DE629261C - Schaltungsanordnung zur Frequenzentzerrung von Stromkreisen, welche mittels negativer Widerstaende von nicht traegheitsfreiem Verhalten entdaempft sind - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 27. APRIL 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21a² GRUPPE 18 os

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

Patentiert im Deutschen Reiche vom 29. Dezember 1933 ab

Während sich durch negative Widerstände, die als wirksame Elemente Elektronenröhren enthalten, ein reeller negativer Widerstand bis zu hohen Frequenzen realisieren läßt, ist dies bei negativen Widerständen, die aus festen, flüssigen oder gasförmigen Körpern bestehen, häufig nicht der Fall. Derartige Widerstände sind zwar dadurch gekennzeichnet, daß von einer kritischen Stromstärke ab

to ihre Stromspannungscharakteristik fällt; legt man jedoch den Arbeitspunkt durch geeignete Wahl des Gleichstromes auf den fallenden Teil der Kennlinie und überlagert man dann diesem Gleichstrom den Nutzwechselstrom, so ist der durchsteuerte differentielle Widerstand zwar negativ, die Durchsteuerung erfolgt jedoch nicht trägheitslos. Aus diesem Grunde haben derartige Widerstände einen Frequenzgang, der wie beispielsweise in Fig. ι durch die Ortskurve eines Vektors dargestellt werden kann.

In Fig. ι ist die Ortskurve mit A bezeichnet. Nach links sind die reellen Werte (negativ), nach oben die imaginären Werte aufgetragen. 1-2 stellt infolgedessen dein reellen negativen Widerstand bei der Frequenz ο dar. Mit η ist das Verhältnis, von Betriebsfrequenz / zu Grenzfrequenz fg bezeichnet, wobei unter der letzteren diejenige Frequenz zu verstehen ist, bei welcher die Ortskurve des Widerstandes die Ordinatenachse schneidet. Aus der Fig. 1 erkennt man, daß der negative Scheinwiderstand für Frequenzen, die hinreichend weit von der Grenzfrequenz fg entfernt sind (z.B. ο bis 0,001 fg), verhältnismäßig konstant ist, daß er jedoch für Frequenzen in der Nähe der Grenzfrequenz einen sehr starken Gang aufweist. Da man in der Wahl der Grenzfrequenz nicht frei ist, diese vielmehr durch die physikalisehen Eigenschaften des Widerstandes bestimmt ist, wird man fast immer gezwungen sein, den Widerstand auch in einem Gebiet zu verwenden, in dem der Frequenzgang bereits eine starke Rolle spielt.

Um die Beeinflussung eines Stromkreises durch einen derartigen negativen Widerstand, insbesondere die dadurch hervorgerufene Frequenzverzerrung, anschaulich wiederzugeben, sind die entsprechenden Verhältnisse in einem vereinfachten Diagramm in Fig. 2 dargestellt, welches an die Fig. 1 angelehnt ist. Der Einfachheit wegen soll angenommen werden, daß der zu entdämpfende Stromkreis (vgl. Fig. 2 a) aus einer Stromquelle E₀₀ mit dem inneren Widerstand R_it einem äußeren " Nutzwiderstand R_a und dem entdämpfenden Widerstand^ besteht, wobei R₁=R₀=R angenommen ist. Es soll ferner angenommen werden, daß die Ortskurve A in Fig. 1 sich So angenähert durch die Gerade B darstellen lasse, wobei die starke Frequenzabhängigkeit beispielsweise durch das Gesetz R_n = Rn{f₀) (—· ι -f- γη + j' Υη) bestimmt sei. Es soll jedoch gleich hier bemerkt werden, daß die hier angestellten Betrachtungen sich auch auf

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dr. Richard Feldfkeller und Dr.-Ing. Kurt Reche in Berlin-Siemensstadt.

