DE19514806A1 - Stromdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Stromdetektoren, und zwar insbesondere auf solche, wie sie in Telefonschleifen verwendet werden.

Leitungsstromschleifendetektoren in einer Telefonanlage detektieren typischerweise entweder eine Änderung der Spannung, welche mit dem Stromfluß zusammenhängt, der entsteht, wenn ein Teilnehmer abnimmt oder auflegt oder eine Änderung des Schleifenstromflusses auf der Leitung selbst stattfindet. Ein Schleifenstromdetektor muß von der Schleife oder einer anderen Leitung, in welcher ein Strom zu detektieren ist, isoliert werden. Üblicherweise wird ein Optokoppler verwendet, in welchem eine lichtemittierende Diode, die optisch an einen Photosensor angekoppelt ist, mit einem Strom beaufschlagt wird, der sich aus dem Spannungsabfall an einem Widerstand (z. B. 100 Ohm) ergibt, welcher in Serie mit der Leitung geschaltet ist, in welcher der Strom detektiert werden soll und durch welchen der zu detektierende Strom fließt.

Der Strom durch die Optokopplerdiode wird üblicherweise durch einen in Serie ge­ schalteten 10-Ohm-Widerstand begrenzt. Dies bedeutet, daß die Optokopplerdiode unter bestimmten Bedingungen mit bis zu 100 mA beaufschlagt wird. Aus diesem Grund eignen sich nur wenige Optokoppler für diesen Verwendungszweck.

Schleifenstromdetektoren führen auch manchmal zu Problemen mit der Leitungsba­ lance und erfordern Optokoppler mit lichtemittierenden Dioden, die mit Strömen in einem großen Bereich beaufschlagt werden können. Derartige Dioden sind jedoch empfindlich gegenüber sekundären Stromspitzen. Zur Vermeidung eines frühen Aus­ falls des Optokopplers müssen die Schleifenströme auf relativ geringe Werte unter 100 mA begrenzt werden.

Es besteht die Aufgabe, einen Stromdetektor so weiterzubilden, daß er auch mit einfachen Bauteilen hergestellt werden kann und weitgehend ausfallsicher arbeitet.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Schleifenstromdetektor eine robuste diodenbasierte Spannungsquelle für die Energieversorgung eines Optokopp­ lers auf, welche im wesentlichen unempfindlich gegenüber Strom- und Spannungs­ spitzen ist und den Optokoppler weitgehend schützt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Schleifenstromkreis einen Wider­ stand als Spannungsquelle zur Energieversorgung eines Optokopplers auf, wobei der Widerstandswert sehr gering ist, z. B. eine Größenordnung geringer als beim Stand der Technik, was die Wahrscheinlichkeit von Problemen aufgrund eines Leitungsun­ gleichgewichts wegen des Vorhandenseins des Widerstands verringert.

In einer weiteren Ausführungsform werden keine Optokoppler benötigt, während die Isolation und das Längsgleichgewicht aufrechterhalten werden. Es lassen sich sehr hohe Schleifenströme handhaben, Einstellungen in der Fabrik werden vermieden und die Kosten des Detektors können gering gehalten werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 und 3 schematische Schaltbilder von Varianten der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 und 6 schematische Schaltbilder von Varianten des Optokopplers der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 4;

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform ohne Optokoppler.

Obwohl sich die verschiedenen, beschriebenen Ausführungsformen nur auf die An­ wendung in Telefonanlagen beziehen, ist der Gegenstand der Erfindung auch in anderen Anwendungen zur Strommessung einsetzbar, beispielsweise im Automobil- oder Industriebereich, insbesondere als Ersatz für strombetätigte Relais bei Indu­ striealarmanlagen.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Schal­ tung, wie die dargestellte, liegt entweder mit der a- oder b-Leitung einer Teil­ nehmerschleife in Serie. Die Diode 1 liegt in Serie mit der Leitung, und zwar in Sperrichtung bezüglich der Spannung der Teilnehmerschleife und die Dioden 2 - n liegen zueinander in Reihe und parallel zur Diode 1, jedoch in Durchlaßrichtung. Die lichtemittierende Diode 4 eines Optokopplers (welcher auch ein nicht dargestell­ tes lichtempflindliches Bauteil aufweist) ist in Reihe mit einem Strombegrenzungs­ widerstand 5 geschaltet, und zusammen mit diesem parallel zu den vorgenannten Anordnungen, wobei die lichtemittierende Diode in der gleichen Durchlaßrichtung geschaltet ist wie die Dioden 2-n.

Die Diode 1 bildet einen Leitweg geringen Spannungsabfalls in bezüglich der Leit­ richtung umgekehrter Richtung über die Dioden 2-n. Diese Spannung erzeugt einen Spannungsabfall, der ausreicht, um die Optokopplerdiode 4 zu betreiben. Die Diode 1 begrenzt somit die vom Optokoppler 4 benötigte inverse Spitzenspannung auf die maximale an der Diode 1 in Durchlaßrichtung abfallende Spannung.

In gleicher Weise muß die Diode 1 keine höhere invertierte Spitzenspannung aufwei­ sen als die Summe der Spannungen der Dioden 2-n in Durchlaßrichtung.

Während des Betriebs sind die Dioden 2-n in Durchlaßrichtung beaufschlagt und der an ihnen auftretende Spannungsabfall liegt im Bereich zwischen der minima­ len Durchlaßspannung des Optokopplers 4 zuzüglich des Spannungsabfalls am Wi­ derstand 5 und der Summe der maximalen Durchlaßspannungen der Dioden 2- n. Dieser Spannungsbereich ist wesentlich geringer als der bei Verwendung eines herkömmlichen Spannungsabfall-Widerstands erreichbare. Die Zuverlässigkeit der Detektion des Abnehmens des Hörers oder anderer Schleifenstromänderungen unter Verwendung eines Optokopplers wird somit erheblich verbessert.

In Fig. 2 ist eine Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform dargestellt. In diesem Fall werden anstelle der Diode 1 in Reihe geschaltete Dioden 6-m verwen­ det. Die invertierte Spitzenspannung der Diode 1 wird somit auf die der Gesamtheit der Dioden 6-m erhöht. Zwei Optokopplerdioden 4 und 9 sind dargestellt und anti­ parallel zueinander geschaltet und liegen in Reihe mit dem Widerstand 5. In diesem Fall kann die Schaltung Stromfluß in jede Richtung mit Hilfe der entsprechenden Optokopplerdioden 4 und 9 detektieren.

Falls Stromfluß in umgekehrter Richtung nicht zu erwarten ist, muß auch im letzt­ genannten Fall nur ein einzelner Diodenstrang 2-n oder 6-m verwendet werden, wobei die geeignete Spannung der Optokopplerdiode in Durchlaßrichtung der ver­ bleibenden Diodenkette erzeugt wird.

Es sei angemerkt, daß anstelle eines Diodenstrangs 6-m auch ein Vollwellengleich­ richter 10 verwendet werden kann, wie er in Fig. 3 dargestellt ist.

Typisch für all diese Fälle ist der in Fig. 2 dargestellte Fall, bei dem der zu detek­ tierende Strom zwischen dem Diodenstrang 2-n und dem Optokoppler/Widerstand 4, 5 und dem Diodenstrang 6-m und dem Optokoppler/Widerstand 4, 5 aufgeteilt wird.

In manchen Fällen sind die lichtemittierenden Dioden von Optokopplern nicht in der Lage, große Strombereiche, wie sie auf der Leitung vorkommen, aufzunehmen. In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche dieses Problem ausräumt (wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen kann eine der beschriebenen Schaltungen in Reihe mit jedem Draht der im Gleichgewicht be­ findlichen Leitung geschaltet werden).

Ein Widerstand 15 geringen Widerstandswerts ist in Reihe mit dem Draht geschal­ tet, dessen Strom zu detektieren ist und über diesen Widerstand findet ein Span­ nungsabfall statt. Ein Paar aus Widerständen 16 und 17 ist mit entsprechenden Enden des Widerstands 15 verbunden und in Reihe mit einem einstellbaren Wi­ derstand 18, beispielsweise einem Potentiometer geschaltet, dessen Abgriff auf Erde liegt. Ein Operationsverstärker 20, der mit einem Widerstand 21 zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang rückgekoppelt ist, ist mit je einem Eingang mit je einem Ende des Widerstands 18 verbunden. Der Ausgang des Ope­ rationsverstärkers 21 ist an die lichtemittierende Diode 23 eines Optokopplers an­ geschlossen, welche in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand 25 auf Erde liegt. Eine weitere Optokopplerdiode 27 kann mit umgekehrter Polarität zur Diode 23 parallel zu dieser liegen.

Während des Betriebs erzeugt ein Strom innerhalb des Drahts einen Spannungsabfall am Widerstand 15. Dieser Spannungsabfall wird im Operationsverstärker 20 detek­ tiert, der daraufhin Strom durch eine der Optokopplerdioden 23 oder 27 fließen läßt, je nach Richtung des Stromflusses im Widerstand 15 und der sich daraus ergebenden Stromrichtung am Ausgang des Verstärkers 20.

Zwei wesentlichen Aspekte dieser Ausführungsform liegen darin, daß die am Wi­ derstand 15 abgefallene Spannung, welche dem zu detektierenden Strom entspricht, vom Operationsverstärker 20 verstärkt wird, was eine Indikation darüber ergibt, ob der Hörer aufgelegt oder abgenommen ist, wobei eine geringere Wahrscheinlichkeit eines Ungleichgewichts auf der Leitung besteht, als es bei herkömmlichen Schaltun­ gen der Fall ist. Weil ein Verstärker vorgesehen ist, kann der Widerstand 15 einen geringeren Wert aufweisen als üblich, womit ein geringerer Spannungsabfall an ihm stattfindet und damit ein geringeres Ungleichgewicht auf den Leitungen erzeugt wird. Das Ungleichgewicht ergibt sich aus ungenauen Widerstandswerten entspre­ chender Widerstände innerhalb eines Paars im Gleichgewicht befindlicher Drähte, oder aus geringeren, einer Leitung zugefügten Widerstandswerten im Falle eines ein­ zelnen, nicht im Gleichgewicht befindlichen Drahts (und auch im Falle eines Paars im Gleichgewicht befindlicher Drähte).

Wenn beispielsweise die Durchlaßspannung der lichtemittierenden Diode des Opto­ kopplers 1,4 Volt beträgt, die Verstärkung bei 100 liegt, der Spannungsabfall am Widerstand 15 14 mV beträgt und der minimale zu detektierende Schleifenstrom bei 16 mA liegt, muß der Widerstand 15 nur 0,875 Ohm haben, was etwa eine Größenordnung unter dem üblicherweise für derartige Widerstände benutzten Wert liegt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Ausführungsform ist die Verwendung des ein­ stellbaren Widerstands 18, der die Nullstellung des Operationsverstärkers erleich­ tert. Zusätzlich zur Erzeugung eines virtuell idealen Arbeitspunktes des Verstärkers 20 ermöglicht dies dem Entwickler eine Einstellbarkeit der Optokopplerdiode, wo­ bei tolerierbare Stromflüsse in dem Draht (Widerstand 15), die ignorierbar sind, einbezogen werden und die Optokopplerdiode bezüglich Stromfluß vorspannbar ist, welcher ignoriert werden soll oder eine Strombasis bilden soll bezüglich der andere Ströme zu detektieren sind.

Falls die Amplitude der Spannungsversorgung gegen Erde, welche den Verstärker 20 mit Energie versorgt, die umgekehrte Durchbruchspannung der lichtemittierenden Dioden der Optokoppler übersteigt, können eine oder mehrere Dioden 30 und 31 in Reihe zu den Optokopplerdioden 23 und 27 hinzugefügt werden, was in Fig. 5 dargestellt ist. Hierdurch erhöht sich die gesamte umgekehrte Durchbruchspannung der in Reihe geschalteten Paare.

Alternativ hierzu kann gemäß Fig. 6 ein Spannungsteiler eingesetzt werden, der aus zwei Reihenwiderständen 33 und 34 besteht, um die den Optokopplerdioden 23 und 27 zugeführten Spannungen zu vermindern.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche zur Er­ zielung einer Isolation keine Optoisolatoren verwendet und andere Vorteile aufweist, welche im folgenden beschrieben werden.

Geringwertige Widerstände 42 und 43, welche beispielsweise einen Wert von 10 Ohm aufweisen, sind in Reihe in entsprechende Drähte 40 und 41 einer im Gleichgewicht befindlichen (balancierten) Teilnehmerschleife geschaltet. Jeder Widerstand 42 und 43 wird durch ein entsprechendes Paar antiparalleler Dioden 44, 45 und 46, 47 überbrückt.

Ein Differenzverstärker 50 ist mit seinen Eingängen in Serie mit entsprechenden Widerständen 53 und 54 über einen der Widerstände, z. B. 43 geschaltet. Bei einem funktionierenden Prototyp betrug die Verstärkung des Differenzverstärkers 6,6.

Zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers 50 ist ein Spannungsteiler geschal­ tet, der aus einem Paar in Reihe geschalteter hochwertiger Widerstände 52 und 53a von jeweils 1 MOhm besteht, wobei der Anschlußpunkt der Widerstände 52 und 53a als Spannungsbezugspunkt V_ref bezeichnet wird, dem Abgriffswert der Span­ nung zwischen den Widerständen 52, 53a.

Die Referenzspannung wird erzeugt durch die Reihenschaltung der strombegren­ zenden Widerstände 55 und 56 und der gleichgeschalteten Dioden 58 und 59 (wobei letztere vorzugsweise durch entsprechende Filterkondensatoren 61 und 62 überbrückt sind), zwischen einer Spannungsquelle +V und Erde, wobei die Dioden in Strom­ flußrichtung relativ zu +V und Erde geschaltet sind. Die Dioden 58 und 59 wirken als Spannungsreferenzdioden. Die Referenzspannung V_ref wird von der Verbindungs­ stelle der Dioden 58 und 59 abgenommen.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 50 ist mit dem + Eingang der Komparatoren 64 und 65 verbunden und die - Eingänge der Komparatoren 64 und 65 sind mit den Anoden- bzw. Kathodenenden der Dioden 58 und 59 verbunden. Die Ausgänge der Komparatoren 64 und 65, welche über entsprechende Vorschaltwiderständen 67 und 68 mit +V verbunden sind, erzeugen logische Werte, welche die Anwesenheit eines auf den Drähten 40 und 41 in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung fließenden Schleifenstroms indizieren.

Es sei angemerkt, daß die Bezugsspannung V_ref auf dem gleichen Wert gehalten wird wie die Eingänge der Komparatoren. Dies führt in Verbindung mit einem Differenz­ verstärker 50, der einen Feldeffekttransistoreingang aufweist, zu einer Schaltung, die bei der Herstellung nicht justiert werden muß, was zu reduzierten Herstellungsko­ stens führt.

Bei einem funktionierenden Prototyp wurden Schleifenströme zwischen 16 und 125 mA gemessen. Die Dioden 44, 45, 46 und 47 bilden einen Stromüberbrückungsweg über die Widerstände 42 und 43, wenn der Schleifenstrom 70 bis 90 mA übersteigt. Dies entspricht einer Energiedissipation in den Widerständen 42 und 43 von 80 mW.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird das Längsgleichgewicht der beiden Leitungen aufrechterhalten. Es lassen sich sehr hohe Spitzenströme handhaben, während bei Schaltungen, die lichtemittierende Dioden und Optokoppler verwen­ den, diese Bauteile manchmal zerstört werden. Die Gesamtkosten des Detektors sind relativ gering, da marktübliche Komponenten einsetzbar sind. Die Kosten wer­ den außerdem dadurch vermindert, daß bei der Herstellung keine Justierung mehr erforderlich ist.

Durch Änderung der Verstärkung des Differenzverstärkers können entweder größere oder kleinere Schleifenwiderstände 42 und 43 verwendet werden. Die Verstärkung des Differenzverstärkers kann entweder dynamisch oder durch Verwendung äußerer Schalter beeinflußt werden und der Wert der Schleifenwiderstände kann in ähnlicher Weise verändert werden.

Es können zusätzliche Komparatoren verwendet werden, um ein überwachtes Freischal­ ten zu ermöglichen, wie es in manchen Telefonumgebungen, beispielsweise in Großbri­ tannien, durchgeführt wird.

Darüberhinaus können Widerstände sehr geringen Werts in Reihe mit den Leitern 40 und 41 geschaltet werden, welche über einen Widerstand großen Werts an die Referenzspannung V_ref angebunden sind.

Claims (14)

1. Stromdetektor zur Reihenschaltung mit einer Leitung zur Detektion des auf dieser Leitung fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß er einen ersten Zweig mit einer Vielzahl zueinander in Reihe geschalteter Dioden (2- n) mit einem Anodenende und einem Kathodenende aufweist, eine erste zu einem Optokoppler gehörende lichtemittierende Diode (4) in Reihe mit einem Widerstand (5) geschaltet ist und diese Reihenschaltung parallel zu dem ersten Zweig geschaltet ist, wobei die lichtemittierende Diode (4) mit gleicher Polarität geschaltet ist wie die Dioden (2-n) in dem ersten Zweig und eine weitere Diode (1) parallel zu dem ersten Zweig mit entgegengesetzter Polarität zu den Dioden (2-n) des ersten Zweigs geschaltet ist.

2. Stromdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anoden­ ende und das Kathodenende an die zu detektierende Leitung angeschlossen sind.

3. Stromdetektor in Abwandlung von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der weiteren Diode (1) ein Vollwellengleichrichter (10) vorgesehen ist, dessen eines Anschlußpaar mit dem ersten Zweig verbunden ist und dessen anderes Anschlußpaar an die zu detektierende Leitung angeschlossen ist.

4. Stromdetektor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er zusätzliche Dioden (6-m) aufweist, welche in Reihe und in gleicher Polarität mit der weiteren Diode (1) geschaltet sind und mit dieser einen zweiten Zweig bilden und eine zweite zu einem Optokoppler gehörende lichtemittierende Diode (9) vorgesehen ist, die mit zu der ersten lichtemittie­ renden Diode (4) entgegengesetzter Polarität geschaltet ist.

5. Stromdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der zusätzlichen Dioden (6-m) gleich der Anzahl der Dioden (2-n) in dem ersten Zweig ist.

6. Stromdetektor zur Reihenschaltung mit einer Leitung zur Detektion des auf dieser Leitung fließenden Stroms, gekennzeichnet durch einen ersten in diese Leitung geschalteten Widerstand (15), einen Operationsverstärker (20) und zwei die Eingänge des Verstärkers (20) mit entsprechenden gegenüberlie­ genden Enden des ersten Widerstands (15) verbindenden Widerständen (16, 17) sowie einem einstellbaren Widerstand (18) zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers (20), dessen Abgriff auf einer Referenzquelle liegt, und einer zu einem ersten Optokoppler gehörenden lichtemittierenden Diode (23), welche in Reihe mit einem Widerstand (25) zwischen einem Ausgang des Verstärkers (20) und der Referenzquelle geschaltet ist.

7. Stromdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Refe­ renzquelle auf Erdpotential liegt.

8. Stromdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zweite zu einem Optokoppler gehörende lichtemittierende Diode (27) aufweist, welche antiparallel zu der ersten lichtemittierenden Diode (23) geschaltet ist.

9. Stromdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er minde­ stens eine in Reihe und mit gleicher Polarität zu jeder lichtemittierenden Diode (23, 27) geschaltete Diode (30, 31) aufweist.

10. Stromdetektor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Dioden (23, 27) der Optokoppler über einen Spannungstei­ ler mit dem Ausgang des Verstärkers (20) verbunden sind.

11. Stromdetektor zur Reihenschaltung mit einem balancierten Leitungspaar zur Detektion des auf diesem Leitungspaar fließenden Stromes, gekennzeichnet durch zwei erste Widerstände (42, 43) gleichen Widerstandswerts, welche jeweils in Reihe mit einer der Leitungen (40, 41) des Leitungspaars liegen, zwei Paare gleicher antiparallel zueinander geschalteter Dioden (44, 45; 46, 47), wobei jedes Paar parallel zu einem der ersten Widerstände (42, 43) liegt, einen Differenzverstärker, dessen Eingänge über entsprechende Widerstände (53, 54) gleichen Widerstandswerts mit entsprechenden gegenüberliegenden Enden eines der ersten Widerstände (43) verbunden sind, einen Spannungs­ teiler mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen (52, 53a) gleichen Wi­ derstandswerts und einem mit einer Referenzspannungsquelle verbundenden Abgriff, zwei Komparatoren (64, 65), deren erste Eingänge beide mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden sind und deren zweite Eingänge mit Spannungsoffsetpunkten verbunden sind, deren Offset bezüglich der Span­ nungsquelle entgegengesetzt ist, sowie Detektionsleitungen für Vorwärts- und Rückwärtsstrom, welche an entsprechende Ausgänge der Komparatoren (64, 65) angeschlossen sind.

12. Stromdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Eingänge der Komparatoren (64, 65) nichtinvertierende Eingänge und die zwei­ ten Eingänge der Komparatoren (64, 65) invertierende Eingänge sind.

13. Stromdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Eingänge der Komparatoren (64, 65) invertierende Eingänge und die zweiten Eingänge der Komparatoren (64, 65) nichtinvertierende Eingänge sind.

14. Stromdetektor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bezugsspannungsquelle aus zwei in Reihe und mit gleicher Po­ larität geschalteten Dioden (58, 59) besteht, deren Verbindungsstelle die Be­ zugsspannung aufweist und zwei Widerstände (55, 56) vorgesehen sind, welche jeweils mit einem Ende an ein gegenüberliegendes Ende dieser beiden Dioden (58, 59) angeschlossen sind und deren andere Enden mit einer Spannungs­ schiene bzw. mit Erde verbunden sind.