DE423810C - Teilnehmerstelle ohne Nebengeraeusch fuer Fernsprechanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsaiiordnungen für Fernsprechsysteme, bei denen die gleiche Stelle Signale sowohl empfangen wie aussenden kann.
Insbesondere ist die Erfindung verkörpert in der Sprechstelle eines Fernsprechteilnehmers, die im folgenden, nach üblichem Sprachgebrauch, Teilnehmerstelle genannt werden soll; vorzugsweise betrifft sie die Verbindung von Teilnehmerstelle und Anschlußleitung.

Man hat durch bestimmte Schaltungsanord-

nungen bereits versucht, die Einwirkung von Sender auf Empfänger derselben Sprechstelle aufeinander zu verringern. Ebenso hat man versucht, die einzelnen Teile der Schaltung so zueinander in Beziehung zu bringen, daß ein . möglichst guter Energieumsatz erzielt wird. Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte Signalschaltung, die in ihrem wirksamen Zusammenarbeiten mit einer entsprechenden und gleichen, in Sprechverbindung stehenden Stelle an die empfangenden Apparate dieser Sprechstelle den für den unveränderlichen Verkehr in beiden Richtungen denkbar größten Energiebetrag zu übermitteln gestattet, wobei gleichzeitig eine solche Anordnung getroffen ist, daß der empfangende Apparat gegen Störung durch die Übertragungsenergie geschützt ist, die von der gleichen Sprechstelle ausgeht; diese Störung wird im folgenden nach üblichem Sprachgebrauch als Nebengeräusch bezeichnet. Aufgabe der Erfindung ist mit anderen Worten die Schaffung von Signalisierungsmitteln, die durch ein möglichst günstiges Verhältnis von empfangener und übertragener Energie gekennzeichnet sind, und zugleich dadurch, daß Nebengeräusche fehlen.

In der nachfolgenden Beschreibung ist von einem Zusammengehörigkeitsverhältnis (Zu-Ordnungsverhältnis) bzw. von einem »zugeordnet sein« häufig die Rede. Es soll darunter verstanden werden, daß zwei miteinander verbundene Stromkreise (oder Teile von Stromkreisen) in solcher Beziehung zueinander und zum Sprechstellenstromkreis als Ganzes stehen, daß ein im erstgenannten Stromkreis entstehender Strom keinen Stromfluß im zweitgenannten Kreis hervorruft.

Die Aufgabe der Erfindung wird in besonderem erreicht durch Anordnen einer Sprechstelle aus einem Mikrophon, Hörer, Hilfswiderstand und Übertrager mit einer Mehr- zahl von Wicklungen, welche zusammen mit einer Fernsprechleitung folgende Grundbedingungen erfüllen sollen: Bei gegebenen zwei identischen Sprechstellen für einen unveränderlichen Verkehr in beiden Richtungen, die durch eine Leitung von gegebener Impedanz und Länge verbunden sind, soll der Betrag der vom Hörer der empfangenden Stelle verbrauchten Energie den größten Teil der gesamten durch das Mikrophon an der gebenden Stelle erzeugten telephonischen Energie ausmachen, während störende Leitungsgeräusche auf einen möglichst geringen Wert herabzumindern sind. Dieses Grunderfordernis möge in Ausdrücken der folgenden Neben-

erfordernisse festgelegt werden, die zu seiner Erfüllung notwendig sind: ι. Mikrophon und Hörer sollen einander zugeordnet sein, d. h. es soll in dem Hörer ein verschwindend geringes Nebengeräusch infolge Beeinflussung des Mikrophons durch Schallwellen sein; 2. Leitung und Hilfswiderstand sollen in einem Zusammengehörigkeitsverhältnis stehen, so daß kein Teil der von der Sprechstelle aus der Leitung aufgenommenen Energie durch diesen Hilfswiderstand nutzlos verbraucht wird; 3. für eine gegebene Leitung mit einer bestimmten charakteristischen Impedanz soll die vom Mikrophon ausgehende telephonische Energie ein Maximum sein; 4. der von der Leitung auf die Sprechstelle ausgelieferte Energiebetrag soll ein Maximum sein, mit anderen Worten, die Impedanz der Sprechstelle, von der Leitung aus angesehen, soll der charakteristischen Impedanz der Leitung gleich sein; 5. mit einer kleinen Einbuße an Wirksamkeit soll es möglich sein, ein wirksames Unterscheidungsvermögen gegen Leitungsgeräusch derart zu schaffen, daß es unterscheidbar ist von den telephonischen Signalen der in Sprechverkehr stehenden Sprechstelle.

Eine Sprechstelle, die den oben angeführten Bedingungen genügt, ist ideal insofern, als ihr Gesamtwirkungsgrad vom Mikrophon der einen Sprechstelle zum Hörer der anderen Stelle ein theoretisches Höchstmaß erreicht, 1 das durch Sprechstellen für den unveränderlichen Verkehr nicht überschritten werden kann, mögen sie nun der Bedingung des Zusammengehörigkeitsverhältnisses von Mikrophon und Hörer genügen oder nicht. Sie ist ; ferner ideal in dem Sinne, daß eine Kleinstzahl von Elementen zur Anwendung gelangt, da zur Erzielung der Freiheit vom Neben- ■ geräusch wenigstens ein Hilfsglied erforder- ι Hch ist.

