DE19918753C2 - Stromversorgungseinheit und Verfahren zum Generieren von Schutzströmen zum Schutz von metallischen Leitungen vor Korrosion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit zum Generieren eines Schutzstroms (sealing current), der über metallische Leitungen übertragenen Signalströmen zum Schutz vor Korrosion überlagert wird. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Generieren eines solchen Schutzstroms.

Die zum Übertragen von Signalströmen eingesetzten metallischen Leitungen, wie zum Beispiel die auch für ISDN-Anschlüsse üblicherweise noch verwendeten Kupferleitungen der Fernsprechnetze, sind an Spleisstellen bzw. an Verbindungspunkten der Korrosion ausgesetzt, was auf Dauer zu einer Verschlechterung der Leitfähigkeit entlang der verwendeten Leitung führt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch das Einspeisen eines niedrigen Gleichstroms eine Korrosion von Leitungen verhindert werden kann.

Vor allem aus diesem Grund wird gewöhnlich in digitalen Teilnehmeranschlußsystemen, die wie der ISDN- Basisanschluß (BA) metallische Leitungsschleifen einsetzen, dem unregelmäßigen und gleichstromfreien Datenstrom ein Schutzstrom (sealing/wetting current) von einigen Milliampere auf den Kupferleitungen überlagert.

In Systemen, in denen eine Fernspeisung für die Energieversorgung der Netzabschlußeinheit (NT) auf Teilnehmerseite eingerichtet ist, kann der Gleichstrom auf der Leitung, der aus dem Stromverbrauch der Netzabschlußeinheit resultiert, die gleiche Aufgabe erfüllen, wie der Schutzstrom. Im Gegensatz dazu wird normalerweise eine für eine Schutzstromversorgung vorgesehene Anwendung nicht für die Energieversorgung von Netzabschlußeinheiten eingesetzt.

Eine weitere Nutzungsmöglichkeit des Schutzstromes besteht darin, ihn als Leitungsdetektionssignal für Netzabschlußeinheiten (NT) einzusetzen. In einem ISDN- Netz bildet die Netzabschlußeinheit auf der Teilnehmerseite den Übergang zwischen der Basisanschlußschnittstelle (U-Schnittstelle), die die Verbindung zu einer Vermittlungsstelle bildet, und der standardisierten S₀-Schnittstelle, an die der Teilnehmer seine Endgeräte anschließen kann.

Gemäß dem Standard ANSI T1.601-1992, in dem die Basisanschlußschnittstelle bei einer Verwendung von Metalleitungsschleifen in ISDN-Anwendungen beschrieben wird, ist es nicht zwingend erforderlich, einen Schutzstrom zur Verfügung zu stellen. Ist ein solcher aber vorgesehen, so müssen bestimmte Anforderungen erfüllt werden. So muß der Schutzstrom, wenn er nicht 0 mA beträgt, Werte zwischen 1 mA und 20 mA aufweisen. Des weiteren ist die maximale zugelassene Änderungsrate des Schutzstroms 20 mA/s.

Weitere Anforderungen werden an die Metall- Terminierungseinheit (metallic termination) einer Netzabschlußeinheit gestellt, die einen nichtlinearen Gleichstrompfad als Senke für den auf die Anschlußleitungen eingespeisten Schutzstrom zur Verfügung stellt. Die Betriebszustände der Metall- Terminierungseinheit sind der nichtleitende Zustand AUS (hohe Impedanz) und der leitende Zustand EIN (niedrige Impedanz).

Liegt im AUS-Zustand der Metall-Terminierungseinheit für eine vorgegebene Zeit, die zwischen 3 ms und 50 ms liegen soll, eine vorgegebene Spannung, die zwischen 30 V und 39 V liegen soll, an, so wird in den EIN-Zustand gewechselt. Dabei soll der Zustand innerhalb von maximal 50 ms ab Überschreiten der vorgegebenen Spannung wechseln. Ein Zustandswechsel erfolgt auch bei Spannungen größer als die vorgegebene Spannung nicht, wenn diese für weniger als 3 ms überschritten wird.

