DE597401C - Zwischenverstaerkerschaltung in pupinisierten Kabeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen zum Beseitigen von Verzerrungen in pupinisierten, mit Zwischenverstärkern ausgestatteten Kabeln oder anderen ähnlichen natürlichen oder künstlichen Leitungen, bei denen die Impedanz (der Scheinwiderstand) und die Dämpfung proportional der Frequenz bzw. in ungefähr gleicher Funktion der Frequenz wie in pupinisierten Kabeln mit halber Anlauflänge ansteigen. Es ist schon vorgeschlagen worden, die Unterschiede der Dämpfungen bei verschiedenen Frequenzen dadurch zu beseitigen, daß man in die Leitung Impedanzen oder künstliche Leitungsstücke einschaltet, durch die eine höhere zusätzliche Dämpfimg auf die von der natürlichen Leitungsdämpfung am wenigsten betroffenen Frequenzen ausgeübt wird, die von der Leitung stark gedämpften Schwingungen jedoch mit einer niedrigeren (zusätzlichen) Dämpfung hindurchgelassen werden. Durch diese Anordnung tritt offenbar eine Schwächung der Sprachübertragung ein, die durch Verstärkung ausgeglichen werden muß.
Es ist vorgeschlagen worden, die Dämpfungsverzerrung auf Leitungen dadurch zu vermindern, daß die in die Leitung eingeschalteten Zwischenverstärker je mit einer selektiv als negative Dämpfung wirkenden Rückkopplung zwischen Anodenkreis und Gitterkreis versehen werden. Praktisch ist es aber auch sehr schwer, diese Rückkopplung so auszuführen, daß der Rückkopplungsgrad einigermaßen in ähnlicher Weise mit der Frequenz variiert wie die Dämpfung auf der Leitung; dies ist jedoch erforder-Hch, um die Verzerrung zu beseitigen. In der vorgeschlagenen Weise können lediglich die so ausgebildeten Verstärker einer ganz bestimmten Leitung angepaßt werden.

Gemäß der Erfindung läßt sich in verhältnismäßig hohem Grade eine Beseitigung der Verzerrung in pupinisierten Kabeln oder Leitungen der obengenannten Art dadurch erzielen, daß der durch die Anodenwechselspannung hervorgerufene schädliche Einfluß auf den Anodenwechselstrom, z. B. durch Zurückführen einer in entdämpfender Richtung wirkenden Ausgleichsspannung vom Anoden- in den Gitterkreis, im wesentlichen aufgehoben und dadurch ausreichende Konstanz des Anodenstromes herbeigeführt wird, so daß sich die Verstärkung im wesentlichen in gleicher Weise mit der Frequenz ändert wie die Dämpfung.

Ein in dieser Weise kompoundierter Verstärker verhält sich insofern ebenso wie eine kompoundierte Dynamomaschine für konstanten Strom, als der Anodenstrom des Verstärkers bei gegebener Größe der zugeführten Gitterspannung konstant und von der Größe der Ausgangsimpedanz unabhängig ist. Die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen wird folglieh der Größe der Ausgangsimpedanz proportional werden. Wenn nun der Anodenkreis mit dem Scheinwiderstand der Leitung belastet wird, so werden wegen der Proportionalität zwischen dem Scheinwiderstand der Leitung und der Liniendämpfung die verschiedenen Frequenzen in demselben Verhältnis verstärkt, in dem sie vorher auf der Linie gedämpft worden sind. Hierdurch wird die Verzerrung schon teilweise aufgehoben. Sie kann jedoch durch

passende Wahl der Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Zwischenyerstärkern auf der Linie vollkommen aufgehoben werden.

Ein in der beschriebenen Weise nach der Erfindung ausgebildeter Verstärker ist für jede Pupinleitung verwendbar, bei der die Anlauflänge in üblicher Weise gleich einer halben Spulenfeldlänge ist. Ein solcher Verstärker kann aber auch bei anderen Leitungen benutzt to werden, und zwar bei solchen Leitungen, deren Scheinwiderstand durch Hinzufügen einer Kunstleitung oder Leitungsverlängerung so ausgebildet ist, daß er in gleicher Weise von der Frequenz abhängt wie die Dämpfung. Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt sind, beschrieben werden.