Es könnte eingewendet werden, daß die Einführung eines Hilfswiderstandgliedes, wie notwendig es auch für die Vermeidung des Nebengeräuschs sein mag, doch zu gleicher Zeit mit Naturnotwendigkeit den Wirkungsgrad der Sprechstelle beeinträchtigen müsse, weil in diesem Hilfswiderstand unabwendbar ; Energie nutzlos verbraucht werden muß. Daß i dies nicht der Fall ist und daß der Wirkungsgrad der Sprechstelle gemäß der vorliegenden | Erfindung das theoretische Höchstmaß erreicht, das sich durch keine Sprechstelle für den Verkehr in beiden Richtungen übertreffen läßt, sei es durch Stellen mit oder ohne Neben- j geräusch, werden die folgenden Betrachtungen ; irweisen. Die einfachste Gestalt einer Sprechstelle für den Verkehr in beiden Richtungen ist die, bei der Hörer und Mikrophon hintereinander in Brücke zur Leitung eingeschaltet sind. Bei einer solchen Anordnung ist der Gesamtwirkungsgrad ein Maximum, wenn

j der Widerstand des Hörers gleich dem des Mikrophons ist. Ist diese Bedingung erfüllt, so werden ersichtlich 50 Prozent der von der Leitung der Sprechstelle zugeführten Energiei menge im Mikrophon nutzlos verbraucht, und

■ 50 Prozent der vom Mikrophon erzeugten

I Energie werden vom Hörer verzehrt. Ferner

■ leidet eine solche Anordnung unter dem Nachteil, daß sämtliche Nebengeräusche uneingeschränkt auf den Hörer übertragen werden. Bei der Sprechstelle gemäß der vorliegenden Erfindung werden 50 Prozent der von der Leitung der Sprechstelle zugeführten Energie vom Mikrophon verzehrt, aber keine Energie vom Hilfswiderstand, wenn Widerstand und Leitung im Zuordnungsverhältnis stehen. Infolgedessen ist der Wirkungsgrad der Auf- So nähme ebenso groß wie bei der einfachen

I Reihenschaltsprechstelle. Beim Geben wird im Hörer keine Energie verzehrt, jedoch werden 50 Prozent der vom Mikrophon ausgesendeten Energie im Hilfswiderstande ver- ss braucht. Auch die Sendeenergie ist daher ein ; Höchstmaß, so daß durch die Hinzufügung des Hilf swiderstandes, der zur Unterdrückung des Nebengeräusches erforderlich ist, weder der Wirkungsgrad des Gebens noch der Wir- jo kungsgrad des Empfangene beeinträchtigt ' wird. Die obige Betrachtung wird dazu dienen, zu erläutern, inwiefern es erwünscht ist, Leitungs- und Hilfswiderstand einerseits und Mikrophon und Hörer anderseits in einem Zuordnungsverhältnis zu haben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Sprechstelle vorgesehen, die ein Mikrophon, einen Hörer, einen Hilfswiderstand und einen Übertrager umfaßt, und diese zusammengefügten Teile sind so zueinander bemessen und angeordnet, sowohl zur Fernsprechleitung wie auch zueinander, daß die Sprechstelle all den oben angeführten Bedingungen genügt.

Es ist erkannt worden, daß die aufgeführten Bedingungen durch eine große Zahl von Anordnungen erfüllt werden kann, die die Mindestzahl der Elemente verwenden und alle gleich wirksam und frei von Nebengeräusch sind. Während theoretisch alle diese Anordnungen gleich gut sind, lassen praktische Erwägungen gewissen Anordnungen den Vorzug geben.

Die Erfindung ist am verständlichsten unter Bezugnahme auf die Zeichnung; darin ist:

Abb. ι ein Schema, das die besondere Verkörperung dieser Erfindung veranschaulicht,

Abb. 2 ein vereinfachtes Schema, das die Wirkung der Sprechstelle nach Abb. 1 beim Aussenden telephonischer Signale zeigt,

Abb. 3 ein vereinfachtes Schema, das die Wirkung der Sprechstelle nach Abb. ι beim Pimpfang teliephonischer Signale zeigt;

in Abb. ι endigt eine Fernsprechleitung L in einer Sprechstelle ι. Diese Sprechstelle enthält ein Mikrophon T, einen Hörer J?, einen vorzugsweise nicht induktiven Hilfswiderstand J£ und einen Übertrager 2 mit den beiden Wicklungen 3 und 4. Dieser Übertrager besitzt vorzugsweise eine sehr hohe Impedanz und ist sehr eng gekoppelt; diese Bedingungen werden bekanntlich von telephonischen Übertragern in einer starken Annäherung erfüllt. Es ist weiter erwünscht, daß die Widerstände dieser Wicklungen so gering sind, daß sie vernachlässigt werden können. Wird dem Mikrophon T Gleichstrom aus der Leitung L zugeführt, so wird zweckmäßig ein Kondensator 5 in Reihe mit der ao Wicklung 4 eingefügt, um den unmittelbaren Stromfluß auf den Weg über das Mikrophon zu begrenzen. Dieser Kondensator kann so groß sein, daß er den Strömen von telephonischer Frequenz gegenüber eine sehr geringe Reaktanz bietet, oder seine 'kapazitive Reaktanz kann im wesentlichen ausgeglichen werden durch die induktive Reaktanz der Ubertragerwicklung 4. In jedem Falle kann die Wirkung der Kapazität bezüglich der telephonischen Ströme verschwindend klein gemacht werden.

Wie in der Zeichnung dargestellt ist, sind Leitung L, Mikrophon T, Hörer R und Hilfswiderstand X in einer Reihenschaltanordnung vorhanden. Ein Ende des HilfswiderstandesX ist unmittelbar an die Leitungsklemme 6 der Linie L angeschlossen, das andere Ende des Widerstandes steht mit der Klemme 7 der Leitung L über die Wicklung 4 in Verbindung. Die eine Seite des Mikrophons T ist unmittelbar an die Klemme 7 der Leitung L angeschlossen, während die andere mit der Klemme 6 über die Wicklung 3 in Verbindung steht.

