DE2535789A1

DE2535789A1 - Kapazitives koppelnetzwerk

Info

Publication number: DE2535789A1
Application number: DE19752535789
Authority: DE
Inventors: Israel Levi
Original assignee: Northern Electric Co Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1974-09-05
Filing date: 1975-08-11
Publication date: 1976-03-18
Also published as: JPS5152213A; NL7509128A; SE400437B; SE7509850L; US3912878A; GB1485717A; CA990423A; FR2284230A1

Description

P ATE N TA N WALTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den _{U AU& t975}

b/Sv-N 2054

NOEIBEEN ELECTEIC COMPANY LIMITED 1600 Dorchester Boulevard West Montreal, Quebec, Canada HJH, 1E1

Kapazitives Koppelnetzwerk

Die Erfindung "betrifft ein kapazitives Koppelnetzwerk mit einem positiven Kondensator, welcher in Serie mit einem etwas größeren negativen Kondensator geschaltet ist, wobei letzterer so ausgebildet ist, daß er in Sättigung geht, wenn die angelegte Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, so daß die Gesamtkapazität des Netzwerkes für große Signale drastisch reduziert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein kapazitives Koppelnetzwerk, das einen negativen Kondensator benutzt, welcher besonders angepaßt ist, um Sprachfrequenzsignale über eine Telefonleitung zu shunten, um auf diese Weise eine Verstärkung mit vernachlässigbarer Verzerrung der Wählscheibenimpulse zu erhalten.

DH. G. MANITZ · D1PU-1NG. M. FINSTERWALD \ DIP U.-ING. W. ORAMICOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN β MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I ' 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270 TEL. CO89I 22 42 11. TELEX β-29672 PATMF SEELBERGSTR.23/2S.TEL.«07111067261 POSTSCHECK: MÜNCHEN 77O62-8OS

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Bei der Auslegung von Zweidrahtverstärkern für Sprachfrequenz für Telefonleitungen ist es notwendig, einen Gleichstrompfad durch den Verstärker für Schalt- und Signalfunktionen zu erhalten. Um die niederfrequenten Schalt- und Wählscheibensignale nicht unnötig zu verzerren, muß die Telefonleitung und das Gerät einen so kleinen Serienwiderstand und Induktanz und/ oder Shuntkapazität wie möglich darstellen. Auf der anderen Seite ist eine relativ hohe Serieninduktanz und Shuntkapazität erforderlich, um ein Ankoppeln an den Sprachfrequenzverstärker in dem obengenannten Verstärker zu ermöglichen.

Heutzutage haben Verstärker mit negativer Impedanz erfolgreich mit Hybrxdkonstruktxonen wegen der geringeren Anforderung an die Shuntkapazität gewetteifert. Die typische Shuntkapazität eines Hybridverstärkers ist 2 hF im Vergleich zu etwa 0,3 pW für den Typ mit negativer Impedanz. Der Hybridverstärker hat jedoch eine bessere Übertragungscharakteristik und ein höheres Anwendungspotential als der Verstärker mit negativer Impedanz, aber dessen 2 nF Shuntkapazität sind, obwohl klein für Sprachfrequenzsignale, für die niederfrequenten Wählscheibenimpulse übermäßig groß und verursachen eine sehr hohe Wählfehlerrate, die seine Anwendung stark begrenzt haben.

Die vorliegende Erfindung sieht ein pegelabhängiges kapazitives Koppelnetzwerk vor, das, wenn es an die Stelle des Mittelpunkt-Kondensators in einem Sprachfrequenz-Hybridverstärker eingesetzt wird, eine relativ große Shuntkapazität bei Sprachfrequenzsignalen mit niedrigem Pegel norsieht und eine relativ kleine Shuntkapazität für die niederfrequenten Wählscheibenimpulse mit hohem Pegel. Die Prinzipien der Erfindung sind gleichermaßen auf Jedes kapazitive Koppel- oder Shuntnetzwerk innerhalb und außerhalb der Telefonindustrie anwendbar, wo ähnliche Bedingungen bestehen.

