DE685330C - Elektrische Weiche mit drei oder mehr Polpaaren und nur naeherungsweise konstantem Eingangswiderstand - Google Patents

Elektrische Weiche mit drei oder mehr Polpaaren und nur naeherungsweise konstantem Eingangswiderstand

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DE685330C
DE685330C DEA83931D DEA0083931D DE685330C DE 685330 C DE685330 C DE 685330C DE A83931 D DEA83931 D DE A83931D DE A0083931 D DEA0083931 D DE A0083931D DE 685330 C DE685330 C DE 685330C
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DE
Germany
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input
resistance
input resistance
poles
filters
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Expired
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DEA83931D
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Hans Lehmann
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AEG AG
Original Assignee
AEG AG
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/46Networks for connecting several sources or loads, working on different frequencies or frequency bands, to a common load or source
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/01Frequency selective two-port networks
    • H03H7/17Structural details of sub-circuits of frequency selective networks
    • H03H7/1741Comprising typical LC combinations, irrespective of presence and location of additional resistors
    • H03H7/1775Parallel LC in shunt or branch path

Landscapes

  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Filters And Equalizers (AREA)

Description

  • Elektrische Weiche mit drei oder mehr Polpaaren. und nur. näherungsweise konstantem. Eingangswiderstand . Es sind bereits elektrische Weichen mit drei oder mehr Polpaaren bekannt, die aus einer eingangsseitigen Parallelschaltung oder Reilienschaltungvon zwei oder mehrWeichenvierpolen bestehen, die so bemessen"sind, daß ,der Eingangswiderstand der Weiche streng konstant ist. Alle diese bekannten Weichen werden nach der von C au e r angegebenen Theorie in Partialbruchschaltung realisiert. Der konstante Eingangswiderstand wird dabei nur erreicht, wenn man zwischen der Dämpfungsfunktion und der Funktion des Wellenwiderstandes der Teilvierpole ganz bestimmte Beziehungen einhält, die sich aus den bekannten Matrizen dieser Weichen ergeben. Aus der Wahl dieser Beziehungen ergibt sich dann, ob die Weiche von gerader, -ungerader oder gebrochener Klasse ist, wobei die Klassenzahl selbst .bekanntlich durch die Zahl der Dämpfungspöle in den Sperrbereichen der Weiche bestimmt ist. Für den praktisch wichtigsten Fall einer Weiche mit drei Polpaaren, die nach beiden Verkehrsrichtungen hin bezüglich ihrer Eigenschaften * symmetrigch ist, müssen also Wellenwiderstandsfunktion und Dämpfungsfünktion der beiden Weichenvierpole zueinander frequenzreziprök sein, also insbesondere der gleichen Klasse angehören. Die Folge davon ist, daß bei hohen Dämpfungsklassen, wie sie zur Erfüllung scharfer Dämpfungsforderungen notwendig sind, gleichzeitig auch hohe Wellenwiderstandsklassen verwendet »«-erden müssen, die unter Umständen viel höher sind, als »sie für die Ebnung Lies Wellenwiderstandes'erforderlich wären: Neben diesem schwerwiegenden lN?achteil bringen die bekannten Weichen mit konstantem Eingangswiderstand auch sehr viel Abgleicharbeit bei der Realisierung mit sich, unabhängig davon; mit was für- einer Schaltung sie realisiert werden.
  • Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daB man noch sehr gut brauchbare. Weichen erhält, wenn man auf die Forderung der Konstanz des Eingangswiderstandes verzichtet.
  • Gemäß der Erfindung erhält man solche-Weichen mit drei oder mehr Polpaaren uli#-# nur näherungsweise konstantem Eingangs@4 widerstand, bestehend aus einer eingangs=.« seitigen Reihen- bzw. Parallelschaltung von. zwei oder mehr Weichenvierpolen, die aus einer solchen Schaltung von Filtern abgeleitet sind, daß alle die Reaktanzen der Filter, welche Pole des Wellenwiderstandes bzw. Leitwertes hervorrufen, nur in ihrem Eingang längs bzw. parallel erscheinen und weggelassen werden, indem man sie aus einer Weiche mit konstantem Eingangswiderstand entsprechenden Aufbaus dadurch ableitet, daß mindestens eines der den Weichenvierpolen zugrunde liegenden Filter eine Wellenwiderstandsfunktion niedrigerer Klasse gegenüber der Klasse der Dämpfungsfunktion des anderen Filters oder :des Produktes der Dämpfungsfunktionen der anderen Filter'aufweist. Eine merklicheAbweichung von der Konstanz des Eingangswiderstandes tritt dabei immer nur im Übergangsbereich zwischen Sperr- und Durchlaßbereichen, also in der sogenannten toten Zone, auf, wo sie aber nicht von Interesse ist. Geringfügige Abweichungen in diesem Gebiet weisen übrigens auch schon die bekannten Weichen mit konstantem Eingangswiderstand auf. Gegenüber diesen Weichen weisen jedoch die erfindungsgemäßen Weichen den Vorteil einer erheblichen Ersparnis an Schaltelementen auf, der durch den Klassenunterschied zwischen der Dätripfungsfunktion und dem Wellenwiderstand bedingt ist. Ein weiterer Vorteil ist in der verminderten Abgleicharbeit zu erblicken.
  • Dieser Klassenunterschied zwischen der Dämpfungsfunktion und dem Wellenwiderstand wird nun je nach den Forderungen an die Konstanz des Eingangswiderstandes größer oder kleiner gewählt. 3e kleiner dieser Unterschied im Verhältnis zur Klassenzahl ist, desto kleiner sind auch die Schwankungen des Eingangswiderstandes, wie weiter unten näher gezeigt werden wird. Auf der anderen Seite ist eine möglichst niedrige Wellenwiderstandsklasse mit Rücksicht auf die Zahl der Schaltelemente und mit Rücksicht auf die möglichst einfacheAbgleichbarkeit erwünscht. Die Abgleichbarkeit ist besonders günstig, wenn man die Teilfilter in Kettenschaltung und mit der Wellenwiderstandsklasse i oder 2 ausführt, die bereits einen sehr brauchbaren Eingangswiderstand gewährleistet. In diesem Fall bestehen die einzelnen Glieder stets aus einer Reihenschaltung eines Kondensators oder einer Induktivität mit Schwingungskreisen und können durch Trimmen eines einzigen_I:ƒndensators abgeglichen werden. Als besonders vorteilhaft ist noch die große Beweglichkeit bei der Realisierung der Weichen anzusehen, die durch den erfindungsgemäßen Verzicht auf die Forderung der :strengen Konstanz des Eingangswiderstandes ermöglicht wird. Während z. B. bei den bekannten Weichen nur Wellenwiderstände möglich waren mit Verzweigungspunkten mit dem Wert o bzw. bei Parallelschaltung der Teilfilter nur Wellenleitwerte mit Verzweigungspunkten mit dem Wert o, sind bei den Weichen gemäß der Erfindung auch Wellenwiderstände bzw. Wellenleitwerte mit Verzweigungspunkten mit dem Wert oo möglich. Infolgedessen können bei allen Wellenwiderstandsklassen Pole des Wellenwiderstandes an den Randfrequenzen vermieden werden, die unter Umständen zu Realisierungsschwierigkeiten führen, da sie entweder ideale Übertrager oder sehr extreme Schaltelemente erfordern.
  • Die Realisierung der Weichen gemäß der Erfindung ist nicht nur bei Reihen- oder Parallelschaltung eines Tiefpasses mit einem Hochpaß möglich, sondern auch bei Reihenschaltung eines Bandpasses mit einer Bandsperre oder eines Tief- oder Hochpasses mit einem oder mehreren Bandpaßweichen mit mehreren Ausgängen.
  • Die Richtigkeit der G'berlegungen, die der Erfindung zugrunde liegen, soll nun im folgenden, ausgehend 'vom Grundprinzip der elektrischen Weichen, eingehend dargestellt werden.
  • Das Aufbauprinzip der Weichen mit zwei Ausgängen (mit Ausnahme der Differentialweichen) ist stets das in Abb. i dargestellte (im folgenden sei nur die Leerlaufwiderstandsrealisierung betrachtet). Dabei ist X eine negative Reaktanz, T, und V2 Filter im normalen Sinne, d. h. Filter, deren Eingangswiderstände im Sperrbereich ungefähr Reaktanzverlauf zeigen. Insbesondere haben die Eingangswiderstände da Pole, wo die eingangsseitigen Wellenwiderstände solche haben. X hat immer die Aufgabe, und zwar nur diese, die auftretenden Pole zu entfernen. Es haben also die Schwingungskreise von X stets das gleiche Residuum wie die Schwingungskreise, die die Wellenwiderstandspole und damit die Eingangswiderstandspole hervorrufen, wenn diese nur in den Eingangslängszweigen, also nach der Darstellung in Abb. i in Reihe mit X, auftreten.
  • Die Realisierung erfolgte bisher in erster Linie durch Partialbruchzeriegung. Die Grundlage der Partialbruchzerlegung bildet die Theorie, daß man die gesamte Schaltung stets erhält als die eingangs- und ausgangsseitige Reihenschaltung von Teilvierpolen, die die insgesamt von der Dämpfungsfunktion und dem Wellenwiderstand herrührenden Pole erzeugen. Als Beispiel sei im folgenden i ein symmetrischer Tiefpaß der Dämpfungsklasse 4. und der Wellenwiderstandsklasse z realisiert, dessen Dämpfungs- und Wellenwiderstandsfunktion q und p in Abb. = dargestellt ist. Seine Widerstandsmatrix lautet: Es ist zweckmäßig, den Begriff .der sogenannten Residuenmatrix einzuführen. Diese ist nichts weiter als die Widerstandsmatrix. für die ganz speziellen Frequenzen, wo Pole von q oder p vorhanden sind. Jede dieser Matrizen stellt einen der erwähnten Teilvierpole dar.
  • Je nachdem die Pole von p oder q herrühren, hat man zwei verschiedene Arten von Teilvierpolen.
  • Im ersten Falle erhält man hier, da dann oder q aus der Matrix herausgezogen Die Matrix stellt einen festgekoppelten Teilvierpol dar, da hier Leerlaufwiderstände und gegenseitiger Leerlaufwiderstand (evtl. bis auf eine belanglose konstante übersetzung) übereinstimmen. Man bekommt daher immer die in Abb. 3a bis 3c dargestellten Vierpole. Die in dieser dargestellten Übertrager sollen ideale Übertrager sein. a und c sind Grenzfälle von b (Pole an den Grenzfrequenzen). In a und b, wo parallel zum Idealübertrager eine Spule liegt, kann dieser durch einen Übertrager mit Leerlaufstrom, aber fester Kopplung ersetzt werden. Die Resonanzfrequenzen dieser Teilvierpole liegen stets im Durchlaßbereich. Bei Ohmschem Abschluß haben diese Vierpole keine Pole im Eingangswiderstand.
  • Im zweiten Falle erhält man die Pole von p. Da im Sperrbereich q den Wert i approximieren soll, ist d. h. man kommt hier zu Teilvierpolen, die auch in den Längszweigen Reaktanzen enthalten, die als Streurealctanzen bezeichnet werden. Werden diese gleichmäßig auf beide Längszweige verteilt, so haben sie die Größe (vgl. Abb. .., in der der überall auftretende Faktor p der Einfachheit halber weggelassen ist). Wichtig für die Realisierung von Weichen ist nur der Grenzfall, daß die gesamte Streureaktanz im (linken) Eingangsiängswiderstand auftritt. In diesem Falle ist, wie man leicht nachrechnen kann, ein Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis (Windungszahlen ausgangsseitig : Windungszahlen eingangsseitig) notwendig, und die Streureaktanz ergibt sich dann als i : q. (Dies gilt allgemein für symmetrische Filter.) Im Längszweig von der Primärwicklung und parallel zur Sekundärseite des idealen Cbertragers !der Abb.5 liegt daher je nach der Lage des Pols von q eine Induktivität, eine Kapazität oder ein Parallelkreis von I_ und C. Die Resonanzfrequenzen dieser Teilvierpole liegen stets im Sperrbereich.