Es soll nunmehr die Wirkung der in Abb. 1 dargestellten Sprechstelle beschrieben werden. Abb. 2 ist ein vereinfachtes Schema des Gebevorganges, während Abb. 3 ein ähnliches Schema ist, das den Empfang veranschaulicht. in diesen Schemas zeigen die Pfeile die relative Richtung des Flusses der telephonischen Ströme in den verschiedenen Elementen. -Elemente, in denen keine telephonischen Ströme fließen, sind punktiert gezeichnet. In den schematischen Darstellungen sowohl wie in den weiter unten gegebenen Formeln und Gleichungen beziehen sich die Fußzeichen i, 2, 3 und 4 bezüglich auf Mikrophon, Hörer, Hilfswiderstand und Leitung: so bedeuten 1,,I₂,I₃ und I₁ die Ströme, die durch das Mikrophon, den Hörer, den Hilfswiderstand bzw. durch die Leitung fließen. Der Batteriespeisegleichstrom, der vorzugsweise von einer Zentralquelle über die Fernsprechleitung zugeführt wird, ist in den Zeichnungen nicht dargestellt worden, weil dieser Strom ausschließlich zur -Speisung des Mikrophons dient. Ferner ist der Fluß der telephonischen Ströme, wie er durch die Pfeile angezeigt wird, bedingt durch die geeignete Bemessung der die Sprechstelle bildenden Elemente, und zwar gemäß den Formeln, die unten abgeleitet und erläutert worden sind.

Die Beeinflussung des Mikrophons T in Abb. 2 ruft Schwankungen in dessen Widerstand hervor, deren Wirkung einer wechselnden elektromotorischen Kraft in dem Mikro- ' phon entspricht. Es wird daher dem nicht dargestellten Gleichstrom ein Wechselstrom von telephonischer Frequenz überlagert, dessen Weg und Relativrichtungen durch Pfeile angedeutet sind. Da die Sprechstelle nebengeräuschfrei sein soll, so fließt der gesamte Wechselstrom im Mikrophon, der mit I₁ bezeichnet ist, von der Klemme 8 durch die Wicklung 3 zur Leitungsklemme 6. Hier teilt sich der Strom: ein Teil I₄ fließt nach außen über die Leitung, und ein Teil J₃ fließt zur Klemme 9 durch den Widerstand X. Von der Klemme 9 fließt der Strom J₃ nach unten _go durch die Wicklung 4 zur Klemme 7, wo er sich mit dem zurückkehrenden Linienstrom J₄ vereinigt und dann zurück durch das Mikrophon fließt. Es ist klar, daß der Mikrophonstrom J₁ gleich der Summe des Linien-Stroms Il und des Stroms J₃ ist, der durch den Widerstand X fließt. Dieser Strom J₃ wird in dem Widerstand X nutzlos verbraucht; es ist aber, wie hier dargelegt wurde, für den Verkehr in beiden Richtungen ein solcher Verlust unvermeidbar. Würde man den Hilfswiderstand auslassen, so würde ein gleich großer nutzloser Energieverbrauch notwendig durch den Hörer herbeigeführt werden mit dem weiteren Nachteil des Nebengeräuschs. Zur Vermeidung von Nebengeräuschen ist es erforderlich, daß kein Strom durch den Hörer R fließt, so daß die Klemmen 8 und 9 bezüglich des Gebestroms von 'gleichem Potential sein müssen. Dies wird j durch eine geeignete Bemessung der relativen Impedanzen von Linienleitung und Hilfswiderstand mit Bezug auf die relative Windungszahl in den Wicklungen 3 und 4 ermöglicht. Da ein stärkerer Strom durch die Wicklung 3 fließt als durch die Wicklung 4, muß die Zahl der Windungen in Wicklung 4 größer sein als die Windungszahl der Wicklung 3. Bekanntlich sind die Ströme in den Wicklungen 3 und 4, wenn der Übertrager einen hohen Wirkungsgrad besitzt, umgekehrt verhältnisgleich ihren Windungszahien. Ist

demnach in Wicklung 4 ein Strom erforderlich, der gleich dem ist, der durch den Widerstand X fließt, so fließt kein Strom im Hörer R₃ und die Klemmen 8 und 9 befinden sich notwendig im gleichen Spannungszustand.

In Abb. 3, die den Vorgang des Empfangens und der entsprechenden Richtungen der telephonischen Ströme veranschaulicht, fließt ίο Strom zu über die Leitung L zur Klemme 6 und von hier durch die Wicklung 3 zur Klemme 8. Dieser Strom soll durch J₄ bezeichnet sein. Dieser durch die Wicklung 3 fließende Strom induziert einen Strom J₂ entgegengesetzter Richtung in der Wicklung 4; die Werte der Ströme J₄ und J₂ stehen in umgekehrtem Verhältnis zu den entsprechenden Windungszahlen in den Wicklungen 3 und 4. Der Strom J₂ fließt nach unten durch den ao Hörer R zur Klemme 8, wo er sich mit J₄ vereinigt. Von hier fließen die vereinigten Ströme J₂ und J₄, das ist der Strom J₁, durch das Mikrophon 7" zur Klemme 7. An Klemme 7 teilt sich der Strom: der Teil J₄ fließt über die Leitung zurück, während der TeilJ„ durch die Wicklung 4 fließt Wenn die Elemente in der Sprechstelle geeignet be- ' messen sind, fließt kein Strom durch den j Hilfswiderstand X, nämlich dann nicht, wenn die Widerstände von Mikrophon und Hörer | in geeignetem Verhältnis zum Übersetzungs- ' verhältnis des Übertragers stehen. ;

Der Gleichstrom, der über die Linie kommt, ' hat keinen störenden Einfluß auf den Emp- ■ fänger. Die wachsende Stromspannung, die , in Windung 4 induziert wird, ruft eine Span- j nung am Punkt 9 hervor, welche in gleicher ! Weise und gleichzeitig mit der Spannung am Punkt 8 sich ändert. Diese Spannungs- | Variationen superponieren sich auf eine stetige Spannung, welche an diesen Punkten infolge des Mikrophonspeisestroms bereits vorliegt.

Um die Tragweite der Erfindung zu ver- '■ anschaulichen und die Grundsätze vollständig ; klar herauszuheben, auf denen alle die be- ■ sonderen Verkörperungen beruhen, soll im ; folgenden eine allgemeine theoretische Unter- j suchung gegeben werden, die sich auf alle > Sprechstellen bezieht, die den bisher in dieser ! Beschreibung aufgestellten Bedingungen ge- ■ nügen. In dieser Untersuchung und den Glei- ' chungen und Formeln, die die Beschreibung ! bringt, beziehen sich die Fußzeichen 1, 2, 3 · und 4 in der oben ausgeführten Weise auf 1 Mikrophon, Hörer, Hilfswiderstand und Linienleitung. In dieser Weise bezeichnen J₁, : J₂, J₃, J₄ die Ströme, die in Mikrophon, ι Hörer, Hilfswiderstand und Leitung fließen, 1 während R₁ den Widerstand des Mikrophons, R₂ den Widerstand des Hörers bedeutet usw.

I Betrachten wir eine Sprechstelle, die aus , Mikrophon, Hörer, Hilfswiderstand und ge- : eigneten Übertragerwicklungen besteht und I die an eine Leitung von gegebener charakte- ', ristischer Impedanz angeschlossen ist. Prak- ; tisch verbindet die Leitung zwei entsprechende I und gleiche Sprechstellen, zwischen denen eine Sprechverbindung hergestellt worden ist. Bekanntlich muß, wenn eine bestimmte Impedanz mit einer elektromagnetischen Kraftquelle durch eine elektrische lange Leitung von der Impedanz Z-R₄₁-^i J?'₄, wobei R± der Widerstand, R'i die Reaktanzkomponente der Impedanz ist, verbunden wird, diese Impedanz ι für den Höchstwert der Energieaufnahmen Ji₄ — i R\ sein. Wenn im besonderen die Leitungsimpedanz keine charakteristische Reaktanzkomponente aufweist, so muß die Im- : pedanz, von der Leitung aus betrachtet, gleich der Widerstandskomponente der Impedanz der Leitung sein. Dann ist die Bedingung dafür, daß die Sprechstelle eine möglichst große Energieaufnahme aus der Leitung aufweist, darin zu sehen, daß ihre Impedanz, von der ^; Leitung aus betrachtet, der Leitungsimpedanz gleich sein soll. Die Bedeutsamkeit dieser Ermittlung soll unter Bezugnahme auf Abb. 1 wie folgt erläutert werden: Es sei angenommen, daß die Sprechstelle von der Linienleitung abgetrennt ist und daß ihre Impedanz zwischen den Klemmen 6 und 7 gemessen ist. Dann soll die so gemessene Impedanz der Impedanz der Leitung gleich sein. Eine Leitung, an deren jedem Ende eine diese Bedingung erfüllende Sprechstelle vorhanden ist, kann, was die Übertragung von jeder der beiden Stellen aus anlangt, ersetzt werden durch ein Impedanzelement von einem Widerstand gleich der Leitungsimpedanz. Irgendeine Re- ioc aktanzwirkung, die in der Praxis gering ist, kann durch Ausgleich ausgemerzt werden und bedarf daher keiner Betrachtung. Die Bedingung, daß die Sprechstelle eine möglichst große Energieaufnahme aus der Leitung aufweist, ist dann unter Vernachlässigung der Reaktanzwirkung, daß ihre Impedanz, von der Leitung aus betrachtet, ein reiner Widerstandswert von einer Größe gleich der charakteristischen Impedanz der Leitung ist. Diese Voraussetzung ist offenbar gleichwertig der folgenden Forderung: Es sei eine elektromotorische Kraft über einen Widerstand gleich der charakteristischen Impedanz der Leitung, den Klemmen der Sprechstelle aufgedrückt; dann soll die in der Sprechstelle verbrauchte Energie gleich der Energie sein, die in diesem Widerstand verbraucht wird.

Ferner stehen Leitung und Hilfswiderstand nach Obigem in einem Zuordnungsverhältnis gemäß Bedingung2 (vgl. Seite 2), oder, mit anderen Worten, der Hilfswider-

stand ist mit Bezug auf eine den Leitungsklemmen zugeführte elektromotorische Kraft an Punkte gleichen Potentials angeschlossen. Vorausgesetzt also, daß eine elektromotorische Kraft E₁ über einen Widerstand R₁ einer Sprechstelle aufgedrückt wird, deren Mikrophon- und Hörerwiderstände R₁ und R₂ sind, und vorausgesetzt, daß die resultierenden Ströme in Leitung, Mikrophon und Hörer ίο J₄, I₁ und I₂ sind, dann kann die Bedingung 4, d. h. also, wenn die Impedanz der Sprechstelle für die ankommende Energie gleich der Impedanz der Leitung ist, durch folgende Gleichung formuliert werden:

(RJ (h)² = (I₂)² R₂+ (I₁)² R₁,

die der Leitung aufgedrückte Spannung sei £₄. Da nun der Widerstand i?₄ der Leitung gleich dem Widerstand (R₂ + .R₁) der Sprechstelle ist, so bekommt der Spannungsabfall auf der Leitung und in der Sprechstelle je

der Wert —. Ersetzt man nun (J₄)² durch

J§

,so bekommt die vorgehende Gleichung

folgendes Aussehen:

(A)²

Diese Gleichung stellt fest, daß der Energieverbrauch in dem Widerstand i?₄ gleich dem in der Sprechstelle ist und daß die Sprechstelle, von der Leitung aus betrachtet, einem Widerstände vom Werte R_i gleichwertig ist.

In gleicher Weise kann die Bedingung, daß

das Mikrophon möglichst viel an Leitung und Hilfswiderstand ausliefert, wenn Mikrophon und Hörer in dem Zuordnungsverhältnis stehen, wie folgt formuliert werden: Eine elektromotorische Kraft E₁ im Mikrophon erzeuge Ströme I₁, I₁, I₃ in Mikrophon, Leitung und Hilfswiderstand; dann folgt, für den Höchstwert der Energieaussendung, d. h. also für den Fall, daß im Hörer keine Energie verbraucht wird:

(A)² Ri = (A)² #4 + (I₃)²R₃ = fj£ ■ '2)

Gleichung (2) ist der Gleichung (1) analog und möge wie folgt an Hand der Abb. 1 untersucht werden: Es sei der Leiter, der das Mikrophon mit der Klemme 7 verbindet, unterbrochen und die Impedanz zwischen den Klemmen 7 und 8 gemessen. Ist dann der Gleichung (2) genügt, so ist die so gemessene Impedanz gleich der Impedanz des Mikrophons selbst. Mit anderen Worten: die Impedanz der Vereinigung, vom Mikrophon aus betrachtet, ist gleich der Impedanz des Mikrophons.

Wie im folgenden dargelegt wird für die besondere Verkörperung der Erfindung, folgt Gleichung (2) als Schluß aus den Bedingungen des doppelten Zuordnungsverhältnisses und aus der Gleichung (1). Daher bedeuten die obigen vier Bedingungen nur drei Beschränkungen für die Sprechstelle.

Um die Allgemeinuntersuchung abzuschließen, bleibt die Energieverteilung zwischen Hörer und Mikrophon beim Empfangen zu untersuchen sowie zwischen Leitung und Hilfswiderstand beim Geben. Es sei W₀ der Gesamtbetrag der vom Mikrophon der gebenden Sprechstelle erzeugten telephonischen Energie; dann ist gemäß Gleichung (2) der an Leitung und Hilfswiderstand fließende Betrag gleich ¹J₂ W₀. Ferner sei der vom Hilfswiderstand aufgenommene Energiebetrag das A'-fache des durch die Leitung aufgenommenen; dann ist die Leitungsaufnahme

V₂

so daß der Wirkungsgrad der Übertragung gemessen wird durch:

(3)

Von der Gesamtenergiemenge, die an die empfangende Sprechstelle gelangt, möge der vom Mikrophon verbrauchte Teil das ;y-fache des vom Hörer verbrauchten sein; dann bestimmt sich der Wirkungsgrad des Empfangs nach

α qb) · ⁽⁴⁾

Der Gesamtwirkungsgrad vom Geber der einen Sprechstelle zum Hörer der im Sprechverkehr stehenden Stelle ist offenbar gleich dem Produkt aus Wirkungsgrad der Übertragung und Wirkungsgrad des Empfanges; demnach ergibt sich nach Formeln (3) und (4) als Gesamtwirkungsgrad:

Wären χ und y unabhängig, so würde offenbar der Gesamtwirkungsgrad seinen Höchstwert erreichen für χ = y = o. Für alle Sprechstellen aber, die den Grundsätzen der Erfindung genügen, ist leicht ersichtlich, daß χ und y durch die Beziehung xy = 1 verbunden sind. Schafft man mittels dieser Beziehung χ aus der oben angeführten Formel heraus, so wird die Gleichung für den Gesamtwirkungsgrad :

+ yY

(5)

Zum Beweise der oben angeführten Fest-

stellung, daß xy=i ist, seien die Elemente oder Zweige T, R, X, L mit i, 2, 3 und 4 bezeichnet, und es seien 1 und 2 und ebenso 3 und 4 in einem Zuordnungsverhältnis. Ferner sei angenommen, daß für eine elektromotorische Kraft im Zweige 4 die Gleichung (1) und für eine elektromotorische Kraft im Zweige 1 die Gleichung (2) erfüllt ist. S₁₁ bedeute den Strom, den eine Einheit elektromotorischer Kraft im Zweige oder Element 1 in diesem Zweige erzeugt, S₁₂ den Strom, den die gleiche elektromotorische Kraft im Zweige 1 im Zweige 2 erzeugt usf. Dann folgt aus dem Zuordnungsverhältnis der Zweige 1, 2 sowie der Zweige 3, 4, daß

O₁₂ = o_3i = O; ferner aus Gleichung fi):

so (S₄₄)* A₄ = (S₄₂)²A₂ + (S₄₁VR₁ = J-, (i')

und aus Gleichung (2):

(S₁₁)³ R, = (S₁₃)* R₃ + (S₁₁)* R, =

Es ist nun ein Grundprinzip, das mittels der Sätze der elementaren Algebra ableitbar ist, daß S₄₁ = S₁₄,; d. h. der Strom, der im Zweige ι durch eine Einheit elektromotorischer Kraft im Zweige 4 erzeugt wird, ist gleich dem Strome, den im Zweige 4 eine Einheit elektromotorischer Kraft im Zweige 1 erzeugt. Multipliziert man Gleichung (1') mit R₄ und Gleichung (2') mit R₁ und zieht sie davon ab, so ergibt sich:

(S₄₂)²Ji₂Ji₄=(S₁₃)²Ji₁Ji₃. (a)

Nun ist nach der in dieser Beschreibung angenommenen Bezeichnungsweise die im Zweige 3 verbrauchte Energie x-mal so groß wie die im Zweige 4 verbrauchte, wenn eine elektromotorische Kraft im Zweige 1 wirkt; demnach ist:

(S₁₃)² R_t = x (S₁₄)² R₁. (b)

Ferner ist die im Zweige 1 verbrauchte Energie das 31-fache der im Zweige 2 verbrauchten, wenn eine elektromotorische Kraft im Zweige 4 wirkt; daraus folgt: '

(S₁J* R₁^y (S₂J* R₂. (C)

Als Produkt aus (b) und (c) ergibt sich:

(S₁₃)²A₁J?, = ^ (S₂₄)² R₂ R_t. (d)

Aus (a) und (d) folgt sofort, daß x-y=i. :

Ersichtlich erreicht der durch Formel (5) j

gegebene Ausdruck einen Höchstwert, wenn _:

V=I ist. Das bedeutet, daß für einen ge- ;

gebenen Betrag, der im Sender an der geben- j

den Sprechstelle erzeugt wird, ein Höchst- [

betrag nutzbringend an den Hörer der empfangenden, durch die Leitung damit verbun-I denen Sprechstelle ausgeliefert wird, wenn V=I. Da ein Höchstbetrag von Energie im I Hörer das Grunderfordernis des Fern- ; Sprechens ist, so wäre zu folgern, daß die : Sprechstelle so bemessen werden sollte, daß jv=i wird. Eine andere Betrachtung schränkt aber diesen Schluß etwas ein, nämlich die Rücksicht auf das Leitungsgeräusch. Da das Leitungsgeräusch seinen Ursprung in der Linienleitung hat, so ist der an den Hörer

gelangende Betrag verhältnisgleich —~-

fs. Gleichung 4), während der vom Sender der im Sprechverkehr stehenden Stelle ausgelieferte Energiebetrag verhältnisgleich

-j-\_- ist (s. Gleichung 5). Das Verhältnis

j der beiden Werte ist —~, und dies wächst

unverhältnismäßig, wenn y über die Einheit : hinauswächst. Es ist also klar, daß, wenn y größer als eine Einheit gemacht wird, die Sprechstelle einen Unterschied macht zwischen Liniengeräusch gegenüber den Signalen, deren Empfang erstrebt wird. Der Grad des gewünschten Unterscheidungsvermögens hängt natürlich ab von dem Grade des vorhandenen Leitungsgeräuschs. Für die in der Praxis go vorkommenden Verhältnisse ist durch Versuche festgestellt worden, daß ein anzustrebender Wert y =1,4 ist. Mit diesem Wert von y wird der Wert des Gesamtwirkungsgrades um 2,8 Prozent unter den Höchstwert für 3; = ι sinken, während der Wirkungsgrad des Empfangens allein um 16,6 Prozent sinkt. Es kann aber unter gewissen Bedingungen erwünscht sein, den Wert von y wesentlich hinauswachsen zu lassen. Es ist also klar, daß der wirkliche Wert von y, auch wenn hier darauf hingewiesen wird, daß y theoretisch einen Wert nahe 1 haben müßte, sich wesentlich über diesen theoretisch besten Betrag erheben kann.

Die obigen Betrachtungen über Gesamtwirkungsgrad und Unterscheidungsvermögen gegen Leitungsgeräusch können, wie folgt, erfaßt werden:

R₁ (I₁Y =

(6)

für eine in die Leitung eingebrachte elektromotorische Kraft. In dieser Gleichung soll y vorzugsweise einen zwischen 1 und 1,5 liegenden Wert erhalten.

Es soll nunmehr die verhältnismäßige Bemessung der Anordnung nach Abb. 1 gegeben werden, durch die den Grundanforderungen genügt wird. Die Bedingung, daß der Hörer R im Zuordnungsverhältnis zum Sender T steht, ist erfüllt, wenn in diesem Hörer kein Strom fließt, der verursacht wird durch

eine elektromotorische Kraft von telephonischer Frequenz, die in Reihe mit dem Sender zwischen den Punkten 7 und 8 angelegt wird. Wenn das Zuordnungsverhältnis des Hörers R zu diesem Sender bestehen soll, dann müssen die Punkte 8 und 9 mit Bezug auf die Wirkung der erwähnten elektromotorischen Kraft sich auf dem gleichen Potential befinden. Wenn weiter die Wicklungen 3 und 4 sehr hohe Selbstimpedanzen besitzen, so sind die in ihnen fließenden Ströme umgekehrt verhältnisgleich der Zahl ihrer Windungen, nämlich M₁ bzw. n.,, wobei M₁ die Windungszahl der Wicklung 5 und M₂ die der Wicklung 4 bezeichnet. Achtet man auf diese Betrachtungen, so ist die Bedingung der Zuordnung von Sender und Hörer ableitbar wie folgt: Es sei eine elektromotorische Kraft im Senderzweig vorhanden, und es seien mit I₁, Z₂, Z₃ und Z₄ die Ströme bezeichnet, die in Sender, Hörer, Hilfswiderstand und Leitung fließen. Wenn dann zwischen dem Sender und Hörer das gewünschte Verhältnis besteht, so ist:

Z₂ = ο und I₁ =

h-

Wenn ferner die Kopplung des Übertragers sehr fest ist, so ergibt sich

„ τ „ τ π)

und daraus

ⁿ2 ^Hl _T

— 1₁.

(II)

/TTT\

(III)

Es sei nun darauf hingewiesen, daß der magnetische Fluß eines Transformators in jeder Windung der beiden Wicklungen die gleiche EMK. erzeugt.

Wenn also K den Spannungsabfall für jede Windung der Übertragerwicklungen, V den Spannungsunterschied zwischen den Senderklemmen und R₁ bis R_t die Widerstände von

Sender, Hörer, Hilfswiderstand und Leitung bezeichnen, so ergibt sich, daß

A-M₁^-Z₃Zi₃ = O; (IVj

Kn., = V; (V)

Kn₁ +I₁R^=V. (VI)

Aus den Gleichungen (V) und (VI) folgt:

Kn₁ + I_iR_i = — Kn₂. (VII) Aus Gleichung (IVj folgt:

Aus Gleichung (I) folgt für Gleichung (III):

Mo — It₁ U₂

K, W₁ ³

(IX) Setzt man den aus Gleichung (VIII)' für Z₃ erhaltenen W^Tert in Gleichung (IX) ein, so erhält man:

— y

«₂ 1I₁ · — .

Bei Einsetzen dieses Wertes für Z₄ in Gleichung (VII) folgt:

— η

¹ - K - R₄ —

Kn₉

Hieraus folgt:

■«3

(7)

Die Bedingung der Gleichung (7), worin R₃ und Z?₄ die Widerstände von Hilfswiderstand bzw. Leitung bezeichnen, muß für die gegenseitige Bemessung und Abgleichung des Hörers und des Mikrophons erfüllt sein.

In gleicher Weise läßt sich die Bedingung für die Zuordnung des HilfsWiderstandes zur Leitung ableiten:

/&2 '^₁

worin R₁ und R₂ die Widerstände von Mikrophon und Hörer bezeichnen.

Somit sind infolge der durch Gleichung (7) ausgedrückten Beziehung beim Geben keine Ströme im Hörer vorhanden, und es ergibt sich, daß die Ströme Z₁, Z₄, Z₃, die in Sender, . Leitung und Hilfswiderstand fließen, verhältnisgleich M₂, M₂ — H₁ und M₁ sind. Demnach wird die Bedingung größter Energieaus- ·. Sendung, wie sie in Gleichung (2) ausgesprachen war, durch die Anordnung der Abb. 1 erfüllt, wenn

R₁ (U₂Y = R₃ (η_Λγ + Z?₄ (M₂-M₁)

oder

In ähnlicher Weise ist die Bedingung der Gleichung (i) erfüllt, wenn

^(io)

Gleichung (10) folgt aus den Gleichungen (7), (8) und (9); sie stellt daher keine unabhängige Bedingung dar.

Schließlich ist die in Gleichung (6) formulierte Bedingung erfüllt, wenn

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Bezeichnet man das Umformerverhältnis Energieeinteilung j? gegeben, dann erfüllt aus d Glih () bi () di Shll

«a , , j. ._,_ j /-ι · ι /o\ den Gleichungen (7) bis (12) die Sprechstelle

— durch r, so folgt aus den Gleichungen (8) _n ^ % -_u τ?-

H₁ ' ^{ö b} ! alle Grundbedingungen, wenn ihre Konstan-

und (11): j ten nach den folgenden Bestimmungsgleichun- 65

gen ermittelt werden:

Nach Gleichung (12) ist das Umformerverhältnis

_ M₂ M₁ /M₂ + nj\ ²_ (M₂ M₁) (M₂ -f M₁)

~ W₂ + M₁

Ferner ist nach Gleichung (8) und (9):

Den Wert von R_& aus Gleichung (7) einge- 75 15 Sind die Leitungsimpedanz i?₄ und die ' setzt, ergibt:

— % η _ ρ /(W₂-M₁)M ₁ ² + (W₂-M₁

V₂

+ W₁

(W₂ + W₁)

2 4 ^

Λ₂ = Ky

i?₃ errechnet sich aus Gleichung (7) wie folgt:

w,

—M₁

— I

r — ι

Da nun nach Gleichung (12)

ist, so ergibt sich für R₃ folgende Gleichung:

]/y+ χ +τ Ähnlich errechnet sich R₁ aus Gleichung (8):

M» — M₁

M, + M₁

M₁

— + I

so daß sich für R₁ derselbe Wert wie für i?₃ ergibt: _

B - YLtlZZl

}/y + 1

Die Bestimmungsgleichungen für die Konstanten lauten also:

= K₄,

_ j/y + 11 - ι

K y + ι -τ ι

(A)

l5l_)

Als ein bestimmtes Beispiel für die Anwendung der Bestimmungsgleichungen (A) möge gefordert sein, die Sprechstelle der Abb. ι für einen höchsten Gesamtwirkungs- go· grad zu bestimmen, wobei die Linienimpedanz 600 Ohm ist. Dann ist y = i und i?₄ = 600, und durch die Bestimmungsgleichungen (A) erhalten wir: r= 1,4.14; R₂ = 600 Ohm; R₃ = 103 Ohm; R₁ = 103 Ohm.

Wenn an Stelle des höchsten Gesamtwirkungsgrades besonderer Wert auf Unterschiedlichkeit gegen Leitungsgeräusch verlangt wird, so muß y größer als die Einheit angenommen werden, z. B. 1,5. Dann ergeben sich aus den Gleichungen (A) die folgenden Abmessungen r = 1,581; R₂= 600 Ohm; i?₃ = i35Ohm; R₁ = 135 Ohm.

Aus den Gleichungen (A) erhellt, daß, wenn die Werte R₄. und y gewählt werden, die anderen vier Werte eindeutig festgelegt sind. Im allgemeinen sind die Leitungsimpedanz i?₄ und der Energieeinteilungsfaktor y gegeben, und die Bestimmungsgleichungen sind deshalb in der im allgemeinen bequemsten Form no aufgezeichnet.

Die oben erläuterte und in der Zeichnung dargestellte Sprechstelle bietet nur eine der zahlreichen Möglichkeiten mit nur einem Übertrager und einem Hilfswiderstande, und alle diese Möglichkeiten sind ideal in dem Sinne, daß sie die Grundbedingungen für eine Idealsprechstelle, wie oben in der Beschreibung erläutert, erfüllen. Es ist deshalb klar, daß die Erfindung nicht auf die besondere hier dargestellte Verkörperung beschränkt ist, sondern daß sie allgemein gerichtet ist auf

die Schaffung einer Sprechstelle mit einem einzelnen Übertrager und nur einem Hilfselement, die so in bezug auf die Leitung, mit der sie zusammen arbeiten muß, bemessen ist, daß sie einen Idealwirkungsgrad aufweist und wesentlich ohne Nebengeräusch ist. Ferner ist nicht beabsichtigt, die Bestimmung der Teile der Sprechstelle, wie sie beschrieben und dargestellt ist, auf die angegebenen Formein festzulegen. Die Formeln sind abgeleitet unter der Annahme, daß Idealübertrager Verwendung finden und daß die Einzelelemente keine Reaktanz aufweisen, Bedingungen, die in der Praxis nur näherungsweise

*5 erfüllt sind. Wenn eine besonders hohe Genauigkeit verlangt wird, so kann die Sprechstelle genauer bemessen werden, indem man in Rechnung zieht, daß die Übertragerimpedanzeti begrenzt sind und daß die Lei-

ao tung im allgemeinen irgendeine besondere Reaktanz aufweist. Die beigefügten Gleichungen führen jedoch zu völlig befriedigenden Ergebnissen, und die Art ihrer Ableitung setzt den Fachmann ohne weiteres instand, die Konstanten der Sprechstelle nach Wunsch genauer zu berechnen.

Es ist ferner ersichtlich, daß die besonders für eine Fernsprechstelle dargestellte und beschriebene Erfindung mannigfaltiger und ver-

schiedener Verwirklichung fähig ist, die sie auch für andere Signalisierungssysteme brauchbar macht; danach ist die Erfindung nicht auf das besondere Anwendungsgebiet und die beschriebene Gestaltung beschränkt.

Claims (7)

1. Patent-Ansprüche:

   ι . Teilnehmerstelle ohne Nebengeräusch für Fernsprechanlagen, die auf die Charakteristik ihrer Anschlußleitung abgeglichen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitung (L), die Sende- (T) und Empfangsapparate (R) und ein zur Abgleichung dienenderHilfswiderstand (A") untereinander und mit den Wicklungen (3 und 4) eines Transformators derart in einer Brückenschaltung verbunden sind, daß beim Senden der Hörer (R) und beim Empfangen der Hilfswiderstand (X) zwischen ' Punkten gleicher Spannung liegt.
2. 2. Teilnehmerstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zweige der Brückenschaltung aus dem Mikrophon (T), dem Hörer (R), dem Hilfswiderstand (X) und den beiden Wicklungen (3 und 4) des Übertragers derart gebildet werden, daß der Hörer (R) und die Leitung (L) in den Diagonalen liegen, während eine der praktisch widerstandslosen Wicklungen (4) des Übertragers im Nebenschluß zu dem Hörer und Senderstromkreis und die zweite Wicklung des Übertragers (3) im Nebenschluß zu den Stromkreisen des Hörers und des Hilfswiderstandes angeordnet ist.
3. 3. Teilnehmerstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Kombination aus Sender stromkreis (T), Hörerstromkreis (R), Hilfswiderstandskreis (X) und Übertrager (3,4), von der Leitung (L) aus betrachtet, gleich der Leitungsimpedanz ist.
4. 4. Teilnehmerstelle nach Anspruch 1, dadurch-gekennzeichnet, daß' die Impedanz, der Kombination von Leitung, Hörer-Stromkreis und Stromkreis des Hilfswiderstandes sowie des Übertragers, von den Klemmen des Senderstromkreises (Klemmen 7, 8) aus betrachtet, gleich der Impedanz des Senderstromkreises ist.
5. 5. Teilnehmerstelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Senden die größtmögliche Energieabgabe an die Leitung (L) durch Stromlosbleiben des Hörers (7?) und beim Empfang die größtmögliche Energieaufnahme des Hörers (R) durch Stromlosbietben des Hilfswiderstandes (X) verursacht wird.
6. 6. Teilnehmerstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz des Stromkreises des Hilfswiderstandes (X) gleich ist der Impedanz des Senderstromkreises (Mikrophon T).
7. 7. Teilnehmerstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Sprechstelle bildenden Elemente annähernd folgende Werte haben:

   R₁ =

   'Vy +

   worin R₁, R₂, R₃ und i?₄ die Impedanzen des Mikrophons (T), Hörers (R), Hilfswiderstandes (X) und der Leitung (L) bezeichnen, während y einen Faktor, der sich dem Werte 1 nähert, und r das Übersetzungsverhältnis zwischen den Transformatorwicklungen (3, 4) darstellt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.