Unterschreitet im EIN-Zustand der Metall- Terminierungseinheit der Strom einen vorgegebenen Stromwert (0.1-1.0 mA) für eine vorgegebene Zeit (3-100 ms), so soll ein Wechsel in den AUS-Zustand erfolgen. Der Zustand soll in diesem Fall innerhalb von maximal 100 ms ab Unterschreiten des vorgegebenen Stroms wechseln. Ein Zustandswechsel erfolgt auch bei Strömen kleiner als der vorgegebene Strom nicht, wenn dieser für weniger als 3 ms unterschritten wird.

Der Prozeß des Einspeisens eines Schutzstroms in die Datenübertragungsleitungen darf laufende Übertragungen nicht stören. Aus diesem Grund ist es unerläßlich, daß für die Metall-Terminierungseinheit einer Netzabschlußeinheit ein stabiler EIN-Zustand gewährleistet ist und daß Stromänderungen nicht zu abrupt auftreten.

Die Stromversorgungseinheit in der Leitungsabschlußeinheit muß also einige spezielle Anforderungen erfüllen, damit ein stabiler Betrieb der Metall-Terminierungseinheit der Netzabschlußeinheit auf der Teilnehmerseite sicher gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinheit zur Verfügung zu stellen, die besonders geeignet ist, ANSI T1.601-1992 konforme Schutzströme (sealing currents) für digitale Teilnehmeranschlußleitungen zu liefern.

Die Aufgabe wird zum einen erfindungsgemäß gelöst durch eine Stromversorgungseinheit zum Generieren eines Schutzstroms (sealing current), der über metallische Leitungen übertragenen Signalströmen zum Schutz vor Korrosion an Verbindungspunkten oder Spleisstellen der metallischen Leitungen überlagert wird, die

• - zwei spannungsgesteuerte Stromquellen aufweist, wobei die erste Stromquelle geeignet ist, in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung einen konstanten Strom eines ersten Wertes von 0 mA, oder einen konstanten Strom eines zweiten Wertes von mindestens 1 mA, insbesondere 1,2 mA, auszugeben, und wobei die zweite Stromquelle geeignet ist, unterhalb eines Schwellwertes, insbesondere von 0 V, der angelegten Spannung einen konstanten Strom eines dritten Wertes von 0 mA, und oberhalb des Schwellwertes der angelegten Spannung proportional zu dieser einen Strom zwischen dem konstanten Strom des dritten Wertes und einem vierten Wert von mindestens um den konstanten Strom des zweiten Wertes der ersten Stromquelle verminderten 20 mA auszugeben,
• - mindestens einen Spannungseingang aufweist, der über einen Integrator mit dem Steuereingang der zweiten Stromquelle verbunden ist, sowie
• - einen Stromausgang aufweist, mit dem sowohl der Ausgang der ersten als auch der Ausgang der zweiten Stromquelle verbunden ist zum Ausgeben der Summe der von den beiden Stromquellen gelieferten Ströme.

Zum anderen wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Generieren eines Schutzstroms (sealing current) zum Schutz vor Korrosion von Spleis- und/oder Verbindungsstellen von metallischen Leitungen durch eine Stromversorgungseinheit, die eine erste und eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle umfaßt, wobei die erste Stromquelle geeignet ist, in Abhängigkeit von einer angelegten binärwertigen Steuerspannung einen konstanten Strom eines ersten Wertes von 0 mA, oder einen konstanten Strom eines zweiten Wertes von mindestens 1 mA, insbesondere 1,2 mA, auszugeben, und wobei die zweite Stromquelle geeignet ist, unterhalb eines Schwellwertes, insbesondere von 0 V, einer angelegten Spannung einen konstanten Strom eines dritten Wertes von 0 mA, und oberhalb des Schwellwertes der angelegten Spannung proportional zu dieser einen Strom zwischen dem konstanten Strom des dritten Wertes und einem vierten Wert von mindestens um den konstanten Strom des zweiten Wertes der ersten Stromquelle verminderten 20 mA auszugeben, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Anlegen einer Eingangsspannung an einen Spannungseingang der Stromversorgungseinheit,
• - Generieren einer binärwertigen Eingangsspannung aus der angelegten Eingangsspannung, falls diese nicht bereits binärwertig angelegt wird,
• - Integrieren der binärwertigen Eingangsspannung, insbesondere durch RC-Integration,
• - Verschieben der integrierten Spannung um eine negative Offsetspannung,
• - Generieren der binärwertigen Steuerspannung durch Vergleich der Eingangsspannung, der integrierten Eingangsspannung oder der integrierten und verschobenen Eingangsspannung mit einem Referenzwert durch einen Komparator,
• - Erzeugen eines ersten Ausgangsstroms mittels der ersten Stromquelle gesteuert durch die binärwertige Steuerspannung,
• - Erzeugen eines zweiten Ausgangsstroms mittels der zweiten Stromquelle gesteuert durch die integrierte und verschobene Spannung,
• - Addieren des ersten und des zweiten Ausgangsstroms zu einem als Schutzstrom zu verwendenden Gesamtstrom, und
• - Ausgeben des Schutzstroms auf die vor Korrosion zu schützenden Metalleitungen.

