DE628791C - Einrichtung zur Modulation von Wechselstroemen (Traegerstroemen) durch Signalstroeme - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
17. APRIL 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21a⁴ GRUPPE 14 O₁

Siemens & Halske Akt.-Ges. in Berlin-Siemensstadt*)

Patentiert im Deutschen Reiche vom 13. Dezember 1930 ab

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, mit deren Hilfe Träger-Wechselströme im Takte einer Signalfrequenz moduliert werden können. Für diesen Zweck sind Röhren und Drosselmodulatoren in der Praxis in Anwendung. Diese bekannten Modulatoren zeigen Nachteile, die gemäß der Erfindung dadurch beseitigt werden, daß zur Modulation Kontaktgleichrichter Verwendung finden.

Während die zur Modulation bisher Anwendung findenden Röhren teuer sind und dabei nur eine begrenzte Lebensdauer besitzen, lassen sich Trockengleichrichterelemente auf billigem Wege herstellen und zeigen unbegrenzte Haltbarkeit. Zur Verwendung für den neuen Zweck können alle auch sonst in der Technik bekannten Trockengleichrichter gelangen. Besonders geeignet sind die bekannten Kupfer-Kupferoxydul-Gleichrichter sowie

so auch die Selen- und Germaniumgleichrichter. Diese Trockengleichrichter haben außerdem den Vorzug, daß sie auf Grund ihres Herstellungsverfahrens leicht in jeder beliebigen Form und Größe gewonnen werden kön-

s5 nen und daß man viele Möglichkeiten hat, ihre Eigenschaften während der Herstellung in einem gewünschten vorteilhaften Sinne zu beeinflussen. Man gewinnt dadurch bei Verwendung der Trockengleichrichter den großen Vorteil, daß man sich leicht den verschiedeiisten Betriebsverhältnissen anpassen kann.

Die bekannten Drosselmodulatoren haben den Nachteil, daß hohe Energieverluste in dem magnetischen Kreis auftreten und daß eine mit steigender Frequenz zunehmende Dämpfung im Gerät vorhanden ist, die zur Folge hat, daß die höchste Frequenz mit der noch moduliert werden kann, für viele Betriebsverhältnisse zu niedrig liegt, so daß die Drosselmodulatoren in diesem Falle keine Verwendung finden können. Bei Trockengleichrichtern ist es im Gegensatz dazu möglich, Herstellungsverfahren zu wählen, die eine hohe Grenzfrequenz des Gleichrichterelementes und damit der ganzen Schaltung zur Folge haben.

Einige Ausführungsbeispiele von Schaltungen, die zur Verwendung von Trockengleichrichtern als Modulatoren dienen können, sind in den Figuren dargestellt. Die Fig. 1 bis 3 zeigen Schaltungen, die sich als besonders vorteilhaft herausgestellt haben. In den Fig. 4 und 5 sind Kurven dargestellt, die zur Erklärung der Wirkungsweise der neuen Modulatoren dienen. In den Fig. 6 und 7 sind Einrichtungen abgebildet, bei denen zur Verstärkung der Modulationswirkung der Trokkengleichrichter in einem magnetischen Wech-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr. Frans Tuczek in Berlin-Charlottenburg.

selfeld angeordnet ist, und in den Fig. 8bis io sind Anordnungen von Trockengleichrichtern dargestellt, die sich in Verbindung mit den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Einrichtungen S besonders vorteilhaft verwenden lassen.

Bei der Schaltung nach Fig. I ist an die Klemmen 1 und 2 der Generator für die Trägerfrequenz gelegt. Die Trägerfrequenz gelangt über den Übertrager 3, 4 in den Modu- »o lationskreis, während die Signalfrequenz über die Klemmen S, 6 und den Transformator 7, 8 ^; demselben Kreis aufgeprägt wird. 9 und 10 sind Blockkondensatoren. In den gleichen Kreis ist der die Modulation bewirkende Trockengleichrichter 11 geschaltet. Diesem wird außer den erwähnten Wechselspannungen noch eine Gleichspannung zugeführt, wodurch man die Möglichkeit erhält, den günstigsten Arbeitspunkt A der Stromspannungskennlinie, die für den. betreffenden Gleichrichter charakteristisch ist, einzustellen.

Eine derartige Kennlinie ist z. B. in der Fig. 4 dargestellt. Als Abszissen sind die an den Gleichrichter angelegten Spannungen U und als Ordinaten die unter der Wirkung dieser Spannung durch den Gleichrichter fließenden Ströme/ aufgetragen. Die Charakteristik ist so gekrümmt, daß sie in dem für den vorliegenden Zweck wichtigen Teil nach oben, hin konkav ist. Für eine möglichst verzerrungsfreie Modulation ist es vorteilhaft, daß die Charakteristik in dem Teil, der für die Modulation verwendet wird, möglichst genau Parabelform besitzt.

