DE2250645B2

DE2250645B2 - Gabelschaltung

Info

Publication number: DE2250645B2
Application number: DE19722250645
Authority: DE
Inventors: Walter Uster Linggi (Schweiz)
Original assignee: Zellweger Uster AG
Current assignee: Zellweger Uster AG
Priority date: 1972-03-10
Filing date: 1972-10-16
Publication date: 1976-04-29
Also published as: DE2250645A1; CH549914A; DE2250645C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Gabelschaltung zur Ankopplung einer Sendeschaltung und einer Empfangsschaltung an eine Zweidrahtleitung, wobei einerseits durch die Leitungsimpedanz der Zweidrahtleitung und ihre Nachbüdungsimpedanz zwei Arme einer Brückenanordnung gebildet sind und andererseits zwei weitere Impedanzen die anderen beiden Arme der Brückenanordnung darstellen und die Sendeschaltung über 'hren Ausgangskreis an die eine Brückendiagonale und die Empfangsschaltung an die andere Brückendiagonale angeschlossen ist. .

In der Technik der elektrischen Nachrichtenübertragung werden Gabelschaltungen häufig zur Entkoppelung 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 Sprechsteile und die Reduktion des sogenannten Rückhörens, machen die Anwendung von Gabelschaltungen notwendig.

Näheres zu diesem Problem siehe »Nachrichtentechnik«, Steinbuch/Rupprecht, Verlag Springer. Berlin/Heidelberg/New York. 1967, Library of Congress Catalog Card Number 66-23509, S. 239 bis 244 und 296 sowie »Grundlage der Übertragungstechnik« J acot, 1955,Gen. Dir. PTT,Bern,S. 196bis 198.

Die Wirkungsweise der genannten Gabelschaltunger beruht auf ihrem Charakter als Brückenschaltungen. Sie weisen zwar gewisse Übertragungsverluste auf, doch sind diese Verluste in der Praxis noch tragbar. Die genannten Gabelschaltungen sind mit speziellen Gabelübertragern ausgerüstet, deren Wicklungen eine hohe Symmetrie aufweisen.

Diese Gabelschaltungen benötigen daher mit Kupferdraht bewickelte Gabelübertrager, welche in ihrei Herstellung zwar problemlos sind, ihrer Dimension unc ihres Gewichtes wegen auch wegen ihres Preise; erhebliche Nachteile aufweisen. Wegen der unvermeidlichen Kupferverluste und der dadurch verursachter Grunddämpfung lassen sich solche Übertrager auch mi modernsten Materialien nicht in gewünschtem Maße miniaturisieren. Es kann auch durch den relativ hoher Mikrofongleichstrom eine Sättigung des Übertrager Kernmaterials eintreten.

Es sind seit einiger Zeit Bestrebungen im Gange Telefonschaltungen zu transistorisieren und hierbe

3 '4

»uch insbesondere die aufwendigen induktiven Bauele- gelöst, daß der Auigangskreis und der Eingangskreis

mente, wie Übertrager und Drosselspulen, zu eliminie- der Sendeschaltung über wenigstens einen Teil der

ren. So sind bereits Sprech- und Hörverstärker Brückenanordnung miteinander gekoppelt sind.

entwickelt und in der Praxis angewendet worden; das Im folgenden wird die Erfindung an Hand der

heiklere Gebiet der Gabelschaltu.igen blieb jedoch 5 Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei

bisher praktisch unbeachtet. Es sind zwar bereits zeigt

verschiedene auf dem Brückenprinzip basierende F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbei-

Halbleiterschaltungen für Telefonapparate bekannt, es spiels,

jnüssen in ihnen aber zur Erzielung der erforderlichen Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbei-

Bezugsdämpfungen zusätzliche transistorisierte Sende- ι ο spiels,

und Empfangsverstärker vorgesehen werden, was eine F i g. 3 ein Schaltbild einer vollelektronischen TeIe-

unerwünschte Verteuerung gegenüber konventionellen fonschaltung, in welcher eine Gabelschaltung gernäP

Schaltungen mit sich bringt. Diese Lösungen kommen vorliegender Erfindung enthalten ist.

