DE1096964B - Schaltungsanordnung zum symmetrischen Einspeisen und Konstanthalten des Speisegleichstroms von Fernmeldeleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum symmetrischen Einspeisen und Konstanthalten des. Speisegleichstroms von Fernmeldeleitungen unterschiedlichen Widerstands, über die Wechselströme mit im Vergleich hierzu kleinen Amplituden übertragbar sind, insbesondere von Fernsprechteilnehmerleitungen.

Es ist häufig notwendig, einen Verbraucher mit einem Gleichstrom praktisch konstanten Wertes zu speisen, während der Verbraucher zur Übertragung eines Wechselstroms mit einer bedeutend kleineren Amplitude dient.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines elektrischen Verbrauchers, z. B. eines Wechselspannungssignalverstärkers aus einer Gleichstromspeisequelle bekannt, bei der in den die Speisequelle mit dem Verbraucher verbindenden Kreis die Emitter-Kollektor-Elektrodenstrecke eines Transistors eingeschaltet ist, dessen Basiselektrode ein praktisch konstanter Hilfsstrom zugeführt wird, so daß nahezu die ganze Spannung der Speisequelle dem Verbraucher zur Verfügung steht und der Speisestrom praktisch unabhängig von Änderungen der Speisespannung bzw. von Änderungen der Impedanz des Verbrauchers ist.

Bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung zur spannungskonstanten Speisung eines Verbrauchers mit veränderlichem Widerstand liegt ebenfalls die Emitter-Kollektor-Elektrodenstrecke eines ersten Regeltransistors in Reihe zwischen der Speisequelle und dem Verbraucher. Ein zweiter Regeltransistor liegt mit seinem Emitter an einem Punkt konstanten Potentials, während seine Basisvorspannung von einem dem Verbraucher parallel geschalteten Potentiometer abgegriffen wird. Der Kollektor des zweiten Regeltransistors ist mit der Basis des ersten Regeltransistors verbunden. Spannungsschwankungen am Verbraucher beeinflussen somit die Transistoren im Sinne einer entgegenwirkenden Regelung.

Bei Leitungen, die ein Fernsprechamt mit Teilnehmern verbinden, ist es notwendig, einen Gleichstrom der Leitung zuzuführen, um das Mikrophon des Fernsprechgerätes des Teilnehmers zu erregen, während gleichzeitig die Leitung Sprechströme und Signalisierungsströme übertragen muß. Der die Leitung durchfließende Strom soll trotz des Widerstands der Leitung vorzugsweise auf einem günstigen Wert gehalten werden, damit das Mikrophon eine gute Nutzwirkung hat.

Unter solchen Verhältnissen wird der Speisegleichstrom meistens von dem die Leitung durchfließenden Wechselstrom getrennt, entweder mit Hilfe von Transformatoren, welche für den Gleichstrom durchlässig sind und den Wechselstrom nach einem getrennten Kreis übertragen, oder mittels Sperrinduktanzen zur Schaltungsanordnung

zum symmetrischen Einspeisen

und Konstanthalten des Speisegleichstroms

von Fernmeldeleitungen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Zoepke, Patentanwalt,
München 5, Erhardtstr. 11

Beanspruchte Priorität:
Australien vom 1. August 1957 und 10. Juni 1958

Willem Douwe Meewezen, Woodville (Australien), ist als Erfinder genannt worden

Zuführung der Gleichströme und zum Sperren von Wechselströmen und mittels Kondensatoren zum Sperren von Gleichströmen, jedoch zur Übertragung von Wechselströmen. Es werden außerdem stromabhängige Ballastwiderstände verwendet, um den die Leitung durchfließenden Gleichstrom praktisch konstant zu halten. Die hierfür verwendeten Sperrinduktanzen oder Transformatoren müssen den Gleichstrom durch die Leitung führen, so daß sie groß und teuer sind im Vergleich zu den Abmessungen und/oder dem Preis entsprechender Elemente zur Übertragung von Wechselströmen allein.

Ziel der Erfindung ist es, die symmetrische Einspeisung des Speisegleichstroms auf Fernmeldeleitungen, die Konstanthaltung des Speisegleichstroms und die Aufrechterhaltung der Symmetrie der Fernmeldeleitungen gegenüber einem Punkt konstanten Potentials sowohl im offenen als auch im geschlossenen Zustand mit einer Schaltungsanordnung ohne Sperrinduktanzen und Transformatoren zu ermöglichen.

Dazu wird zunächst die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß die Impedanz eines Transistors, in Richtung des Kollektors gesehen, unter der Bedingung sehr hoch ist, daß die an den Kollektor angelegte Spannung größer ist als ein bestimmter Wert, der als Kniespannung bezeichnet wird. Wird also ein Transistor derart eingestellt, daß sein Emitter-Kollektor-Strom von kleinen Änderungen der zwischen seiner

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Emitter- und Kollektorelektrode wirksamen Spannung praktisch unabhängig ist, so kann er nennenswerte Gleichströme von seinem Emitter zu seinem Kollektor durchlassen, während nur ein sehr geringer Wechselstrom in entgegengesetzter Richtung fließen kann. Gewohnlich ist die Kniespannung eines Transistors etwa 1 V, so daß es möglich ist, eine Fernsprechleitung zu speisen, indem Gleichstrom dieser Leitung über Transistoren zugeführt wird, ähnlich wie über Sperrinduktanzen, während Wechselströme über Kondensatoren von der Leitung abgenommen werden können, wobei die Wechselstromverluste in den Transistoren vernachlässigbar sind.

Gemäß der Erfindung sind beide Adern der Fernmeldeleitung über die Emitter-Kollektor-Strecken je eines Transistors mit den entsprechenden Polen der Gleichspannungsquelle verbunden; die Basis des eineu Transistors ist an einen Punkt festen Potentials angeschaltet, und die Basis des anderen Transistors ist an einen Punkt angeschlossen, dessen Potential durch den Potentialunterschied zwischen einem weiteren Punkt festen Potentials und einem zwischen den Adern der Fernmeldeleitung liegenden Punkt schwankenden Potentials veränderbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist nicht Gegenstand der Erfindung, sondern dient als Prinzipschaltbild lediglich der Erläuterung der physikalischen Grundlagen, die für das Verständnis der Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wesentlich erscheinen.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält einen veränderlichen Widerstand 1, der in Reihe zwischen dem Kollektor 2 eines Transistors 3 und einer Klemme 4 einer Speisequelle 5 geschaltet ist. Die andere Klemme 6 dieser Speisequelle ist mit dem Emitter 7 des Transistors verbunden, während dessen Basis 8 mit dem Emitter 7 über eine Stromquelle 9 in Verbindung steht.

Bei einer solchen Schaltung ist der Gleichstrom durch den Widerstand 1 und den Kollektor 2 des Transistors praktisch unabhängig von dem Wert des Widerstands 1, sofern die Spannung zwischen dem Emitter 7 und dem Kollektor 2 nicht unterhalb eines bestimmten Wertes sinkt, der dem Typ des Transistors und den an die anderen Elektroden gelegten Spannungen entspricht. Ein solcher Kreis stabilisiert somit den den Widerstand 1 durchfließenden Strom. Gleichzeitig bedeutet diese Unabhängigkeit des Kollektorgleichstroms von dem Potentialunterschied zwischen Kollektor und Emitter, daß der Transistor für in Reihe oder parallel mit dem Widerstand 1 zugeführte Wechselströme mit einer Amplitude kleiner als der Wert des Gleichstroms eine hohe Impedanz aufweist.

Ein solcher Kreis kann somit zur Speisung eines Verbrauchers, z. B. einer Fernsprechleitung, mit einem konstanten Gleichstrom verwendet werden, wenn schwächere Wechselströme durch diesen Verbraucher fließen, wobei nennenswerte Verluste infolge einer Ableitung der Wechselströme durch den Transistor vermieden werden. Bei einer solchen Schaltung hat ein Kurzschluß des Verbrauchers oder der Leitung keinen wesentlichen Einfluß auf den Strom von der Speisequelle, während, wenn der Verbraucher oder die Leitung unterbrochen wird oder wenn der Widerstand der Vorrichtung einen bestimmten Wert überschreitet, der von der Speisequelle gelieferte Strom sich stark ändert.

Diese Eigenschaften der Unabhängigkeit des Emitter-Kollektor-Stroms in bezug auf die Emitter-Kollektor-Spannung und der hohen Impedanz für Wechselströme treten auf, wenn der Potentialunterschied zwischen Emitter und Kollektor größer ist als der Wert, der dem »Knie« oder »Bogen« der kennzeichnenden Kurven des Transistors entspricht, welche den Emitter-Kollektor-Strom als Funktion der Emitter-Kollektor-Spannung darstellen.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 liegt die Gefahr vor, daß, wenn der Wert des Widerstands 1 derart erhöht wird, daß er praktisch den Betriebsverhältnissen eines offenen Kreises entspricht, ein zu großer Strom zwischen Emitter und Basis des Transistors zu fließen anfängt. In einer praktischen Ausführungsform ist es somit erforderlich, einen Widerstand in den Basiskreis des Transistors in Reihe einzufügen, um dies zu vermeiden. Auf gleiche Weise wird vorzugsweise auch ein Widerstand in den Emitterkreis des Transistors, und zwar in Reihe aufgenommen, um zu verhindern, daß eine zu hohe Spannung zwischen Emitter und Kollektor des Transistors auftritt, wenn der Wert des Widerstands sehr klein gemacht wird.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist der Widerstand 1, der einen Verbraucher oder eine Leitung mit zwei Leitern darstellt, einseitig unmittelbar an die Speisequelle 5 angeschlossen. Bei Anwendung der Erfindung, wobei die zwei Leiter einer Leitung oder die Klemmen eines Verbrauchers gegen beide Klemmen der Speisequelle 5 isoliert sein sollen, muß ein Element mit einer hohen Impedanz für Wechselströme zwischen der Klemme 4 der Speisequelle 5 und der Leitung oder dem Verbraucher eingeschaltet werden. Dieses Element könnte durch eine Sperrinduktivität geeigneten Wertes oder durch eine andere bekannte Vorrichtung gebildet werden. Nach der Erfindung ist es jedoch vorteilhafter, dazu einen zweiten Transistor zu verwenden, so daß ein Transistor mit der Plusklemme einer Batterie und ein Transistor mit deren Minusklemme verbunden ist. Der Wert der Ströme wird jedoch vorzugsweise nur durch einen der Transistoren gesteuert.

Wenn eine Fernsprechleitung so gespeist wird, ist es erwünscht, daß bei geschlossener Schleife der mittlere Wert des Potentials der zwei eine Leitung bildenden Leiter annähernd gleich dem Potential des Mittelpunktes der Batterie ist, um Übersprechen zwischen den Wählimpulsen in verschiedenen Leitungen zu vermeiden, und daß bei Unterbrechung der Schleife das Potential eines der Leiter einen positiveren Wert annimmt und das Potential des anderen Leiters um denselben Betrag negativer wird.

Unter bestimmten Verhältnissen kann es wieder erwünscht sein, ein bestimmtes Verhältnis zwischen den Änderungen der Potentialunterschiede zwischen einem Leiter der Leitung und Erde und zwischen dem anderen Leiter und Erde aufrechtzuerhalten. Dies ist nicht der Fall, wenn die zwei Transistoren unabhängig voneinander eingestellt sind, so daß sie konstante Ströme verschiedenen Wertes durchlassen. Die Einstellung der Transistoren kann jedoch Schwierigkeiten bereiten, wenn sie unter veränderlichen Betriebsverhältnissen gleich eingestellt werden sollen.

Gemäß der Erfindung kann die Schwierigkeit der kritischen Einstellung der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren dadurch vermieden werden, daß dem Potential an der Basis von nur einem der Transistoren ein gewählter Wert erteilt wird, wodurch der Wert des Stroms gesteuert wird, und die Spannung zwischen Emitter- und Basiselektrode des zweiten Transistors selbsttätig geändert wird, um den zweiten Transistor derart einzustellen, daß er annähernd den gleichen Strom wie der erste durchläßt. Dies geschieht dadurch,

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daß einer der Transistoren mit einer Emitterbelastung durch die Leitung oder den Verbraucher 1 oder jede versehen wird, die den konstanten Strom bei ge- Änderung der Reaktanz der Leitung oder des Verschlossener Schleife stabilisiert, und mit einer Basis- brauchers 1 praktisch gleiche Änderungen der bebelastung versehen wird, um den Basisstrom bei offener züglichen Spannungen zwischen jedem der zwei Leiter Schleife zu begrenzen. Das mittlere Leitungspotential 5 der Leitung und Erde hervorrufen, so daß die erkann fixiert werden, indem zwei Widerstände in Reihe wähnten Gleichstrom- oder Reaktanzänderungen keine miteinander über der Leitung angeschlossen werden ungleichen Änderungen der Potentiale der Klemmen und der Potentialunterschied zwischen dem ge- der Leitung oder des Verbrauchers 1 hervorrufen meinsamen Punkt dieser zwei Widerstände und dem können, welche die an die Leitung oder den Verfür die Leitung erwünschten mittleren Potential durch io braucher 1 angeschlossenen Wechselstromkreise beeinen dritten Transistor verstärkt wird. Der verstärkte einflussen könnten. Gleichzeitig kann der Wert des Potentialunterschied wird dabei verwendet, um die Gleichstroms durch die Leitung oder den Verbraucher 1 Basis des zweiten Transistors zu speisen, der den auf jeden gewünschten konstanten Wert eingestellt anderen Leiter der Leitung speist. Auf diese Weise werden, indem das Potential der Basiselektrode des wird der dem zweiten Transistor zugeführte Strom 15 Transistors 3 geändert wird.

selbsttätig derart eingestellt, daß das mittlere Potential Der Transistor 3 a könnte selbstverständlich auch

der Leitung praktisch auf dem gewünschten Wert ge- ein Transistor des npn-Typs sein, welcher Typ dem

halten wird. des Transistors 3 entgegengesetzt ist, der als ein

Fig. 2 zeigt ein praktisches, auf die Prinzipschaltung pnp-Typ-Transistor dargestellt ist. Dabei wären die

nach Fig. 1 gegründetes Ausführungsbeispiel der 20 Verbindungen mit dem Transistor 3 α das Spiegelbild

Schaltungsanordnung nach der Erfindung. In dieser derer mit dem Transistor 3.

Figur bezeichnen die Bezugsziffern 1 bis 8 Schalt- Der Widerstand 12 und/oder der Widerstand 12 a elemente, die denen der Fig. 1 entsprechen. Die können gewünschtenfalls weggelassen werden. Klemmen des Verbrauchers bzw. der Leitung 1 sind Bei einer experimentellen Ausführungsform der mit E und F bezeichnet. Ein Widerstand 12 ist mit 25 Schaltung nach der Erfindung wurde eine Speisedem Emitter 7 des Transistors 3 in Reihe geschaltet, batterie von 50 V mit geerdeter Plusklemme verwendet, und die Basis 8 desselben Transistors ist an den Der Emitter des ersten Transistors 3 war über einen Punkt B eines Widerstandsnetzwerkes 10, 11 gelegt, Widerstand von 82 Ohm geerdet. Die Basis dieses das über der Speisequelle 5 angeschlossen ist. ersten Transistors 3 war über einen Widerstand von Der zweite Transistor ist mit der Bezugsziffer 3 a 30 470 Ohm mit Erde verbunden und über einen Widerbezeichnet. Die mit dem Transistor 3 a zusammen- stand von 3900 Ohm an die Minusklemme der Speisewirkenden Elemente sind mit Bezugsziffern mit dem batterie angeschlossen. Der Kollektor des ersten Tran-Index »α« bezeichnet. Der Kollektor 2 a des Tran- sistors 3 war mit dem Leiter der Leitung verbunden, sistors3a ist an die Klemme 4 der Speisequelle 5 an- der auf einem positiven Potential gehalten werden geschlossen, während der Emitter la über einen 35 mußte. Das Potential der Basis dieses Transistors 3 Widerstand 12 a mit der Klemme £ der Leitung oder hatte einen Wert von etwa —5,5 V gegen Erde. Der des Verbrauchers 1 verbunden ist. Kollektor des zweiten Transistors 3 a war unmittelbar Die Basiselektrode dieses Transistors 3 α ist bei C an die Minusklemme der Batterie 5 angeschlossen, mit dem Kollektor 2 & eines dritten Transistors 3 & und während seine Basis 8 a über einen Widerstand von über einen Widerstand 10 a mit der Klemme 4 der 40 2200 Ohm mit der Minusklemme der Batterie 5 und Speisequelle 5 verbunden. Die Basis 8 b des Tran- sein Emitter 7a unmittelbar mit dem negativen Leiter sistors 3b ist an den gemeinsamen Punkt D von zwei der Leitung 1 verbunden war. Die Basis 8 a des zweiten Widerständen 10 & und 11 b angeschlossen, die in Transistors 3 a war außerdem mit dem Kollektor 2 b Reihe miteinander über der Leitung oder den Ver- eines dritten Transistors 3 b verbunden, dessen Emitter braucher 1 angeschlossen sind, und der Emitter Tb 45 7 b an eine Mittelanzapfung der Batterie 5 angedieses Transistors 3 b ist mit einer Anzapfung A der schlossen war und dessen Basis 8 b mit dem geStromquelle 5 verbunden. meinsamen Punkt D zweier gleicher Widerstände 10 b Bei der Schaltung nach Fig. 2 kann der Strom und 11 b verbunden war, die in Reihe miteinander durch die Leitung oder den Verbraucher 1 auf einen über die Leitung 1 geschaltet waren und die je einen praktisch konstanten Wert eingestellt werden durch 50 Wert von 10 000 Ohm hatten.

geeignete Wahl der Werte der Widerstände 10 und 11, " Bei dieser Schaltungsanordnung wird der Strom,

welche die Basisspannung des Transistors 3 steuern. der bei geschlossener Schleife dem positiven Leiter

Durch passende Wahl der Anzapfung A der Strom- der Leitung 1 zufließen kann, durch den in Reihe mit

quelle 5, die mit dem Emitter 7 b verbunden ist, und dem Emitter des ersten Transistors geschalteten

der bezüglichen Werte der Widerstände 10 b und 11 b, 55 Widerstand gesteuert, während dieser Strom bei

über deren Verbindungspunkt D die Basis des Tran- offener Schleife durch das in den Basiskreis des ersten

sistors 3 b gespeist wird, kann das Verhältnis zwischen Transistors 3 eingefügte Widerstandsnetzwerk 10, 11

den bezüglichen Spannungsabfällen über die beiden geregelt wird.

Transistoren praktisch konstant gehalten werden, und Der über den zweiten Widerstand dem negativen infolgedessen, wenn die Stromquelle 5 mit Erde ver- 60 Leiter der Leitung zufließende Strom wird durch den bunden ist, kann das Verhältnis zwischen den be- dritten Transistor 3b selbsttätig auf einen solchen züglichen Änderungen der Spannungen zwischen jedem Wert eingestellt, daß das mittlere Potential der Leider zwei Leiter oder Klemmen der Leitung bzw. des tung 1 annähernd gleich dem Potential der Mittel-Verbrauchers 1 und Erde auch praktisch konstant ge- anzapfung A der Batterie ist.

halten werden. 65 In bezug auf Wechselströme weisen die Tran-Falls der Emitter 7 b des Transistors 3 b mit einer sistoren eine hohe Impedanz auf, und infolgedessen Mittelanzapfung der Stromquelle 5 verbunden ist, ist die Überbrückung der Leitung 1 durch diese Tranwährend die Widerstände 10 & und 11b annähernd sistoren vernachlässigbar. Bei dieser Schaltung zur einen gleichen Wert haben und die Stromquelle 5 ge- Speisung der Leitung 1 ist es nur notwendig, Sperrerdet ist, kann z. B. jede Änderung des Gleichstroms 70 kondensatoren in Reihe mit der Leitung 1 zu schalten,

um Wechselstrom durchzulassen und den Gleichstrom nach den Teilen der der Leitung 1 zugehörenden Apparatur zu sperren, die gegen die Gleichstromquelle 5 isoliert werden müssen.

Bei dieser Schaltung zur Zuführung von Gleichstrom an die Leitung blieb der die Leitung 1 durchfließende Strom trotz Änderungen des Leitungswiderstands zwischen 0 und 800 Ohm konstant gleich 50 mA, während Änderungen des Gleichstroms zwischen 40 mA und 100 mA häufig auftreten, wenn die Lei- to tung 1 über einen Ballastwiderstand mit einem Nennwert von 100 mA gespeist wird.

Bei Speisung einer Leitung von 600 Ohm war der im wesentlichen infolge des Uberbrückungswiderstands auftretende Verlust an Wechselstromenergie etwa 0,12 db, während die Änderungen des Pegels der im Mikrophon erzeugten Sprechströme infolge Änderungen des Leitungswiderstands um 3 oder 4 db verringert wurden, wobei Geräusche infolge eines zu starken Mikrophonstroms außerdem praktisch beseitigt waren.

Claims (2)

PaTENTANSPKÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zum symmetrischen Einspeisen und Konstanthalten des Speisegleichstroms von Fernmeldeleitungen unterschiedlichen Widerstands, über die Wechselströme mit im Vergleich hierzu kleinen Amplituden übertragbar sind, insbesondere von Fernsprechteilnehmerleitungen, mittels zwischen der Gleichspannungsquelle und der Einspeisungsstelle eingeschleiften Transistoren, deren Emitter-Kollektor-Ströme praktisch unabhängig sind von kleinen Änderungen der Emitter-Kollektor-Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einspeisungsstelle beide Adern (E, F) der Fernmeldeleitung (1) über die Emitter-Kollektor-Strecken (7a-2a bzw. 7-2) je eines Transistors (3 a bzw. 3) mit den entsprechenden Polen (4 bzw. 6) der Gleichspannungsquelle (5) verbunden sind und daß die Basis (8) des einen Transistors (3) an einen Punkt (B) festen Potentials angeschaltet ist und die Basis (8 a) des anderen Transistors (3 a) an einen Punkt (Q angeschlossen ist, dessen Potential durch den Potentialunterschied zwischen einem weiteren Punkt (A) festen Potentials und einem zwischen den Adern (E, F) der Fernmeldeleitung (1) liegenden Punkt (D) schwankenden Potentials veränderbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Adern (E, F) der Fernmeldeleitung (1) liegende Punkt (D) schwankenden Potentials durch den Abgriff eines aus zwei gleich großen Widerständen (10 b, 11 b) bestehenden Spannungsteilers gebildet ist und daß der Punkt (A) festen Potentials praktisch in der Mitte zwischen den Klemmen (4, 6) der Gleichspannungsquelle (5) liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 063 646;

britische Patentschrift Nr. 752 031;

USA-Patentschrift Nr. 2693 568.

F. Lubberger »Überblick über alle Fernsprech-Ortsanlagen mit Wählbetrieb«, R. Oldenbourg Verlag München und Berlin, 1941, Bild 125 und S. 104;

The Bell System Technical Journal, 1954, Juli, S. 827 bis 858;

Bell Laboratories Record, 1955, September, S. 344 bis 349.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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