspeisestrom ist durch einen Spannungsteiler,
bestehend aus den Widerständen 26 und 27 festgelegt, wobei dem Widerstand 26 ein
Kondensator 28 parallel geschaltet ist. Es können jedoch auch andere Mikrofonarten
oder mit Transistorverstärkern kombinierte iikrofone verwendet werden.
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In der Fig. 3 sind auch die Brückenpunkte A, B, C und D eingezeichnet,
wodass die Analogie zur Fig, 1 in dieser Beziehung leicht erkennbar ist.
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Eine Telefonschaltung nach Fig. 3 weist folgende Vorteile auf: 1.
Optimale Rückhördämpfung ist einstellbar und weitgehend unabhängig von den Transistor-Parametern.
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2. Die Stationsimpendanz Z1 kann an den optimalen Wert der Leitungsimpedanz
ZL optimal angepasst werden.
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3. Ein Kohlemikrofon M erhält einen von der Leitungslänge praktisch
unabhängigen Gleichstrom zugefiihrt. Dadurch wird die von passiven Telefonschaltungen
her bekannte sogenannte "zusätzliche Speisestromdampfung" eliminiert.
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In der Telefonschaltung gemäss Fig. 3 sind der Uebersicht halber das
Anruforgan, der Wecker oder ähnliches, die Wählscheibe für die Nummernwahl, ein
zweckmässiger Verpolungsschutz (Diodenbrücke) am Eingang A, B der Schaltung sowie
der notwendige Ueberspannungsschutz (Knackschutz) für den Telefonhörer und die Halbleiterelemente
sowie weitere Details nicht eingezeichnet.
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Diese sind jedoch für den Fachmann selbstveratändlich.
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Mit einer Telefonschaltung gemäss Fig 3 wurden für 0 Kilometer leitungslänge
folgende Daten ermittelt:
| - Sendebezugsdämpfung : ca. + 0,2 N |
| OBDM - |
| - Empfangsbezugsdämpfung : ca. + 0,18 N Nessplatz |
| - Rückhördämpfung : 1,5 N |
- Gleichstromwiderstand : ca. 200 # - Sendeimpedanz bei 1000 Hz : ca. 400 # (Kapazitiv)
- Empfangsimpedanz " : ca. 600 # (Kapazitiv)