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Aus mehreren Vierpolen zusammengesetzte Schaltungsanordnung mit frequenzabhängigem
Übertragungsmaß In allen bisher bekannten beliebigen Vierpolschaltungsanordnungen
mit frequenzabhängigemÜbertragungsmaß ist die Frequenzabhängigkeit der Ausgangsspannung
stets gegeben durch eine Funktion des untrennbaren Produktes jao. Frequenzabhängiger
Betrag der Ausgangsspannung ist daher immer mit einer Winkeldrehung verknüpft. Diese
kann in Grenzen nahezu frequenzunabhängig sein, wie es z. B. in bekannter Weise
durch einen komplexen Spannungsteiler aus hochohmigem Längs- und niederohmigem Querwiderstand
erreicht wird.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine aus mehreren Vierpolen
zusammengesetzte Schaltungsanordnung so aufzubauen, daß die Frequenzabhängigkeit
der Ausgangsspannung ganz oder zum Teil durch voneinander unabhängige Funktionen
von j und co dargestellt werden kann. Gemäß der Erfindung wird dies durch die Verwendung
eines Teilvierpols ermöglicht, der bei frequenzunabhängigem Betrag der Ausgangsspannung
eine ebenfalls frequenzunabhängige Winkeldrehung, insbesondere eine Winkeldrehung
von im wesentlichen go° erzeugt. Ein derartiger Teilvierpol wird erfindungsgemäß
durch eine Brücke aus vier im wesentlichen betragsgleichen Kondensatoren gebildet,
bei der die Kondensatoren von zwei gegenüberliegenden Zweigen möglichst kleine und
die Kondensatoren der beiden anderen gegenüberliegenden Zweige möglichst große frequenzunabhängige
Verlustwinkel
besitzen, wobei Eingang und' Ausgang des Teilvierpols in verschiedenen Diagonalen
der Brücke liegen. Durch die Erfindung wird es z. B. möglich, einen vorgeschriebenen
Amplitudengang der letzten Ausgangsspannung bei einem konstanten wählbaren Winkel
herzustellen. Insbesondere kann ein vorgeschriebener Amplitudengang hergestellt
werden, ohne daß überhaupt eine Winkeldrehung auftritt. Weiterhin-ist es aber auch
möglich, die Schaltungsanordnung so aufzubauen, daß die bezogene Ausgangsspannung
ihren Betrag nicht ändert, obwohl sie sich in vorgeschriebener Weise mit der Frequenz
im Winkel dreht. Die Erfindung gibt des weiteren die Möglichkeit, einen vorgeschriebenen
Amplitudengang mit Vorzeichenwechsel der Ausgangsspannung bei einer beliebigen wählbaren
Frequenz herzustellen. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Figuren
behandelt.
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Es sei zunächst der Fall betrachtet, daß die Vierpolschaltungsanordnung
einen irgendwie von c) abhängigen Betrag der Ausgangsspannung aufweisen soll, daß
sich dabei jedoch der Winkel nicht ändern soll. Der Betrag der Ausgangsspannung,
U2 wird sich immer durch eine Potenzreihe von c) annähern lassen, besonders wenn
neben ganzzahligen Exponenten auch die halben ungeradzahligen 0,5, 1,5, 2,5
usw. mitbenutzt werden. DaB sich eine derartige Reihe aus einzelnen Vierpolen verwirklichen
läßt, wird anschließend gezeigt werden. Es sei beispielsweise
Eine derartige Funktion kann beispielsweise durch Hintereinanderschaltung der Ausgänge
mehrerer verschiedenartig aufgebauter komplexer Spannungsteiler aus hochohmigen
Längs- und niederohmigen Querwiderständen erreicht werden, deren Eingänge sämtlich
parallel an UI liegen. So bringt bekanntlich ein komplexer Spannungsteiler aus einem
Ohmschen Längswiderstand R und einer Querkapazität C eine Ausgangsspannung, die
in ihrem Betrage verhältnisgleich mit
ist, wenn der Längswiderstand sehr groß gegen den Querwiderstand ist. In der Schaltungsanordnung
der Fig. r sei daher voraussetzungsgemäß R >
Für den Strom i erhält man dann die Beziehung i =
Für den Betrag der Ausgangsspannung UZ ergibt sich somit
Die Ausgangsspannung eilt dabei der Eingangs= spannung frequenzunabhängig um go°
nach. Benutzt man einen komplexen Spannungsteiler mit einem Ohmschen Längswiderstand
und einer Querinduktivität, so erhält man eine Ausgangsspannung, die proportional
mit co wächst, also U2 = UI - c - u> +I. Ein Teiler mit einer eisenhaltigen
Querinduktivität L und einem Ohmschen Längswiderstand R entsprechend Fig. 2 ergibt
unter der Voraussetzung, daß R > c) L ist, oberhalb der Grenzfrequenz
des Eisens eine Ausgangsspannung, die um t(.5° voreilt und mit
wächst. Das Ersatzschaltbild der Fig. 2 ist in der Fig. 2 a dargestellt. Statt der
eisenhaltigen Induktivität kann die Reihenschaltung aus Induktivität L' und
Ohmschen Widerstand y gesetzt werden. Der Ohmsche Widerstand y umfaßt dabei den
Gleichstromwiderstand und die Eisenverluste, die bekanntlich mit der Frequenz stark
anwachsen. Der Widerstand y ist demnach eine Funktion von w. Für eine derartige
Schaltungsanordnung ergibt sich die in Fig. 3 gezeichnete Ortskurve des Querwiderstandes.
Der Querwiderstand verhält sich zunächst angenähert wie eine reine Induktivität,
bis schließlich die Wirkung des Widerstandes y überwiegt und die Ortskurve bei der
Grenzfrequenz co, unter etwa q.5° nach oben abbiegt. Ein Spannungsteiler, bei dem
der hochohmige Längszweig und der niederohmige Querzweig aus gegensinnigen Blindwiderständen,
wie Induktivität und Kapazität, bestehen, weist einen Gang der Ausgangsspannung
mit u) ±2 auf. Werden mehrere der bisher beschriebenen Vierpole in Kette geschaltet,
so addieren sich in der Frequenzfunktion der letzten Ausgangsspannung die Exponenten
von c). Durch ähnliche Teiler mit weiteren Bauteilen und Stufen, zwischen die unter
Umständen Verstärker eingeschaltet werden, läßt sich daher jede beliebige Potenzfunktion
der bezogenen Ausgangsspannung erzielen mit irgendeiner damit verknüpften, aber
frequenzunabhängigen gesamten Winkeldrehung.
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Die Erfindung ermöglicht es nun, den Winkel frei wählbar, insbesondere
gleich Null zu machen. Es sei beispielsweise angenommen, daß die bezogene Ausgangsspannung
in ihrem Betrage verhältnisgleich mit
jedoch keine Winkeldrehung vorhanden sein soll. In diesem Falle kann beispielsweise
ein Vierpol, wie ihn die Fig. z . zeigt, verwendet werden, durch den der gewünschte
Frequenzgang des Betrages erreicht wird. Hierbei tritt jedoch eine frequenzunabhängige
Winkeldrehung von im wesentlichen go° auf. In Reihe mit diesem Vierpol schaltet
man nun einen Vierpol, der durch eine Brücke aus vier im wesentlichen betragsgleichen
Kondensatoren Cl, C2, C3, C4 besteht, wie es die Fig. q. zeigt. Die Kondensatoren
Cl und C3 sollen dabei einen möglichst großen frequenzunabhängigen Verlustwinkel
besitzen, während die Kondensatoren C2 und C4 einen möglichst kleinen . frequenzünabhängigen
Verlustwinkel aufweisen. Die Ausgangsspannung U3 - der Gesamtanordnung hat dann,
bezogen auf die Eingangsspannung UI, einen sich mit
ändernden Amplitudengang, jedoch keine Winkeldrehung, da die der Spannung U2 im
Ausgang des komplexen Spannungsteilers RC anhaftende Winkeldrehung von go° durch
die Winkeldrehung der Kondensatorbrücke kompensiert wird.
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Durch die Verwendung der Kondensatorbrücke wird es auch möglich, der
Ausgangsspannung jede beliebige frequenzunabhängige Winkeldrehung zu geben bzw.
jede beliebige Winkeldrehung, die mit der Potenzfunktion der bezogenen Ausgangsspannung
verknüpft
ist, zu kompensieren. Es sei beispielsweise der Fall betrachtet, daß die bezogene
Ausgangsspannung sich in ihrem Betrage mit j,/ä) ändert und dabei um q.5° voreilt.
Es sei also z. B. zur Erzeugung des Frequenzganges des Dämpfungsmaßes ein komplexer
Spannungsteiler benutzt, wie ihn die Fig. a zeigt. In diesem Falle kann man nach
Fig.5 in Reihe mit dem komplexen Spannungsteiler die Parallelschaltung einer Kondensatorbrücke
Cl, C2, C3, C., mit einem Vierpol schalten, der eine frequenzunabhängige Dämpfung
und eine Winkeldrehung Null besitzt, z. B. also einen Ohmschen Spannungsteiler R1,
R2. Die Ausgangsspannungen U3' und U3" der Kondensatorbrücke und des Ohmschen Spannungsteilers
werden dann in irgendeiner gewünschten Richtung und Größe addiert, so daß sich eine
Ausgangsspannung U3 ergibt, die, bezogen auf die Ausgangsspannung U2 des komplexen
SpannungsteilersRL, eine Winkeldrehung von z. B. q.5° entsprechend Fig. 5 a zeigt.
Die Ausgänge des Ohmschen Spannungsteilers R1, R2 und der Kondensatorbrücke Cl bis
C4 sind dabei vorzugsweise gegeneinander zu entkoppeln, z. B. durch Übertrager Ü
und/oder Verstärker V.
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Bisher wurde immer der Fall betrachtet, daß der Teilvierpol mit frequenzunabhängigem
Betrag der Ausgangsspannung und frequenzunabhängiger Winkeldrehung in Kette mit
dem öder den übrigen Vierpolen der Schaltungsanordnung, die den frequenzabhängigen
Amplitudengang besitzen, geschaltet ist. Die Vierpole können jedoch auch anders
geschaltet sein, wie es beispielsweise die Fig. 6 zeigt. Der eine Vierpol soll dabei
z. B. aus einem Teiler aus Ohmschen Längswiderstand R und Querinduktivität L1 bestehen.
Die bezogene Ausgangsspannung U," soll also in ihrem Betrage verhältnisgleich mit
ca sein. Die Eingangsspannung UI wird bei dieser Schaltungsanordnung gleichzeitig
dem Eingang der Kondensatorbrücke Cl bis C4 zugeführt und aus den Ausgangsspannungen
U2 und U2" der Kondensatorbrücke und des komplexen Spannungsteilers dieDifferenzspannung
U2= U2'=U2 gebildet. Die beiden bezogenen Ausgangsspannungen U2' und U2" besitzen
die gleiche Winkeldrehung von go°. Die Differenzspannung U2 hat also gegenüber der
Eingangsspannung U1 ebenfalls die gleiche Winkeldrehung. Durch die Schaltungsanordnung
nach Fig. 6 ist jedoch erreicht worden, daß die Differenzspannung bei einer bestimmten
wählbaren Bezugsfrequenz co, durch Null geht. Dies sei beispielsweise an Hand des
Vektordiagramms der Fig.7 erläutert. Die Spannung U2" = k - co ändert
sich entsprechend der gewählten Potenzfunktion mit der Frequenz. Die Ausgangsspannung
- U2' der Kondensatorbrücke ist jedoch in ihrem Betrage frequenzunabhängig. Bei
irgendeiner wählbaren Frequenz co, (z. B. durch Potentiometereinstellung bei einem
der Spannungsteiler wählbar) sind nun diese beiden Spannungen einander gleich, so
daß bei dieser Bezugsfrequenz die Differenzspannung U2 Null wird. Die Differenzspannung
U2 kann dann gegebenenfalls nach darauffolgender Gleichrichtung zu Meß-, Steuer-oder
Regelzwecken benutzt werden. Man hat so die Möglichkeit, die Wechsel- oder Gleichspannung
nicht nur durch den Frequenzgang z. B. eines komplexen Spannungsteilers, sondern
auch durch die Wahl der Bezugsfrequenz, die z. B. außerhalb des Betriebsfrequenzbereiches
liegen kann, in jede gewünschte Abhängigkeit von der Frequenz zu bringen.
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Die Kondensatorbrücke, wie sie gemäß der Erfindung verwendet wird,
ergibt eine im wesentlichen feste Winkeldrehung von go° ohne Amplitudengang für
ein großes Frequenzspektrum, wie es der Versuch gezeigt hat. Man kann dabei unter
Umständen nach einem früheren Vorschlag für eine mittlere Frequenz eine Winkeldrehung
um genau go° dadurch erzwingen, daß die in ihrer Phase verschobene Spannung mit
der gegebenen Eingangsspannung der Kondensatorbrücke in einer auf Phasenunterschiede
ansprechenden Vorrichtung (Gleichrichterbrücke) verglichen und die der Phasenabweichung
vom Phasenwinkel go° proportionale Differenzspannung zur Veränderung einer oder
mehrerer steilheitsgesteuerten Kapazitäten benutzt wird, die Teile der Brückenzweige
sind. Im allgemeinen ist jedoch eine selbsttätige Regelung auf genau go° nicht erforderlich.
Durch die Kondensatorbrücke wird es vielmehr möglich, alle Einzelschwingungen eines
Frequenzspektrums gleichzeitig trägheitsfrei in gewünschter Abhängigkeit von co
nach ihrem Betrag und Winkel zu beeinflussen. Soll eine gewisse Bandbreite einheitlich
beeinflußt werden, so ist es im übrigen ohne weiteres möglich, die Bänder einem
Träger aufzumodulieren, der nach Durchlaufen der gewählten Schaltungsanordnung wieder
demoduliert wird.
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An Hand der Fig. 8 wird eine weitere sehr vorteilhafte Anwendung der
Erfindung behandelt. Gegeben sei beispielsweise ein Amplitudengang entsprechend
der Kurve der Fig. B. Für das Nachrichtenband N werde eine Entzerrung verlangt,
die einen Verlauf aufweisen soll, wie ihn das Teilstück z der Kurve zeigt. Durch
die Erfindung wird es nun zunächst möglich, z. B. durch Anwendung einer Schaltungsanordnung
nach Fig. 6, eine solche Verschiebung der Dämpfungskurve vorzunehmen, daß sie bei
der Frequenz col durch Null geht. Moduliert man nun das Nachrichtenband N einer
Trägerfrequenz, z. B. der Trägerfrequenz co, auf und benutzt das obere Seitenband,
so erhält man für das Nachrichtenband die Lage N', kann also das Nachrichtenband
in den günstigen Entzerrungsbereich verschieben. Die Aufmodulierung des Nachrichtenbandes
auf einen Träger kann also außer zu dem bereits behandelten Zweck auch noch dazu
erfolgen, aus der Frequenzkennlinie des gesamten Übertragungsmaßes einen engeren,
besonders geeigneten Bezirk herauszugreifen.
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Bisher wurde immer der Fall betrachtet, daß durch die Anwendung der
Erfindung ein konstanter wählbarer Winkel, z. B. der Winkel Null der bezogenen Ausgangsspannung,
bei einem vorgeschriebenen Amplitudengang erreicht werden soll. Durch die Erfindung
wird es aber auch möglich, einen vorgeschriebenen Winkelgang der bezogenen Ausgangsspannung
bei konstanter Amplitude zu erreichen. Zwar sind an sich bereits einfachere Schaltungsanordnungen
bekannt, die für viele Zwecke mit ausreichendem Erfolg einen vorgeschriebenen Winkelgang
mit vernachlässigbarem Amplitudengang zu erzeugen
gestatten. Durch
die Erfindung wird es jedoch möglich, dies ganz allgemein zu erreichen.
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Sämtliche vorstehend für Spannungen genannten Lösungen gelten sinngemäß
auch für Ströme.