daher nur in Spezialfällen, d. h. in geringen Stückzahlen, Als erstes Ausführungsbeispiel zeigt F i g. 1 eine

in Frage. 15 Gabelschaltung, welche zur Ankopplung einer ein

Um Reflexionsverluste zu vermindern, strebt man bei Mikrofon M enthaltenden Sendeschaltung S und einer

der Entwicklung neuer Fernsprechapparate danach, der einen Telefonhörer Tenthaltenden Empfangsschaltung

Teilnehmerstation eine Klemmenimpedanz zu verlei- E an eine an die Klemmen A und B angeschlossene

hen, welche besser an die Leitungsimpedanz angepaßt Zweidrahtleitung mit den Adern a und b vorgesehen ist.

ist als dies bisher üblich war. Das heißt z. B., daß die 20 Dabei ist angenommen, daß die Ader a galvanisch mit

ohnehin in jedem Falle notwendige kapazitive Kabel- dem Minuspol und die Ader b mit dem Pluspol der

nachDÜdung im Telefonapparat direkt oder transfor- Zentralenbatterie verbunden ist.

miert an den Anschlußklemmen erscheinen sollte. Eine Zwischen den Klemmen A und B erscheint die mit Zl

solche Schaltung ist aus der Literatur bekannt. (Siehe bezeichnete Leitungsimpedanz der Zweidrahtleitung.

NTZ, 1969, Heft 11, S. 668 bis 671, »Verbesserung der 25 Eine Leitungsnachbildungsimpedanz Zn ist einerseits an

Homogenität in Fernsprechnetzen durch Transistor- die Klemme A und andererseits an eine Klemme D

Gabelschaltungen«, M. T a b ο r). angeschlossen. Die Impedanzen Zl und Zn bilden zwei

Diese Schaltung ist in ihrem Aufbau einfach und zusammenstoßende Arme einer Brückenanordnung,

übersichtlich, weil sie der symmetrischen Gabelschal- deren gegenüberliegende Arme zwischen den Klemmen

tung bekannter Art sehr ähnlich ist, sie e/weist sich 10 CD und CB ein Kompensationsglied K bzw. eine

jedoch in der Anwendung in einem Massenprodukt, wie Lastimpedanz /?Eenthalten.

die Telefon-Teilnehmerapparate, als zu aufwendig. Die genannte Brückenanordnung ist mit ihren beiden

Außerdem muß auch nach Einführung vollclektroni- Diagonalpunkten A und C in den Lastkreis einer

scher Telefonschaltungen die Möglichkeit weiterbeste- Sendeschaltung 5 eingeschaltet. An die anderen beiden

hen, die bekannten Mikrofon- und Hörertypen weiter- 3s Diagonalpunkte der Brückenanordnung, nämlich an die

hin verwenden zu können. Kohlemikrofone sind Klemmen B und D ist die Empfangsschaltung £

nämlich auch heute noch, wirtschaftlich betrachtet, angeschlossen, welche beispielsweise einen Telefonhö-

unünertroffen, weil sie bei relativ hoher Lebensdauer rer T aufweist. Im Steuerkreis der Sendeschaltung .S"

und Qualität ausgesprochen billig herzustellen sind. liegt das Mikrofon M. Eine Gabelschaltung nach F i g. 1

Aus der DT-AS 10 31 357 ist eine Schaltungsanord- 40 kann sinngemäß auch für andere Sende-und Empfangs-

nung für Fernsprechstationen mit Rückhördämpfung schaltunger., beispielsweise solche der Fernschreibtech-

und Transistorverstärker bekannt, bei der das Telefon in nik oder der Datenübertragungstechnik angewendet

der einen Diagonale einer Widerstandsbrücke angeord- werden.