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alle diejenigen Fälle beziehen, in denen der Frequenzgang des negativen Widerstandes nicht gleich dem angenommenen ist, sondern ihm nur ähnelt, und in denen die Widerstände i?,· und R_a nicht gleich und nicht reell, sondern komplex sind. In Fig. 2b ist wiederum wie in Fig. 1 der negative Widerstand für die Frequenz ο mit 1-2 bezeichnet, während die Gerade 1-4 die angenäherte Ostkurve des negativen Widerstandsvektors entsprechend der Geraden B in Fig. 1 darstellt. Durch 0-2 ist der reelle positive Widerstand des Stromkreises =i?j+i?_o=2 R wiedergegeben. R_n bezeichnet dann den zu der Frequenz f_t gehörigen Vektor des negativen Widerstandes, und der Vektor 0-3 gibt den resultierenden Scheinwiderstand R_r des ganzen Systems wieder. Da die durch die Entdämpfung 'bewirkte Verstärkung durch das Verhältnis · des absoluten Betrages von R₁-IzR gegeben ist, so ist aus Fig. 2 b zu erkennen, daß die Verstärkung für die von fg weit entfernten Frequenzen nahezu konstant ist, dann jedoch stark abfällt, um schließlich den Wert ο anzunehmen und in der unmittelbaren Nähe von fg sogar in eine ,Dämpfung ,überzugehen, da ja der absolute Betrag von R_r größer als 2 J? ist.

Die Fig- 2c gibt den bereits 'hesehrielienen Verlauf der Verstärkung jaochmals an Hand .einer iöirae wieder, wo als Abszissen die Frequenzen im llogarithmischen Maßstab und als Ordinaten die erzielte Verstärkung z.B. in Neper eingetragen sind. Es ist daraus jzu entnehmen, daß für .Frequenzen von etwa 0,1 fg die Verstärkung praktisch bereits ο geworden ist. Da, wie oben -erwähnt, die Grenzirequenz fg nicht beliebig iaoch .gewählt werden kann, ist ein Betrieb mit solchen Widerständen über eine gewisse verhältnismäßig tiefliegende Frequenz hinaus praktisch unmöglich, oder ßs 'ergibt sich zumindest eine sehr starke Frequenzabhängigkeit« Eine Übertragung von Sprache z, B. ist in praktischen 4-5 Fällen .ohne die Anwendung besonderer Mittel mit .-außerordentlich !tönen Schwierigkeiten verknüpft oder überhaupt unmöglich ,gemacht. Nach der vorliegenden Erfindung werden diese .Schwierigkeiten dadurch beseitigt, daß durch ^zusätzliche Scheinwiderstände der Einfluß des negativen Widerstandes auf .die Ortskurve .des resultierenden Sckeinwiderstandes .derart -verändert wird, daß sich der Betrag dieses Scheinwiderstandes in Abhängigkeit von der Frequenz zumindest für einen gewünschten Frequenzbereich nicht wesentlich ändert -oder'sich nur in einem gewünschten -Sinne ändert. Daß der genannte Scheinwiderstand sich nicht wesentlich ändert, kann dadurch erreicht werden, daß alle Frequenzpunkte des interessierenden Gebietes durch geeignete Maßnahmen in der Nähe eines Punktes zusammengedrängt werden oder daß die Ortskurve so verformt wird, daß der Betrag von R_r weitgehend konstant bleibt, z. B. wenn sich der Endpunkt des Vektors R₁. auf einem Kreise bewegt, insbesondere werden nach der weiteren Erfindung die zusätzlichen Scheinwiderstandselemente derart gewählt, daß einer Abnahme des Betrages des reellen Teiles des negativen Widerstandes mit zunehmender Frequenz entgegengewirkt wird. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert:

In Fig. 3 ist als Beispiel der Einfluß einer in Reihe geschalteten und einer parallel geschalteten Kapazität auf die Lage eines Scheinwiderstandspunktes A bzw. Ä auf der Ortskurve im positiven und im negativen Ge-Met gezeigt. Die senkrechten Pfeile 1, 1' bezeichnen die Veränderung des Scheinwiderstandes bei Reihenschaltung einer Kapazität, die Pfeile 2,2' .den Einfluß einer Parallelkapazität. Man erkennt deutlich, daß der Gang bei einer Parallelschaltung in beiden Fällen verschieden ist. Bei Einschaltung einer Parallelkapazität läßt sich infolgedessen !beispielsweise der Punkt 3 der Fig. 2 b derart verlegen, daß der Betrag von R_T ungefähr = 0-1 wird, die Verstärkung also nahezu konstant bleibt.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie die ursprüngliche Frequenzkurve 1-4 (Fig. 2b) durch Parallelschaltung verschiedener Kapazitäten zu dem negativen Widerstände R_n weitgehend umgeformt werden kann, a, b ..... g bezeichnen je eine Ortskurve mit einem bestimmten Kapazitätswert. Die Kurven zeigen zunächst einen nach rechts oben ansteigenden Verlauf 1°° und biegen dann nach links bzw. unten ab. Betrachtet man beispielsweise die Kurven d und g, so erkennt man, daß der Abstand ihrer Frequenzpunkte vom Punkte o, d. h. auch die Verstärkung des negativen Widerstandes in einem weiten Frequenzgebiete bis zu etwa 1/4 fg, nahezu konstant ist, so daß also die Schädlichkeit des Frequenzganges weitgehend -ausgeglichen ist.

In Fig. S ist nochmals anschaulich dargestellt, wie durch die genannte Maßnahme .eine Entzerrung bewirkt werden kann. Es ist deutlich zu erkennen, daß bis zu einer Frequenz von 0,25 fg der Verstärkungsgrad einigermaßen konstant bleibt.

Nach der weiteren Erfindung lassen sich noch bessere Ergebnisse dadurch erzielen, daß zu dem negativen Widerstand außer einer Kapazität noch -eine Induktivität parallel geschaltet wird. Die Wirkung ist beispielsweise in Fig. 6 a angedeutet. Mit 1 sei der Endpunkt des negativen Widerstands für die

Frequenz ο bezeichnet, wobei der Anfangspunkt des Vektors fortgelassen ist, während ο den Anfangspunkt des resultierenden Scheinwiderstandes R_r angibt. Entsprechend Fig. 4, z. B. Kurve e, nimmt der resultierende Scheinwiderstand den in Fig. 6 a angegebenen Verlauf wenn nur eine Kapazität zu dem negativen Widerstand parallel liegt. Wird dagegen (vgl. Fig. 6 b) eine Induktivität L

ίο außerdem zur Kapazität C parallel geschaltet, so nimmt der resultierende Scheinwiderstand den in Fig. 6c angedeuteten Verlauf, d.h. der in Fig. 6 a nach rechts oben ansteigende Teil der Charakteristik ist nach oben abgebogen. Das Gebiet der Konstanz des Vektors R_n also auch der Verstärkung, läßt sich auf diese Weise noch bedeutend mehr vergrößern. Die Induktivität und Kapazität können so dimensioniert werden, daß dieVer-Stärkung beispielsweise den in Fig.6d dargestellten Verlauf erreicht. Es ist natürlich auch möglich und liegt im Rahmen der Erfindung, auch andere Scheinwiderstände den negativen Widerständen zuzuordnen, z. B.

Netzwerke usw. Wie sich aus vorstehendem ergibt, genügt es, wenn sich der Endpunkt des Vektors R_r auch auf einer kreisellipsenähnlichen usw. Kurve zumindest innerhalb eines gewünschten Frequenzgebietes bewegt.

In manchen Fällen kann es auch ausreichend sein, wenn nur die imaginäre Komponente des negativen Widerstandes durch einen geeigneten Scheinwiderstand, z. B. eine Serienkapazität, herabgesetzt wird.

