DE1096423B - Schaltungsanordnung fuer Fernsprechteilnehmerstationen mit Transistorverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Fernsprechteilnehmerstationen, bei denen das vom Mikrofon abgegebene Wechselstromsignal durch einen Transistor verstärkt wird.

In den meisten vorhandenen Fernsprechnetzen ist im Amt eine Batterie oder eine entsprechende andere Gleichstromquelle vorhanden, die einen bestimmten Gleichstrom an alle in Betrieb befindlichen Fernsprechteilnehmerstationen liefert. Bei Selbstanschlußbetrieb wird dieser Gleichstrom entsprechend dem gewählten Zeichen mehrmals unterbrochen; die so entstehenden Impulse steuern die Vermittlungseinrichtungen. Beim Sprechen dient dieser selbe Gleichstrom als Speisestrom für das Mikrofon in der Teilnehmerstation und wird im Takt der auf das Mikrofon auftreffenden Schallwellen moduliert. Gleichzeitig erfolgt dabei in dem meist verwendeten Kohlemikrofon eine Verstärkung der auftreffenden Schallleistung; der Verstärkungsgrad selbst hängt etwa quadratisch von dem Speisegleichstrom für das Mikrofon ab.

Bei den heute fast ausschließlich verwendeten elektromagnetischen Vermittlungseinrichtungen sind sowohl zur Betätigung dieser Vermittlungseinrichtungen als auch zur Speisung der üblicherweise verwendeten Kohlemikrofone etwa gleich starke Ströme erforderlich, so daß sich eine befriedigende Arbeitsweise ergibt. Schwierigkeiten entstehen aber, wenn hochohmige Mikrofone verwendet werden sollen, die einerseits eine zu kleine elektrische Leistung abgeben, andererseits aber nur einen kleinen Speisestrom aufnehmen, der zur Steuerung der elektromagnetischen Vermittlungseinrichtungen nicht ausreicht. Beide Schwierigkeiten werden dadurch überwunden, daß zur Verstärkung des Mikrofonstromes ein Transistor eingesetzt wird, der von der Amtsbatterie gespeist wird. Bei einer bekanntgewordenen Schaltungsanordnung liegt der Emitter-Kollektor-Kreis des Transistorverstärkers mit dem in Reihe liegenden Kohlemikrofon der Sprecheinrichtung in Brücke zur Anschlußleitung; ferner ist eine mehrwicklige Induktionsspule zur rückhörfreien Kopplung von Hör- und Sprechkreis vorgesehen. Die Erfindung geht von dieser bekannten Schaltung aus, will jedoch im Gegensatz dazu einen besseren Modulationswirkungsgrad, d. h. eine Verstärkung des auf das Mikrofon auftreffenden Schalles, erzielen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die gemeinsame Anwendung von zwei Maßnahmen gelöst, nämlich dadurch, daß die Impedanz des Kollektor-Basis-Kreises nahezu gleich dem ohmschen Widerstand dieses Kreises ist und daß die Wicklungen der Induktionsspule derart geschaltet sind, daß alle Wicklungen im Kollektor-Basis-Kreis, aber nur ein Teil der Wicklungen in Brücke zur Teilnehmeranschlußleitung liegen.

Da in einer solchen Schaltung der Basisstrom sehr klein ist, haben Kollektorstrom und Emitterstrom des Transistors im wesentlichen gleiche Größe. Das ist unabhängig Schaltungsanordnung

für Fernsprechteilnehmerstationen

mit Transistorverstärker

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Oktober 1954

Lamed Ames Meacham, New Providence, N. J. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

davon, ob ein npn-Verbindungstransistor oder ein

as pnp-Verbindungstransistor eingesetzt wird.

Die Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Fernsprechteilnehmerstation gemäß der Erfindung.

Die in der Zeichnung dargestellte und mit 10 bezeichnete Teilnehmerstation mit Batteriespeisung und Rückhördämpfung ist über eine Fernsprechleitung 12 mit einem Vermittlungsamt 11 verbunden. Der Einfachheit halber sind im Vermittlungsamt nur die notwendigsten Einzelheiten in schematischer Form dargestellt. Die Gleichstromquelle umfaßt eine Batterie 13 mit Übertragerspulen 16 und einem Sperrkondensator 15.

