DE2853057A1

DE2853057A1 - Schaltungsanordnung zur kompensation der in einem leitungsuebertrager fliessenden gleichstroeme fuer fernsprechanlagen

Info

Publication number: DE2853057A1
Application number: DE19782853057
Authority: DE
Inventors: Joseph Pernyeszi
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1978-02-24
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1979-08-30
Also published as: GB2015305A; GB2015305B; US4241239A

Description

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Schaltungsanordnung zur "Kompensation der in einem Leitungsübertrager fließenden Gleichströme für Fernspreehanlagen.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der in zwei Primärteilwicklungen eines Leitungsübertragers· fließenden Gleichströme mittels eines dem Leitungsübertragers zugeführten Gegenstromes, bei der die Primärteilwick-5. ■ lungen wechselstrommäßog durch einen Kondensator gekoppelt und über mindestens einen Speisewiderstand mit der Speisegleichstromquelle verbunden sind, für Fernsprechanlagen.

In Fernsprechanlagen ist es erforderlich, eine relativ hohe Gleichspannung in der Größenordnung von 50 V über zwei Primärteilwicklungen eines Leitungsübertragers den Sprechadern einer Teilnehmeranschlußleitung zuzuführen. Auf diese Weise kann das Kohlemikrofon im Fernsprechapparat den erforderlichen Speisegleichstrom erhalten, der mit den Spre-'hwechselspannungen moduliert wird; ferner kann dieser Speisegleichstrom zur Bi.1-dung von Signalen benutzt werden. Der Leitungsübertrager wird vom Speisegleichstrom durchflossen und muß dabei ohne Magnetkernsättigung und Sprechspannungsverzerrungen arbeiten. Die relativ kleinen Sprechspannungen gelangen von den beiden Primärteilwicklungen zur Sekundärwicklung und von dort zur Verbindungsleitung, in die auch eine Schaltung für den Übergang von 2-Draht- auf A-Draht-Betrieb eingefügt sein kann. Die bekannten Leitungsübertrager benutzen entweder einen großen Magnetkern oder eine komplexe Kompensationsschaltung, wenn die durch Gleichstrom hervorgerufene Magnetkernsättigung vermieden werden soll. Bei dem mit einem großen Magnetkern arbeitenden Leitungsübertrager muß der Magnetkern im Vergleich zu einem Übertrager ohne Gleichstromvormagnetisierung, bei dem nur die kleinen Sprechspannungen mit geringer Leistung zu übertragen sind, sehr groß sein.

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Um solche großen Magnetkerne und die damit verbundenen Kosten zu vermeiden, wird eine Schaltunganordnung der eingangs genannten Art benutzt. Dabei,wird entweder die Gleichstromkomponente im Magnetfeld mit Hall-Effekt-Sensoren festgestellt oder der durch eine Primärteilwicklung fließende Gleichstrom mit einem Stromfühler gemessen und daraus ein Steuersignal abgeleitet, das die Erzeugung und Zuführung eines Gegenstromes zum Leitungsübertrager veranlaßt, so daß die durch den Gleichstrom hervorgerufene magnetische Induktion aufgehoben wird. Eine solche Kompensationsschaltung ist jedoch komplex aufgebaut, teuer und kompensiert den Gleichstrom im Leitungsübertrager dann nicht, wenn in den beiden Primärteilwicklungen unterschiedliche Ströme auftreten. Solche unterschiedlichen Ströme können beispielsweise fließen, wenn eine der Spreehadern der Teilnehmeranschlußleitung einen Nebenschluß zur,.Erde aufweist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Kompensierung auf einfache Art erreicht wird und bei der die Kompensierung auch dann erfolgt, wenn unterschiedliche Gleichströme durch die Primärteilwicklungen des Leitungsübertragers fließen.■

Dies wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn-

/der durch zeichneten Merkmale erreicht. Da nun jede Primärteilwicklung fließende Gleichstrom für sich kompensiert wird, können aufgrund von Leitungsleckströmen entstehende Unterschiede in den die beiden Primärteilwicklungen durchfließenden Gleichströmen eine genaue Kompensation nicht mehr verhindern.