Die Fig. 7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele für die praktische Durchführung des

. Erfindungsgedankens. In Fig. 7 ist die Stromquelle E mit dem inneren Widerstand i?; an einen Stromkreis mit dem äußeren Widerstände R_a angeschlossen, wobei zur Entdämpfung dieses Stromkreises ein negativer Widerstand R_n verwendet ist, der sich in einem besonderen, mit dem erstgenannten Stromkreise gekoppelten Stromkreise befindet. Für die Kopplung ist ein Transformator T verwendet. Eine derartige Trennung des negativen Widerstandes von dem eigentlichen, zu entdämpfenden Stromkreis erweist sich besonders im Falle der der Erfindung zugrunde liegenden Widerstände als vorteilhaft, da sich auf diese Weise der Stromkreis der Vorspannungsquelle von dem zu entdämpfenden Stromkreis trennen läßt und sich eine besonders einfache Anordnung ergibt.

Außerdem läßt eine Kopplung mittels Transformators infolge der freien Wahl des Übersetzungsverhältnisses eine gewünschte Anpassung des negativen Widerstandes an den zu entdämpfenden Stromkreis zu. Parallel zur Sekundärwicklung des Transformators T ist eine Kapazität C geschaltet, die auch vollständig oder zum Teil der Wicklungskapazität von T entsprechen kann. Letztere kann für diesen Zweck besonders ausgeprägt sein. Entsprechend dem oben Genannten kann parallel zur Kapazität eine besondere Induktivität gelegt sein. Zweckmäßig wird hierfür die durch den Übertrager bereits gegebene Querinduktivität verwendet. Die Kapazität C kann auch parallel zur Primärwicklung von T angeordnet sein, B bezeichnet eine Stromquelle für die Erzeugung einer geeigneten Vorspannung für den negativen Widerstand R_n.

In Fig. 8 a ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei welcher der negative Widerstand R_n in den Leitungszug direkt geschaltet ist. L₁ C bezeichnen die aus einer Kapazität und Induktivität bestehende Entzerrungsschaltung, wobei die Selbstinduktivitat gleichzeitig einen Strom weg für die Vorspannungsquelle B herstellt. Der Kondensator C ist lediglich für die Sperrung des Gleichstromes von B vorgesehen. Fig. 8 b ist analog* Fig. 8a und ohne weiteres verständlich. <

Die Erfindung ist nicht auf einfache Reihenschaltungen von negativen Widerständen mit Ohmschen Widerständen beschränkt, sie kann auch dann angewendet werden, wenn die Widerstände des Stromerzeugers und des Verbrauchers frequenzabhängig sind, wie es z. B. der Fall ist, wenn der negative Widerstand zwischen einer Kabelleitung und einem Telephonapparat angeordnet ist. Bei geringer Frequenzabhängigkeit der Scheinwiderstände von z. B. Kabelleitung und Teilnehmerstation wird man mit ähnlich bemessenen Kapazitäten und Induktivitäten wie bei der oben angegebenen Einschaltung von negativen Widerständen zwischen Ohmschen Widerständen auskommen. Bei größerer Frequenzabhängigkeit muß man gegebenenfalls das dem negativen Widerstand zur Entzerrung beigeordnete Netzwerk durch weitere Kapazitäten oder/und Induktivitäten in Reihe oder/und parallel zum negativen Widerstand vermehren. Die gleichen Betrachtungen gelten, wenn der negative Widerstand beispielsweise nur für den Teil eines Stromkreises, no ζ. B. einen Abschnitt einer Kabelleitung, vorgesehen ist. Auch wenn ein bestimmter Frequenzgang des Systems gewünscht ist, können die Verhältnisse so gewählt werden, daß der Einfluß des oder der negativen Widerstände mit den oben bezeichneten Maßnahmen aufgehoben wird.

Die' Erfindung ist ferner auch nicht auf Reihenschaltungen von negativen Widerständen mit Verbrauchs widerständen und Generator beschränkt. Es ist bereits bekannt, Kettenleiter, z. B. T-, Kreuzglieder oder

äquivalente Schaltungen mit negativen Widerständen herzustellen, um so Schaltungen mit bestimmten Wellenwiderständen zu erzielen, die als Zwischenverstärker im Leitungszuge benutzt werden können, ohne daß Reflexionen wegen verschiedener Wellenwiderstände von Leitung und Verstärker auftreten. Diese geben, bekanntlich zu Echoers'dheinungien, Rückkopplungsverzerrungen und gegebenenfalls

ίο auch zur Selbsterregung Anlaß. Eür alle derartigen Schaltungen können ebenfalls negative Widerstände mit der durch die Erfindung angegebenen Entzerrung verwendet· werden. Wenn annäherungsweise der Wellenwiderstand der zu entdämpfenden Leitung als konstant angenommen wird, so werden Netzwerke mit ebenfalls konstantem reellem Wellenwiderstand benötigt.. Bekanntlich sind Brückenschaltungen zur Realisierung solcher

ao konstanten Wellenwiderstände besonders geeignet. Mit den durch die Erfindung angegebenen Mitteln ist beispielsweise eine Schaltungsweise nach Fig. 9 möglich, wobei R_nl, R„2 die negativen Widerstände bedeuten und die »Übertragerinduktivitäten wiederum endlich bemessen sind,

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Frequenzentzerrung von Stromkreisen, welche mittels negativer Widerstände von nicht trägheitsfreiem Verhalten entdämpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch zusätzliche Scheinwiderstände der Einfluß der negativen Widerstände auf die Ortskurve des resultierenden Scheinwiderstandes des zu entdäimpfenden Stromkreises derart verändert ist, daß der Betrag dieses Scheinwideretandes in Abhängigkeit von der Frequenz einen gewünschten Verlauf nimmt, insbesondere zumindest für einen gewünschten Frequenzbereich sich nicht wesentlich ändert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Scheinwiderstandselemente derart gewählt sind, daß sie einer Abnahme des Betrages des reellen Teiles des negativen Scheinwiderstandes mit zunehmender Frequenz entgegenwirken.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß den entdämpfenden Widerständen Scheinwiderstände zugeordnet sind, derart, daß der Endpunkt des resultierenden Widerstandsvektors des entdämpften Stromkreises sich in Abhängigkeit von der Frequenz auf einer zum Drehpunkt des Vektors konkaven Kurve, z. B. auf einem Kreise, einer kreis- oder ellipsenähnlichen usw. Kurve, bewegt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß den entdämpfenden Widerständen Scheinwiderstände zugeordnet sind, derart, daß eine imaginäre Komponente des entdämpfenden Widerstandes aufgehoben bzw. verringert ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den entdämpfenden Widerständen entzerrende Scheinwiderstände parallel geschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den entdämpfenden Widerständen Kapazitäten parallel geschaltet sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß den entdämpfenden Widerständen s₀ außerdem Induktivitäten parallel geschaltet sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sich sowohl die entdämpfenden Wider- s_g stände als auch die zur Entzerrung vorgesehenen zusätzlichen Scheinwiderstände außerhalb des zu entdämpfenden Stromkreises in besonderen Stromkreisen befinden, die mit dem zu entdämpfenden _go Stromkreise gekoppelt sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine induktive Kopplung angewendet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungskapazität des Kopplungsübertragers, gegebenenfalls absichtlich vergrößert, für die Entzerrung verwendet ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des Kopplungsübertragers als Parallelinduktivität für den negativen Widerstand dient.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende Charakteristik des negativen Widerstandes und des diesem zugeordneten Scheinwiderstandes in Abhängigkeit von der Frequenz einen derartigen Verlauf besitzt, daß auch eine Frequenzabhängigkeit der übrigen Widerstandselemente des zu entdämpfenden Stromkreises aufgehoben oder in einem gewünschten Sinne geändert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen