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Steuerstromkreis zum Steuern der Ausgangsspannung einer Wechselstromquelle
Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerstromkreis zum im wesentlichen verzerrungsfreien
Steuern der Ausgangsspannung einer Wechselstromquelle mit zwei Elementen, die eine
nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik aufweisen, und Mitteln zum Anlegen einer
Gleichspannung an diese Elemente, wobei die nichtlinearen Elemente zum Ausgang der
Wechselstromquelle parallel und mit den Mitteln zum Anlegen einer Gleichspannung
in Reihe geschaltet sind.
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Stromkreise, die zwei nichtlineare Elemente in der vorstehend angegebenen
Anordnung umfassen, sind an sich bekannt und werden für verschiedene Zwecke in der
Fernmeldetechnik verwendet. So ist es z. B. bekannt, zum Regeln der Dynamik in Schallübertragungsanlagen
zwei nichtlineare Elemente parallel zum Ausgang einer Wechselstromquelle zu schalten,
wobei Mittel zum Anlegen einer veränderlichen Regelgleichspannung in einem die nichtlinearen
Elemente enthaltenden Parallelkreis eingeschaltet sind. Hierdurch wird die Anordnung
unsymmetrisch, so daß nicht nur die Nutzwechselspannung, sondern auch die Regelspannungsschwankungen
an den Nutzkreis übertragen werden, was bei den meisten Anwendungen nicht erwünscht
ist.
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Der Steuerstromkreis gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden die nichtlinearen Elemente enthaltenden Parallelkreise in Bezug auf
die angelegte Gleichspannung ausgeglichen sind und daß die Mittel zum Anlegen einer
Gleichspannung eine Gleichstromquelle zum Anlegen einer Anfangsvorspannung in der
Vorwärtsrichtung der beiden Elemente sowie Mittel zum Ändern der Vorspannung entsprechend
einer Steuerspannung umfassen.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß sich die veränderliche
Regelspannung nicht der zu übertragenden Wechselspannung überlagert. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, daß durch die nichtlinearen Elemente in einfacher Weise ein
Ruhestrom erzielt wird, ohne das Gleichgewicht der von den Parallelkreisen gebildeten
Brückenschaltung zu stören.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut zur selbsttätigen
Regelung des Verstärkungsgrades eines Verstärkers entsprechend einer von der durch
den Verstärker übertragenen Signalenergie abgeleiteten Steuerspannung.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung näher veranschaulicht,
und zwar zeigt Fig. 1 ein Schaltschema gemäß der Erfindung und Fig. 2 ein Schaltschema,
das die Erfindung in Anwendung auf Verstärker in einem Gegensprechververkehrsystem
darstellt, wobei der Verstärkungsgrad beider Verstärker entsprechend den Signalen
im aktiven Verstärker geregelt wird.
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In. Fig. 1 bezeichnet G einen Wechselstromgenerator mit einer inneren
Impedanz Z, Eine Belastungsimpedanz Z ist an den Ausgang des Generators G in Reihe
mit zwei Kondensatoren C 1 und C 2 angeschlossen. D 1 und D 2 sind
nichtlineare Elemente, die vorzugsweise aus Gleichrichterdioden bestehen. Jede der
Dioden D 1 und D 2 ist mit einem Kondensator C 3 bzw. C 4 in Reihe
verbunden, und die beiden Reihenkombinationen einer Diode mit einem Kondensator
sind parallel über den Ausgangskreis des Generators verbunden. Eine Gleichstromquelle
E liefert eine Gleichstromvorspannung zu den beiden in Reihe liegenden Dioden D
1 und D2. Die Dioden sind in dem Gleichstromkreis in derselben Richtung gepolt,
so daß die Vorspannung Strom durch beide Dioden treibt.
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Die Dioden D 1 und D 2 haben gleiche Charakteristiken, und die Spannung
der Gleichstromquelle wird gleichmäßig an die Dioden verteilt, so daß die
Vorspannung
an jeder Diode die Hälfte der Spannung der Gleichstromquelle hat, solange vom Generator
G den Dioden keine Wechselspannung zugeführt wird. Wenn der Generator in Tätigkeit
ist, wird über die Dioden der Gleichstromvorspannung eine Wechselspannung überlagert,
und so wird erreicht, daß, wenn die resultierende Spannung an einer Diode gleich
der Summe der Gleichstromvorspannung und des Augenblickswertes der Wechselspannung
ist, die Spannung an der anderen Diode gleich der Differenz zwischen der Gleächstromvorspannung
und dem Augenblickswert der Wechselspannung ist.
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Die Dioden D 1 und D 2 haben eine Strom-Spannungs-Charakteristik
in ihrer Vorwärtsrichtung, bestimmt durch die Formel 1=kE", worin 1 der Strom durch
die Diode ist, E die Spannung an der Diode und k und n Konstanten
sind.
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Es sei jetzt angenommen, daß die Impedanz Z sehr hoch ist, so daß
der Strom hier hindurch außer acht gelassen werden kann, und daß die Kondensatoren
C 1, C 2, C 3 und C 4 so große Kapazitäten haben, daß sie dem Wechselstrom eine
vernachlässigbare Impedanz bieten, dann ist der Ausgangsstrom aus dem Generator
G i = k (V +e)- - k (V - e)-, worin i der Augenblickswert des Ausgangsstroms
aus dem Generator, V die an jeder Diode durch die Gleichstromquelle E erzeugte Gleichstromvornung,
e der Augenblickswert der vom Generator G über den Ausgangskreis erzeugten Wechselspannung
und k und n die obenerwähnten Konstanten sind.
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Diese Formel ist so lange anwendbar, wie e kleiner ist als V, so daß
in den Dioden keine Gleichrichtung stattfindet.
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Man sieht, daß, wenn n größer ist als Eins, d. h. der Strom durch
die Dioden eine nichtlineare Funktion der Spannung ist, der Strgm i von der Gleichstromvorspannung
V der Dioden abhängig ist. Wenn n=2, ist der Strom i gleich 4kVe, so daß
in diesem Falle die resultierende Admittanz der zwei Dioden für den Wechselstrom
eine lineare Funktion der Vorspannung V ist, jedoch unabhängig von e. Wenn n größer
als 2 ist, ist diese Admittanz nicht nur von V, sondern. auch von e abhängig, was
bedeutet, daß die Wellenform der Ausgangsspannung nicht mehr die gleiche ist wie
die im Generator G entwickelte elektromotorische Kraft oder, mit anderen Worten,
daß Verzerrung eintritt. Wenn jedoch e im Vergleich zu V klein ist, ist diese Verzerrung
vernachlässigbar, und Dioden mit einem Wert von n größer als 2 wurden bei der praktischen
Anwendung der Erfindung mit Vorteil benutzt.
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Wenn G und Zg eine Verstärkerstufe in einem Verstärker darstellen
und Z eine andere Stufe in demselben Verstärker darstellt, kann der gesamte Verstärkungsgrad
des Verstärkers verändert werden, indem man die Spannung der Gleichstromquelle E
ändert. Diese Spannung kann aus einer gleichbleibenden Komponente, z. B. durch die
Quelle, die Gleichstrombetriebsleistung für den Verstärker abgibt, und aus einer
Komponente zusammengesetzt sein, die von dem Wechselstromsignal, das durch den Verstärker
gelaufen ist, abgeleitet ist und die entsprechend der Stärke dieses Signals variiert,
wobei der Verstärkungsgrad des Verstärkers selbsttätig geregelt wird. Die gleichbleibende
Spannung bestimmt den Aufangsverstärkungsgrad des Verstärkers, das ist der Verstärkungsgrad,
wenn kein Signal durch den Verstärker geht. Die veränderliche Spannungskomponente
kann so angelegt werden, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers entweder erhöht
oder bei zunehmender Signalstärke gemindert wird.
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Fig. 2 zeigt die Erfindung in Anwendung auf ein Gegenfernsprechverkehrsystem
zur selbsttätigen Steuerung des Verstärkungsgrades zweier Verstärker, wobei für
jede Übermittlungsrichtung ein Verstärker vorgesehen ist. Die Verstärker, welche
in der Figur nicht gezeigt werden, können von bekannter Art sein. Ein Steuerstromkreis
der oben beschriebenen Art ist für jeden Verstärker vorgesehen. Der Steuerstromkreis
des einen Verstärkers, im nachstehenden erster Verstärker genannt, umfaßt Dioden
D 9 und D 10, der Steuerstromkreis des zweiten Verstärkers Dioden
D 7 und D B.
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Beide Verstärker sind mit bekannten Mitteln zum Ableiten einer entsprechend
der durch den jeweiligen Verstärker gehenden. Signale variierenden Wechselspannung
aus einer Stufe des Verstärkers versehen. Diese Spannung, im nachstehenden Steuerspannung
genannt, wird gleichgerichtet, um eine entsprechend der Signalstärke variierende
Gleichspannung zu erzeugen, und die gleichgerichtet-- Steuerspannung wird an den
Steuerstromkreis angelegt, um eine Regelung des Verstärkungsgrades des Verstärkers
in der nachstehend beschriebenen Weise zu bewirken.
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Die Steuerspannung aus dem ersten Verstärker wird an die erste Wicklung
des Transformators T 1 angelegt, während die aus dem zweiten Verstärker abgeleitete
Steuerspannung an Transformator T2 angelegt wird. Jeder der Transformatoren
T 1 und T 2
hat zwei getrennte Sekundärwicklungen, die mit I und 1I
bezeichnet sind. Gleichrichter D 3, D 4, D 5 und D 6 sind mit den Sekundärwicklungen
der Transformatoren verbunden, um die an den entsprechenden Wicklungen auftretende
Wechselspannung gleichzurichten. Der mit der Wicklung I jedes Transformators verbundene
-Gleichrichter ist an den Steuerstromkreis desjenigen Verstärkers angeschlossen,
welcher Steuerspannung an die Primärwicklung des Transformators liefert, während
der mit der Wicklung II jedes Transformators verbundene Gleichrichter mit dem Steuerstromkreis
des anderen Verstärkers verbunden ist. So ist der Ausgangskreis des mit der Wicklung
I des einen Transformators verbundenen Gleichrichters mit dem Ausgangskreis des
der Wicklung II des anderen Transformators zugeordneten Gleichrichters parallel
geschaltet.
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Dioden D 9 und D 10 des Steuerstromkreises des ersten
Verstärkers erhalten von einer geeigneten Gleichstromquelle über Widerstände R 13
und R 17 Vorspannung. Diese Vorspannung treibt einen Gleichstrom durch die Dioden,
welcher den Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungs-Charakteristik der Dioden bestimmt,
Klemmen a und b sind mit dem Eingang einer Verstärkerstufe des Verstärkers verbunden,
und die Admittanz zwischen diesen Klemmen steuert den Verstärkungsgrad des Verstärkers.
Die Vorspannung auf den Dioden D 9 und D 10 bestimmt die Anfangsadmittanz zwischen
den Klemmen a und b und demzufolge den Anfangsverstärkungsgrad des
Verstärkers.
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Die Kondensatoren C 15 und C 16 zusammen mit den Widerständen R 14
und R 16 und den Kondensatoren
C 13 und C 14 bilden einen Tiefpaßfilter,
um zu verhindern, daß irgendeine verbleibende Hochfrequenzkomponente in der gleichgerichteten
Steuerspannung an die Dioden D 9 und D 10 angelegt wird. Der Widerstand R 18 dient
als Entladungswiderstand für die Kondensatoren C15 und C16, und sein
Widerstandswert ist so gewählt, daß bei Aufhören der Steuerspannung der Verstärkungsgrad
mit einiger angemessener Verzögerung seinen Anfangswert zurückgewinnt.
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Der Steuerstromkreis ist in bezug auf die Klemmen a und
b vollkommen ausgeglichen, und Veränderungen in der an die Dioden angelegten
Gleichstromspannung bewirkten keinerlei Veränderung der Polarität von Klemme
a gegenüber Klemme b.
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Der Steuerstromkreis des zweiten Verstärkers einschließlich Dioden
D7 und D 8 ist von der gleichen Art wie der Steuerstromkreis des ersten
Verstärkers. Klemmen c und d sind mit einer Verstärkerstufe im zweiten Verstärker
verbunden.
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An die Gleichrichter D 5 und D 3 wird über Widerstände
R 12 und R 15 Vorspannung angelegt, so daß Gleichrichter D 5 eine negative Vorspannung
und Gleichrichter D 3 eine positive Vorspannung erhält. Gleichrichter D 4 und D
6 erhalten in ähnlicher Weise durch Widerstände R 7 und R 6 Vorspannung.
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Es sei nun angenommen, daß Signale, z. B. Sprechsignale, durch den
ersten Verstärker gehen. Dann wird eine entsprechend den Signalen variierende Wechselsteuerspannung
an die Primärwicklung des Transformators T 1 angelegt. Die in der Sekundärwicklung
I des Transformators T 1 induzierte Spannung wird durch den Gleichrichter D 5 gleichgerichtet.
Die gleichgerichtete Spannung erscheint an dem Filterkondensator C 10 mit der in
der Figur angegebenen Polarität. Die Widerstände R 11 und R 10 bilden einen Spannungsteiler
für die gleichgerichtete Spannung, und von den Punkten r und s dieses
Spannungsteilers wird die gleichgerichtete Spannung durch den Tiefpaßfilter an die
Dioden D 9 und D 10 im Steuerstromkreis des ersten Verstärkers angelegt. Diese Spannung
wird mit einer solchen Polarität angelegt, daß sie der durch die Widerstände R 13
und R 17 gelieferten Vorspannung entgegenwirkt, und demzufolge wird die Admittanz
zwischen den Punkten a und b vermindert, was zu einer Erhöhung des
Verstärkungsgrades des ersten Verstärkers führt.
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Gleichzeitig wird die in Sekundärwicklung II des Transformators T1
induzierte Wechselspannung durch Gleichrichter D 6 gleichgerichtet, und die gleichgerichtete
Spannung erscheint an Filterkondensator C 9 mit der in der Figur angegebenen Polarität.
Von den durch die Widerstände R 8 und R 9 gebildeten Punkten t und
u an dem Spannungsteiler wird diese Spannung durch den Tiefpaßfilter an die
Dioden D 7 und D 8 im Steuerstromkreis des zweiten Verstärkers angelegt. Die Spannung
ist an die Dioden mit einer solchen Polarität angelegt, daß sie zu der an die Dioden
durch die Widerstände R 4 und R 5 gelieferten Vorspannung hinzukommt und demzufolge
die Admittanz zwischen den Punkten c und d erhöht wird, was zu einer Verminderung
des Verstärkungsgrades des zweiten Verstärkers führt.
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Wenn Signale durch den zweiten Verstärker gehen, wird die von diesem
Verstärker abgleitete Steuerspannung an die Primärwicklung des Transformators T2
angelegt. Die in den Sekundärwicklungen I und II dieses Transformators induzierten
Spannungen werden von den Gleichrichtern D 4 bzw. D 3 gleichgerichtet,
und die gleichgerichteten Steuerspannungen werden analog zu der zuvor beschriebenen
Weise an die Steuerstromkreise der entsprechenden Verstärker angelegt. Jedoch werden
in diesem Falle die Steuerspannungen mit solcher Polarität angelegt, daß der Verstärkungsgrad
des zweiten Verstärkers erhöht wird, während der Verstärkungsgrad des ersten Verstärkers
vermindert wird.
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Wie oben erwähnt, haben die Gleichrichter D 3, D42 D 5 und
D 6 eine Gleichstroinvorspannung. Daher erzeugen die Gleichrichter keinen
Ausgangsgleichstrom, es sei denn, daß die daran angelegte Wechselspannung einen
zuvor bestimmten Wert übersteigt. Folglich beginnt die Steuerung nicht, bevor die
Signalstärke einen vorbestimmten Wert in dem aktiven Verstärker übersteigt. Außerdem
haben die Wicklungen 1I der Transformatoren T 1 und T 2 eine größere
Anzahl von Wicklungen I, so daß bei jeder Spannung, die an die Primärwicklung angelegt
wird, die in Wicklung Il induzierte Spannung immer größer ist als die in Wicklung
I induzierte. So beginnt der mit Wicklung II verbundene Gleichrichter eher Ausgangsgleichstrom
zu erzeugen als der mit Wicklung I verbundene Gleichrichter. Daraus folgt, daß die
Steuerung in dem passiven Verstärker eher beginnt als die Steuerung in dem aktiven
Verstärker.
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Die Schaltelemente C 11, C 12 entsprechen in ihrer Wirkungsweise den
Schaltelementen C 10 und C 9; C 5, C 6, C 7, C 8 entsprechen C 13, C 14,
C 15, C 16, und R 1 entspricht R 18.
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Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung hat sich beim Steuern des Verstärkungsgrades
von Sprechverstärkern in Fernsprechsystemen, in welchen die Teilnehmerstationen
mit Lautsprechern versehen sind, besonders vorteilhaft erwiesen. Bei solchen Systemen
können Eigenschwingungen in dem zwei Teilnehmer miteinander verbindenden Verbindungskreis
auftreten, weil von den Teilnehmerstationen Schallenergie von dem Lautsprecher an
das Mikrophon übertragen wird, so daß ein Signal in dem Verbindungskreis wiederholt
hin- und zurückübertragen werden kann, was ein Heulen in den Lautsprechern der Teilnehmerstationen
bewirkt. Diese Wirkung kann mittels der in Fig.2 gezeigten Anordnung gänzlich ausgeschaltet
werden bei gleichzeitigem ziemlich hohem Anfangsverstärkungsgrad in den Verstärkern
der Anordnung.