net ist, deren andere Diagonale als Brückeneingang von Die Sendeschaltung S weist einen als Verstärker der vom Transistor verstärkten Mikrofon-Wechsel- 45 wirkenden Transistor 1 auf, dessen Kollektor 2 über eine spannung gespeist wird, und wobei der eine Wider- Leitung 3 an die Klemme A der Brückenschaltung standszweig der Brücke durch den Widerstand der angeschlossen ist, während sein Emitter 4 über eine Teilnehmerleitung gebildet wird. Der Ausgangskreis der Leitung 5 mit der der Klemme A gegenüberliegenden den Transistor enthaltenden Sendeschaltung schließt Klemme C der Brückenschaltung verbunden ist. Im sich dabei über die Brücke. Dem zur Sendeschaltung 50 Emitterkreis des Transistors 1 liegt ferner die Impedanz gehörenden Transistor ist ferner ein Eingangskreis Re im Brückenarm BC. Die Stromversorgung der zugeordnet, welcher von der Basis des Transistors über Sendeschaltung erfolgt über die Adern a und b der einen Kondensator und die Parallelschaltung von Zweidrahtleitung aus der Zentralenbatterie. Der Steuer-Mikrofon und einem Widerstand zum Emitter des kreis des Transistors 1 führt von seiner Basis 6 über Transistors führt. Bei richtigem Brückenabgleich wird 55 einen Widerstand Rb, über das Mikrofon Mund über die dabei die Entkopplung von Hörer und Mikrofon und die Impedanz Re im Emitterkreis zum Emitter 4 des Verstärkung des Sendesignals erreicht. Nachteilig bei Transistors 1.

der bekannten Anordnung ist jedoch vor allem, daß Der Lastkreis der Sendeschaltung S schließt sich über

keine optimale Stationsimpedanz gewährleistet werden die Brückenschaltung, so daß ein Teil des Laststromes

kann. 60 auch durch die Impedanz Rr fließt. Da diese Impedanz

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gabelschaltung der Ri andererseits auch im Steuerkreis des Transistors 1

eingangs definierten Art mit möglichst gerinqrm liegt, ist leicht ersichtlich, daß die Sendeschaltung über

Aufwand derart auszubilden, daß einerseits eine diese Impedanz Ri gegengekoppelt ist. Würde der

weitgehende Entkopplung der Sende- und Empfangs- Sicuerkreis über einen Übertrager, beispielsweise mit

schaltung erreicht und andererseits eine optimale 6s dem Übersetzungsverhältnis 1 : 1, an die Impedanz Re

Beeinflussung der Anschlußimpedanz der Gabelschal- angeschlossen, so könnte bei geeigneter Polung auch

tung an die Zweidrahtleitung sichergestellt wird. eine Rückkopplung statt einer Gegenkopplung ange-

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch wendet werden. Ein Kopplungspfad könnte beispiels-

weise auch von der Leitungsnachbildungsimpedanz Zn oder von der Klemme A abgezweigt und zum Steuerkreis geführt werden.

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 B, 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.

Zur Erzielung optimaler Rückhördämpfung ist das Kompensationsglied K gemäß folgender Gleichung zu dimensionieren:

η __ D . Z_n

i\_k — i\_J; _ ,

wobei Rk die Impedanz des Kompensationsgliedes ist.

Daraus ist ersichtlich, daß die Kompensation unabhängig von Parametern des aktiven Verstärkerelementes 1 ist. Wenn der Quotient-=^ reell ist, dann ist

die Rückhördämpfung mit einem reellen Kompensationsglied K, also mit einem Widerstand vom Wert Rk abgleichbar.

Die Leitungsnachbildung Zwsollte somit im Real- und Imaginärteil der Leitungsimpedanz annähernd proportional sein. In einer ersten Annäherung genügt eine Serie- oder Parallelschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität. Bei gegebener Lastimpedanz Re von beispielsweise 100 Ohm und Zr von beispielsweise 300 Ohm, ist K bzw. Rk nur von der Impedanz Zn abhängig. Letztere ist nicht beliebig wählbar, weil die Klemmenimpedanz Z der gesamten Teilnehmerstation ungefähr der Leitungsimpedanz Zl entsprechen sollte. Die Berechnung ergibt für Zr.

unterscheidet, daß das Kompensalionsglied 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. Über eine Leitung 8 ist der Kollektor 9 des Transistors 7 an die Klemme A angeschlossen und liegt daher an der mit dem Minuspol

ίο der Zentralenbatterie verbundenen Ader a. Der Emitter lö des Transistors 7 ist mit der Klemme D und über die Empfangsschaltung mit dem Telefonhörer Γ mit der Klemme B verbunden. An die Klemme S ist die Ader b angeschlossen, welche mit dem positiven Pol der Zentralbatterie verbunden ist.

Bei der Schaltung nach Fig.2 wird die optimale Rückhördämpfung vermittels des Widerstandes Rm eingestellt, wobei folgende Beziehung zu beachten ist

Die Formel zeigt einen komplexen Zähler- durch einen reellen Nenner-Ausdruck, d. h. mit dem Impedanzverlauf 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... 3400 Hz zu überwiegen vermag. Bei richtiger Dimensionierung ist es somit möglich, der Stationsimpedanz den erwünschten kapazitiven Charakter zu verleihen. Im weiteren zeigt die Impedanzberechnung zusätzlich, daß Zi für eine große Stromverstärkung |/>2i,4 Transistorparameterunabhängig wird, eine für die Serienproduktion einer solchen Schaltung sehr erwünschte Eigenschaft.

Mit der beschriebenen Gabelschaltung läßt sich somit eine vollelektronische Telefonschaltung realisieren. 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.

Die F i g. 2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels, welches sich vom ersten dadurch Die F i g. 3 zeigt die Anwendung einer erfinc ungsgemäßen Gabelschaltung G in einer vollelektronischen Telefonschaltung. In Fig.3 umfaßt der Abschnitt 77V die Teilnehmerstation, der Abschnitt L die aus den Adern a und b bestehende Zweidrahtleitung, während der Abschnitt Z, stark vereinfacht gezeichnet, die

to zentralenseitige Ausrüstung darstellt. Die Zweidrahtleitung L dient nicht nur zur Übertragung der Nachrichtensignale, sondern auch zur Speisung der Teilnehmerstation TN aus der Zentrale Z Zu diesem Zweck ist beispielsweise die Ader a der Zweidrahtleitung über

3j 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 verbündet) 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 einerr Ausgangsübertrager 18 der Zentrale. Eine weitere Wicklung 19 des Übertragers 17 ist mit der Zentralenimpedanz Zzbelastet.

In der Teilnehmerstation 77V besteht die elektronische Gabelschaltung G wie in Fig. 1 aus dei Leitungsnachbildung Zn und dem Telefon Ti.owie au; dem aktiven Verstärkerelement 1 mit der zugehöriger Impedanz Re und dem Kompensationsglied K, welche; durch den einstellbaren Widerstand Rkdargestellt ist.

Der Arbeitspunkt des aktiven Verstärkerelementes 1 ist durch einen an die Klemmen A und B angeischlosse nen Spannungsteiler, bestehend aus den Widcrständei

J₅ 20 und 21 festgelegt. Der Verbindungspunkt 22 de: genannten Spannungsteilers liegt am Eingang de: aktiven Verstärkerelementes 1. Über einen Kondensa tor 23 ist das Mikrofon Mder Teilnehmerstation an di( Gabelschaltung G angeschlossen. Es ist hierbei ange nommen, daß als Mikrofon ein Kohlemikrofon verwen det wird. Der Betriebsgleichstrom wird dem Mikrofoi M über einen Konstantstromzweipol zugeführt Hier durch wird vermieden, daß die niedrige Impedanz de Mikrofons M von beispielsweise 70 Ohm, die: an dei Klemmen A und B erscheinende Stationsimpedanz Zi ii unzulässiger Weise erniedrigt. Der Konstantstrom Zweipol weist einen Transistor 24 mit einem Emitter widerstand 25 auf. Im Kollektorstromkreis des Transi

stors 24 liegt das Mikrofon Mund 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 Mikrofone verwendet werden.

In der F i g. 3 sind auch die Brückenpunkte A, B, C und D eingezeichnet, so daß die Analogie zur Fi g. 1 in dieser Beziehung leicht erkennbar ist.

Eine Telefonschaltung nach F i g. 3 weist folgende Vorteile auf:

1. Optimale Rückhördämpfung ist einstellbar und weitgehend unabhängig von den Transistor-Parametern.

2. Die Stationsimpedanz Z; kann an den optimalen Wert der Leitungsimpedanz Zl optimal angepaßt werden.

3. Ein Kohlemikrofon M erhält einen von der Leitungslänge praktisch unabhängigen Gleichstrom zugeführt. Dadurch wird die von passiver Telefonschaltungen her bekannte sogenannte »zu sätzliche Speisestromdämpfung« eliminiert.

