DE2324114A1 - Fernspeisesystem - Google Patents
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Description
PHN 6323
RJ·
11. Mai 1973
"Fernspeisesystem"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Fernspeisesystem für Gleichstromsefienspeisung von mehreren in bestimmten
Abstand liegenden und durch aufeinanderfolgende
Kabelabschnitte miteinander verbundenen mehrstufigen Transistor-Breitbandgegentaktverstärkern, wobei jeder
Kabelabschnitt zwei parallele Adern enthält, über die der Speisegleichstrom parallel und die Breitbandsignale
im Gegentakt übertragen werden, und welche parallele Adern an den beiden Enden über Kabelabschlussimpedanzen
miteinander verbunden sind, die die Verstärkereingangsbzw. Ausgangsimpedanzen bilden und mit denen der Gleich-
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strom und die Breitbandsignale an den Verstärkereingängen
getrennt und an den Verstärkerausgängen wieder zusammengefügt werden.
Der Wirkungsgrad, ausgedrückt in der maximalen Anzahl Verstärker, die an ein derartiges Speisesystem angeschlossen
werden können, hängt dabei von der maximal zulässigen Speisegleichspannung ab, die an das Kabel angeschlossen
wird, geteilt durch die Summe des Spannungsverlustes an den Adern pro Kabelabschnitt und dem Spannungsverlust
pro Verstärker.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Wirkungsgrades eines derartigen Speisesystems durch Verringerung
der Spannungsverluste.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die pro Transistorverstärker für die Transistoren benötigten
Elektrodenwiderstände durch Aufteilung von mindestens der als Verstärkereingangsimpedanz dienenden Kabelab
schlus simpedanz , unter Wahrung des für den Kabelabschnitt erforderlichen Charakteristischen Impedanzwertes,
realisiert werden.
Die Erfindung und ihre Vorteile sollen an Hand der Abbildungen näher erläutert werden, wovon
Abbildung 1 das Prinzipschaltbild eines Ubertragungsweges
für die Übertragung von Breitband-Gegentakt signal en,
Abbildung 2 eine bekannte Ausführung von einem
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in einem derartigen Übertragungsweg verwendeten Leitungsverstärker, und
Abbildung 3 eine mögliche Ausführungsform von
einem Leitungsverstärker zeigt, wie in einem Fernspeisesystem der hier beschriebenen Erfindung verwendet wird.
Bei einer üblichen Ausführung eines Übertragungsweges für die Übertragung von Breitbandsignalen in
Gegentaktschaltung, wie in Abbildung 1 gezeigt, sind D.
und D zwei am Anfang bzw. Ende des Übertragungsweges
liegende Endverstärker. Der Übertragungsweg selber enthält mehrere in Abständen liegende Leitungsverstärker
L ... Ln, die mit den aufeinanderfolgenden Kabelabschnitten
A1, A_ ... A mit einander verbunden sind,
die jeweils zwei Adern enthalten, die an ihren beiden Enden mit der KabelabSchlussimpedanz R„ verbunden sind.
Ferner sind die beiden Endverstärker D1 und D„, der besseren
Symmetrie wegen für die im Gegeritakt übetragenen Signale, als Differentialverstärker ausgeführt, während
die Leitungsverstärker L ... L als mehrstufige Transistor-Breitbandgegentaktverstärker
ausgeführt sind. Dabei kommen die Breitbandsignale im Gegentakt an die Eingangsklemmen 1 und 2 des Endverstärkers D , der die Eingangsimpedanz 3 und die Ausgangsimpedanz k hat, wobei letztere
durch die Kabelabschlussimpedanz R„ des an diesen Endverstärker angeschlossenen Kabelabschnittes A1 gebildet
wird. Die auf dem Übertragungswege im Gegentakt über-
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tragenen Breitbandsignale erscheinen an den Ausgangsklemmen
5 und 6 .des Endverstärkers D„, der die Ausgangsimpedanz
7 und die Eingangsimpedanz 8 hat, wovon letztere durch die Kabelabschlussimpedanz R des Kabelabschnittes
A gebildet wird.
Die genannten Endverstärker D1 und Dp werden,
wie üblich, individuell von einer eigenen Glexchspannungsquelle U bzw. U ' gespeist. Ferner ist dabei der Ausgang
des Gleichstromkreises des Endverstärkers D1 mit
der negativen Klemme der Glexchspannungsquelle U verbunden, deren positive Klemme über Erde mit der Mittelanzapfung
der Ausgangsimpedanz h verbunden ist, so dass der Speisestrom in zwei gleiche Teile geteilt wird, die über
die Adern von Kabelabschnitt A an den Eingang des Gleichstromkreises
s des Endverstärkers D1 gelangen. Dabei halten
die Trennkondensatoren 9 und 9' die Gleichspannung U von den Eingangsklemmen 1 und 2 fern.
Völlig analog dazu ist der Ausgang des Gleichstromkreises'
des Endverstärkers D_ an die negative Klemme der Glexchspannungsquelle U ' angeschlossen, deren positive
Klemme über Erde mit der Mittenanzapfung der Ausgangsimpedanz
7 des Endverstärkers D verbunden ist.
Die Leitungsverstärker L1... Ln im Übertragungsweg
werden mit einem Fernsppisesystem in Serie aus der gemeinsamen Gleichstromquelle 11 gespeist, wie im
Folgenden noch näher erläutert werden wird.
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Bei einer üblichen Version eines derartigen Leitungsverstärkers enthält dieser, wie in Abbildung
zu sehen ist, drei in Kaskade geschaltete Verstärkerstufen, wobei jede Stufe aus zwei im Gegentakt geschalteten
Transistoren besteht. So enthält die Verstärkerstufe zwei Feldeffekttransistoren T1 und T1', deren Gate-Elektroden
an die beiden durch die Kabelabschlussimpedanz 12 miteinander verbundenen· Adern des dem Verstärker vorhergehenden
Kabelabschnittes angeschlossen und deren Drain-Elektroden direkt mit den Basen der Transistoren
T und Tp1 der folgenden Verstärkerstufen verbunden sind.
Die Endstufe des Verstärkers enthält die beiden Transistoren T und T^1, deren Basen direkt mit den Kollektoren
der Transistoren T_ bzw. T ' verbunden sinds während die
Kollektoren der Transistoren T- und T · an die beiden
durch die Kabelabschlussimpedanz 13 miteinander verbundenen Adern des dem Verstärker folgenden Kabelabschnittes
angeschlossen sind.
An den Feldeffekttransistoren liegen ferner
die Widerstände 14 und 14', über die die Drain-^Elektroden
an die Mittenanzapfung 15 der Kabelabschlussimpedanz
angeschlossen sind, während sich an den Transistoren T,
und T ' die Kollektorwiderstände 16 und 16' befinden8
die an die Mittenanzapfung 17 der Kabelabschlussimpedanz
12 angeschlossen sind.
Um völlige Symmetrie herzustellen, sind die
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Source-Elektroden des Transistorpaares T1 und T1' bzw.
die Emitterelektroden der Transistorpaare T und T„'
sowie T„ und Tq1 über je zwei gleiche Widerstände 20 und
20' bzw. 21 und 21' sowie 22 und 22' miteinander verbunden
und besitzt jedes Transistorpaar einen gemeinsamen Source— bzw. Emitterwiderstand, nämlich 23 bzw. 24 und
25, wobei der Sourcewiderstand 23 den Verbindungspunkt
2.6 der Widerstände 20 und 20· an die Mittenanzapfung
der Kabelabschlussimpedanz 12 anschliesst, während der Emitterwiderstand 25 den Verbindungspunkt 27 der Widerstände
22 und 22' an diese Mittenanzapfung anschliesst, sowie der Emitterwiderstand 2k den Verbindungspunkt 28
der Widerstände 21 und 21' an die Mittenanzapfung 15 der
KabelabSchlussimpedanz 13 anschliesst.
Die beiden symmetrischen Hälften des Gegentaktverstärkers
besitzen ferner jeweils einen Rückkopgiungskreis mit Widerstand 29 bzw. 29', der den Emitter von
Transistor T bzw. T ' mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors
T1 bzw. T1' verbindet.
Ausserdem sind die Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren
T1 und T1' und die Emitter der Transistoren
T„ und T3' mit den Anschlussklemmen 30 und 30'
bzw. 31 und 31' verbunden, an die die üblichen Entzerrerglieder
angeschlossen werden können.
Bei dem in Abbildung 1 dargestellten Übertragungsweg
werden die wie obenstehend ausgeführten Leitungs-
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verstärker L , ... L von der gemeinsamen Gleichstromquelle 11 in Serie gespeist, die dazu mit ihrer negativen
Klemme an die Mittenanzapfung der Eingangsimpedanz 8 des Endverstärkers T~ und mit ihrer positiven Klemme
über Erde an die Mittenanzapfung der Ausgangsimpedanz h
des Endverstärkers T1 angeschlossen ist. Dabei teilt sich der von Stromquelle 11 gelieferte Strom I an der
Mittenanzapfung der Ausgangsimpedanz k in zwei gleiche
Teile, die über die beiden Adern von Kabelabschnitt A1
zusammen mit den GegentaktSignalen dem Leitungsverstärker
L zugeführt werden, wo die beiden Teilströme — über die Hälften der Eingangsimpedanz R von Leitungsverstärker
L1 zusammengefügt werden und dann über den an diese Mittenanzapfung der Eingangsimpedanz R angeschlossenen
Gleichstromkreis von Leitungsverstärker L1 an die Mittenanzapfung
der Ausgangsimpedanz R von Leitungsverstärker L1 gelangen. An dieser Mittenanzapfung teilt der Strom I
sich wiederum in zwei gleiche Teile, die über die beiden Adern des folgenden Kabelabschnittes zusammen mit den in
Verstärker L verstärkten GegentaktSignalen dem folgenden
Leitungsverstärker zugeführt werden, wobei die beiden Teilströme — jeweils in der beschriebenen Weise vor
dem Verstärker zusammengeführt werden und dann den Speisegleichstrom I bilden, der hinter jedem Verstärker wiederum
in die beiden über die beiden Adern der Kabelabschnitte übertragenen Teilströme — geteilt wird, wobei die Teil—
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ströme am Ende des Fernspeisesystems über die Mittenanzapfung der Eingangsimpedanz 8 susammen an die negative
Klemme der Gleichstromquelle 11 gelangen.
Um das Fernspeisesystem von dem individuellen Speisesystem von Endverstärker D getrennt zu halten,
liegen zwischen diesem Endverstärker und dessen Eingangsimpedanz 8 die Trennkondensatoren 10 und 10'.
Der Wirkungsgrad, bzw. die Anzahl Leitungsverstärker, die mit dem Fernspeisesystem gespeist werden kann,
hängt dabei von der maximal zulässigen Gleichspannung U ab (gemessen an Punkt 32), geteilt durch die Summe der
Spannungsverluste an den Adern pro Kabelabschnitt und dem Spannungsverlust pro Leitungsverstärker.
Erfindungsgemäss wird nun eine wesentliche Verbesserung
des Wirkungsgrades des Fernspeisesystems erzielt,
wenn die pro Leitungsverstärker für die Transistoren benötigten Elektrodenwiderstände durch Aufteilung
von mindestens der durch die Kabelabschlussimpedanz gebildeten Verstärker-Eingangsimpedanz unter Einhaltung
des für die Kabelabschnitte erforderlichen charakteristischen Impedanzwertes realisiert werden.
Die in Abbildung 3 gezeigte Version eines dementsprechend ausgeführten Leitungsverstärkers enthält,
ebenso wie der Leitungsverstärker in Abbildung 2, drei in Kaskade geschaltete Verstärkerstufen, wobei jede
Stufe von zwei im Gegentakt geschalteten Transistoren
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gebildet wird. Diese Transistoren und die übrigen mit Abbildung 2 übereinstimmenden Teile sind in Abbildung 3
mit gleichen Verweisziffern bzw. Buchstaben bezeichnet.
Diese Ausführung des Leitungsverstärkers unterscheidet sich jedoch darin von der von Abbildung 2, dass die im
Leitungsverstärker für die Transistorelektroden benötigten Widerstände nach der obengenannten Erfindungsvorschrift
durch Aufteilung der Kabelabschlussimpedanzen 12 und. 13 bestehen.
So ist die Kabelabschlussimpedanz 12 in vier parallele Kreise aufgeteilt, die jeweils aus der Serienschaltung
von zwei gleichen Widerständen 33"und 33' bzw. 3k und 3k1; 35 und 35' sowie 36 und 36' bestehen, und
ist die Kabelabschlussimpedanz des dem Verstärker fol~ genden Kabelabschnittes in drei parallele Kreise aufgeteilt,
die jeweils aus der Serienschaltung von zwei gleichen Widerständen 38 und 38' bzw. 39 und 39' sowie
hO und 40' bestehen.
Dabei bilden die Widerstände 33 und 33" zusammen den gemeinsamen Source-Widerstand der Feldeffekttransistoren
T1 und T1 1J während die Widerstände 39 und
39' bzw. 40 und hO· paarweise die Drain—Widerstände der
Transistoren T1 und T' bilden.
Die Gate-Elektroden dieser Transistoren sind an die beiden Adern des dem Verstärker vorhergehenden Kabelabschnittes
angeschlossen.
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Die Widerstände 38 und 38' bilden zusammen den
gemeinsamen Emitterwiderstand der Transistoren Tp und T '
während die Widerstände 3k und 3^-' bzw. 35 und 35' paarweise
die Kollektorwiderstände der Transistoren T und Τ«1 bilden. Die Widerstände 36 und 36' bilden zusammen
den gemeinsamen Emitterwiderstand der Transistoren T„ und T„'.
Bei Anwendung der in der Erfindung genannten Massnahmen werden eigene Widerstände für die Kabelabschlussimpedanz
und die darin auftretenden Spannungsverluste vermieden, so dass man eine Wirkungsgradverbesserung
des Fernspeisesystems erhält. Die Höhe dieser Verbesserung lässt sich wie folgt berechnen.
Angenommen, der in Abbildung 1 dargestellte Übertragungsweg ist mit den in Abbildung 2 wiedergegebenen
bekannten Leitungsverstärkern ausgeführt und diese Verstärker befinden sich in einem Abstand von 2 km, während
der durch jede Ader fliessende Speisegleichstrom — = kO mA und die Kabelabschlussimpedanz R gleich 150
Ohm beträgt, dann ist der Spannungsverlust in jeder der beiden Hälften von der durch die genannte Kabelabschlussimpedanz
geformten Verstärkereingangsimpedanz gleich T RO
2 x - = 40 mA x 75^ = 3 V.
Die weiteren Spannungsverluste pro Verstärkerabschnitt setzen sich aus dem Spannungsverlust im Verstärker zu-
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sammen der bei einer praktischen Ausführungsform z.B.
617 Volt beträgt, und dem Spannungsverlust in den Adern
pro Abschnitt von 2 km, der bei einem bestimmten Aderquerschnitt z.B. 2-jj Volt beträgt. Der gesamte Spannungsverlust pro Verstärkerabschnitt beträgt dann (3 + 6-^ +
2|) Volt = 12 Volt.
Bei einer maximal zulässigen Speisegleichspannung U1- = 60 Volt bedeutet dies, dass nicht mehr als 5
Kabelabschnitte mit h Leitungsverstärkern gespeist werden können, da hierfür bereits eine Spannung von (h χ 12)
Volt + 2if Volt erforderlich ist. Mit diesem Fernspeisesystem
kann deshalb nur ein Abstand von ca. 10 km überbrückt werden.
Bei Verwendung der in Abbildung 3 dargestellten Leitungsverstärker beträgt der gesamte Spannungsverlust pro Verstärkerabschnitt dagegen höchstens (6-jjr +
2^) Volt = 9 Volt, da bei diesem Leitungsverstärker der
Spannungsverlust von 3 Volt entfällt, der bei den bekannten
Verstärkern in jeder der beiden Hälften von der durch die Kabelabschlussimpedanz R Verstärkereingangsimpedanz
auftritt. Bei einem Spannungsverlust von nur 9 Volt pro Verstärkerabschnitt können bei einer maximal zulässigen
Speisegleichspannung von 60 Volt nicht weniger als 7 Kabelabschnitte mit 6 Leitungsverstärkern gespeist werden, da
hierfür (6x9) V+ 2^ V= 56%V erforderlich sind. Der
überbrückte Abstand beträgt dann etwa 1^· km. Obenstehende
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Berechnung erfolgte ferner ohne Berücksichtigung der Verringerung des Spannungsverlustes infolge der Tatsache,
dass auch die durch die Kabelabschlussimpedanz 13 gebildete Verstärkerausgangsimpedanz aufgeteilt ist. Diese
Verringerung ist nämlich gering, so dass die Aufteilung dieser Kabelabschlussimpedanz deshalb nicht unbedingt
erforderlich ist.
Bei der oben beschriebenen, erfindungsgemässen
Ausführungsform des Fernspeisesystems ist nur eine West-Ost—Verbindung
wiedergegeben und verläuft ein Teil des Speisestromkreises durch die Erde0 Wenn jedoch neben dieser
West-Ost-Verbindung auch eine Ost-West-Verbindung vorhanden ist, kann der durch die Erde verlaufende Teil des
Speisestromkreises in bekannter Weise durch eine Verbindung ersetzt werden, die durch die Adern dieser Ost-West-Verbindung
verläuft.
Schliesslich sei noch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung im Leitungsverstärkern
mit drei in Kaskade geschalteten Gegentaktverstärkerstufen
beschränkt ist, da die Erfindung auch bei Leitungsverstärkern mit einer grösseren oder kleineren
Anzahl Gegentaktverstärkerstufen verwendet werden kann.
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Claims (1)
1. Fernspeisesystem für Gleichstromserienspeisung von mehreren, in Abständen angeordneten und durch aufeinanderfolgende
Kabelabschnitte· miteinander verbundenen mehrstufigen Transistorbreitbandgegentaktverstärkern, wobei
jeder Kabelabschnitt zwei parallele Adern enthält, über die der Speisegleichstrom parallel und die Breitbandsignale
im Gegentakt übertragen werden, und wobei die parallelen Adern an ihren Enden mit Kabelabschlussimpedanzen
verbunden sind, die die Verstärkereingangs- bzw. Ausgangsimpedanzen bilden und mit deren Hilfe der Gleichstrom
und die Breitbandsignale an den Verstärkereingängen getrennt und an den Verstärkerausgängen wieder
zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die pro Transistorverstärker für die Transistoren benötigten
Elektrodenwiderstände durch Aufteilung von mindestens der als Verstärkereingangsimpedanz dienenden Kabelabschluss
impedanz unter Beibehaltung des für den Kabelabschnitt erforderlichen charakteristischen Impedanzwertes realisiert werden.
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