Bei der Fernsprechteilnehmerstation 10 liegt quer zur Teilnehmerleitung in der Nähe der Eingangsklemme 18 ein mit einem Kondensator 20 in Reihenschaltung geschalteter Wecker 19. In beiden Adern der Teilnehmerleitung sind Hakenumschalterkontakte 21 vorgesehen, während parallel zum Hörer 27 ein Hakenumschalterkontakt 22 geschaltet ist.

In bekannter Weise sind bei aufgelegtem Handhörer die Hakenumschalterkontakte 21 offen, während der Kontakt 22 geschlossen ist und den Hörer kurzschließt. Die Schaltungsanordnung der Teilnehmerstation umfaßt den Hörer 27 und die Sprechkapsel 23. Die aus den drei Wicklungsabschnitten 24, 25 und 26 bestehende Induktionsspule verbindet den Hörer 27 und die Sprechkapsel 23 in Rückhördämpfungsschaltung. Ein Transistor 35, der ein npn-Transistor sein kann, ist mit seinem Kollektor 41 an die Wicklung 26 der Induktionsspule angeschaltet, während sein Emitter 40 in Reihe mit der Sprechkapsel 23 und dem Widerstand 32 geschaltet ist.

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An der Basis 42 des Transistors liegt über einen aus den d) das Produkt der Wechselstromkomponenten (Durch-Widerständen 30 und 31 bestehenden Spannungsteiler schnitt über einen vollen Zyklus) gleich der Wechseleine Vorspannung; ein Uberbrückungskondensator 33 ist Stromleistung, die der Belastung zugeführt wird, d.h. an die Basis 42 des Transistors angeschaltet. Eine ins ₂*-

einzelne gehende Betrachtung der besonderen Betriebs- 5 ^- C τ· τ. τ ■ 9 j a-b

merkmale von Transistoren, die für die Schaltungsan- P_w = — \ a-L· -b-1· sm'cot - d(cot) = — -E-I,

Ordnung gemäß der Erfindung geeignet sind, sind in dem ζ

Aufsatz »Some Circuit Properties and Applications of _e) das Verhältnis der Leistungen gemäß c) und d) gleich

npn-Transistors« von R. L. Wallace und W. J. Pieten- der Modulationsleistung d h.
pol, Beü System Technical Journal, Bd. 30, Juli 1951, io

S. 530ff., zu finden. Pg(mod) ₌ E-I-2 ₌ 2

Der Widerstand 32 hat eine ähnliche Funktion wie der P_w E-I-a-b ab'

Kathodenwiderstand für die automatische Vorspan- 2. ρ

nungserzeugung in Vakuumröhren, d. h., er dient zur P_g ^_moa) = — ·

Stabilisierung des Emittergleichstroms durch negative 15 ^a ■ &

Rückkopplung. Im Sprechstromkreis nimmt aber der _Dj_e graphische Darstellung in Fig. 4 des vorerwähnten

Widerstand 32, da er nur einen verhältnismäßig geringen Aufsatzes von Wallace und Pietenpol zeigt, daß ein

Widerstandswert hat, nur einen kleinen Bruchteil der geeigneter Arbeitspunkt für einen üblichen npn-Transistor

Transistorausgangsleistung auf; er ist in Reihe mit der durch einen. Kollektorstrom von 2 Milliampere bei einem

eine hohe Impedanz aufweisenden, durch die Wick- 20 Spannungsabfall von 20 Volt gegeben ist.

lungen 24, 25 und 26 dargestellten Transformatorprimär- Di_e entsprechende Leistung des Modulators ist daher

wicklung in den Weg zwischen Kollektor 41 und der P_g(moä) = (20) · (0,002) =0,04 Watt oder 40 Milliwatt,

effektiven »Erde« geschaltet, als welche der Punkt 45 ^d der Gleichstromwiderstand des Modulators ist

angenommen werden kann. Der Kondensator 29 bildet . ~ nQ

einen reinen Wechselstromweg für diesen Teil der Schleife. 25 -R₀- — = = 10 000 Ohm. (2)

Der Hörerstromkreis umfaßt die Wicklung 25 der Induk- I 0,002

tionsspule und einen Widerstand 36 zur Rückhör- _Der Widerstandswert einer Telefonsprechkapsel

dämpfung. üblicher Art beträgt etwa 60 Ohm und ist demgemäß

Die vorteilhaften Betriebsmerkmale der Schaltungs- wesentlich geringer als der ideale Wert von 10 000 Ohm. anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus einer 30 u_{m eme} Annäherung an eine hundertprozentige Modu-Betrachtung beispielweiser Werte der verschiedenen lation oder an einen Wert Eins sowohl für α als auch für b Schaltelemente. Wenn z. B. angenommen wird, daß bei _{m der} Formel (1) zu ermöglichen, muß dieser WiderEinwirkung eines Einzeltones auf die Schaltung zu Unter- standswert annähernd gleich der Wechselstromimpedanz suchungszwecken die Mikrofonausgangsleistung 16 Muli- J_1n Ausgangskreis des Transistors gemacht werden. Die watt bei beispielsweise 90°/₀iger Modulation des Stroms 35 l_mpedanz der Verbindungsleitung L kann beispielsweise bzw. der Spannung beträgt, so läßt sich die für den aus _etwa 900 Ohm betragen. Die die Wicklungsabschnitte 24, dem Transistor und dem Kohlemikrofon bestehenden 25 und 26 enthaltende Mehrfachwicklungsspule wirkt als hochohmigen Modulator erforderliche Gleichstromenergie Spartransformator, durch den die Leitungsimpedanz aus der Beziehung annähernd auf den für die Modulatorbelastung ge-

_ 2 -P_w 40 wünschten Wert (10 000 Ohm) erhöht wird.

g (moö) — _a _ £ \ ) g_ej dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Kondensatoren' 29 und 33 je eine

mit etwa 40 Milliwatt ermitteln, wobei P_gimoa) die dem Kapazität von 2 Mikrofarad haben, die Vorspannungs-Modulator zugeführte Gleichstromenergie ist, P_w die wiederstände 30 und 31 können 100 000 bzw. 13 000 Ohm Wechselstromenergie, welche der durch die mit dem 45 betragen, während der Wert des Stabüisierungswider-Kollektorkreis des Transistors gekoppelten Dämpfungs- stands 32 gleich 500 Ohm sein kann. Der Widerstand 36 elemente dargestellten Belastung zugeführt wird der Rückhördämpfungsschaltung kann 900 0hm be-{= 16 mW), α die prozentuale Modulation des Modula- tragen. Für die voranstehend gegebenen Werte der torvorspannungsstroms (=90%) und δ die prozentuale Schaltelemente und unter der Voraussetzung, daß die Modulation der Modulatorvorspannung (= 90 %). 50 Wicklungen 24 und 25 eine gleiche Windungszahl N haben,

Die Formel (1) ergibt sich in folgender Weise: Wenn R₀ <j _n>

den Gleichstromwiderstand des Modulators, E die Gleich- ^y _ jy (3)
spannung und J den Gleichstrom an dem Modulator

bezeichnet, dann ist ergibt sich für die gewünschte Impedanzanpassung an

a) das Verhältnis der Gleichstromkomponenten gleich 55 eine Schleife von 900 Ohm
dem Gleichstromwiderstand des Modulators oder

E _ (^24 + N₂₅) ²: (N₂₁ + N₂₅ + N₂₆) * = (900 + 900): 10,000

Y ^{= R}° und

, . Ν_Ά: N_n: N_n = 2,1: 2,1: 5,8. (4)

und 60

b) das Verhältnis der Wechselstromkomponentengleich Diese Beziehung beruht auf dem bekannten Prinzip, der Wechselstromimpedanz Z der Belastung oder daß die Primärimpedanz und die Sekundärimpedanz den

Quadraten ihrer Windungszahlen proportional sind

^a Έ _ Ji_ 7? _ 7 (vgl. Dawes, Electrical Engineering, Bd. II, 4. Auflage,

δ · J δ &5 b. 257).

Bei diesen Werten wird die Hälfte der Energie P_w in

c) das Produkt der Gleichstromkomponenten gleich der der Rückhördämpfungsschaltung gedämpft und der Rest Gleichstromleistung, die dem Modulator zugeführt f^ das Vollastsignal der Teünehmerleitung zugeführt, wird, d. h. p_as Kohlemikrofon 23 kann einen Arbeitswiderstand

Pg {mo&) = -E * I = IE₀, 7o von etwa 50 Ohm haben. Für ein gegebenes akustisches

Signal bewirkt das Mikrofon sowohl eine Modulation seines Vorspannungsstroms von einem gewissen Prozentsatz als auch eine Modulation seiner Vorspannung von einem annähernd gleichen Prozentsatz. Da, wie von Wallace und Pietenpol gezeigt, der Kollektorstrom und der Emitterstrom eines typischen npn-Transistors in ihrer Größe annähernd gleich sind und voneinander nur um einen Betrag abweichen, der durch den verhältnismäßig geringen Basisstrom dargestellt wird, ist die resultierende prozentuale Modulation a des Kollektorstroms annähernd die gleiche wie die des Emitterstroms. Der gleiche Wert für die prozentuale Modulation b der Kollektorvorspannung ergibt sich, wie gezeigt, bei richtiger Wahl der Impedanz für den Kollektorstromkreis. Mit anderen Worten, es bestehen für die betrachteten Impedanzverhältnisse die gleichen Modulationsprozentsätze im Kollektorkreis des Transistors wie im zugeordneten Kohlemikrofon. Das Kohlemikrofon arbeitet in diesem Falle also mit einem geringen Vorspannungsstrom bei einem niedrigen Leistungspegel, und der Transistor verlagert die Modulationswirkung auf viel höhere Spannungspegel bei etwa dem gleichen Strom und damit auf höhere Pegel für Impedanz und Leistung.

Obwohl bei der dargestellten Schaltanordnung ein npn-Transistor verwendet ist, kann statt dessen auch ein pnp-Transistor vorgesehen werden, was lediglich eine Veränderung in der Polarität der Gleichstromquelle notwendig macht. In ähnlicher Weise können in der Fernsprechtechnik an sich bekannte Schaltmaßnahmen für das Erzielen von Varianten der dargestellten Teilnehmerapparat-Schaltungsanordnung Anwendung finden.

Aus der vorangehenden kurzen Darlegung ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei welcher ein Transistor als hochohmiger Modulator verwendet wird, bei einem Schleifenstrom von nur 2 Muliampere die gleiche Sprechsignalausgangsleistung ermöglicht, die bei Teilnehmerapparat-Schaltungsanordnungen der üblichen Art erst bei einem Schleifenstrom von mehr als 25 Milliampere erreicht wird. Es ist daher möglich, mit den vorhandenen Leitungen über längere Schleifen zu senden oder wesentliche Einsparungen durch die Verwendung von Drähten mit geringerem Durchmesser bei kürzeren Schleifen zu erzielen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH;

   Schaltungsanordnung für Fernsprechteilnehmerstationen mit einem aus der Amtsbatterie gespeisten Transistorverstärker, dessen Emitter-Kollektor-Kreis mit dem in Reihe liegenden Kohlemikrofon der Sprecheinrichtung in Brücke zur Anschlußleitung verläuft, und mit einer mehrwickligen Induktionsspule zur rückhörfreien Kopplung von Hör- und Sprechkreis, gekennzeichnet durch die gemeinsame Anwendung der nachstehend genannten zwei Maßnahmen:

   a) daß die Impedanz des Kollektor-Basis-Kreises nahezu gleich dem ohmschen Widerstand dieses Kreises ist,

   b) daß die Wicklungen (24, 25, 26) der Induktionsspule derart geschaltet sind, daß alle Wicklungen (24, 25, 26) im Kollektor-Basis-Kreis (42, 41), aber nur ein Teil der Wicklungen (24, 25) in Brücke zur Teihiehmeranschlußleitung (12) liegen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentanmeldung S 24 390 VIII a/21 a² (bekanntgemacht am 14. 8. 1952);
   deutsche Patentschrift Nr. 862 917;
   britische Patentschrift Nr. 679 875.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen