DE3021960C2 - Schaltungsanordnung in Form eines Vierpols zum Nachbilden einer Induktivität - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung in Form eines Vierpols zum Nachbilden einer Induktivitaet. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit geringem Schaltungsaufwand eine aktive, elektronische Drossel zu schaffen, die einen moeglichst kleinen Widerstandswert aufweist und fuer Speiseschaltungen in Teilnehmereinrichtungen verwendet werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch geloest, dass eine spannungsfuehrende Klemme des Eingangsklemmenpaares mit einem der beiden Anschluesse eines ersten ohmschen Widerstands verbunden ist. Die Anschluesse des ersten Widerstands sind ueber jeweils einen Kondensator mit den Klemmen in der Brueckendiagonale einer Brueckenschaltung verbunden. Die Klemmen in der Brueckendiagonale sind jeweils mit einem Eingang eines Differenzverstaerkers verbunden, dessen Ausgang an der Basis eines Transistors anliegt, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors in einem Brueckenzweig in Serie mit einem Wirkwiderstand oder mit einer Parallelschaltung aus einem kapazitiven Blindwiderstand und einem Wirkwiderstand liegt und der Emitter des Transistors an den anderen Anschluss des ersten Widerstands angeschaltet ist. Der Kollektor des Transistors ist eine spannungsfuehrende Klemme des Ausgangsklemmenpaares. ...U.S.W

Description

der ein Differenzverstärker nach Art einer Brückenschaltung beschaltet ist. Die beiden Eingänge des Differenzverstärkers liegen in der Brückendiagonale. Parallel zur Brückendiagonale sind zwei Serienschaltungen mit jeweils zwei Zweipolen geschaltet welche die -' vier Brückenzweige darstellen. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist mit dem Verbindungspunkt zweier Zweipole der Brückenzweige verbunden. Wie die äquivalente Ersatzschaltung für verschiedene Ausführungsforiiien der Schaltungsanordnung zeigt ist eine voneinander unabhängige Dimensionierung von Wirkwidentand und Blindwiderstand der nachgebildeten Induktivität nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer aus der DE-OS 27 43 660 bekannten Schaltun;..- jrd- '· nung, die getrennte Einstellung eines möglichii kleinen Wirkwiderstands und eines hohen Blindwiderstands zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Gc-_;rn$tand nach dem ^Oberbegriff des Patentansp cchs 1 durch dessen ^Merkmale im kennzeichnenden Tv... gelöst
■~- Die Schaltungsanordnung zeichnet sich durch ihre -Einfachheit und ÜbersichtHchkeit aus. Der Aufbau läßt sich mit Hilfe der bekannten, marktgängig-an und infolgedessen kostengünstigen Bauelemente durchführen. Für die Schaltung selbst ergibt sich bei der Wahl der Widerstandsverhältnisse und der Kennwerte der Baulelemente eine leicht einzuhaltende Stabilitätsbedingung. ^Wird ein idealer Operationsverstärker, d. h. eine ideale, gesteuerte Spannungsquelle vorausgesetzt, so verhält lieh die Schaltung wie eine verlustbehaftete Induktivität Bei der praktischen Realisierung mit einem realen Operationsverstärker, welcher eine begrenzte Spannungsverstärkung und einen Verstärkungsabfali bei höheren Frequenzen besitzt, ergibt sich als Ersatzschaltbild ein Parallelschwingkreis mit einer bestimmten Resonanzfrequenz, bei der der Eingangswiderstand der Schaltung besonders hochohmig ist. Durch entsprechende Dimensionierung kann erreicht werden, daß die Schaltungsanordnung im Frequenzbereich der bei der praktischen Realisierung vorkommenden Frequenzen hochohmig ist

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine erste Schaltungsanordnung einer vet lustbehafteten Induktivität.

Fig.2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine verlustbehaftete Induktivität.

Bei der Ausführungsform der Erfindung in der Zeichnung gehört der Transistor zum pnp-Typ. Im folgenden wird die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung mit Einzelheiten beschrieben, wobei auf eine nähere Beschreibung, wie die verschiedenen Bauelemente zusammengeschaltet sind, verzichtet wird.