Durch Anlegen der Vorspannung gemäß Fig. ι kann der Arbeitspunkt auf der Charakteristik verschoben werden, und man hat die Möglichkeit, ihn an eine Stelle zu legen,.au der die Krümmung und Steilheit der Charakteristik für den vorliegenden Fall am zweckmäßigsten' ist. Diese Gleichspannung wird der Batterie 12 entnommen und durch die Wi-. derstände 13 und 14 einreguliert; die Sperrdrossel 15 verhindert ein Abfließen von Wechselstromenergie in den Vorspannungskreis. Die modulierten Schwingungen werden über den Transformator 16, 17 dem Verbraucherkreis z. B. einer Fernsprechleitung zugeführt. Gegebenenfalls können störende Frequenzen vor der Übertragung auf die Leitung ausgesiebt und die zu übertragenden Nutzfrequenzen verstärkt werden.

Wenn die Wechselstrornkapäzität des

Trockenmodulators bei vorgegebener Trägerfrequenz einen gewissen Wert im Verhältnis zum Ohmschen Widerstand übersteigt, ist eine vollkommene Durchsteuerung der Tfägerfrequenzamplitude nicht möglich. Es ist dann zweckmäßig, die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung in der Weise abzuändern, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Durch Kopplung des Ausgangskreises mit dem Generatorkreis in geeigneter Phase mit Hilfe der Spule 18 wird die unmoduliert durch den Gleichrichter gegangene Trägerfrequenzamplitude so weitherabgesetzt, daß ein Modulationsgrad 1 erreicht wird. Wird die Kopplung zwischen den Windungen 17 und 18 noch, enger gemacht, so kann die Trägerfrequenz bis zu jedem beliebigen Grad geschwächt oder auch ganz unterdrückt werden.

Dem gleichen Zweck kann auch die in Fig. 3 wiedergegebene Schaltung dienen, in der zwei gleichartige Modulatoren im Gegentakt arbeiten. Bei 5, 6 wird die Signalfrequenz, bei 1, 2 die Trägerfrequenz zugeführt und bei 19, 20 kann die modulierte Schwingung abgenommen werden. Die Trägerfrequenz wird mit Hilfe des Übertragers 3, 4 dem Modulationskreis aufgeprägt, während die Signalfrequenz mit Hilfe des Transformators 7, 8 auf den Modulationskreis übertragen wird. Die Sekundäre 4 des Übertragers 3, 4 ist einerseits an die Mitte der Sekundären 7 des Transformators 7, 8 und andrerseits zwisehen zwei geg>eneinandergestellte Gleichrichter 11 und ii' geschaltet. 9, 9' und 10, 10' sind Blockkondensatoren. An die Gleichrichter wird mit Hilfe der Batterie 12 und des Widerstandes 13 eine Gleichstromvorspannung gelegt. Zum Abnehmen des modulierten Stromes dient der Übertrager 16, 17. In diesem. Ausgangstransformat?or heben sich die Schwingungen beider Modulatoren auf, solange nicht durch die Signalspannungen ihre Arbeitspunkte in verschiedener Richtung verschoben werden. Es treten also nur dann Hiochfrequenzströmie aus, wenn signalisiert wird.

Die Wirkung der Trockengleichrichter als Modulatoren kann dadurch verstärkt werden, daß die Gleichrichterekmente in einem Magnetfeld angeordnet werden, dessen Kraftlinien senkrecht zur Richtung der den Gleichrichter durchfließenden Stromlinien stehen. Bei der zu diesem Zweck dienenden Einrichtung gemäß Fig. 6 bedeutet 21 einen magnetischen Kreis, in dessen Spalt sich der Gleichrichter 11 in einer solchen Lage befindet, daß die Elektronenbahn senkrecht auf den- magnetischen Kraftlinien steht. Das magnetische Feld bewirkt dann eine Ablenkung der Elektronen, so daß eine Abhängigkeit der durch den Gleichrichter fließenden Stromstärke von der Stärke des Magnetfeldes zustande kommt, wie sie in der Fig. 5 dargestellt ist. In dieser Figur ist als Abszisse die magnetische Feldstärke H und als Ordinate die Stärke des durch den Gleichrichter fließenden Stromes / aufgetragen. A bedeutet wieder den Punkt, der für die Einrichtung als Arbeitspunkt gewählt werden kann. Dabei ist angenommen,

daß die nach Fig. 6 am Gleichrichter liegende Gleichspannung, die von der Batterie 12 über den veränderbaren Widerstand 13 angelegt ist, konstant bleibt. Wird mit Hilfe des aus der Batterie 22, der Drossel 23, dem Widerstand 24 und der Wicklung 25 gebildeten Kreises die Vormagnetisierung des magnetischen Kreises 21 geändert, so kann der Arbeitspunkt A in beliebiger Weise verschoben werden.

Der Signalstrom und der Trägerstrom werden dem magnetischen Kreise mit Hilfe der Spulen 26 und 27 aufgeprägt. Die modulierte Trägerfrequenz kann bei 19 und 20 über den Ausgangstransformator 16, 17 von dem Modulationskreis, in dem sich noch der Blockkondensator 9 befindet, abgenommen werden. Bevor der modulierte Strom auf die Fernsprechleitung gegeben wird, kann er noch in an sich bekannter Weise durch Siebketten und Verstärkeranordnungen geschickt werden.

Die Einrichtung gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 6 nur darin, daß lediglich die eine der zu modulierenden Frequenzen, also entweder die Trägerfrequenz oder die Signalfrequenz, dem magnetischen Kreise aufgeprägt wird, während die andere der beiden Frequenzen mit Hilfe des Transformators 7, 8 auf den Modulationskreis übertragen wird.

Zur Modulation mit Hilfe der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Einrichtungen ist es vorteilhaft, einen Gleichrichter zu verwenden, der eine flache Form besitzt, so daß er sich im wesentlichen in zwei Dimensionen erstreckt. Besonders zweckmäßigeAnordnungen der den Gleichrichter zusammensetzenden Elemente sind in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellt. Nimmt man an, daß zur Modulation Kupferoxydulgleichrichter Verwendung finden, so stellt in diesen Fig. 30 eine oder mehrere Schichten aus Kupfenoxydul dar, an die die Elektroden 28 und 29 gelegt sind. Eine der beiden Flächen, in denen Kupferoxydul und Elektrode zusammenstoßen, enthält eine Sperrschicht 30. Die'Ströme werden bei 31 und 32 angelegt bzw. abgenommen.

Bei der Einrichtung nach Fig. 8 ist eine große Anzahl derartiger Gleichrichterelemente hintereinandergeschaltet, während die in Fig. 9 dargestellte Einrichtung als Parallelschaltung einer ganzen Anzahl von Gleichrichterelementen aufgefaßt werden kann. Bei . dieser Anordnung ist das aus dem Kupferoxydul und den anliegenden Elektroden gebildete Element unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht 33 spiralig aufgewickelt, so daß die Elektronen, einen kurzen aber breiten Weg im Halbleiter zurückzulegen haben.

Eine unter Umständen noch wirkungsvollere Anordnung ist in der Fig. 10 dargestellt, bei der um eine kreisförmige Elektrode 28 ringförmig der Halbleiter 30 und eine weitere ringförmige Elektrode 29 angeordnet sind. Bei genügend starken Feldern kann es mit dieser Anordnung erreicht werden, daß die Elektronenbahnen kreisförmig werden und nicht aus dem Halbleiter austreten. Bei Anlegen eines Wechselfeldes ändert sich die Krümmung dieser Bahnen zeitlich, und ein mehr oder weniger großer Teil der Elektronen tritt durch den Halbleiter hindurch. Diese Anordnung kann noch weiterhin dadurch vervollkommnet werden, daß mehrere derartige ringförmige Gleichrichterelemente konzentrisch angeordnet und hintereinandergeschaltet werden.

Die mit den beschriebenen Einrichtungen zur Modulation verbundenen Vorteile haben zum großen Teil ihre Ursache darin, daß die zur Verwendung gelangenden Gleichrichter wesentlich billiger herzustellen sind als die sonst meist zur Verwendung gelangenden Röhrenmodulatoren. Daraus ergibt sich z. B. die Möglichkeit, in einfacher Weise den verschiedensten Anforderungen, die an den Modulator gestellt werden müssen, in der Weise gerecht zu werden, daß verschiedene Gleichrichterelemente, die unter Umständen auch unter Benutzung verschiedener Halbleiter hergestellt sein können, in. passender Weisie zusammengeschaltet werden. Außer den beschriebenen Schaltungen können Parallel- und Hintereinanderschaltungen zur Anpassung an die zur Verwendung gelangenden Stromstärken bzw. -spannungen dienen. Andererseits kann durch .Zusammenschalten geeigneter Gleichrichterelemente die Stromspannungscharakteristik, die meist schon für ein einzelnes Element nahezu parabelförmig ist, in geeigneter Weise beeinflußt werden, so daß der zur Verwendung gelangende Teil dieser Kurve genau Parabelform besitzt.

Ein weiterhin mit den neuen Modulatoren verbundener Vorteil besteht darin, daß sich die Trockengleichrichter leicht mit verschieden hohem inneren Widerstand herstellen lassen, so daß man auf diese Weise eine bequeme Möglichkeit besitzt, den Modulator sowohl den Generatoren wie auch den zur Übertragung benutzten Leitungen anzupassen, ohne daß ein Heraus- oder Heruntertransformieren der Spannung nötig ist. Der Verbraucher kann also unmittelbar in den Modulationskreis geschaltet werden. Besonders vorteilhaft macht sich bemerkbar, daß bei den neuen Einrichtungen die Verwendung hoher Spannungen, die z. B. bei den Röhrenmodulatoren als Anodenspannung notwendig sind, unterbleiben kann.

Da schließlich der Preis und die Wirtschaftlichkeit der meisten elektrischen Signal-

apparate ganz wesentlich durch die Zahl der darin verwendeten Vakuumrohre bestimmt ist, so ist ohne weiteres klar, welcher Vorteil aus der Tatsache entspringt, daß ein Trockenmodulator, dessen Preis gegen den eines Rohres klein ist, in Verbindung mit einem Verstärkerrohr eine erheblich größere Verstärkung liefert als das gleiche Rohr, wenn es als Modulator verwendet wird, wobei unter Verstärkung das Verhältnis der aus dem Modulator austretenden Seitenbandleistung zu der in ihn eintretenden Signalstromleistung zu verstehen ist.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Modulation von Wechselströmen (Trägerströmen) durch Signalströme, dadurch gekennzeichnet, daß Trockengleichrichter, wie z. B. Kupferoxydulgleichrichter, > unter Ausnutzung ihrer nichtlinearen Widerstandscliarakteristik zur Modulation verwendet sind und daß der Arbeitspunkt dieser Gleichrichter durch eine besondere Vorspannungsquelle festgelegt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gleichrichterelemente in. geeigneter Weise in einer Schaltung vereinigt, z. B. parallel ■oder in Reihe geschaltet, sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zusammenschaltung mehrerer Gleichrichterelemente (unter Umständen verschiedener Typen) die Form ihrer Stromspannungscharakteristik passend, vorzugsweise parabeiförmig, bestimmt ist.

4. Einrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Parallel- bzw. Reihenschaltung verschiedener Gleichrichterelemente die Strom- und Spannungsbelastbarkeit des Modulators

• den Betriebsverhältnissen angepaßt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Widerstand des oder der Gleichrichter dem Widerstand der Generatoren und Abnehmer in an sich bekannter Weise angepaßt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Unterdrückung der Trägerfrequenz im Ausgang des Modulators ein Teil der Trägerfrequenz in geeigneter Phase der modulierten Trägerfrequenz, vorzugsweise induktiv, entgegengeschaltet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Gruppen von Gleichrichtern für die Trägerfrequenz gegeneinander- und für die Signalfrequenz hintereinandergeschaltet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den Unteransprüdhen, dadurch gekennzeichnet, daß. der Verbraucher unmittelbar in den Modulationskreis leingeschaltet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 und folgenden,· dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Richtung der den Gleichrichter durchfließenden elektrischen Ströme ein magnetisches Wechselfeld liegt, dessen Stärke durch den Trägerstrom oder Signalstrom oder durch beide Ströme geändert wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerstrom zur Beeinflussung der Stärke des Magnetfeldes dient, während der Signalstrom dem elektrischen Kreis mit dem Gleichrichter aufgeprägt wird oder umgekehrt.

11. Einrichtung nach Anspruch ι und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Modulationsfrequenzen dem magnetischen, die andere dem elektrischen Kreis aufgeprägt ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 9 oder den Unteransprüchen, gekennzeichnet durch eine konstante Vormagnetisierung des das Magnetfeld erzeugenden Magneten.

13. Einrichtung nach Anspruch 9 oder den Unteransprüchen, gekennzeichnet durch eine flache Form des im Magnetfeld angeordneten Gleichrichters.

14. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der im Magnetfeld angeordnete Gleichrichter aus einer Anzahl in Serie geschalteter Gleichrichterelemente besteht.

15. Einrichtung nach Anspruch 9 oder .13, dadurch gekennzeichnet, daß der im ■Magnetfeld angeordnete Gleichrichter aus spiralig aufgewundenen Elementen besteht.

16. Einrichtung nach Anspruch 9 oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der im Magnetfeld angeordnete Gleichrichter aus ringförmig angeordneten Elementen besteht.

Hierzu -i Blatt Zeichnungen