  • Wird ein symmetrischer Filter durch eine Kettenschaltung von einzelnen angepaßten Gliedern so realisiert, daß die Streureaktanzen wiederum nur in dem Ausgangslängszweig erscheinen, so haben letztere :die gleiche Größe wie bei den Partial.bruchsehaltungen. Auch bei antimetrischen Filtern der Matrix erhält man unabhängig von der Realisierungsart für die nur im Eingangslängszweig erscheinenden Streureaktanzen den gleichen Wert, und zwar, wie man leicht nachrechnen kann, den Wert q.
  • Aus der Verteilung von Polen und Nullstellen des gegenseitigenLeerlaufwiderstandes ergibt sich außerdem noch, daß einige der Teilvierpole primär und sekundärgegensinnig in Reihe geschaltet werden müssen, in ,diesen Fällen also immer Übertrager notwendig sind, während sonst positiv gepolte Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis i : i weggelassen werden können.
  • Das angegebene Beispiel enthält nun die in Abb.6 dargestellten Teilvierpole, die durch Herstellen der gestrichelt gezeichneten Verbindung zur realisierenden Schaltung zusammengesetzt werden. Diese ist identisch mit der Schaltung nach Abb. ; .
  • Die Streureaktanz a in Abb. j bewirkt, bei der Frequenz a einen Pol im Eingangswiderstand des Filters (Ohmscher Abschluß). Es ist dieser, der eine Reihenschaltung mit einem passenden Hochpaß zur Realisierung einer Weiche ummöglich macht. Außerdem enthält ja auch der Hochpaß solche störenden Streureaktanzen.
  • Schaltet man zwei zueinander konjungierte Filter, d. h. mit sich ausschließendem Durchlaßbereich und Sperrbereich, nach obiger Realisierungsart (also Streureaktanzenalle im Eingangszweig) in Reihe zu einer Weiche und macht die negative Realtanz X gleich diesen Reaktanzen, d.h. läßt man dieseStreureaktanzen weg, so kommt man zu brauchbaren Weichen. Dies kann man aus folgendem erkennen: Wenn man in einem Filter eine solche eingangsseitige Streureaktanz wegläßt, so ändert man am Realteil seines Eingangswiderstandes nichts. (Bei Abschluß mit Ohmschem Widerstand.) Dieser ist also im praktischen Durchlaßbereich des Filters nach Maßgabe der Wellenwiderstandsebnung in diesem ebenfalls ein angenähert konstanter Wert. In diesem Bereich ist der Realteil des Eingangswellenwiderstandes des honjungierten Filters praktisch vernachlässigt, da sich dieses im Sperrbereich befindet. Das Weglassen der Streureaktanzen ändert das Sperrverhalten des Filters nicht wesentlich, was im folgenden noch gezeigt werden wird.
  • In vorschreibbarenBereichen (in den beiden Durchlaßbereichen der Filter) hat also die Weiche einen Eingangswiderstand, dessen Realteil einen konstanten Wert approximiert. In der Nähe der Grenzfrequenzen der Filter, also in der toten Zone der Weiche, kann eine mehr oder weniger große Schwankung dieses Realteiles auftreten, die aber nicht weiter von Schaden ist, da dieser Bereich sowieso nicht ausgenutzt werden kann wegen der dort noch nicht ausgeprägten Trennwirkung :der Weiche.
  • Die Imaginärteile der Eingangswiderstände des Teilfilters kompensieren sich weitgehend gegenseitig, denn der Eingangswiderstand des Tiefpasses ohne Streureaktanzen hat einen im wesentlichen kapazitiven, der Eingangswiderstand des Hochpasses ohne Streureaktanzen einen im wesentlichen induktiven Imaginärteil. Für den wichtigen Fall von Tschebyscheff-Verhalten der Dämpfungsfunktionen lassen sich für verschiedene Möglichkeiten Tabulierungen der in den Verkehrsbereichen auftretenden maximalen Imaginärkomponenten aufstellen. Diese sind immer so klein, daß sie auf das Dämpfungsverhalten der Weichen praktisch keinen Einfluß haben.
  • Die Betriebsdämpfung von Weichen dieses Aufbauprinzips und damit der Matrix ist stets gegeben durch Dabei ist wo der Eingangswiderstand der Weiche (abgeschlossen mit Ohmschen Widerständen) Die Größe In ist eine Stoßdämpfung, die verschwindet, -wenn der Eingangswiderstand wo= z wird.
  • Die eigentliche Dämpfung der Weiche rührt davon her, daß im Sperrbereich w1, - o ist. Daran ändert das Weglassen von Streureaktanzen nichts. Hat also die Weiche keinen konstanten Eingangswiderstand, so tritt ein zusätzliches Stoßdämpfungsmaß auf, das aber immer nur die Größenordnung einer Korrektion hat, wenigstens in den überhaupt interessierenden Verkehrsbereichen der Weiche. Durch Weglassen der Streureäktanzen entfallen Dämpfungspole vom Wellenwiderstand herrührend, wodurch sich die Betriebsdämpfung ändert, aber nicht verschlechtert wird, da diese Pole bekanntlich keinen Gewinn an Dämpfung bringen. Messungen haben dies bestätigt.
  • Als Beispiel sei eine Weiche der Klasse 4;a angeführt. Es ist zweckmäßig, für eigenschaftssymmetrische Weichen, d. h. Weichen mit gleichen Eigenschaften nach beiden Verkehrsrichtungen, obige Klassifizierung zu wählen. Der erste Index gibt die Dämpfungsklasse an, der zweite Index die Wellenwiderstandsklasse. Um die realisierende Partialbruchschaltung zu erhalten, braucht man nur auf den in Abb. 7 realisierten Tiefpaß zurückzugreifen, den entsprechenden dazu konjungierten Hochpaß zu realisieren, beide in Reihe zu schalten und die (eingangsseitigen) Streureaktanzenwegzulassen. Man erhält dann die Schaltung nach Abb. B.
  • Die gleiche Weiche kann man durch Aufspaltung der Dämpfungsfunktion in zwei Dämpfungsfunktionen, die je einen der beiden Dämpfungspole liefern, als Kettenschaltung verwirklichen. Man kommt dabei zur Schaltung der Abb. g: Jeder der vier Ouerwi@derstände, aus denen diese Weiche besteht, kann sehr leicht abgeglichen werden durchTrimmen eines in ihm enthaltenen Kondensators.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Elektrische Weiche mit drei oder mehr Polpaaren und nur näherungsweise konstantem Eingangswiderstand, bestehend aus einer eingangsseitigen Reihen- bzw. Parallelschaltung von zwei oder mehr Weichenvierpolen, die aus einer solchen Schaltung von Filtern abgeleitet sind, daß alle die Reaktanzen der Filter, welche Pole des Wellenwiderstandes bzw. Leitwertes hervorrufen, nur in ihrem Eingang längs bzw. parallel erscheinen und weggelassen werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer elektrischen Weiche mit konstantem Eingangswiderstand entsprechenden Aufbaues dadurch abgeleitet ist, daß mindestens eines der den Weichenvierpolen zugrunde liegenden Filter eine Wellenwiderstandsfunktion niedrigerer Klasse gegenüber der Klasse der Dämpfungsfunktion des anderen Filters oder des Produktes der Dämpfungsfunktionen der anderen Filter aufweist.
DEA83931D 1937-08-13 1937-08-14 Elektrische Weiche mit drei oder mehr Polpaaren und nur naeherungsweise konstantem Eingangswiderstand Expired DE685330C (de)

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