Bei einer derartigen Schaltungsanordnung wird der von der Teilnehmeränschlußleitung her gesehene Abschlußwiderstand durch den Speisewiderstand bzw. die Speisewiderstände gebildet. Diese nehmen eine relativ große Gleichstromleistung auf. Um die durch

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diese Speisewiderstände hervorgerufene Verlustleistung zu vermindern, werden die im Anspruch 2 bzw. Anspruch J> gekennzeichneten Maßnahmen vorgeschlagen.

Durch die im Anspruch 4 gekennzeichneten Maßnahmen ist die Erfindung in vorteilhafter Weise weiter ausgebildet.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Pig.l einen Ίβϋ einer Hystereseschleife eines Übertragermagnetkerns, die die Abhängigkeit der magnetischen Induktion vom Strom angibt,

Pig.2 eine bekannte Kompensationsschaltung, Pig,3 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einem Leitungsübertrager, der weitere Primärteilwicklungen aufweist, und

Fig.4 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit elektronischen Speisewiderständen.

In Fig.l ist ein vereinfachtes Diagramm eines Teils der Hystereseschleife eines typischen Übertragers dargestellt, wobei die Änderungen der magnetischen Induktion B in Gauß als Funktion des eine Übertragerwicklung durchfließenden Stromes I in Milliampere gezeigtjsind. Die magnetische Induktion hängt von diesem Strom gemäß bekannter Beziehungen ab:

worin H, das G-leichstromfeld in Oerstedt, I, der die Primärteilwicklungen durchfließende Gleichstrom , N die Windungsanzahl und 1 die Länge des magnetischen Weges im Magnetkern ist. In ähnlicher Weise kann für das Wechselstromfeld H geschrieben

ac

werden: IN

tr ao

^Mac ~ I '

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worin I der die Primärteilwicklungen durchfließende Wechselstrom ist.Die magnetische Induktion B ist dann:

^B=^YHac^+YHdc· worin Y die Permeabilität des Magnetkerns ist.

Aus den vorbeschriebenen Beziehungen und aus Pig.l geht hervor, daß die magnetische Induktion im Magnetkern proportional zur Summe aus dem Wechselstromfeld und dem Gleichstromfeld ist; diese Felder ändern sich mit den zugeführten Wechsel und Gleichströmen. Es gibt einen linearen Bereich, in dem Änderungen des zugeführten Stromes linear proportionale Änderungen der magnetischen Induktion ergeben. Dieser Bereich liegt bei der Kurve in Pig.l zwischen den Strömen I, und Ip und den magnetischen Induktionen B₁ und B . Die Kurve wird bei höheren Gleichströmen nichtlinear, und schließlich tritt die Sättigung ein, wenn eine weitere Steigerung des zugeführten Stromes keine Zunahme der magnetischen Induktion mehr ergibt. Der Betrieb im unerwünschten nichtlinearen Bereich ist durch den Kurventeil zwischen den Strömen I^ und I₁, und den magnetischen Induktionen B~ und B₁, angedeutet. Da die magnetische Induktion proportional zur in den Sekundärwicklungen induzierten Spannung ist, bewirken große Gleichströme in den Übertragerwicklungen, daß der Übertrager im nichtlinearen Bereich arbeitet. In mit Leitungsübertragern arbeitenden Teilnehmeranschlußschaltungen, in denen wechselstrommodulierte Signale zu einer zweiten Ubertragungsschaltung übertragen werden müssen, verursachen solche großen Übertragergleichströme umerwünschte Verzerrungen dieser Signale, wobei die demodulierten Signale um so unver ständlicher werden, je näher die Magnetkerne dem Sättigungsbereich kommen. Wenn daher die großen GleichstrSme kompensiert werden, so kann der Übertrager wieder im linearen Bereich arbeiten.

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In Pig.2 ist eine vereinfachte, bekannte Kompensationssehaltung zur Kompensation des einem Übertrager zugeführten Gleichstroms gezeigt. Der Teilnehmeranschlußleitung TL werden Sprachsignale zugeführt, die von einem Kohlemikrofon 10 erzeugt werden. Der Widerstand des Mikrofons ist durch den Widerstand 12 wiedergegeben, während ein zwischen einer Leitungsader und Erde liegender Widerstand 14 den Leitungsleckwiderstand darstellt. Die Größe der Modulationswechselspannung beträgt ein bis zwei Volt, die einer'Gleichspannung von 48 V aufmoduliert wird; diese Gleichspannung gelangt von einer Vermittlungsstelle VS über Sprechadern 16 und l8 zur Teilnehmerstation. Der Speisegleichstrom gelangt über zwei Speisewiderstände 20, 22 zu zwei Primärteilwicklungen 24, 26 eines Leitungsübertragers. Ein Kondensator 23 verbindet die Primärteilwicklungen 24, 26 und schafft damit einen Weg für die Wechselstromsignale. Die Kompensationsschaltung besteht aus einer Schwellwertschaltung 3>4, die in bekannter Weise als Verstärker oder als Hall-Effekt-Schaltung ausgebildet sein kann und die den den Speisewiderstand 22 durchfließenden Strom mißt, einer Steuerschaltung 36, die ein Steuersignal von der Schwellwertschaltung ~*A erhält und einer Sekundärwicklung 38 des Leitungsübertragers, der ein Gegenstrom von der Steuerschaltung 36 geliefert wird. Die positive Polarität der Wicklungen 24, 26 und 38 ist durch Punkte gekennzeichnet. Die an diese Sekundärwicklung angeschlossene Verbindungsleitung, in die auch eine Schaltung für den Übergang von 2-Draht- auf 4-Draht-Betrieb eingefügt sein kann, ist einfachheitshalber nicht gezeigt, aber durch einen Widerstand 40 angedeutet. Diese Kompendationsschaltung mit Strommessung und rückwärtiger Kompensationsstromsteuerung ergibt eine unvollständige Kompensation des Gleichstrommagnetflusses, wenn ein Fehler in der Größe des Kompensationsstromes für die Sekundärwicklung auftritt. Ferner verursacht der Leckwiderstand 14 unterschiedliche Ströme in beiden Leitungsadern 16, 18, so daß zwar der die Primärteilwicklung 26 durchfließende Gleichstrom , nicht aber der die Primärteilwicklung 24 durch-

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fließende Gleichstrom kompensiert wird.

In Pig.3 ist-ein Leitungsübertrager 50 dargestellt, der außer den üblichen Primarteilwicklungen B, C und der Sekundärwicklung 58 zwei weitere Primarteilwicklungen A, D aufweist. Dabei liegt die Primärteilwicklung A mit der Primärteilwicklung B in Reihe, und die Primärwicklung C liegt mit der Primärteilwicklung D in Reihe. Die Polarität der Wicklungen ist wieder durch Punkte angedeutet. Der Leitungsübertrager kann beispielsweise einen Magnetkern aus Supermalloy aufweisen. Die fünf Wicklungen können beispielsweise jeweils 292 Windungen eines bestimmten Drahtdurchmessers aufweisen, so daß diejräumliche Größe des Leitungsübertragers etwa 2·1,5*1*8 cm beträgt.

Die Speisegleichspannung (-48 V) wird den. Primarteilwicklungen A, B, C und D über Speisewiderstände 52, 54 zugeführt. Die Primärteilwicklungen A, B sind gemäß den Punkten so miteinander verbunden, daß ein identischer Gleichstrom I™ durch beide Wicklungen fließt und daher die durch diese Wicklungen hervorgerufene magnetische Induktion im Magnetkern genau Null ist. Ebenso sind die Primarteilwicklungen C, D gemäß den Punkten-so miteinander verbunden, daß ein identischer Gleistrom I_R durch diese beiden Wicklungen fließt und daher die durch diese beiden Wicklungen hervorgerufene magnetische Induktion im Magnetkern genau Null ist. Daher vermag ein zwischen einer Ader und Erde liegender Leitungsleckwiderstand 56, der für ungleiche Werte für die Gleichströme Im und I„ sorgt, keine Wirkung auf die Kompensation auszuüben, weil der Gleichstrom in der Ader T unabhängig vom Gleichstrom in der Ader R aufgehoben wird. Die in der Sekundärwicklung 58 induzierte Spannung ist deshalb unverzerrt, weil der Magnetkern des Leitungsübertragers 50 durch den Gleichstromfluß nicht gesättigt wird. So gelangt die vom Kohlemikrofon 60 mit seinem Widerstand 64 stammende Sprachspannung, die dem Speisegleichstrom aufmoduliert ist, unverzerrt über den

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Leitungsübertrager 50 zu der an die Sekundärwicklung 58 angeschlossenen Verbindungsleitung VL, bzw, zu der 2-Draht-4-Draht-Schaltung in der Teilnehmeranschlußschaltung.

Die Arbeitsweise des Leitungsübertragers 50 bei Wechselstrom ist folgende: Der Wechselstrom fließt über die Wicklung 3, den Kondensator 23 und die Wicklung C. Diese Wicklungen induzieren in der Sekundärwicklung eine unverzerrte Wechselspannung und ebenfalls in den Wicklungen A, D eine unverzerrte Wechselspannung. Der Wechselstromkreis für die Wicklungen A, D ist über den Kondensator 23 , die Speisewiderstände 52 und 54 und die Speisegleichstromquelle geschlossen. Der Leitungsübertrager 50 ist also , von der Teilnehmeranschlußleitung her gesehen, durch die beiden Speisewiderstände 52 und 5^ abgeschlossen. Bei geeigneter Wahl der Speisewiderstände 52 und 5^ braucht keine zusätzliche Impedanz auf der Sekundärseite des Leitungsübertragers 50 vorgesehen zu werden, um die Teilnehmeranschlußleitung richtig abzuschließen. Wie es in den USA üblich ist, betragen die Werte für die Speisewiderstände 52, 54 jeweils 450 Ohm, während in Europa Werte von jeweils 300 Ohm gebräuchlieh sind.

Mit für den Leitungsabschluß vorgesehenen Speisewiderständen von jeweils 450 0hm und mit einem normalen, durch einen Pfeil angedeuteten Sch_leifenstrom von 40 mA beträgt die Verlustleistung in den Speisewiderständen 52 und 54 etwa 1,44 W. Um einen Mindestgleichstrom für lange Teilnehmeranschlußleitungen zu gewärleisten, die einen Leitungswiderstand von I900 0hm haben können, muß die Speisegleichspannung auf etwa 65 V erhöht werden können. Bei kurzen Teilnehmeranschlußleitungen beträgt der Schleifenwiderstand etwa 100 0hm. In diesem Fall muß die Speisegleichspännung auf etwa 40 V vermindert werden können, um Strom und Leistung zu begrenzen, weil sonst mit einer Speisegleichspannung von 65 V und mit einer Sch_leifenimpedanz von 100 0hm

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die Verlustleistung in den Speisewiderständen 52 und 54 einen Wert von 3,7 W haben würde.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden die Speisewiderstände 52 und 54 vorteilhaft durch elektronische Impedanzen 100 und 102 ersetzt, wie es in Fig.4 dargestellt ist. Diese elektronischen Impedanzen können als Stromkonstanthalte- und|spannungsbegrenzungsschaltung ausgebildet sein, die beispielsweise im Sprachfrequenzbänd eine Impedanz von 450 0hm aufweist. Da die Höchstamplitude eines normalen Fernsprechsignals etwa 4,5 V beträgt, braucht diese Schaltung nur eine Versorgungsspannung von etwa 12 V.

