DE2324114A1 - Fernspeisesystem - Google Patents

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 D_p 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 sind_s 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 T_p 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)

PHN 6323 Patentanspruch;

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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