Abb. ι zeigt ein Schaltungsschema eines Ausao führungsbeispieles der Erfindung.

Abb. 2 zeigt eine andere Ausführung, bei der mehrere Verstärkerröhren bei jedem Zwischenverstärker auf der Linie vorgesehen sind.

Die Erfindung kann bei Zweidraht- und Vierdrahtverstärkern angewendet werden.

In Abb. ι stellen 1 und 1' zwei über einen Zwischenverstärker verbundene Leitungsabschnitte dar, von denen jeder in gewöhnlicher Weise in einer Leitungsnachbildung 2, 2' endet. Zwischen der Leitung und der zugehörigen Leitungsnachbildung ist jeweils ein Differentialtransformator 3 und 3' eingeschaltet, deren Sekundärwicklungen mit den zugehörigen Eingangstransformatoren 4 und 4' von Verstärker-. 35 röhren 5 und 5' verbunden sind. Die Ausgangstransformatoren der Röhren besitzen drei Wicklungen 6, 7, 8 und 6', 7', 8', von denen die Primärwicklungen 6 und 6' in den Anodenstromkreis eingeschaltet, die Sekundärwicklungen 7 und 7' an die abgehenden Leitungen angeschlossen und die zusätzlichen Sekundärwicklungen 8 und 8' zwischen das Gitter und die Sekundärwicklung der Eingangstransformatoren geschaltet sind. Die Wicklungen 8 und 8' dienen 45' dazu, dem Gitter eine dem Anodenstromkreis entnommene Ausgleichsspannung zuzuführen, die so hoch gewählt ist, daß sie die Rückwirkung der Anodenbelastung auf die Steuerspannung aufhebt. Die Wechselstromkomponente Vr„ der Steuerspannung kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

V_RvV_gv + + dV_av, μ

wobei Vg_V die Wechselstromkomponente der Gitterspannung, —— die Rückwirkung der

veränderlichen Anodenspannung V_av auf die Steuerspannung, μ den Verstärkerfaktor, δ V_av die durch die Ausgleichswicklungen 8 und 8' vom Anodenkreis zum Gitter zurückgeführte Ausgleichsspannung darstellen. Die Ausgleichsspannung wird so groß gewählt, daß

-^- + <5 V_av = 0. Da die Größen μ und δ , P praktisch-konstant sind, so ist diese Gleichung identisch, also für alle Frequenzen erfüllt. Die Rückwirkung wird demnach für alle Frequenzen vollständig aufgehoben. Infolgedessen wird der Verstärker mit einer dynamischen Charakteristik arbeiten, die mit seiner statischen Charakteristik übereinstimmt. Bei gegebener Amplitude und Frequenz der zugeführten Gitterspannung erhält man also einen von der Größe der äußeren Anodenimpedanz unabhängigen Anodenstrom, der bei allen Belastungen, also auch bei Kurzschluß, seinen Wert nicht verändert. Die Röhre verhält sich mit anderen Worten ebenso wie eine kompoundierte Dynamomaschine für konstanten Strom. Die Ausgangsspannung der Röhre wird also bei wechselnder Frequenz proportional dem der Frequenz entsprechenden Absolutwert der Liniencharakteristik. Dieser Wert ist wiederum der Liniendämpfung bei derselben Frequenz proportional. Die Frequenzen, die in dem vor dem Verstärker liegenden Leitungsabschnitt der größten Dämpfung unterworfen sind, werden also diegrößte Verstärkung erhalten.

Die Verzerrung auf der Leitung kann jedoch durch eine derartige Schaltung nur teilweise aufgehoben werden. Während die Ausgangsspannung des Verstärkers für die verschiedenen Frequenzen dem Produkt β · I direkt proportional ist, wobei β den Dämpfungsfaktor der Linie und I die Länge des betreffenden Leitungsabschnittes darstellen, ist die auf den vor dem Verstärker liegenden Leitungsabschnitt ausgeübte Dämpfung durch die Exponentialfunktion Ißl bestimmt.

Es hat sich gezeigt, daß man es durch passende Wahl des Abstandes zwischen den Zwischenverstärkern erreichen kann, daß die Verstärkung der verschiedenen Frequenzen praktisch genommen in genügend genauem Maße die Dämpfung auf dem vorhergehenden Leitungsabschnitt ausgleicht. Diese Tatsache soll durch folgende kurze mathematische Entwicklung bewiesen werden.

Die charakteristische Impedanz Z (Scheinwiderstand) und der Dämpfungsfaktor β der Leitung schwanken mit der Winkelfrequenz ω no und sind durch folgende Gleichungen bestimmt:

Hierbei bedeutet Z₀ die Charakteristik für niedrige Frequenzen (theoretisch ω = ο) und in derselben Weise ß₀ die Liniendämpfung für niedrige Frequenzen.

Die Grenzfrequenz der Leitung ist --⁰-.

Da der Anodenstrom i_a einer Röhre infolge der Kompoundierung der Verstärkerröhre von der Ausgangsimpedanz unabhängig, also auch gleich dem Anodenstrom bei Kurzschluß der Röhre auf der Ausgangsseite ist, kann man offenbar schreiben:

μ-U₁-V₂

Hierbei bedeuten — das Übersetzungsverhältnis

»1

des Eingangstransformators 4, F₂ die Spannung auf der Primärseite des Eingangstransformators, R; den inneren Widerstand der Verstärkerröhre, μ in bekannter Weise den Verstärkungsfaktor der Röhre.

Für die Spannung zwischen den Primärklemmen des Ausgangstransformators 6, 7, 8 kann man setzen

Hierbei ist Z der Scheinwiderstand der Leitung und U₂ das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungen 7 und 8 im Ausgangstransformator.

Die Spannung F₃ zwischen den Sekundärklemmen des Ausgangstransformators ist also durch folgende Gleichung bestimmt:'

/ZM₁M₂ Zo F₂ . K-V₂

^Γ* ⁼ ΐ ⁼

Hierin ist

ι —

^A = -=-·μ-U₁-U₂.

Denkt man sich nun der Einfachheit halber den Leitungsabschnitt ι direkt an die Primärklemmen des Eingangstransformators 4 angeschlossen, wie es auch praktisch bei Vierdrahtverstärkern ausgeführt ist, so ergibt sich für das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung F₃ und der Spannung F₁ am Anfang des vor dem Verstärker liegenden Leitungsabschnittes

F₁ V₁'V,

e löge—»-■

F₀

ßl\=e{s—ßl).

Hierbei ist e die Grundzahl des natürlichen Logarithmensystems und s = log e (-ψ-) gleich der Verstärkung. Durch Reihenentwicklung er-

hält man

s = log e K -\

² \^ωο

Ferner gilt

ßl =

A, I

\ ω₀ / 3 \ ω₀

3 / ω \² , 3-5 / ω

(W_f CO₁,

4-6 \ CO₀/

also

= logeK-

τ co

2\co₀J 3 Vo₀

• · ■ f ·

Damit (s — β I) angenähert gleich Null wird, muß man offenbar setzen

d. h.

logeK

; β_ο·1=.τ,

log ei? = ι oder K = e, also ~-

In diesem Falle -ist

= e.

-δ =

²4

Dieser Ausdruck ist verschwindend klein für alle Frequenzen, die nicht allzu nahe der Grenz-

frequenz —— liegen.

2JI

Hieraus ergibt sich die Möglichkeit einer praktisch genommen vollständigen Beseitigung der Verzerrung, wenn man den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Zwischenverstärkern derart wählt, daß die Liniendämpfung für niedrige Frequenzen im wesentlichen gleich einem Neper ist. Dieser Abstand soll mit L_n bezeichnet werden.

Man ist aber, wie im nachfolgenden bewiesen werden soll, nicht an einen solchen bestimmten Abstand zwischen den Zwischenverstärkern gebunden.

Abb. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung bei einem Vierdrahtverstärker, durch die man sich von einem von vornherein festliegenden Abstand unabhängig machen kann. Hier bedeuten 9 und 9' die durch den Zwischenverstärker verbundenen Enden der Leitung für die eine Sprechrichtung. Das Leitungsende 9 auf der Eingangsseite des Verstärkers ist durch einen Transformator 10 mit dem Gitter einer ersten Verstärkerröhre 11 verbunden, die ihrerseits über den Ausgangstransformator 12 an eine künstliche Leitung angeschlossen ist. Die künstliche Leitung ist praktisch genommen dämp-

fungsfrei und hat eine der Liniencharakteristik nachgebildete Charakteristik. Sie besteht aus zwei parallel geschalteten Impedanzen, von denen die eine aus einem Kondensator 13 besteht und die andere aus einem Widerstand 14 in Reihe mit einem Kondensator 15 und einer diesem Kondensator parallel geschalteten Induktanz 16 zusammengesetzt ist. Das andere Ende der künstlichen Leitung istjdurch einen Eingangstransformator 17 mit dem Gitterkreis eines zweiten Verstärkers 18 verbunden, der durch einen Ausgangstransformator 19 an den nachfolgenden Leitungsabschnitt 9' angeschlossen ist. Die beiden Ausgangstransformatoren 12 und 19 besitzen in derselben Weise wie der Ausgangstransformator 6, 7, 8 in Abb. 1 Ausgleichswicklungen 8 zum Zurückführen einer Ausgleichsspannung zum Gitter.

In Abb. 2 ist also eine Verbindung zweier Verstärkereinheiten dargestellt, die durch einen dämpfungsfreien Leitungsabschnitt voneinander getrennt sind. Da die künstliche Leitung dieselbe Charakteristik besitzt wie die natürliche Leitung, so erhalten die ankommenden Schwingungen in der ersten Röhre 11 eine Verstärkung, die auf alle darin enthaltenen Frequenzen fast vollkommen die Dämpfung auf einer Leitungsstrecke der Länge L_n ausgleicht. Ein derart bemessener Verstärker, der also eine Dämpfung von einem Neper aufhebt, wird auch als Einheitsverstärker bezeichnet. Die derart verstärkten Schwingungen gehen nun ohne Dämpfung durch die künstliche Leitung zum zweiten Verstärker 18, in dem sie genügend verstärkt werden, um die Dämpfung einer zweiten nachfolgenden Linienstrecke L_n auszugleichen. Der vor dem Zwischenverstärker liegende Leitungsabschnitt kann also in diesem Falle eine doppelt so große Länge, 2 L_n, besitzen als bei der Verwendung von einer einzigen Verstärkerröhre. In ähnlicher Weise kann man den Zwischenverstärker aus drei oder mehreren Verstärkereinheiten zusammensetzen, die hintereinandergeschaltet und durch künstliche Leitungen, die dämpfungsfreie Nachbildungen eines Leitungsabschnittes der Länge L_n darstellen, voneinander getrennt sind. Man kann also eine verzerrungsfreie Sprachübertragung für Vielfache von Leitungslängen L_n erhalten.

Man kann sich aber auch von der berechneten Einheitslänge L_n unabhängig machen und dann die Abstände zwischen den Zwischenverstärkern mit Rücksicht auf die örtlichen Verhältnisse auswählen. Wenn man die Anzahl der hintereinandergeschalteten Verstärkerröhren des Zwischenverstärkers so wählt, daß der Zwischenverstärker die Dämpfung der die Länge des vorhergehenden Linienabschnittes übersteigenden Anzahl ganzer Einheitslängen L_n ausgleicht. Hierbei muß in Reihe mit den Verstärkereinheiten des Zwischenverstärkers eine künstliche ; Dämpfung geschaltet werden, die dem Überschuß der somit erhaltenen Verstärkung entspricht.

Bei langen Leitungen mit einer Mehrzahl von Zwischenverstärkern braucht man somit nur darauf zu achten, daß die Gesamtzahl der für die eine Sprachrichtung in die Leitung eingeschalteten und auf die verschiedenen Zwischenverstärker verteilten Röhren die Dämpfung der die Länge der Gesamtleitungsstrecke übersteigenden Anzahl ganzer Einheitslängen L_n ausgleicht und daß in die Leitung eine künstliche Dämpfung eingeschaltet ist, die dem Überschuß der dabei erhaltenen Verstärkung entspricht.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zwischenverstärkerschaltung in pupinisierten Kabeln, deren Anlauflänge gleich einer halben Spulenfeldlänge ist, oder in anderen Leitungen, auch Kunstleitungen, deren Scheinwiderstand sich durch Anschalten einer Kunstleitung bzw. Leitungsverlängerung im wesentlichen in gleicher Weise mit der Frequenz ändert wie die Dämpfung, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Anodenwechselspannung hervorgerufene schädliche Einfluß auf den Anodenwechselstrom durch Zurückführen einer in entdämpfender Richtung wirkenden Ausgleichs- go spannung vom Anoden- in den Gitterkreis im wesentlichen aufgehoben und ausreichende Konstanz des Anodenstromes herbeigeführt wird, so daß sich die Verstärkung im wesentlichen in gleicher Weise wie die Dämpfung mit der Frequenz ändert und Verzerrungsfreiheit erreicht wird.

2. Zwischenverstärkerschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Widerstand [R) der Verstärkerröhre, der Verstärkungsfaktor (μ) und das Übersetzungsverhältnis I — I bzw. («,) der Ein-

Λ ^ui 1

und Ausgangstransformatoren derart in Abhängigkeit vom Scheinwiderstand (Z₀) der Leitung für niedrige Frequenzen ausgewählt

sind, daß möglichst -£- · μ U₁ u_% ■==. e- wird,

wobei e die Grundzahl des natürlichen Logarithmensystems darstellt und die Gesamt-Verstärkung des Verstärkers für niedrige Frequenzen im wesentlichen die Dämpfung derselben Frequenzen in dem vorherliegenden Leitungsabschnitt ausgleicht (kompensiert).

3. Zwischenverstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein vor einer mit einem Einheitsverstärker ausgerüsteten Zwischenverstärkungsvorrichtung liegender Leitungsabschnitt im wesentlichen so lang ist, daß seine Liniendämpfung für niedrige Frequenzen einem Neper gleich ist.

4· Zwischenverstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärker oder Zwischenverstärker mindestens zwei hintereinandergeschaltete Verstärkereinheiten enthält, die durch nahezu dämpfungsfreie künstliche Leitungen getrennt sind, deren Scheinwiderstände Nachbildungen des Scheinwiderstandes der Leitung bilden, und die Länge des vor dem Verstärker oder Zwischenverstärker liegenden Leitungsabschnittes im wesentlichen so groß gewählt ist, daß seine Dämpfung für niedrige Frequenzen der Anzahl der Verstärkereinheiten entsprechende Vielfache, also 2, 3 usw. Neper beträgt.

5. Zwischenverstärkerschaltung nach Anspruch ι oder den folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der hintereinandergeschalteten Verstärkerröhren so groß gewählt ist, daß der Verstärker oder Zwischenverstärker die Dämpfung einer Anzahl von Einheitslängen mit einer Dämpfung von je einem Neper ausgleicht, welche zusammen die Länge des vorhergehenden Linienabschnittes gerade übersteigen, und dieDifferenz dieser Dämpfungen durch eine in Reihe mit der Linie geschaltete künstliche Dämpfungausgeglichenist, die im übrigen denselben Scheinwiderstand besitzt wie die Leitung.

6. Zwischenverstärkerschaltung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der in der Leitung für jede Sprechrichtung vorgesehenen und auf sämtliche Verstärker verteilten Verstärkerröhren zusammen die Dämpfung einer Anzahl von ganzen Einheitslängen mit je einer Dämpfung von einem Neper ausgleichen, welche zusammen die Gesamtleitungslänge gerade übersteigen, und die Differenz dieser Dämpfangen durch eine in Reihe mit der Linie geschaltete künstliche Leitung ausgeglichen ist, deren Scheinwiderstand im übrigen demjenigen der Leitung entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen