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Elektronischer Uebertrager
Die vorliegende Erfindung
betrifft einen elektronischen Uebertrager zur Anpassung eines Netzwerkes mit beliebiger
erster Impedanz an ein Netzwerk mit beliebiger zweiter Impedanz ohne galvanische
Trennung der beiden Netzwerke, welcher Uebertrager eingangsseitig mit dem ersten
Netz-.werk und ausgangsseitig mit dem zweiten Netzwerk belastet ist.
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In der Nachrichtentechnik werden Spulenübertrager für die Gleichspannungspotentialtrennung,
für die Realisierung von Zwei- und Vierpolen mit vorgegebenen Eigenschaften und
zur Widerstandstransformation (Anpassung) eingesetzt. Der Einsatz von Spulenübertragern
ist insbesondere dort gerechtfertigt, wo Ein- und Ausgänge von Schaltkreisen voneinander
galvanisch getrennt sein müssen. In Schaltkreisen, die diese galvanische Trennung
nicht erfordern, ist es wünschenswert, Uebertrager durch ausschliesslich elektronische
Elemente nachzubilden. Damit ergibt sich die Möglichkeit der Miniaturisierung derartiger
Schaltkreise und der notwendige Platzbedarf wird geringer. Ferner können mit elektronischen
Uebertragern die Nachteile von Streuinduktivitäten und Wicklungswiderständen eliminiert
werden.
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Die vorliegende Erfindung zeigt die Realisierung eines spulenlosen,
mit elektronischen Bauelementen aufgebauten Uebertragers, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass mindestens
zwei gegengekoppelte Differenzverstärker vorgesehen
sind, deren Ausgang mit dem ersten bzw. zweiten Netzwerk verbunden ist und deren
Gegenkopplungspfad je mit dem nichtinvertierenden Eingang des anderen Differenzverstärkers
verbunden ist.
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Anhand einer Zeichnung mit 2 Figuren wird der erfindungsgemässe Uebertrager
beispielsweise näher erläutert. In Fig. 1 sind die grundlegenden Zusammenhänge einer
Impedanzanpassung und in Fig. 2 sind zur Erläuterung des elektronischen Uebertragers
notwendige Einzelheiten dargestellt.
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Anhand von Fig. 1 werden die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe
und die grundlegenden Zusammenhänge einer Impedanzanpassung näher erläutert. Die
Aufgabe besteht in der Anpassung eines ersten Netzwerkes mit einer beliebigen Impedanz
Z1 an ein zweites Netzwerk mit einer beliebigen Impedanz Z2. Diese Anpassung erfolgt
durch eine Strom- und/ oder Spannungstransformation, wobei im in Fig. 1 dargestellten
Ersatzschaltbild die folgenden Bedingungen zu erfüllen sind: i2 = -il « (1) u2 =(1/p)
ul (2) Ze =oC(L.Z2 (3) Za =(1e).Z1 (4) Wird der Anschluss N mit einer Impedanz Z2
belastet, erscheint am Anschluss H eine transformierte Impedanz αß - Z2, wird
der Anschluss H mit einer Impedanz Z1 belastet, erscheint am Anschluss
N
eine reziprok transformierte Impedanz(l/i#)-Z1.
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Mit« = 13 ergeben sich die bekannten Transformatorgleichungen.
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Die im gezeigten Ersatzschaltbild durch die Impedanzen Z1 und Z2 dargestellten
Netzwerke können passiv oder aktiv sein.
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Die die Spannung und Stromtransformation bestimmenden Grössen R bzw:OCkönnen
reelle oder komplexe Werte annehmen. Eine optimale Impedanzanpassung gemäss den
Gleichungen (3) und (4) wird dann erreicht, wenn Ze - Z1 und Za ~- Z2 ist.
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Fig. 2 zeigt Einzelheiten eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen
Uebertragers, soweit sie für die nachfolgenden Erläuterungen von Interesse sind.
Zur Vereinfachung sind im gezeigten Beispiel anstelle von Impedanzen lediglich Widerstände
gezeichnet, die erfindungsgemässe Anordnung ist jedoch ohne Einschränkung auch mit
komplexen Elementen denkbar. Der Uebertrager weist zwei als Differenzverstärker
betriebene Verstärker V1, V2 mit dem Verstärkungsfaktor Al bzw.
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A2 auf, deren invertierender Eingang mit einem Minus- und deren nichtinvertierender
Eingang mit einem Pluszeichen bezeichnet ist. Die Ausgänge der beiden Verstärker
V1, V2 sind über Arbeitswiderstände R3 bzw. R4 mit den durch die Widerstände R1
bzw. R2 dargestellten Netzwerken verbunden, zwischen denen eine Anpassung vorzunehmen
ist. Die in Serie zu den Widerständen R1 und R2 liegenden, Spannungen uql bzw. uq2
abgebenden Signalquellen sollen andeuten, dass die beiden Netzwerke aktive Netzwerke
sein können (wenn uql und/oder uq2 » 0 ist). Der invertierende Eingang des ersten
Verstärkers V1 ist über einen Widerstand R6 an ein Bezugspotential,
im
vorliegenden Fall an Masse gelegt und über einen weiteren Widerstand R5 mit dem
Widerstand R1 verbunden. Der invertierende Eingang des zweiten Verstärkers V2 ist
über einen Widerstand R8 an Masse gelegt und über einen Widerstand R7 auf den Widerstand
R2 geführt. Die nichtinvertierenden Eingänge der Verstärker V, V2 sind ebenfalls
mit den Widerständen R1 bzw. R2 verbunden. Die Widerstände R5 und R3 sowie R7 und
R4 bilden den Gegenkopplungspfad des ersten Verstärkers V1 bzw. zweiten Verstärkers
V2. Im weiteren kann im Gegenkopplungspfad des ersten Differenzverstärkers V1 ein
Widerstand R9 zwischen den beiden Widerständen R3 und R5 sowie ein Widerstand R10,
der den nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 an Masse legt, vorgesehen
werden.
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Für die nachfolgenden Betrachtungen werden die beiden Widerstände
R9 und R10 unter der Annahme, dass der Uebertrager ein Spannungsübersetzungsverhältnis
von ß = 1 aufweise, vorerst weggelassen (R9=O,R10=o0). Die mit dem ersten Netzwerk
belastete Anschlussseite des Uebertragers wird im folgenden als Primärseite, die
mit dem zweiten Netzwerk belastete Anschlussseite als Sekundärseite bezeichnet.
Zunächst sei angenommen, dass uq2 = 0 und R2 =sei, d.h. der gezeigte Uebertrager
werde primärseitig mit einer Quellenspannung uql belastet und sekundärseitig im
Leerlauf betrieben. Am Primäreingang des Uebertragers erscheint eine Spannung ul,
die
somit auch am nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 anliegt. Unter
der Annahme, dass(R7 + R8)»R4 ist, gilt ua2 = u2. Bekanntlich ist die Ausgangsspannung
eines Differenzverstärkers gleich der mit dessen Verstärkungsfaktor A multiplizierten
Differenz der an seinen beiden Eingängen anliegenden Spannungen. Daraus ergibt sich
für die Ausgangsspannung ua2 des zweiten Verstärkers V2 ua2 = (ul - u2') A2 = u2.
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Die Spannung u2' am invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers
V2 wird durch den durch die Widerstände R7 und R8 gebildeten Spannungsteiler bestimmt.
Dieser kann so dimensioniert werden, dass sich am invertierenden Eingang des zweiten
Verstärkers V2 für die Spannung u2' ein Wert ergibt, der ua2 = ul werden lässt.
Wird in der Beziehung u2' = u2 (R8/g7+R8)) das Verhältnis R8/(R7+R8)= 1-CL/A2) gewählt,
dann wird u2' = u2 -(u2/A2)und es gilt u2 = ul.
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Die in ihrem Wert der Spannung ul entsprechende Spannung u2 gelangt
an den nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers V1. Wählt man analog R6/(R5+R6)=
l-(1/Al), dann ergibt sich aus ual = (u2-g1') Al = ul die Beziehung ul = u2. Damit
sind Primär- und Sekundärspannung des Uebertragers gleichgross.
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Bei Belastung der Sekundärseite des betrachteten Uebertragers mit
einem Widerstand R2 ergibt die wechselstvommässige Betrachtung für dRe = dul/dil
folgende Wirkungsweise der Anordnung: Aenderungen des Lastwiderstandes R2 beeinflussen
die
Spannungsdifferenz an den Eingängen des ersten Verstärkers V1, eine Verminderung
des Lastwiderstandes beispielsweise lässt den Betrag der Spannung ual am Ausgang
des ersten Verstärkers V1 kleiner werden und die Spannung über dem Widerstand R3
ansteigen. Der Eingangsstrom il des Uebertragers wird daher gemäss il = (ul-ual)/R3
grösser, was gleichbedeutend mit einer Verringerung des Eingangswiderstandes Re
des Uebertragers ist. Der Eingangsstrom il in Abhängigkeit von der Sekundärspannung
u2 lässt sich zu ii = ((A1sR4)/(A2 R3 R2)) u2 bestimmen. Mit i2 = -u2/R2 ergibt
sich il = -((A1-R4)/(A2.R3)) i2, woraus ersichtlich ist, dass das Stromübersetzungsverhältnis
des Uebertragers von den Verstärkungsfaktoren Al und A2 der beiden Verstärker V1
und V2 sowie von deren Arbeitswiderständen R3 und R4 bestimmt wird. Die umgekehrte
Betrachtungsweise des dargestellten Uebertragers, d.h. eine Last R1 auf der Primärseite
und eine Spannung uq2 » 0 auf der Sekundärseite des Uebertragers ergibt für die
Stromtransformation die Beziehung i2 = -((A2R3)/(A1R4)) il, womit die Gleichung
(1) der Fig. 1 erfüllt ist. Daraus geht hervor, dass der erfindungsgemässe Uebertrager
wie ein Transformator in der einen Richtung den Strom hinauftransformiert, während
in der anderen Richtung der Strom hinuntertransformiert wird. Die für den gezeigten
Uebertrager ebenfalls gültigen Beziehungen u2 = (R2A2/(R4+A2R2)).ui und ul = (RlA1/(R3+RlAl))
u2 zeigen, dass die geforderte Bedingung
ul = u2 hinreichend erfüllt
ist, wenn R3 und R1 bzw.
