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Zwei-Richtungsverstärker für in beiden Richtungen verschiedene Frequenzbänder
mit je einem einseitig wirkenden Verstärker für beide Richtungen In der Trägerstromtelefonie
werden fast immer die Sprechströme der ;beiden Verkehrsrichtungen entweder ;auf
getrennten Leitungen übertragen oder, wenn auf adergleichen Leitung, dann jedenfalls
in verschiedenen Frequenzlaggen. Bei Übertragungssystemen der letztgenannten. Art,
welche die Erfindung vorwiegend .im Auge hat, benötigt man an den Endgeräten und
an: den Verstärkerpunkten Einrichtungen zur Trennung :der Sprechströme der beiden
Verkehrsrichtungen in ähnlicher Weise wie auf dem Gebiet der Niederfrequen.ztelefonie
auf Zweidrahtleitungen. So zeigt Fig. z in schematischer einpoligerDarstellung einenZwei-Richtungsverstärker,
bestehend .aus zwei ,in der Pfeilrichtung verstärkenden Ein-Richtungsverstärkern
V1 und V2 und zwei Gabel- oder Weichenschaltungen W1 und W2. Die letzteren haben
die Aufgabe, einerseits die Sprechströme -der beiden Verkehrsrichtungen auf dem
jeweils richtigen. Weg, für die Richtung von links nach rechts auf der oberen Hälfte,
für die andere Richtung auf der unteren Hälfte der Schaltung, über die den Richtungen
zugeordneten Verstärker
zu leiten und andererseits im Zuge des:
vor beiden Verstärkern und beiden Weichen gebildeten Rückkopplungsweges, d. h. jeweils
in der Richtung: Ausgang,des einen Verstärkers bzw. Eingang des anderen Verstärkers,
eine möglichst ,hohe Dämpfung zu liefern, so daß sich die Verstärker nicht selbst
erregen können. Die Endschaltungen lassen sich, wie Fig.2 für die linke Endschaltung
zeigt, als Sonderfall mit nur einer Weiche auffassen. Sendeverstärker Vi und Empfangsverstärker
T12 werden ,hier über die Weiche W so zusammengeschaltet, daß der Ausgang
von V1 nicht auf den Eingang von T12 wirken, kann. Der Einfachheit halber ist im
folgenden nur von'Zwei-Richtungsverstärkern nach Fig. i die Rede. Alle; folgenden
Darlegungen, .insbesondere @dieweiteruntenangegebenen Erfindungsgedanken, erstrecken
sich .aber auch ausdrücklich auf die Endschaltungen nach Fig. 2.
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In den bekannten Zwei-Richtungsverstärkern der zweidrähtig betriebenen
Niederfrequenz-Fernsprechanlagen beruht die Sperrurig in der jeweils verbotenen
Richtung, .in der Weiche W1 der Fig. i z. B. 4n der Richtung von unten nach oben,
auf der brückenähnlichen Differentialwirkung der sogenannten Gabelschaltung. Das
:dabei ausgenutzte Kriterium ist die Energierichtung. Der Weiche W1 in Fig. i von
links her zugeleitete Energie wird in irgendeinem Verhältnis, meist je zur Hälfte,
:auf den Eingang,des Verstärkers V1 und den Ausgang des Verstärkers Tl2 verteilt,
wobei der ,letztere Anteil als Verlust zu betrachten ist. Aus dem Verstärker T12
herauskommen?de Energie :dagegen wird zur einen Hälfte nach links in @dieLeitung
geschickt, zur anderen Hälfte in einem nicht gezeichneten Widerstand, der sogenanmten
Leitungsnachbildung; vernichtet.
