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Umschalter mit Elektronensteuerung und seine Anwendung insbesondere
bei zweiseitigen Fernsprecheinrichtungen mit Lautsprecher Die Erfindung hat einen
Elektronenumschalter zum Gegenstand, der nach Art eines elektrischen Pendels arbeitet
und der aus der Vereinigung von zwei den Oszillator bildenden Dreigitterröhren besteht,
von denen immer nur eine schwingt, wobei ein erstes Gitter jeder Röhre an das zweite
Gitter der anderen Röhre angeschlossen ist, mit zwei polarisierten Trioden in Sperrschaltung,
welche die Steuerimpulse nach dem dritten Gitter der Oszillatorröhre leiten, die
sich gerade in diesem Augenblick in Schwingung befindet.
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Der Elektronenumschalter gemäß der Erfindung kann für verschiedene
Zwecke benutzt werden. Die Anwendung der Erfindung erstreckt sich mehr speziell,
alyer nicht ausschließlich auf zweiseitige Fernsprecheinrichtungen mit Lautsprechern,
die für die Umkehrungen der, Sprechrichtung keine von Handbetriebene Umschaltung
benutzen, wobei die Gebrauchsspannung, die man durch ein System von hin und her
verlaufenden Vorgängen entstehen oder verschwinden läßt, durch die negative Spannung
erzeugt wird, die von einem Gleichrichter der Hochfrequenzröhre herrührt.
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In den früheren Vorschlägen für Verbesserungen an Fernsprecheinrichtungen
mit Lautsprechern sind Apparate behandelt, die auf dem Prinzip von einem oder zwei
Verstärkern beruhen, die in jedem Sprechkanal angeordnet und gesperrt sind, wobei
der gesperrte Verstärker sich selbsttätig ':beim Auftreten der Modulation freigibt,
nachdem er den
freien Verstärker gesperrt hat. Diese Apparate arbeiten
in der Praxis genau, aber mit einer Zeitkonstante, die nicht immer vernachlässigt
werden kann. Andererseits bleiben die Sperrungen und Freigaben den Schwankungen
der Amplitude der 'Modulation unterworfen, und es können sich daraus Stockungen
und Unregelmäßigkeiten während der Unterhaltung ergeben, wenn die Teilnehmer die
Stimme anheben oder senken und sich dem Mikrophon nähern oder sich davon entfernen.
Diese Erscheinungen begrenzen die Anwendungsmöglichkeiten derartiger Anordnungen.
Man hat, um diesem Übelstand abzuhelfen, Systeme mit Lautstärkeregelung eingeführt,
welche diese Apparate empfindlich komplizieren: Es erschien vorteilhaft, die Sperrungen
und Freigaben unter der Wirkung der Modulation verschwinden zu lassen, sobald diese
ihre anfängliche Rolle der Sperrung oder Entblockierung, hervorgerufen durch die
erste vor einem der Mikrophone gesprochene Silbe, erfüllt haben.
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Die Erfindung hat ein System von Elektronenumschaltern zum Gegenstand,
welches dieses Ergebnis zu erreichen gestattet und das wie ein elektrisches Pendel
arbeitet, indem es abwechselnd die im Betrieb befindlichen Verstärker freigibt.
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Ein solcher Umschalter bietet in diesem Falle den Vorteil, sehr schnell
zu sein, indem die Vorrichtung, die beschrieben werden soll, für die Übertragung
der zur Sperrung erforderlichen Spannungen keine zusammengesetzten Filter mit großer
Zeitkonstante benötigt. Die Steuerspannungen haben ebenfalls nur geringe Werte,
die leicht zu erhalten sind.
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Die benutzten Verstärker arbeiten, wie man weiter sehen wird, mit
stabilen Charakteristiken, können keine Verzerrungen hineinbringen, und wenn der
eine von beiden gesperrt ist, während der andere arbeitet, ist die Stärke des Empfangs
nicht mehr durch Erscheinungen nach Art der akustischen Rückkopplung begrenzt. Der
Betrieb geht entweder in vollem Umfang vor sich oder überhaupt nicht, gleichsam
wie bei einem Unterbrecher oder einem Relais, aber mit einer praktisch augenblicklichen
Geschwindigkeit; was in der Praxis notwendig ist, damit die Anfänge der Sätze nicht
verstümmelt werden. Das Prinzip der Arbeitsweise ist demnach, wie weiter oben ausgeführt
wurde, analog der eines üblichen elektrischen Pendelumschalters.
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In den Zeichnungen sind schematisch eine beispielsweise Ausführungsform
des Elektronenumschalters gemäß der Erfindung ebenso wie verschiedene Anwendungen
dieses Umschalters dargestellt.
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Abb. i zeigt ein Schaltschema einer Oszillatorröhre, die in dem Umschalter
gemäß der Erfindung benutzt wird; Alb. 2 zeigt die Kopplung von zwei solchen Verstärkerröhren;
Abb.3 zeigt ein Schaltschema des Elektronentinischalters gemäß der Erfindung; Abb.
4 zeigt ein grundsätzliches Schema der An-Wendung dieses Umschalters bei einer Fernsprecheinrichtung
für Lautsprecher unter Verwendung von vier Drähten; Abb. 5 zeigt eine praktische
Verwirklichung des Umschalters; Albb. 6 zeigt im Prinzip die Anwendung des Umschalters
gemäß der Erfindung gei einer Station mit einer Fernsprecheinrichtung für Lautsprecherbetrieb
unter Verwendung von zw=ei Drähten: In Abb. i ist eine Hochfrequenzoszillatorröhre
L mit mehreren Gittern für sich allein dargestellt, vorzugsweise eine Dreigitterröhre.
Bei einer solchen Röhre wird durch den Grad und Richtungssinn der Kopplung der Wicklungen
E,> E2, die am ersten Gitter G, bzw. an der Anode der °Röhre angeschlossen sind,
das Einsetzen von Schwingungen in der Röhre mit einer Frequenz erzeugt, die durch
die Eigenschaften der Wicklungen, der verschiedenen Kapazitäten und der Spannungen
bestimmt ist.
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Wenn man in den Stromkreis des Gitters G1 einen Kondensator C und
einen variablen Widerstand R einführt, wie in Abb. i dargestellt, stellt man fest,
daß die Hochfrequenzoszillatorspannung an den Klemmen von R, infolge Gleichrichtung
der Hochfrequenz mittels der dafür vorgesehenen Röhre durch die Kathode von L und
G, das Auftreten einer negativen Spannung hervorruft. Diese Spannung ist also proportional
der Hochfrequenzspannung und, ,bewirkt eine Polarisierung der Röhre selbst. In bezug
auf die geeigneten Werte von R und C stellt man auch fest, daß diese Pola'risation
ausreichend ist, um die Schwingung zu sperren, die aufhört und nicht wieder einsetzt
bis nach der Entladung des Kondensators C über den Widerstand R.
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Es ist vorteilhaft, diese Erscheinungen zu benutzen, indem man die
Röhre L nach Art einer Schwingröhre mit Selbstsperrung arbeiten läßt, d. h. indem
man R und C solche Werte gibt, daß durch die Reihenfolge der Entladungen von C und
R der Hodhfrequenzschwingung (z. B. 20 MHz) eine Niederfrequenzschwingung überlagert
wird (z. B. 12,5 kHz - sägezahnartige Schwingungskurve). Auf diese Weise geht man
sicher, so schwach auch der empfangene Impuls sein sollte, daß am Ende einer sehr
kurzen Zeit die Oszillatorröhre L gesperrt sein wird. In der Praxis erhält man die
Erscheinung des Sperrens, indem man einen Kondensator C von 500 pF (i pF
= i o---6 ,u F) bei einem Widerstand R von 250 000 Ohm entladet. Unter diesen
Bedingungen erreicht man, wenn man an ein Gitter außer an G1 z. B. an G2 eine schwache
negative Spannung anlegt, z. B. mittels eines geeigneten Umschalters i, das Verschwinden
der Schwingungen.
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Wenn man jetzt ein System wie das in Abb. 2 dargestellte betrachtet,
so sind dort zwei Hochfrequenzoszillatorröhren L und L' an Stelle von einer Röhre
vorgesehen. In jeder dieser Röhren ist das Gitter G2 (GQ) an das Gitter G, (oder
Gi) der anderen Röhre durch einen Kopplungswiderstand R, oder Ri angeschlossen,
die selbst durch einen
Kondensator C oder C entkoppelt sind. Es ist in |
der Tat notwendig, die Wechselstromkomponente |
zwischen (" und G_' (oder G: und Gi) zu elimi- |
nieren, und man benutzt zu diesem Zweck den |
Widerstand R, (oder R,'), wobei die Hochfrequenz- |
komponente an G.=' oder G,' durch den Entkopp- |
lungskondensator C (oder C') nach Erde abgeleitet |
wird. Man verwirklicht so, in einem Wort gesagt, |
ein Filter. |
Wenn nur eine Oszillatorrölire L schwingt, sieht |
man, (lall (las Gitter G.' von L' durch die an
den |
Klemmen von R,' abgeleitete Spannung negativ |
polarisiert sein wird. L' kann dann nicht schwin- |
gen. Wenn die erste Oszillatorröhre L zu sper- |
ren beginnt, läuft die Oszillatorröhre L' alsbald |
an und polarisiert ihrerseits das Gitter G2 von L, |
welches sie am Schwingen hindert, selbst wenn |
man auf einem anderen Wege die normalen Be- |
dingungen der Schwingung wieder herstellt. Nur |
eine der beiden Röhren kann also auf einmal |
sch1Vlngen. |
Zusammengefaßt ergibt sich, daß die Hauptrolle |
jeder Röhre L oder L' darin besteht, an dem mitt- |
leren Gitter der anderen Röhre eine negative Span- |
nung anzulegen. |
Ts genügt dann, der [Zeilie nach einen Stromstoß |
von geeigneter Polarität an eine der Elektroden |
der in Tätigkeit befindlichen Röhre zu schicken, |
mit der Wirkung, deren Schwingungen aufzuhal- |
ten und die andere Röhre arbeiten zu lassen, die |
die Sperrung der ersteren unterhält. Man erhält |
offenbar dasselbe Ergebnis, indem man eine nega- |
tive Spannung auf <las dritte Gitter G3 oder G3' |
einer jeden Röhre aufdrückt. |
In der "#lrl>.3 ist der Elektronenumschalter ge- |
in äß der Erfindung dargestellt, der durch Hinzu- |
fiigen von zwei Trioden L, und L,' zu den Röhren |
I_ und L' entstanden ist. Der Aufbau ist der fol- |
gende: Das Gitter G, von L ist (vgl. Abb. i und 2) |
einerseits an einem variablen Widerstand R und |
durch Vermittlung eines Kondensators C an eine |
Erregerwicklung F., und andererseits über einen |
Widerstand R,' an das Gitter G2' von L' ange- |
schlossen. In gleicher Weise erfolgt der Anschluß |
für (las Gitter G,' und das Gitter G2. Außerdem |
ist G, in die Ableitung von dem Punkt A an das |
Gitter G4 von L,' unter Zwischenschaltung eines |
Belastungswiderstandes R.= und G2 in die Ab- |
zweigung von B an das Gitter G4 von L, durch |
einen zweiten Belastungswiderstand R2' ange- |
schlossen. Andererseits kommt der Stromstoß, der |
den Umschalter steuert, in i an und wird auf G4 |
mit Zwischenschaltung eines Kondensators C2 und |
auf G4' mit Zwischenschaltung eines Kondensa- |
tors C2' übertragen. Schließlich ist die Schaltung |
der Trioden L, und L,' mit Rücksicht auf die |
1zöhren 1. und L' diejenige einer normalen Ver- |
stärkerstufe. Die Anode von L, ist durch Vermitt- |
lung eines Kondensators C3 an das Gitter G; von L |
und die Anode von L @' ihrerseits über C3' an (ias |
(Gitter G.;' von L' angeschlossen. |
Die Wirkungsweise des Umschalters ist die fol- |
gende: Die Trioden I_,, L,' sind durch die Oszilla- |
torröhren
L, L' überpolarisiert und leiten die Steuerstromstöße der Reihe
nach gegen diejenigen der Röhren L, und L,', die sich im Zustande des Schwingens
befinden. Im Betrieb ist es so: wenn ein positiver Steuerimpuls in i ankommt und
wenn man annimmt, daß
L oszilliert (während
L' gesperrt ist), so ergibt
sich aus dem Schwingen von L, daß L,' durch die negative an R2 zugeführte Spannung
gesperrt ist. Wenn L' nicht oszilliert, ist andererseits L, frei. Der in i ankommende
positive Impuls wirkt also nicht auf L,', welches blockiert ist, sondern kommt in
L, an, weiches ihn in einen negativen Impuls umwandelt und an das Gitter G., von
L überträgt. Die Schwingungen von
L
hören dann durch Überpolarisation
sofort auf.
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Andererseits wirkt der Impuls, der durch den Kondensator C2 an das
Gitter G4 von Li übertragen worden ist, zurück über die Abzweigung auf die Gitter
G., von L und Gi von L' durch R2' und B.
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Die Arbeitsweise .ist dieselbe in dem Falle, wenn L' schwingt,
während L gesperrt ist. Man sieht also, daß der Umschalter ganz nach dem
Prinzip eines elektrischen Pendels arbeitet; indem der Impuls selbsttätig auf die
in diesem Augenblick nicht gesperrte Oszillatorröhre übertragen wird, um sie unverzüglich
zu sperren, während die andere Röhre freigegeben wird.
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Eine erste Anwendung dieses Umschalters besteht darin, abwechselnd
die Leitungsverstärker, die in eine zweiseitige Fernsprecheinrichtung mit Lautsprecher
eingeschaltet sind, zu sperren und freizugeben.
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Ein erstes Anwendungsgebiet für den Fall einer Vierdrahtverbindung
ist in der A'bb.4 dargestellt. Zur Erhöhung der Einfachheit sind die beiden Drähte
eines jeden Sprechweges durch einen einzigen Linienzug dargestellt und die verschiedenen
benutzten Röhren durch Kreise.
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jede Station 'P (oder P') enthält ein Mikrophon M (oder M') und einen
Lautsprecher HP (oder HP'). Zwischen M und HP' .ist
der übliche Verstärker eingeschaltet, der z: B. aus zwei Röhren L2 und L3 besteht,
und zwischen M' und HP ist ein durch L2 und L3' dargestellter Verstärker
eingebaut. In der Abzweigung zwischen M und L2 @befindet sich ein Verstärker L",
und zwischen M' und L2 befindet sich in der Ableitung ein anderer Verstärker, dargestellt
durch L8'. Die Einrichtung enthält außerdem zwei Oszillatorröhren L und L'vom weiter
oben erwähnten Typ, die den Umschalter mit den Röhren L2 und L2' darstellen. L,
ist an die Röhre I_ des Umschalters durch einen Gleichrichter Dl angeschlossen.
In gleicher Weise ist L8' an die Röhre L' des Umschalters durch einen Gleichrichter
D,' angeschlossen. Andererseits sind L und L2 unmittelbar miteinander
verbunden, ebenso wie L' und L2'. Endlich sind zwischen I_3 und HP'
ebenso
wie zw i@schen L3' und HP in der Abzweigung die Gleichrichter D2 und D2 angeordnet,
die andererseits mit L8 und ZB verbunden sind.
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Bei dieser Schaltung ist die Wirkungsweise der Einrichtung die folgende:
Wenn man annimmt, daß I_ die negative Spannung hervorruft, welche
L=
und L' sperrt, so ergibt sich daraus, daß L2' nicht mehr gesperrt ist, weil L' nicht
schwingt und die Sprache in normaler Weise von M' nach HP,
d. h. von P' nach
P, weitergeleitet wird. Wenn jetzt P sprechen will, wird das Mikrophon M beaufschlagt,
und die Röhre 6 sendet die verstärkte, durch D, gleichgerichtete Modulation aus,
welche die Schwingungen von 1. anhält. In diesem Augenblick wird L2 freigegeben,
und I_' kann dann schwingen. Die Oszillatorröhre L2' wird blockiert ebenso wie L,
dessen Sperrung so aufrechterhalten wird. Die Sprache wird dann frei von
M nach HP',
cl. h. also von P nach P' übertragen, während I_2' die
Station P' am Sprechen verhindert. Zur selben "Zeit erzeugt D2 eine Polarisation
zur Unterdrük-1<ung des Anodenstromes hei L6', wodurch der Einfluß von
HP' auf M' und das Aussenden von einem entsprechenden Impuls von Dl' nach
L' verhindert wird. Zur selben Zeit wird auch .L. gebremst, um das dauernde Aussenden
einer Spannung nach D, zu verhindern und schließlich die Freigabe zu beschleunigen.
Wenn M schweigt, macht D. L6' frei, und :Il' kann das Wort ergreifen, um in derselben
Weise L; frei zu machen, wobei dann L, und Ls durch D"' gebremst werden.
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Wie man sieht, erfüllt der Gleichrichter D2 eine doppelte Aufgabe:
Er entzieht zuerst L6 die Wirkung der Modulation, die von M ausgesandt wird, sobald
L6 ihre Aufgabe erfüllt und L2 freigegeben hat; außerdem hindert er die Röhre I_8
, an den Gleichrichter Dl' die Modulation weiterzugeben, die vbn der Einwirkung
von HP' auf M' entsteht. Die Aufgabe von D2' ist analog in dem anderen Sinne,
und sie unterdrückt die akustische Rückkopplung bei der Station P. Aus dieser Schaltung
ergibt sich der große praktische Vorteil, daß man ohne Unzuträglichkeiten
M und HP ebenso wie M' und HP' in einem einzigen Behälter montieren
kann, wodurch der Zusammenbau einer jeden Station beträchtlich vereinfacht wird.
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In der Abb. 5 ist eine praktische Möglichkeit der Ausführungsform
des Umschalters dargestellt. Man benutzt in diesem Falle zwei Heptoden, vorzugsweise
vom Typ ECH 2i, welche hochfrequent schwingen. Diese Röhren setzen sich aus einer
Dreigitterröhre und einer kombinierten Triode zusammen mit gewöhnlicher Kathode
und zwei Anoden An und An, (An' und An,').
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\Venn man annimmt, @daß die Röhre Lia dann die Rolle von L in den
vorangegangenen Abbildungen spielt, dann schwingt das Dreigittersystem von l.1,
hochfrequent und sperrt Liö durch Polarisation von G3' von R aus. Dieselbe Spannung
sperrt auch L2 (Abb.4 und 5). Die positive Spannung, die von D, kommt (Impulsstoß
für die Freigabe), wird durch die Gleichrichtung der Modulation gegeben, die von
L6 kommt und durch D1 gleichgerichtet wird. Sie wird übertragen an das Gitter G4
des Triodensystems. (Das letztere entspricht der Röhre L oder L,' der A#bb. 3.)
Diese positive Spannung .bewirkt, daß der Anodenstrom des Triodensystems ansteigt.
Der Stromkreis schließt sich wieder über die gemeinsame Kathode der Trioden und
Dreigittersysteme durch den Widerstand Rio. Wenn die Spannung an den Klemmen von
Rio ansteigt, so gilt das gleiche für die Polarisation von G1 und G3, und die Schwingungen
hören auf. Diese Sperrung zieht die Freigabe von L= und L1.' nach sich. LIo' fängt
dann an zu schwingen und hält die Sperrung von Lio aufrecht, die durch D1 bewirkt
wird. Station P kann dann m,it Station P' sprechen, aber der umgekehrte Sprechweg
ist gesperrt. Die Wirkungsweise von Lio' ist genau symmetrisch hierzu.
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In der A11. 5 haben die Impulse zwei verschiedene Ursprünge (D1 und
D1') und nicht nur den einen, i, wie in Abb. 3. Man kann auch, um den Gebrauch eines
fünften Gitters zu vermeiden, einen positiven Stromimpuls nach G4 senden, was auf
dasselbe herauskommt.
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In dem Vorhergegangenen sind, wohlverstanden, die Zeitkonstanten der
Stromkreise für die Sperrung und für die Freigabe derart festgesetzt, daß zwischen
zwei Silben, die von einem der Teilnehmer ausgesprochen werden, der andere das Wort
ergreifen kann. (Das ist z. B. der Fall bei den Stromkreisen von D2 nach Ls' und
von D2' nach L6 in dem Beispiel nach der Abb.4.) Es wird jetzt ein anderes Anwendungsbeispiel
des Elektronenumschalters gemäß der Erfindung beschrieben für den Fall einer Telephoneinrichtung
mit üblichem Stromkreis mit zwei Drähten. Die Alrb.6 stellt ganz schematisch eine
der Stationen dar, wobei die Leitungen der Einfachheit halber durch einen einzigen
Linienzug, die verschiedenen Röhren durch Kreise und der Umschalter durch ein Viereck
X dargestellt sind. Die zweite Station ist von irgendeiner beliebigen Art.
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Man sieht in der Abb. 6, daß die Schaltelemente' dieselben sind wie
bei der Abb. 4 mit Ausnahme des Mikrophons M' und des Lautsprechers HP',
die
durch einen Transformator T ersetzt sind, welcher es ermöglicht, über die beiden
Drähte des Netzes Z die Modulationen, die von M erzeugt werden, auszusenden und
die durch die beiden Drähte des Netzes Z ankommenden Modulationen durch den Lautsprecher
HP aufzunehmen. Da aber in dem vorliegenden Falle die Mitteilungen immer
in demselben Sinne .bei jedem Sprechkanal zustande kommen, kann man das alte System
des Differentialtransformators, wie er durch die französische Telephonverwaltung
benutzt wird, durch einen einfachen Anpassungstransformator mit drei Wicklungen
ersetzen, von denen die eine an das Netz Z angeschlossen ist und die beiden anderen
an L3 bzw. LQ, d. h. an M und HP, angeschlossen sind. Die Arbeitsweise
ist die gleiche wie die bei der Einrichtung gemäß Abb. 4. In den Abb. 4 und 6 zeigen
die Pfeile den Verlauf, welchen die Impulse zwischen den verschiedenen Schaltorganen
nehmen.
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Man bemerkt, daß die normalen Leitungsverstärker (L2, L3 und L2',
L3') nicht die Sperrung oder die Freigabe sicherzustellen haben, da diese Maßnahmen
durch die Spezialverstärker (L, und I_6') verwirklicht werden, die auf den Elektronenumschalter
gemäß der Erfindung einwirken.
Aus dem soeben Gesagten ergibt sich, daß der |
Umschalter entsprechend der Erfindung bei den |
Einrichtungen, in welchen er benutzt wird, die |
folgenden Vorteile vermittelt: |
r. Ein einziger Verstärker arbeitet zur gleichen |
Zeit, wobei die Verstärkung nicht begrenzt ist und |
der Lautsprecher in demselben Kasten montiert |
wcr<len kann @" i" (las -Mikrophon. |
2. 1)a die Verstärker keine N-littelstellung |
zwischen Sperrtitig ttnd Freigabe einnehmen (sie |
sperren entweder ganz oder überhaupt nicht), ent- |
stehen keine Verzerrungen infolge von Schwan- |
kungen der Polarisation, el>ensowenig wie es eine |
Schwankung der Lautstärke während des Emp- |
fanges gibt. |
Die Benutzung unabhängiger und regelbarer |
Ililfsverstärker für die liescliaffting der Sperr- und |
Freigabespannungen gestattet eine genaue Rege- |
lung der Auslösung für die Umkehrung und ver- |
hindert das Vbertreten der Modulation von einem |
Sprechkanal auf den anderen. |
Da der Umschalter negative Spannungen von |
hoher Frequenz erzeugt, Spannungen, die in den |
\'iederfrequenzkreisen benutzt werden, genügen |
einfache Filter finit geringer Zeitkonstante, um das |
llinüberfließen von Hochfrequenz in die Nieder- |
frequenzkreise zu verhindern; aus diesen geringen |
Zeitkonstanten ergibt sich aber eine große Schnel- |
ligkeit in der Wirkung der Sperrung und Freigabe. |