F i g. 1 zeigt eine Brückenschaltung, bei der in einem Brückenzweig die KoIlektor-bmitter-Strecke eines Transistors Π in Serie zu einem Zweipol Z6 geschaltet ist und dessen Basis von einem Differenzvr marker DV angesteuert wird, dessen invertierender und nicht invertierender Eingang mit den Klemmen 2 und 4 der Brückendiagönale der Brückenschaltung verbünden ist. Ein Gleichstrom aus einem Gleichrichter wird einem Anschluß eines ohmschen Widerstands R i zugeführt, wobei im gewählten Ausführungsbeispiel dem Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert ist, welcher zur Signalübertragung verwendet wird. Der Gleichstrom dient im Ausführungsbeispiel zur Speisung des Bild-

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Hält

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60 schirmtextmodems. Die Anforderungen und Randbedingungen, weichen die Schaltung genügen muß, sind bereits ausführlich erläutert worden. Derartige Brükkenschaltungen sind z. B. aus der DE-OS 27 43 660 bekannt, so daß auf eine ausführliche Erläuterung dieser Schaltung daher verzichtet wird. Die Stromversorgung für das Ausführungsbeispiel Bildschirmtextmodem wird durch einen nachfolgenden Shunt-Regler auf die konstante Betriebsspannung geregelt, welche z. B. auch zur Stromversorgung des Differenzverstärkers DV dient

Die Arbeitspunkteinstellung des Transistors Tt erfolgt durch einen als Differenzverstärker DV geschalteten Operationsverstärker, dessen Ausgang an der Basis des Transistors Ti anliegt und diesen so lange nachregelt, bis die aus Z3. Z 4, Z5 und Z6 gebildete Brücke abgeglichen ist Im vorliegenden Ausführungsbeispiei werden für die Zweipole Z3. Z4, Z5 und Z6 vorzugsweise ohmsche Widerstände verwendet, andernfalls ist die Frequenzabhängigkeit der impedanzen zu berücksichtigen. Der gleichspanr,ungsmäßige Abgleich bewirkt daß an der Kollektor-ir -!tter-Strecke des Transistors TI ein bestimmter Spannungsabfall auftritt Der Arbeitspunkt ist so gewählt, daß sich der Transistor Ti bei der maximal zu erwartenden Signalamplitude noch nicht in dem Sättigungsbereich befindet

Die Verlustleistung der Schaltungsanordnung kann gering gehalten werden, da der Widerstand Ri niederohmig {ungefähr 10 Ω) gewählt werden kann. Die Verlustleistung wird weiterhin dadurch verringert, daß zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ti ein Widerstand R 6 parallel geschaltet ist, so daß durch den C*r*i-vrc"»I»ito*· nrIoir»HfoIIc ri&r Rgcicctrnm ftii· rler» Tr& ηctetr\r

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verringert wird.

Wenn keine Signalwechselspannung, sondern Gleichspannung anliegt, bewirken die Kondensatoren Ci und C2, welche einerseits mit jeweils einem der beiden Anschlüsse des ohmschen Widerstands R1 und andererseits mit der Anschlußklemme 2 und 4 d?r Brückenschaltung verbunden sind, eine Auftrennung des Stror.iweges zu den Anschlußklemmen 2 und 4. In dem Widerstand R i fällt bei Gleichstrom eine dem Widerstandswert entsprechende Spannung ab. Der Spannungsabfall am Widerstand R i dient zur Ableitung der Steuerspannung am Differenzverstärker DV, welche bewirkt, daß die Schaltungsanordnung sich von der Eingangsseite her gesehen wechselspannungsmäßig hochohmig verhält

Ist der Gleichspannung ein Wechselspannungsanteil überlagert, findet also eine Signalübertragung statt, so würde sich der Schleifenstrom bei Nichtvorhandensein der Kondensatoren Ci und C2 durch den Widsrstand Ri du-eh die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ti und durch den Widerstand R 6 im gleichen Maße ändern. Ein kL'iner Spannungsabfall an R 1 wird über die Kondensatoren Cl bzw. C2 an den invertierenden bzv/. nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers DVangelegt. Die Kollektor-Emitter-Spannung des Tip.nsistors Π folgt dem Verlauf der SignaJspannu/ig. Entsprechend der durch das RC-G\\ed (R \, Ci) festgelegten Zeitköristanten steuert der 'Differenzverstärker DV den Transistor Xt so, daß keine längerfristige Spannungsänderung ül>er dem Wideretand R 1 auftritt. Keine Spannungsänderung am Widerstand R1 infolge der nachfolgenden Schaltungsi.eile bedeutet, daß der Strom durch den Widerstand R1 annähernd konstant bleibt und da der Strom durch R i

unabhängig von der Größe des Signals konstant bleibt, bedeutet dies, daß die Schaltungsanordnung sich wechselspannungsmäßig hochohmig verhält. Dadurch ist das gewünschte Drosselverhalten realisiert

Der Innenwiderstand des Operationsverstärkers ist annähernd gleich Null. Im Eingangskennlinienfeld des Transistors Ti bedeutet dies, daß die Lastgerade annähernd parallel zur Abszisse verläuft. Die Differenzspannung zwischen invertierendem und nicht invertierendem Eingang des Differenzverstärkers DVist gleich to Null. Erhöht sich der Strom durch denl Widerstand R i und infolgedessen auch der Spannungsabfall am Widerstand R1, so tritt die Spannungserhöhung verstärkt am Ausgang des Differenzverstärkers DVauf. Da der Kollektor des Transistors Ti infolge des nachfolgenden Shunt-Reglers gleichspannungsmäßig festliegt, erhöht sich die Spannung am Emitter. Durch die vorliegende Beschattung des Transistors Ti vermindert sich bei ansteigendem Emitterpotential der Basisstrom und damit auch entsprechend dem Stromverstärkungsfaktor der Kollektorstrom. Eine Erhöhung der Signalspannung bewirkt eine große Kollektorstromänderung in entgegengesetzter Richtung, so daß die Stromerhöhung durch den Widerstand R1 ausgeglichen wird und der Schleifenstrom zwischen spannungsführender Klemme E des Eingangsklemmenpaars und spannungsführender Klemme A des Ausgangsklemmenpaars sich nicht geändert hat.

Die Signalwechselspannung kann sich entsprechend der Aussteuerungsgrenze des Transistors Ti um den *> Arbeitspunkt verändern. Die maximal aussteuerbare Signalamplitude wird durch die Zenerspannung einer Zenerdiode Zl festgelegt, welche in einem der Brückenzweige in Serie zum Zweipol (Brückenwiderstand) Z3 vorgesehen isL Für die Brückenwiderstände -J5 Z3, Z4, ZS und Z6 gilt dabei die bekannte Abgleichbedingung für Brückenschaltungen und an der spannungsführenden Klemme A des Ausgangsklemmenpaars stellt sich ein festes, aber beliebiges Potential gegenüber Masse ein. Der Widerstand /?6 ermöglicht beim Einschalten des Modems einen Stromfluß von Klemme A zu Klemme E, so daß der nachfolgende Shunt-Regler auf Betriebsspannung regelt und den Differenzverstärker DVnül Strom versorgen kann.

Wird wie in Fig.2 angegeben, die Zenerdiode Z2 zwischen Ausgang des Differenzverstärker« DV und Basis des Transistors Tl angeordnet, so ist der ■Spannungspegel am Ausgang des Differenzverstärkers :DV an den nachfolgenden Transistor Ti angepaßt. Diese Potentialanpassung ergibt sich daraus, daß die maximale Ausgangsspannung des Operationsverstärkers höher als die Betriebsspannung sein kann, und damit der Transistor 7Ί gesperrt werden kann, muß die Basisspannung des Transistors Ti angehoben werden. Die Impedanzen der Zweipole sind so gewählt, daß sich entsprechend der geforderten Amplitude der Signalspannung eine ausreichend hohe Kollektor-Emitter-Spannung am Transistor Ti einstellt.

Wird zwischen spannungsführender Klemme A des Ausganesklcmmenpaars und Masse die Betriebsspannung des. Modems durch eine Zenerdiode erzeugt und ist die Zenerdiode Z2, wie in Fig.2 dargestellt, angeordnet, so stellt sich an der Klemme A ein festes Potential gegenüber Masse ein. Wird die Zenerdiode Z2 mit einem Kondensator C3 überbrückt, so ergibt sich ein wechselspannungsmäßig günstiges Verhalten.

Ein waterer Vorteil ergibt sich, wenn die Kondensatoren Ci und CZ rn:i:?!t- Schalter abgetrennt werden. Die Schaltungsanordnung verhält sich dann nicht mehr wie eine verlustbehaftete Induktivität, sondern wie ein niederohmiger Widerstand. Werden beispielsweise Wahlsignale über eine Fernmeldeleitung zwischen einem Fernsprechapparat und einer Bildschirmtextzentrale übertragen, so würden die Wahlimpulse durch die nachgebildete Induktivität verzerrt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Nachbilden einer Induktivität für schleifenstromgespeiste Teilnehmereinrichtungen eines Fernmeldesystems mit einem nach der Art einer Brückenschaltung beschalteten Differenzverstärker, wobei die beiden Eingänge des Differenzverstärkers in der Diagonale der Brückenschaltung liegen, wobei eine Serienschaltung zweier Zweipole parallel zur Diagonalen geschaltet ist und diese den ersten und zweiten Brückenzweig darstellen, wobei eine Serienschaltung zweier weiterer Zweipole parallel zur Diagonalen geschallet ist und diese den dritten und vierten Brückenzweig darstellen und wobei der Ausgang des Differenzverstärkers mit den Zweipolen des dritten und vierten Brückenzweigs in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß eine spannungsführende Klemme (E) des Eingangsklemmenpaars der Schaltungsanordnung mit einem der beiden Anschlüsse eines ersten ohmschen Widerstands (R 1) "erbunden ist, daß jeder Anschluß des ersten Widerstands (R 1) mit jeweils einem Kondensator (CX, C2) verbunden ist, dessen weiterer Anschluß jeweils mit einer der Klemmen (2, 4) der jirückendiagonale verbunden ist, daß der Ausgang des Differenzverstärkers (DV) mit der Basis eines Transistors (Tl) verbunden ist, -,vobei der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (Tl) in dem vierten Brückenzweig in Serie mit dem Zweipol (Z6) liegt, dessen Impedanz durch die Parallelschaltung eines Kondensa· rs und eines Widerstands bestimmt wird, und wobei der Emitter des Transistors (Tl) an einen Anschluß das ersten W'derstar "is (R 1) angeschaltet ist, daß der Verbindung«pun'-t (3) des ersten und zweiten Brückenzweigs auf Masre liegt und daß der Kollektor des Transistors (Tl) die spannungsführende Klemme (A) eines Ausgangsklemmenpaares der Schaltungsanordnung ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (Tl) ein zweiter ohmscher Widerstand (R 6) parallel geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Differenzverstärkers (DV) über eine Zenerdiode (Z2) mit der Basis des Transistors (Tl) verbunden ist und daß der Zenerdiode (Z 2) ein dritter Kondensator (C3) parallel geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der Brückenzweige in Serie zum Zweipol eine Zenerdiode (Zl) angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerdiode (Z 1) im dritten Brückenzweig angeordnet ist und daß deren Anode mit einem Anschluß des Zweipols (Z3} und deren Katode mit dem Emitter des Transistors (Tl) verbunden ist

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die impedanzen der Zweipole (Z4, Z5,'Z3, Z 6) in denϊ^Brückenzweigen durch Wirkwiderstände bestimmt werden.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Differenzverstärker (D V) ein Operationsverstärker verwendet wird.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-AS 15 37 661 ist eine spulenlose, induktive Blindwiderstandsschaltung bekannt, mit der ein selektiver Verstärker in integrierter Schaltungstechnik realisiert wird. D>e induktive Blindwiderstandsschaltung, ein 4-Tor-Netzwerk. ist als Rückkopplungsnetzwerk für einen Verstärker mit gleichphasiger Eingangsund Ausgangsspannung verwendet. Wird als Rückkopplungsschaltung eine Brückenschaltung verwendet und ist die Brücke abgeglichen, so gelangt keine Spannung vom Ausgang des Verstärkers auf den Eingang. Einer der Brückenzweige enthält einen bedämpften Resonanzkreis, so daß sich eine frequenzabhängige Dämpfung des Gegenkopplungsvierpols ergibt, die bei der Resonanzfrequenz am geringsten ist. Abhängig davon, ob die Eingangs- und Ausgangsspannung des Verstärkers gleich- oder gegenphasig ist, und davon, welcher der Brückenwiderstände unter Berücksichtigung der Erdungsverhältnisse am günstigsten durch den Resonanzkreis zu ersetzen ist, kann ein Reihen- oder Parallelresonanzkreis verwendet werden, um abseits von der Resonanzfrequenz eine kleinere Dämpfung des Gegenkopplungsnetzwerks zu erzielen und eine Phasenumkehr zu vermeiden. In einem Schaltungsbeispiel ist der Verbindungspunkt zweier Brückenzweige geerdet. Ein Brückenwiderstand ist durch einen Hilfsverstärker mit einer nachgeschalteten Kapazität realisiert Ist dieser Hilfsverstärker stark gegengekoppelt so ist der induktive Scheinwiderstand nahezu konstant

Für Bildschirmtextdatenübertragung ist ein sogenanntes Modem erforderlich, das das Datensignalspektrum an die Bandbreite des Fernsprechkanals anpaßt Aufgrund der in einem Pflichtenheft für Bildschirmtextdatenübertragung festgelegten Anschlußbedingungen steht zur Speisung aller Modemfunktionseinheiten sowie den mit dem Modem galvanisch verbundenen Schnittstellenteilen nur eine geringe Fernspeiseieistung zur Verfügung. Die Stromversorgungseinheit des Modems soll aus dem Schleifenstrom der Fernmeldeleitung eine konstante Betriebsspannung erzeugen. Dazu dient im Modem eine aktive Regelschaltung, die einen kleinen Gleichstrom-Eingangswiderstand aufweist um einen möglichst geringen Leistungsverlust zu erreichen.

Damit das Leitungssignal nicht wesentlich bedämpft wird, ist gleichzeitig die Bedingung zu erfüiien. daß der dynamische Ein^angswiderstand der Stromversorgung sehr hoch sein soll. Um den im Stromkreis fließenden Gleichstrom von den Signalanteilen zu trennen, kann tine passive Drossel verwendet werden. Da über die Drossel der Gleichstrom der nachfolgenden Stromversorgungsschaitung für das Modem zugeführt wird, bedeutet dies im praktischen Betriebsfali, daß die passive Drossel bei einem Schleifenstrom von ungefähr 60 mA noch nicht gesättigt sein darf und gleichzeitig der ohmsche Widerstand, d. h. der Spannungsabfall an der Drossel gering sein soii. im Ausiuhrungsbeispiei ist einem Gleichstromanteil (17 ... 60mA Schleifenstrom) der frequente Signalanteil überlagert. Ein evtl. hoher Spannungsverlust an der passiven Drossel bewirkt einen erhöhten GJeichstrojn-Eingangswiderstand der Stromyersprgungseinheit, so daß der maximal zugelassene Wert überschritten wird; Um diese Forderung einzuhalten, müßte die passive Drossel mit dickem Querschnitt ausgeführt sein, so daß diese dann groß und infolge des hohen Kupferanteils schwer werden würde. Aus der DE-OS 27 43 660 ist eine Schaltungsanordnung zur Nachbildung einer Induktivität bekannt, bei