In der Telefonschaltung gemäß Fig. 3 sind dei

Übersicht halber das Anruforgan, der Wecker ode:

ähnliches, die Wählscheibe für die Nummernwahl, eil zweckmäßiger Verpolungsschutz (Diodenbrücke) an Eingang A, B der Schaltung sowie der notwendig«

Überspannungsschutz (Knackschutz) für den Telefon hörer und die Halbleiterelemente sowie weitere Detail nicht eingezeichnet. Diese sind jedoch für dei Fachmann selbstverständlich.

Mit einer Telefonschaltung gemäß F i g. 3 wurden fü 0 Kilometer Leitungslänge folgende Daten ermittelt:

Sendebezugsdämpf ung:
Empf angsbezugsdäm pf ung:
Rückhördämpfung:
Gleichstromwiderstand:

etwa +0,2N ) OBDM-etwa +0,18 N[MeB-1,5 N J platz

etwa 200 Ω

Sendeimpedanz bei 1000 Hz: etwa 400 Ω (Kapazitiv) Empfangsimpedanz bei
1000 Hz:

etwa 600 Ω (Kapazitiv)

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Gabelschaltung zur Ankopplung einer Sendeschaltung und einer Empfangsschaltung an eine Zweidrahtleitung, wobei einerseits durch die Leitungsimpedanz (Zl) der Zweidrahtleitung und iiire Nachbildungsimpedanz (Zn) zwei Arme (A— B, A—D) einer Brückenanordnung gebildet sind und andererseits zwei weitere Impedanzen die anderen beiden Arme (D-C, B-C) der Brückenanordnung darstellen und die Sendeschaltung (S) über ihren Ausgangskreis an die eine Brückendiagonale (A-C) und die Empfangsschaltung (E) an die andere Brückendiagonale (B—D) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis und der Eingangskreis der Sendeschaltung über wenigstens einen Teil (Re) der Brückenanordnung miteinander gekoppelt sind.

2. Gabelschaltung nach .Anspruch 1, dadurch

f;ekennzeichnet, daß eine der genannten weiteren mpedanzen durch ein Kompensationsglied (K) gebildet ist, mittels welchem die Brückenanordnung abgeglichen werden kann, um die Entkopplung Zwischen der Sendeschaltung (S) und der Empfangs-Schaltung (E) zu optimieren.

3. Gabelschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsglied (K) einen einstellbaren Widerstand (Rk) aufweist.

4. Gabelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der genannten weiteren Impedanzen durch ein Kompensationsglied (K) gebildet ist, wobei das Kompensationsglied einen Transistor (7) aufweist.

5. Gabelschaltung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsglied (K) aus der Serienschaltung der Emitter-Basis-Strecke des genannten Transistors (7) und einem vorzugsweise einstellbaren Basiswiderstand (Rb₂) besteht und wobei außerdem der Kollektor (9) des genannten Transistors (7) mit der einen Anschlußklemme (A) der Zweidrahtleitung und der Emitter (10) des genannten Transistors (7) über die Empfangsschaltung mit der anderen Anschlußklemme (B) für die Zweidrahtleitung galvanisch in Verbindung steht.

6. Gabelschaltung nach Anspruch 1, dadurch (gekennzeichnet, daß eine der beiden genannten weiteren Impedanzen (Re) einen vierten Arm der Brückenanordnung bildet, über welchen vierten Brückenarm der Ausgangskreis und der Eingangskreis der Sendeschaltung (S) miteinander gekoppelt sind.

7. Gabelschaltung nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschaltung (S) einen Verstärker mit einem Transistor (1) aufweist, in dessen Emitterkreis eine der beiden weiteren Impedanzen (Re) liegt, welche den vierten Arm der Brückenanordnung bildet.

8. Gabelschaltung nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis der Sendeschaltung fS^transformatorisch an den vierten Arm der Brückenanordnung angeschlossen ist.

9. Gabelschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Gegen- und/oder Mitkopplung zwischen dem Ausgangskreis und dem Eingangskreis der Sendeschaltung über mindestens einen Teil der Brückenanordnung erfolgt und derart gewählt ist, daß die an den Anschlußklemmen (A, B) der BriHcenanordnung für die Zweidrahtleitung wirksame Klemmenimpedanz (Z) wenigstens annähernd gleich der Leitungsimpedanz (Zl) ist

10 Gabelschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß sie in einer Telefonteilnehmerstation verwendet ist.