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R4 und R2 Werte der gleichen Grössenordnung aufweisen und die Verstärkungsfaktoren
Al und A2 der eingesetzten Verstärker in der Grössenordnung von 10 liegen, was im
praktischen Anwendungsfall in der Regel zutrifft.
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In einer weiteren Ausgestaltung des beschriebenen Uebertragers kann
zusätzlich zur Stromtransformation eine Spannungstransformation erzeugt und eine
echte Nachbildung eines Transformators erzielt werden. Für «?1 und undp>i in
den Gleichungen (i) bis (4) wird im angeführten Beispiel der Strom von der Primärseite
auf die Sekundärseite und die Spannung von der Sekundärseite auf die Primärseite
hochtransformiert. Die Spannungstransformation wird durch Einfügen der beiden Widerstände
R9 und R10 erzielt, deren Verhältnis das Spannungsübersetzungsverhältnis ß bestimmt,
welches unabhängig vom Stromübersetzungsverhältnis « ist.
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Die an den nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2
gelangende Spannung ist um den Faktor/3 kleiner als die Eingangsspannung ul, womit
die Gleichung (2) erfüllt wird. Die beschriebene Funktionsweise des Uebertragers
wird nicht beeinflusst, es ändern lediglich die Spannungsverhältnisse. Es ist naheliegend,
dass zur Reduktion der notwendigen Widerstandselemente im gezeigten Ausführungsbeispiel
die Widerstandskombination R5, R6 bei entsprechender
Dimensionierung
der Widerstände R7 und R8 weggelassen und der invertierende Eingang des ersten Verstärkers
V1 direkt mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 und mit
dem ersten Widerstand R1 verbunden werden kann, ohne dass die beschriebene Funktionsweise
des Uebertragers ändert. Der Innenwiderstand des Uebertragers wird im wesentlichen
durch die Widerstände R5, R6, R7 und R8 bestimmt und kann reelle (positive und negative)
wie auch komplexe Werte annehmen. Mit den Annahmen R6/(R5+R6) = 1-(ß/A1) und R8/(R7+R87
= 1- (1/A2) wird der Innenwiderstand unendlich gross. Bei der Wahl der als Differenzverstärker
V1, V2 betriebenen Verstärker (z.B. Operationsverstärker) ist darauf zu achten,
dass deren Leerlaufverstärkung nicht grösser als unbedingt notwendig ist, um die
Schwingneigung nicht unnötig zu erhöhen und das in gewissen Anwendungsfällen störende
Rauschen des Verstärkers auf einem möglichst geringen Pegel zu halten. Die im Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemässen Uebertragers beschriebenen Verhältnisse treffen für Leerlaufverstärkungen
in der Grössenordnung von 10 zu. Ferner ist anzustreben, Verstärkerelemente einzusetzen,
die im gewünschten Frequenzbereich eine möglichst geringe Phasenverschiebung verursachen.
Mit einer zwischen die nichtinvertierenden Eingänge der beiden Verstärker V1, V2
eingefügten Kapazität kann der Phasengang der Anordnung günstig beeinflusst und
die
Stabilität erhöht werden. Um das Langzeitverhalten der Uebertragungseigenschaften
des elektronischen Uebertragers günstig zu beeinflussen, können die die Spannungsverhältnisse
an den invertierenden Eingängen der beiden Verstärker V1, V2 bestimmenden, aus den
Widerständen R5 und R6 bzw. R7 und R8 bestehenden Spannungsteiler je mit einem weiteren,
gleiche Eigenschaften wie die Verstärker V1, V2 aufweisenden Verstärker nachgebildet
werden.
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Unter den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen
Uebertragers sei lediglich auf dessen Einsatz in der Fernmelde-, insbesondere in
der Vermittlungstechnik hingewiesen, In Vermittlungsanlagen mit elektronische Koppelpunkte
aufweisenden Durchschaltenetzwerken tritt das Problem der Impedanzanpassung auf.
So kann der erfindungsgemässe Uebertrager zur Anpassung von Teilnehmerleitungen
an eine mit Halbleiterbauelementen bestückte und im Vergleich zu den betreffenden
Teilnehmerstellen hochohmige Koppelstrecke eingesetzt werden. Durch den spulenlosen
Aufbau des Uebertragers ist eine platzsparende Integration in das elektronische
Koppelnetzwerk möglich.