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Vierpolschaltung nach Art der überbrückten T-Schaltungen zur Erzielung
vorgeschriebener Frequenzcharakteristiken Gegenstand der Erfindung ist eine neuartige
Verwendung von gegenseitiger Induktion in Vierpolschaltungen nach Art der überbrückten
T-Schaltungen, insbesondere in Siebschaltungen, zwecks Ersparnis von Schaltelementen.
Bekannt ist, daß man z. B. in symmetrischenVierpolen im allgemeinen ohne gegenseitige
Induktion Schaltungen mit überflüssig vielen Schaltelementen erhält. Man hat versucht,
ökonomische Vierpolschaltungen dadurch zu erhalten, daß man entweder einen einzigen,
praktisch idealen Transformator oder verhältnismäßig viele gewöhnliche Transformatoren
(vgl. W. Cauer, Siebschaltungen, VDI.-Verlag 1931, S. 3 Fig. 4) verwandte. Die Erfindung
ermöglicht u. a. bei symmetrischen Reaktanzvierpolen selbst in den kompliziertesten
Fällen die Zahl der zur Erzielung einer Schaltung ohne überflüssige Schaltelemente
erforderlichen Transformatoren auf eins zu reduzieren und auch bei Vierpolschaltungen
sonstiger Art die erforderliche "Zahl von Transformatoren wesentlich herabzusetzen.
Ferner wird durch die Erfindung die oft mit Nachteilen verbundene Verwendung praktisch
idealer Transformatoren, wie sie von H. W. B o d e , USA-Patent 1828 454 (1931),
und von A. Jaumann (ENT 9, 1932, S. 243) vorgeschlagen wird, vermieden.
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Die neuartige und vorteilhafte Verwendung von gegenseitiger Induktion
in Vierpolschaltungen gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Vierpolschaltungen
nach Art der überbrückten T-Schaltungen zur Erzielung vorgeschriebener Frequenzcharakteristiken,
insbesondere als Siebschaltungen, so ausgebildet werden, daß der Querzweig eine
Widerstandskombination enthält und daß die Längszweige je eine Wicklung eines Transformators
besitzen, dessen Induktivitäten etwa in der Größenordnung der sonstigen Schaltelemente
liegen und der mit einer mindestens aus zwei Elementen bestehenden, für Gleichstrom
undurchlässigen Reaktanzkombination belastet ist, wobei die Schaltelemente der Widerstandskombinationen
so bemessen sind, daß die Schaltung einem Kreuzglied mit paarweise gleichen Brückenzweigen,
gegebenenfalls in -Reihe mit einem Transformator, äquivalent wird.
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Es läßt sich mathematisch beweisen und wird im folgenden an Beispielen
erläutert (Fis. 4 bis 6), daß man im besonderen für jeden symmetrischen Reaktanzvierpol
eine Schaltung ohne überflüssig viele Schaltelemente erhält, wenn man gegenseitige
Induktion nur an einer einzigen Stelle, und zwar an der bestimmten obengenannten
Stelle verwendet. Hierin tritt die Ökonomie von Vierpolschaltungen gemäß der Erfindung
zutage. (Besonders deutlich wird die Verbesserung durch Vergleich mit der Schaltung
Fig. 4 der Siebschaltungen, deren Nachteile erst kürzlich von fachmännischer Seite
hervorgehoben wurden - A. Jaumann, ENT 9, 1932, S.503.) Bei Vierpolschaltungen anderer
Art wird man häufig entweder an mehreren Stellen der Schaltung die Erfindung verwenden
können
oder" neben der Verwendung der gegenseitigen Induktion im
Sinne der Erfindung auch noch andere Arten von elektromagnetischen Kopplungen ausführen.
, Fig. i bis 3 sind grundsätzliche Schaltung-; nach der Erfindung.
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Fig. 4 bis 6 zeigen die Anwendung der Ei:? findung auf Siebschaltungen,
Fig. 7 und 8 auf elektrische Weichen.
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In den Fig. i bis 6 bezeichnet i, i' das Eingangsklemmenpaar und 2,
2' das Ausgangsklernmenpaar, oder umgekehrt. In den Fig.7 und 8 ist i, i' das Eingangsklemmenpaar
und 2, 2', 3, 3' . . . n, n' sind die Ausgangsklemmenpaare, oder umgekehrt.
Die rechteckigen Kästen a in den Figuren bedeuten -Zweipolwiderstände, von denen
vorausgesetzt ist, daß sie aus mindestens zwei Schaltelementen bestehen und daß
sie bei der Frequenz o einen von o verschiedenen Wert haben, auch wenn man von Ohmschen
Widerständen absieht; sonst dürfen diese Widerstände a beliebig sein. Für die Widerstände
b gilt keinerlei Einschränkung. Der in allen Schaltungen außer in Fig. 4 auftretende
Kapazitätsstern (z. B. die Kapazitäten =i, 12 und 13 in Fig. i) ist erforderlich,
um diese Schaltungen für die Anwendung auf symmetrische Siebschaltungen ohne jede
Ausnahme geeignet zu machen. In speziellen Fällen (z. B. in Fig. 4) sind die Kapazitäten
als unendlich groß .zu denken.
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In Fig. i gehen zwei Stromkreise einmal von Klemme i über Spule 14,
Zweigpol b und die Kapazitäten 13 und =i zur Klemme i', das andere Mal von
Klemme 2 über Spule 15, Zweipol b und die Kapazitäten 13 und i2 zur Klemme 2'. Der
gemeinsame Zweig wird durch den Zweipol b und die Kapazität 13 gebildet. Zwei nicht
gemeinsame Zweige enthalten die Spulen 14 und 15 von endlicher Selbstinduktion,
die induktiv gekoppelt sind. Der dureh sie gebildete Transformator ist über die
besondere Wicklung i6 mit dem Zweipol a belastet.
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In Pig. 2 gehen die beiden Stromkreise einmal -von Klemme i über die
Spule 2o, den Zweipol b und die Kapazitäten =g und 17 zur Klemme i', das andere
Mal von der Klemme 2 über die Spule 21, den Zweipol b und die Kapazitäten =g und
18 zur Klemme 2'. Der gemeinsame Zweig wird durch den Zweipol b und die Kapazität
=g gebildet. Zwei nicht - gemeinsame Zweige enthalten die Spulen 2o und 21 von Endlicher
Selbstinduktion, die induktiv gekoppelt sind. Der durch sie gebildete Transformator
ist mit dem Zweipola belastet, welcher galvanisch mit den Enden der Wicklung 2o
verbunden ist.
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In Fig. 3 ist die Schaltung nach Pig. i in längssymmetrisierterTorm
wiedergegeben. Der gemeinsame Zweig der beiden Stromkreise enthält den Zweipol b
und die Kapazität 31. Als nicht gemeinsam induktiv gekoppelte Zweige können diejenigen
mit den Spulen 26 und 27 oder diejenigen mit den Spulen 2g und 30 gelten.
Der durch sie jedesmal gebildete Transformator et. über die besondere Wicklung 28
mit dem 'eipol a belastet. Die Kondensatoren 22 und ::ünd die Kondensatoren 24 und
25 besitzen äweise gleiche Kapazitätswerte.
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`" - Fig. 4 gibt eine Anwendung der Erfindung auf eine symmetrische
Siebschaltung der Cauerschen Klasse 3b gemäß. Fig. 2. Der Transformator wird gebildet
durch die Spulen 38 und 39,
die die gleiche wesentlich von unendlich verschiedene
Induktivität besitzen und fest miteinander gekoppelt sind. Die schaltungstechnisch
einwandfreie Realisierung eines solchen Transformators läßt sich beispielsweise
verwirklichen durch einen bifilar gewickelten Transformator mit geschlossenem Eisenkern.
Dieser Transformator ist durch einen Zweipol belastet, der aus zwei Kondensatoren
35 und 36 und einer Spule 37 besteht. Bei der Frequenz o nimmt der Zweipol den Widerstandswert
c#o an. (Ein Vergleich dieser Figur. mit der bisherigen Realisierung, Fig. 13 auf
S. 5 der Siebschaltungen, zeigt den durch die Erfindung gebotenen Vorteil, da Fig.
13 der Siebschaltungen zwei Transformatoren enthält.) Was unter Klasse 3b zu verstehen
ist, soll der Deutlichkeit halber kurz noch einmal erläutert werden. Eine Siebschaltung
gehört dann der Klasse 3 b an, wenn sie äquivalent ist 2u einem Kreuzglied (vgl.
Fig. i der Siebschaltungen), worin die gegenüberliegenden Zweipole paarweise einander
gleich sind und die Widerstandsfunktionen
besitzen. Hierin bedeuten cal und oi_1 die Grenzfrequenzen; m, co" und co"
sind Parameter, und es ist 2, = iao (co Kreisfrequenz).
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Fig:5 gibt eine Anwendung der Erfindung auf eine symmetrische Siebschaltung
der Cauerschen Klasse 3b* gemäß Pig. 2. Der Transformator wird gebildet durch die
Spulen 48 und 49, die die gleiche-wesentlich von unendlich verschiedene Selbstinduktion,
besitzen und fest miteinander gekoppelt sind. Dieser Transformator ist durch einen
Zweipol belastet, der aus einem Kondensator-46 und einer Spule 47 besteht. Bei der
Frequenz o nimmt der Zweipol a den Widerstandswert oo an. An dieser Figur läßt sich
besonders der Vorteil, .den die Erfindung bietet, erkennen; denn die Klasse 3bx
wurde bisher von W. Cauer (vgl. Siebschaltungen, Fig. =o und =i) unter Zuhilfenahme
von zwei bzw. vier Transformatoren realisiert.
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In den bisherigen Beispielen handelt es sich um symmetrische Vierpole,
welche bekanntlich
durch zwei Zweipole mit den Wechselstromwiderständen
Z, und Z, charakterisiert werden können. Hier ergibt sich die Widerstandskombination
b (Fig. 2) aus
und ebenso a aus
Darin bedeuten D17, D19 die reziproken Kapazitätswerte der Schaltelemente i7 und
ig und L" die Selbstinduktion des Elementes 2o. Die einzelnen Schaltelemente (z.
B. 35, 36, 37, 38 in Fig. ¢) bestimmen sich durch Partialbruchzerlegung von Z, (Hierzu
vgl. man W. C a u e r, Archiv f. Elektrotechnik 1926, Verwirklichung von Wechselstromwiderständen
vorgeschriebener Frequenzabhängigkeit, sowie Abb 4 in den Siebschaltungen.) Die
Fig. 7 und 8 zeigen die Anwendung der Erfindung auf elektrische Weichen, wie sie
beispielsweise für die Mehrfachtelegraphie angewendet werden. (n-i) Filter mit verschiedenen
Durchlaßfrequenzbereichen sind in Fig. 7 nach Art der Fig. 2 parallel an eine Seite
eines Transformators angeschlossen. Die andere Seite des Transformators wird mit
der Freileitung oder dem Kabel verbunden, wobei sich Symmetrie in bezug auf die
beiden Adern durch Erdung der Mitte jener Transformatorseite 65 erzielen läßt. Empfangsseitig
ist eine gleiche Anordnung vorhanden. Werden dann über die Klemmen 2, 2', 3, 3'
... yi, n', n-i Trägerwellentelegramme gleichzeitig gegeben, so können
sie empfangsseitig an den entsprechenden Klemmenpaaren der entsprechenden Anordnung
wieder abgehört werden.
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Dieselbe Wirkung läßt sich durch Hintereinanderschaltung der einzelnen
Filter erzielen. So sind in Fig. 8 (n-i) Filter nach Art der Fig. 2 hintereinandergeschaltet.
Natürlich besitzen die Filter nach Fig. 2 keine Vorzugsstellung. Die Teilfilter
können ebensogut nach Fig. i oder nach Fig. 3 ausgeführt werden.
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Im besonderen können die Teilfilter der elektrischen Weiche Fig. 7
nach Fig. 5 als Filter der Siebschaltungsklasse3b` oder in Fig.8 die Teilfilter
als Filter der Siebschaltungsklasse 3 b nach Fig. 4 gewählt werden.
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Während bei den Anwendungen Fig. 4 und 5 die Kopplungen fest waren,
kann es für Zwecke der Trägerfrequenztelephonie z. B. von Wichtigkeit sein, die
gegenseitige Induktion des Transformators gemäß der Erfindung in Form loser Kopplung
mit Spulen ohne Eisen zu verwenden. Fig. 6 zeigt eine solche Siebschaltung der Cauerschen
Klasse 3 d mit loser Kopplung zwischen den Spulen 62 und 63, welche die für den
erwähnten Zweck günstigen Eigenschaften aufweist.