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Das kapazitive Koppelnetzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: einen positiven Kondensator iind ein negatives Kapazitätsnetzwerk verbunden in Serie- Das negative Kapazitätsnetzwerk hat eine größere absolute Kapazität als der positive Kondensator und ist so ausgebildet, daß es in Sättigung geht, wenn die Spannung über das Netzwerk größer als eine vorbestimmte Spannung ist. Das Netzwerk funktioniert als eine positive Kapazität mit größerer Kapazität als der positive Kondensator für Signale kleiner als die vorbestimmte Spannung, und als positive Kapazität von kleinerer Kapazität als der positive Kondensator für Signale, die kleiner als die vorbestimmte Spannung sind. In einem Telefonübertragungssysteni wird bei Einsetzen des kapazitiven Koppelnetzwerkes über die Gleichstrom-Überbrückungsleitungen einer Verstärkerspule in einem Hybridverstärker eine höhere Shuntkapazität für die kleinen Sprachsignale und eine kleinere Shuntkapazität für die größeren Wählscheibenimpulse erreicht, wobei eine verbesserte Übertragungsqualität und eine vernachlässigbare Wählscheibenimpulsverzerrung erreicht wird.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. i ein schematisches Blockschaltbild eines kapazitiven Koppelnetzwerks, welches Teil eines Zweidraht-Hybrid— Verstärkers ist,

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom über die in Fig. 1 gezeigten Grundbausteine des kapazitiven Koppelnetzwerks und

Fig. 3 cLie kapazitiven Eigenschaften des Koppelnetzwerks nach Fig. 1.

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In der Beschreibung und den Figuren sind einige der Bauteile durch Bezugszeichen identifiziert, welche mit den in den nachfolgenden Gleichungen benutzten Symbolen übereinstimmen.

In Fig. 1 ist das kapazitive Koppelnetzwerk gezeigt, das über die Ader T und die Signal-Überbrückungsleitungen R einer Telefonleitung zwischen den Anschlüssen 10 und 11 verbunden ist und im wesentlichen einen positiven Kondensator 0 enthält, welcher in Serie mit einem negativen Kondensator C von etwas

list. ⁿ

größerer absoluter Größe verburxLen/ Das Koppelnetzwerk bildet einen Teil eines Zweirichtungs-Zweidraht-Hybridverstärkers in einem Telefonübertragungssystem, dessen Aufbau im einzelnen aus der nachfolgenden Beschreibung seiner Funktion und Arbeitsweise hervorgeht.

Beim Betrieb des Verstärkers sind sowohl die Wählscheibenimpulse als auch die Sprachfrequenzsignale jeweils an die Leitungen T., R. oder Tp, Rp der Telefonleitung angekoppelt. Die Sprachfrequenzsignale sind über die angepaßten Windungen

20 und 21

des Hybrid-Transformators/ der Verstärker 22 und 23» der Tiefpaßfilter 24 und 25 angekoppelt und erscheinen an den ausgehenden Leitungen T₂, R₂ oder T_x., R_x. in der bekannten Art und Weise.

Da die niederfrequenten Wählecheibenimpulse durch Pulsen der Gleichspannung auf der Telefonleitung übertragen werden, ist es notwendig, einen Gleichstrompfad entlang der Überbrückungsleitungen T und R durch den Hybridverstärker vorzusehen. Zusätzlich muß ein Wechselstrompfad zwischen den Überbrückungsleitungen T und R vorgesehen sein, um den Wechselstrompfad für die Sprachfrequenzsignale an den Eingangs- und Ausgangswicklungen der Hybrid-Transformatoren 20 und 21 zu vervollständigen.

In der Vergangenheit wurde die letztgenannte Forderung durch einen 2 uF-Kondensator erfüllt, der parallel zur Leitung zwi-

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sehen den Anschlüssen 10 und 11 geschaltet war. Ein solcher Kondensator bildet jedoch eine Grenze für die Kopplung bei Sprachfrequenzen, so daß vorzugsweise ein 4- χϋΡ -Kondensator benutzt wird. Es ist jedoch offensichtlich, daß dieser 2 nS-Kondensator auch die niederfrequenten Wählscheibenimpulse shuntet, was sie stark verzerrt und in der Vergangenheit eine relativ hohe Wählfehlerrate verursacht hat. Dies kann durch Reduzierung der 2 uF-Shuntkapazität um eine Größenordnung vermieden werden. Dies ist jedoch mit den Erfordernissen für die Sprachfrequenzsignale unverträglich. Konsequenterweise bildet der heutzutage verwendete 2 ;uF~ Kondensator zwischen den Überbrückungsleitungen T und R einen relativ schlechten Kompromiß für die auseinanderlaufenden Forderungen betreffend Wählscheibenimpulse und Sprachsignale.

Das kapazitive Koppelnetzwerk mit dem positiven Kondensator C , welches mit dem absolut etwas größeren negativen Kondensator C zwischen den Anschlüssen 10 und 11 in Reihe verbunden ist, überwindet diese anscheinend paradoxe Situation wirkungsvoll. Die resultierende äquivalente Kapazität C ist gegeben durch die Gleichung:

V⁰

Wenn G =» 0,2^F und G_n = -0,21 nF, dann ist G₂, = 4,2 hF.

Dadurch wird ein befriedigendes Shunten der Sprachfrequenzsignale über die Überbrückungsleitungen T und R der Telefon leitung erreicht, um den Wechselstrompfad durch die Hybrid-Transformatoren 20 und 21 zu vervollständigen. Jedoch würde eine solche Kapazität die niederfrequenten Wählscheibenimpulse stark verzerren, welche durch Unterbrechen der Gleich spannung auf der Telefonleitung mit etwa einer Frequenz von 10 Hz erzeugt werden.

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Dieses zusätzliche Problem wird durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß der negative Kondensator 0 so ausgebildet ist, daß sein aktiver Teil während der Anwesenheit von niederfrequenten Signalen mit hohem Pegel wie die Wählscheibenimpulse in Sättigung geht. Wenn der negative Kondensator C gesättigt ist, arbeitet er im wesentlichen wie ein posi tiver Kondensator, so daß die totale Kapazität der beiden Kondensatoren G und 0 in Serie etwas geringer als die des positiven Kondensators 0 alleine ist. Da der positive Kondensator G einen ^ert von nur 0,2 joF hat, passieren die Wählscheibenimpulse den Hybridverstärker im wesentlichen unverzerrt.

Der negative Kondensator G_n setzt sich aus einer Mehrzahl von Bauelementen zusammen, die als negatives Kapazitätsnetzwerk zusammenwirken. Dieses Netzwerk hat einen grundsätzlich bekannten Aufbau und enthält einen Operationsverstärker A, der von einer Stromversorgung PS mit floatendem Potential versorgt wird, welche sowohl positive als auch negative als auch neutrale Ausgänge V+ bzw. V- bzw. N hat. Eine positive Rückkopplung wird durch ein Spannungsteilernetzwerk mit Widerständen R. und Ro erzielt, während eine negative Rückkopplung über einen Kondensator G_f erreicht wird, welcher parallel zu einem relativ großen Widerstand R-, und in Reihe mit einem kleinen Abgleichwiderstand R^ liegt. Die Größe des negativen Kondensators G_n ist durch die Werte der Bauteile G„, R., R₂, R-, R^ des Rückkopplungsnetzwerkes bestimmt und ergibt sich etwa zu:

^Cn * -°f ^-

Die Spannungsbegrenzerdioden D. und Dp sorgen zusammen mit dem Varistor VR für einen Schutz gegen eine 60 Hz-Sprungwelle und gegen Blitzschlag. Zusätzlich schützt ein Oszillator-Schwingkreis aus einem Kondensator G.. und einer Spule L, gegen Sättigung des negativen Kondensators G durch 60 Hz-Brum men, welches auf schlecht symmetrierten Telefonleitungen auftreten kann.

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Wenn der negative Kondensator G_n ungesättigt ist, ergibt sich die vom negativen Kondensator G gelieferte Spannung V , der Spannungsabfall V über das kapazitive Koppelnetzwerk und der Spannungsabfall V über den positiven Kondensator G wie folgt:

V=V^

- 1) (₅)

Da der resultierende Kondensator G_r größer als der positive Kondensator C ist, wenn G_n ungesättigt ist, sind beide Spannungen V und V_n größer als die angelegte Spannung V wie in Fig. 2 gezeigt. Es ist offensichtlich, daß, wenn der absolute Wert des negativen Kondensators G sich dem des positiven Kondensators 0 annähert, vom negativen Kondensator G_n sehr große SpannungsSchwankungen gefordert werden. Die Fähigkeit des negativen Kondensators G Signale zu verarbeiten, ist durch folgende Gleichung gegeben:

wobei V = die Ausgangs-Sättigungsspannung des Operations-Verstärkers A ist. Wenn der Operationsverstärker A in Sättigung ist, hart, der negative Kondensator G auf als solcher zu wirken und ähnelt eher einem positiven Kondensator mit einem Wert, der im wesentlichen gleich dem des Rückkopplungskondensators G_f ist. Der negative Kondensator G_n geht leicht in Sättigung, wenn niederfrequente Wählscheibenimpulse ankommen, weil diese SpannungsSchwankungen hervorrufen, die größer sind als |V_n|_sat.

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Die Eigenschaften eines pegelabhängigen negativen Kondensators C sind in Fig. 3 gezeigt. Die resultierende Sättigungs-ι i

spannung Vl . über das Netzwerk ist gegeben durch die

' rI Sau

Gleichung:

· I^T.

Auf Anwendung niederfrequenter Wählscheibenimpulse steigt
die angelegte Spannung V über i^v _ri_ga4-, was einen Spannungsabfall in der resultierenden Kapazität von C auf einen etwas kleineren Wert als G zur Folge hat.

Typische beispielhafte Werte der Bauelemente zur Verwendung in einem Shuntnetzwerk für einen Zweidraht-Hybridverstärker sind die folgenden:

^R1	= 3,36 ΚΛ	°f	= 1,0 ^xF
R₂	= 16 KJl	⁰P	- 0,_2/F
S	= 3 ΗΛ	^Gt	= 4 nF
	= ΐ-α	\	- 1,75 H
V+	= 22 V	V-	» -22 V

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

.)Kapazitives Koppelnetzwerk mit einem positiven Kondensator (C ) und einem negativen Kapazitätsnetzwerk (G_n)t welches bei Sättigung durch ein darauf angewandtes Signal eine positive Kapazität zeigt, dadurch gekennzeichnet , daß der positive Kondensator und das negative Kapazitätsnetzwerk in Reihe quer zum kapazitiven Koppelnetzwerk verbunden ist, daß das negative Kapazitätsnetzwerk eine größere absolute Kapazität als der positive Kondensator hat, so daß das kapazitive Koppelnetzwerk als positive Kapazität von größerer Kapazität als der positive Kondensator für solche angelegten Signale wirkt, die kleiner sind wie erforderlich ist, das negative Kapazitätsnetzwerk in Sättigung zu bringen, und daß es als positive Kapazität von kleinerer Kapazität als der positive Kondensator für solche angelegten Signale wirkt, die größer sind als diejenigen, die erforderlich sind, das negative Kapazitätsnetzwerk in Sättigung zu bringen.
2. Kapazitives Koppelnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Kondensator einen Verstärker mit positiver Rückkopplung enthält und daß der Verstärker in Sättigung geht, wenn/Wählscheibenimpulse von größerer Amplitude an das Netzwerk angelegt sind.

3- Kapazitives Koppelnetzwerk, dadurch gekennzeichnet, daß ein positiver Kondensator und ein negativer Kondensator in Reihe geschaltet ist, daß der negative Kondensator eine größere absolute Kapazität als der positive Kondensator hat, daß der negative Kondensator so ausgebildet ist, daß er bei Signalspannungen quer zum Netzwerk, die größer sind als eine vorbestimmte Spannung, in Sättigung geht, daß das Netzwerk als positive Kapazität von größerer Kapazität als der positive Kondensator wirkt, wenn die Signale kleiner

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als die vorbestimmte Spannung sind und als eine positive Kapazität von kleinerer Kapazität als der positive Kondensator für Signale, die größer sind als die vorbestimmte Spannung.

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