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In den Verstärkern der Trägerstromanlagen mit Richtungstrennung durch
verschiedene Frequenzen steht ein weiteres Kriterium zur Verfügung, nämlich die
verschiedene Frequenzlage der Sprechströme beider Verkehrsrichtungen. Dies erleichtert
an sich:die Aufgabe der Trennung beider Verkehrsrichtungen. Andererseits wird diese
erschwert durch die weitaus höheren Ansprüche der Trägerfrequenzverstärker an die
Sperrgüte der Weichen in,der verbotenen Richtung, Ansprüche, die von,den üblichen
Gabelschaltungen wegen -der unvermeidlichen Nachbildungsfehler nicht befriedigt
werden können. Aus :diesem Grunde hat man .auch .bisher bei Trägerstromverstärkern
mit hohen Verstärkungsziffern ausschließlich das Frequenzkriterium zur herangezogen
und die Weichen als Frequenizweiahen so .ausigeführt,.als ob sie ein - Frequenzgemisch
einer Verkehrsrichtung zu zerlegen hätten, die Weiche W" der Fig. i beispielsweise
so, daß Ströme der Frequenzen Verkehrsrichtung links -- rechts, die von links ankommen,
praktisch nur dem Eingang des Verstärkers V1 zu-
geführt werden, während Ströme
der Frequenzen der anderen, Verkehrsrichtung, wenn sie ebenfalls von: links kämen,
was sie aber nicht tun, dem Ausgang des Verstärkers T12 zugeführt werden. Das Schema
eines nach diesen :Grundsätzen aufgebauten Verstärkers zeigt Fig. 3, ,in welcher
beispielsweise angenommen ist, @daß die von links nach rechts zu übertragenden Ströme
niedrigere Frequenzen enthalten .als ,die von rechts nach ,links zu übertragenden.
Das von. links ankommende Niederfrequenzband wird durch die linke Weiche, welche
aus einem Tiefpaß TPi und einem Hochpaß HP, 1-besteht, dem Eingang :des Ein-Richtungsverstärkers
h1 zugeführt und .nach Verstärkung im Verstärker T11 über den Tiefpaßteil TP2 der
rechten Weiche an,die rechte Leitung abgegeben. Umgekehrt läuft das von rechts ankommende
Hochfrequenzband,der Reihe nach über den Hochpaßteil HP2 .der rechten Weiche, :den
Verstärkex l12 und den Hoahpaßteil HP, der linken Weiche zur links angeschlossenen
Leitung. Im Rückkopplungsweg liegen außer den beiden Verstärkern die beiden Tiefpässe
und die beiden Hochpässe. Macht man deren Sperrdämpfungen hinreichend groß, so kann
offenbar Selbsterregung für beliebige Frequenzen verhindert werden. Niedrige Frequenzen
unterdrücken die Hochpässe, hohe Frequenzen die Tiefpässe.
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Eine .solche Verstärkeranordnung hat zwei schwerwiegende Nachteile.
Erstens erfordert sie einen erheblichen Aufwand an Schaltelementen in den beiden
Weichen lediglich zu dem Zweck, die Summendämpfung im Rückkopplungsweg ausreichend
hoch zu machen, während doch .dasi hier nicht ausgenutzte Kriterium der Verschiedenheit
der beiden-Energierichtungen; wie das Beispiel :der in der Niederfrequenztelefonie
benutzten Gabelschaltungen: zeigt, eine Sperrung in der verbotenen Richtung allein
schon durch die Differentialwirkung solcher Gabelschaltungen ohne alle Siebmittel,
wenn auch nicht in- praktisch ausreichendem Maße, bewirken kann.
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Zweitens bereitet es Schwierigkeiten, die meist mit Rücksicht auf
möglichst reflexionsfreien Leitungsabschluß geforderte Frequenzunabhängigkelt des
Eingangswiderstandes .des ganzen. Verstärkers gleichzeitig mit ausreichender ',Sperrwirkung
im Rückkopplungsweg für alle Frequenzen zu erreichen. Mann kann zwar in bekannter
Weise die Weichen so ausführen, daß ihr leitungsscentig gemessener Eingangswiderstand
ein frequenzun:abhängriger Ohmscher Widerstand ist, falls auch die Ein.- und Küsgangswiderstände
:der Ein-Richtungsverstärker solche Widerstände darstellen, was bei solchen Verstärkern
ja praktisch leicht erreicht werden kann. Bei einer solchen Weiche gibt es aber
notwendigerweise immer eine Frequenz, bei der die leitungsseitig zugeführte Leistung
je zur Hälfte auf die beiden Ausgänge verteilt wird. Dem entspricht eine Dämpfung
von 1/z in 2 = 0,35 Neper in jeder Richtung. Ini,der verbotenen Richtung besitzt
die Weiche bei dieser Freqüenz ungefähr eine Dämpfung von nur in 2 = o,7 Nep.er.
Für diese und die benachbarten Frequenzen in der Übergangszone zwischen :den beiden
Ve.rkeih:rsrichtungen müssen daher zusätzliche Sperrmittel in den Verstärker eingebaut
werden, und zwar ins Innere der Verstärker zwischen je zwei Röhren, weil sonst entweder
der Eingangs- oder der Ausgangsverstärker
frequenzabhänmig würde.
Dies bedeutet einen lästigen Eingriff .in ,den Verstärkerbau. Ohne ihn könnten immer
dieselben Breitbandverstärker als Ein-Richtungsverstärker verwendet Nverden, unabhängig
von der besonderen Frequenztrennun:gs.aufg,abe. Eine Änderung der letzteren würde
nur den 'Austausch eines Weichensatzes durch einen anderen notwendig machen.
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Gegenstand der Erfindung ist nun -eine Verstärkeranordnung, welche
die beiden ;genannten Nacht2ile vermeidet. Erfindungsgemäß wird ,dies dadurch erreicht,
:daß beide Trennungskriterien herangezogen werden, nämlich das der Verschiedenheit
der beiden Energienichtungen und,das .der Verschiedenheit :der beiden Frequenzbänder,
indem .auf jeder Seite des Zwei-Richtungsverstärkers der Eingang des einen. Ein-Richtungsverstärkers,
der Ausgang des. anderen Ein-Richtungsverstärkers, die zugehörige Leitung und- ein
Hilfswiderstand :durch eine an: .sich bekannte achtpolige Weichenschaltung nach
Art einer Doppelbrückenweiche oder einer :dazu äquivalenten Weichenschaltung so
miteinander verbunden sind, @daß die beiden Eingangswiderstände des ganzen Zwei-Richtungsverstärkers
angenähert frequenzunabhängige Ohmsche Widerstände sind, daß die ankommenide Nachrichtenleistung
einer jeden Verkehrsrichtung mit geringen Verlusten dem Eingang .dies zugehörigen
Verstärkers zugeführt und nach Verstärkung .mit geringen Verlusten an die abgehende
Leitung abgegeben: wird und @daß schließlich beide Weichenschaltungen im Zuge des
Rückkopplungsweges, @d. h. in der Richtung vom Ausgang .des einen EinrRichtungsverstärkers
zum Eingang des anderen Ein-Richtungsverstärkers für alle Frequenzen u,n(durchläs.sig
sind. Hilfsmittel dazu sind die an sich bekannten Doppelbrückenweichen, von denen
eine Ausführungsform in Fig. q. gezeichnet ist. Sie besteht aus, zwei zueinander
widerstandsreziproken Filtern (also mit gleichem Durchlaß- und Sperrbereich), z.
B. zwei Tiefpässen TPa und TPv in Verbindung mit zwei D.ifferentialübertragern.
Jedoch sind auch andere äquivalente Schaltungen bekannt. Bei richtiger Auslegung
der Teilfilter hat eine Doppelbrückenweiche die in Fig.5 schematisch dargestellten
Eigenschaften. Speist man eines der vier Klemmenpaare mit einer Stromquelle .und
beschaltet die drei anderen Klemmenpaare mit drei untereinander gleichen, in Fig.
5 durch kleine Rechtecke dargestellten Ohmschen Widerständen, so werden die dem
Durchlaßbereich der verwendeten Filter zugehörigen Frequenzen vorzugsweise dem durch
den ausgezogenen Pfeil angezeigten Klemmenpaar 'zugeleitet, die dem Sperrbereich
der Filter zugehörigen Frequenzen dem durch den gestrichelt gezeichneten Pfeil angezeigten
Klemmenpaar. Sind die Filter, wie in Fig. q. .beispielsweise Tiefpässe, so zeigt
der ausgezogene Pfeil den Weg der Niederfrequenz, der gestrichelte den der Hochfrequenz
an. Das der Stromquelle gegenüberliegende vierte Klemmenpaar bleibt strom- und spannungslos,
und zwar bei vollkommener Ausführung .der Filter und bei .drei genau übereinstimmenden
Ohmschen Abschlußwiderstän den in aller Strenge, unabhängig vom Grad der Filter,
also unabhängig von der Anzahl ihrer Schaltelemente, solange sie nur als zueinander
widerstands,reziproke angesehen werden können Wenn man ein Niederfrequenzband von
einem Hochfrequenzband trennen will, ,sind,dtie zu verwendenden Filter entweder
Tiefpässe oder Hochpässe. Eine Vertauschung von Tiefpässen mit Hochpässen, allgemeiner
von einer Art Filter mit der konjugierten Art, läuft, wie Fi:g. 5 erkennen läßt,
nur darauf hinaus, das gleichzeitig die Klemmenpaare r und 3, a und ¢ miteinander
vertauscht werden, im übrigen bleibt ;die Wirkungsweise ungeändert.
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InF'ig. 6 ist schematisch dargestellt, wie zwei Ein-Richtungsverstärker
Vi und V2 mit zwei passend bemessenen Doppelbrückenweichen W1 und W2 sowie zwei
Ohmschen Widerständen R1 und R2 gemäß der Erfindung zusammengeschaltet werden. In
ihr ist auch der Weg,des von links ankommenden. Frequenzbandes (.ausgezogener Pfeil)
angedeutet. Im Gegensatz zur gewöhnlichen, in: ,der Niederfrequenztelefonie benutzten
Gabelschaltung, wo in jeder Gabel die Hälfte der Leistung verlorengeht, wird jedes
Frequenzband in beiden Weichen mit nur geringfügigen, vom Grad der verwendeten Filter
abhängigen Verlusten auf den für es vorgesehenen Weg geführt. An beiden Eingängen,des
Zwei-R ichtungsverstäTkers ist der Eingangswiderstand ein frequenzunabhün:giger
0h,m.scher Widerstand und trotzdem sperren beide Weichen in: der verbotenen Richtung,
also W1 in Richtung von unten nach oben, W2 in der Richtung von oben nach unten,
alle Frequenzen vollkommen, solange nur die Widerstände R1 und R2 mit den Eingangswiderständen
:der zugehörigen Leitungen übereinstimmen.. Damit ist der zweite Nachteil der Einrichtung
-nach Fig. 3 vermieden. Der erstgenannte Nachteil besteht hier aus :dem Grunde nicht
mehr, weil die Sperrwirkung in den verbotenen Richtungen unabhängig vom Grad der
Filter erfolgt, so &ß diese nur so bemessen zu werden brauchen, daß ein genügend
hoher Anteil deir ankommenden Leistung auf den richtigen Weg gebracht wird. Hierzu
;genügt aber ein verhältnismäßig bescheidener Aufwand.
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Um den Verstärker auch dann selbsterregungsfrei zu :machen, wenn die
Betriebswiderstände der angeschlossenen Leistungen nicht im ganzen Frequenzbereich
mit ihren Sollwerten, für welche die Doppelbrückenweiche ausgelegt rist, übereinstimmen,
müssen einige besondere Maßnahmen getroffen werden. Nach dem Bisherigen konnte man
statt eines Filterpaares auch unter geeigneter Vertauschung der Klemmenpaare ein
Paar zum ersten konjungierten Filter benutzen. Es ist nun zweckmäßig, die Filter
so zu wählen, daß sie :dasjenige Frequenzband, welches die betrachtete Doppelbrückenweiche
von dex Leitung auf den Eingang des einen Ein-Richtungsverstärkers: übertragen soll,
vorzugsweise durchlassen;dasjenige Frequenzband aber, welches die Weiche vom Ausgang
des anderen Ein-Richtungsverstärkers auf die Leitung übertragen soll, vorzugsweise
sperren. So ist in Fig. 7 eine dieser Forderung entsprechende Verstärkerschaltung
für
:den Fall gezeichnet, daß der obere Ein-Richtungsverstärker fein Niederfrequenzband,
der untere ein-Hochfrequenzband verstärken .soll. Demgemäß stind die Filter der
Linken Weiche, welche niederfrequente Leistung von :der linken Leitung auf .den
Eingang des oberen Verstärkers übertragen soll-en, Tiefpässe und umgekehrt die Ader
rechten Weiche Hochpässe.
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Die Sperrung @in der- verbotenen Richtung, also etwa in der linken
Weiche vom Klemmenpaar 2 zum Klemmenpaar 4, beruht nämlich im Durchlaßbereich der
Filter wesentlich auf dem richtigen Abgleich der Widerstände, @in ihrem Sperrbereich
dagegen zum Teil .auch auf ihren Sperreigenschaften, die praktisch auch dann erhalten
bleiben, wenn der Widerstandsabgleich z. B. .durch Fehlanpassung der Leitung gestört
wird. Der - Verstärker V2 liefert aber Hochfrequenz, die so auch bei gestörtem Abgleich
vom Eingang des Verstärkers mindestens nach Maßgabe der Filterdämpfung ferngehalten
wird. Analog wirken die Hochp:äs,se der rechten.Weiche.
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_ Soll der--Verstärk-er für hohe Verstärkungsgrade ausgelegt- werden
und kann nicht mit guter Leitungsanpassung @gerechnet werden, so müßten die Teilfilter
der Weichere für hohe Dämpfungen ausgelegt werden, Jamit keine Selbsterregung auftreten
kann. Dies wäre unwirtschaftlich, weil die Filter in jeder Weiche doppelt auftreten.
Es ist dann nach der weiteren Erfindung besser, vor dem Eingang, nach dem Ausgang,
oder dm Innern der Ein-Richtungsverstärker Zusatzfilter anzuordnen, welche das von
diesem zu verstärkende Frequenzband Üurchlassen, das komplementäre jedoch sperren,
und zwar .mit der :unter Umständen. hohen Zusatzdämpfung, welche ,die Sicherheit
gegen Selbsterregung erfordert. Es ist technisch aus -den oben angeführten Gründen
besonders erwünscht, wenn diese Zusatzfilter auch außerhalb der Ein-Richtungsverstärker
angeordnet werden: können. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß dies
hier ohne besondere Störungen möglich ist, im-Gegensatz etwa zu einer Anordnung,
welche an Stelle der hier benutzten Doppelbrückenweichen einfache Gabelschaltungen
vorsehen würde. Bei der letzteren Anordnung würde sich der Frequenzgang des Eingangswiderstandes
üblicher Filter stark ,im Eingangswiderstand,des ganzen Verstärkers :bemerkbar machen.
Bei der Anordnung nach der Erfindung aber ist dies nicht der Fall, wenn die Zusatzfilter,
wie leicht ohne wesentlichen Mehraufwand in bekannter Weise erreicht werden kann,
so ausgelegt sind, daß ihr Eingangswiderstand wenigstens im Durchlaßbereich einen
frequenzunabhängigen Ohmschen -Widerstand annähert. Im Sperrbereich ist ihr Eingangswiderstand
aber wegen. der Abriegelung :durch die Weichen ohne Einfluß auf die Eingangswiderstände
des ganzen Verstärkers, und zwar gleichgültig, ob die Zusatzfilter vor oder hinter
den Ein-Richtungsverstärkern angeordnet sind.
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Die Schaltung des gemäß der Erfindung kann noch vereinfacht werden,
wenn die Teilfilter der Weichen in: an sich bekannter Weise allsymmetrische Filter,
und zwar in .Form von Differentialbrückenfiltern, ausgeführt werden. Ein solches
bekanntes Filter zeigt Eig. B. Es besteht aus einem Differentialübertrager und zwei
passend ,gewählten Reaktanzen. Führt man alle Teilfilter etwa der Fig.7 nach Fig.8
aus, so erhält man eine Schaltung, wie sie in Fig. 9 a lediglich für den linken
Teil der Anordnung nach Fig: 7 .dargestellt ist. In dieser Schaltung kann man die
Differentialübertrager der Weichengabeln in bekannter Weise mit den Differentialübertragern
der Teilfilter verschmelzen und erhält so Eig. 9 b. Auch diese Schaltung kann noch
vereinfacht werden., indem statt der beiden in Fig. 9 b enthaltenen Differentialübertrager
Differentialdrosseln angeordnet werden, falls die dadurch hervorgerufene Erdpotenti.alverlcnüpfung
zwischen Ausgang des einen und Eingang des anderen Verstärkers nicht stört.