Die Stromkonstanthalte- und Spanningsbegrenzungsschaltung 100 weist einen Operationsverstärker 104 auf, dessen Ausgang mit der Primärteilwicklung A und über einen Widerstand 114 mit dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers 104, dessen invertierender Eingang (-) über einen Kondensator II3 mit dem geerdeten Pol der Speisegleichstromquelle und dessen nicht invertierender Eingang (+) mit dem Abgriff eines von der Speisegleichstromquelle gespeisten Spannungsteilers 110, 112 verbunden ist. In gleicher Weise ist die Schaltung 102 mit einem Operationsverstärker I06 ausgebildet. Die Versorgungsspannung für diese Schaltungen kann mit einer Zenerdiode, wie die Zenerdiode 108, stabilisiert werden.

Die Operationsverstärker 104, I06 können sogenannte Steilheitsverstärker umfassen, wie sie in dem Prospekt "Reference Data for Radio Engineers", 6. Auflage, S. 21-29* der Firma Howard W. Sams and Company beschrieben werden. An der Zenerdiode I08 kann beispielsweise eine Spannung von 2V₁ (=12V) anstehen, während mit dem Spannungsteiler 112, 110 eine Spannung 'von V. am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers lO'l erzeugt wird. Mit dieser Schaltung kann die Gleichspannung an

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der Teilnehmeranschlußleitung auf 4 bis 44 V eingestellt werden, wobei ein Schleifenstrom von 40 mA für Schleifenimpedanzen von 100 bis 1100 Ohm aufrechterhalten wird, FUr Schleifenimpedanzwerte von 1100 bis 1900 0hm wird die an den Wicklungen A und D eingespeiste Gleichspannung konstant gehalten, während der Schleifenstrom von 40 auf 2j5 mA fällt. Daher sorgen die Schaltungen 100, 102 für die Arbeitsfähigkeit bei langen und kurzen Teilnehmeranschlußleitungen, wobei die Verlustleistung je Teilnehmeranschlußleitung bedeutend vermindert wird.

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Claims

Patentansprüche

fly Schaltungsanordnung zur Kompensation der in zwei Primärteilwicklungen eines* Leitungsübertragers fließenden Gleichströme mittels eines dem Leitungsübertrager zugeführten Gegenstromes, bei der die Primärteilwicklungen wechselstrommäßig durch einen Kondensator gekoppelt und über mindestens einen Speisewiderstand mit dej? Speisegleichstromquelle verbunden sind, für Fernsprechanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß speiseseitig mit jeder Primärteilwicklung (B, C) je eine weitere Primärteilwicklung (A, D) in Reihe liegt, derart, daß jeweils die mit ihr erzeugte magnetische Induktion (B) gleich, aber entgegengesetzt gerichtet zu derjenigen ist, die mit der mit ihr in Reihe liegenden Primärteilwicklung (B, C) erzeugt wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisewiderstand (52) durch eine Stromkonstanthalte- und Spannungsbegrenzungsschaltung (100) ersetzt ist, die einen vorgebbare Impedanz aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der in jeder Speiseader je ein Speisewiderstand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Speisewiderstand (52, 54) durch je eine-Stromkonstanthalte- und Spannungsbegrenzungsschaltung (100, 102) ersetzt ist, die eine vorgebbare Impedanz aufweist.

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4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkonstanthalte- und Spannungsbegrenzungsschaltung (100) einen Operationsverstärker (104) aufweist, dessen Ausgang mit der weiteren Primärteilviicklung (A) und über einen Widerstand (114) mit dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers, dessen invertierender Eingang (-) über einen Kondensator (113) mit dem einen Pol (Erde) der Speisegleichstromquelle und dessen nicht invertierender Eingang (+) mit dem Abgriff eines von der Speisegleichstromquelle gespeisten Spannungsteilers (110, 112) verbunden ist.

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