Die binärwertige Steuerspannung sollte beim Hochfahren einen hohen Pegel annehmen, bevor die verschobene Spannung den Schwellwert überschreitet und beim Runterfahren einen niedrigen Pegel annehmen, bevor die verschobene Spannung den Schwellwert wieder unterschreitet.

Mit der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen Schutzstrom zur Verfügung zu stellen, der den ANSI T1.601-1992 Anforderungen genügt.

Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit kann so betrieben werden, daß sie einen Schutzstrom generiert und ausgibt, der entweder 0 mA beträgt oder zwischen einem Wert ≧ 1 mA, beispielsweise 1,2 mA, und einem Wert ≦ 20 mA verläuft.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren generierte und ausgegebene Schutzstrom startet bei Anlegen einer Spannung mit hohem Pegel an den Spannungseingang der Stromversorgungseinheit mit einem Wert ≧ 1 mA, beispielsweise 1,2 mA, steigt auf ≦ 20 mA an und fällt, nach Anlegen einer Spannung mit niedrigem Pegel an den Spannungseingang der Stromversorgungseinheit, wieder auf den Wert ≧ 1 mA ab. Zu Beginn ist ein sprunghafter Übergang von 0 mA auf den Wert ≧ 1 mA und zum Ende ein unmittelbarer Übergang von dem Wert ≧ 1 mA auf 0 mA erzielbar. Ein solcher Stromverlauf ist auch mit der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit zu erreichen. Die maximale Änderungsrate des von der zweiten Stromquelle generierten Stroms und damit auch des Schutzstromes, läßt sich durch eine entsprechende Dimensionierung des Integrators und durch den Betrag der Offsetspannung so einstellen, daß bei aktiver Stromversorgungseinheit zu keiner Zeit eine Änderungsrate von 20 mA/s überschritten wird.

Des weiteren lassen sich mit der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit und dem erfindungsgemäßen Verfahren die ANSI T1.601-1992 Anforderungen bezüglich der Metall-Terminierungseinheit einer Netzabschlußeinheit erfüllen.

Die Stromversorgungseinheit kann unmittelbar nach dem Übergang der Metall-Terminierungseinheit der Netzabschlußeinheit von ihrem AUS- zu ihrem EIN-Zustand einen Gleichstrom liefern, der größer ist als der auf einen Wert zwischen 0,1 mA und 1,0 mA (ANSI T1.601-1992) festgelegte Freigabestrom, unterhalb dem die Metall- Terminierungseinheit wieder in den AUS-Zustand wechseln kann. Nachdem die Metall-Terminierungseinheit einmal eingeschaltet ist, ist zudem die Anstiegsrate des Schutzstroms, der bis zu einem Maximum von 20 mA ansteigt, bei entsprechend eingestellten Parametern auf maximal 20 mA/s begrenzt. Aufgrund des durch die vorgesehene Integration erhaltenen exponentiellen Anstiegs des Stroms kann das Maximum von 20 mA außerdem ohne Auftreten von Unstetigkeiten erreicht und gehalten werden.

Ebenso kann die Abfallrate des Schutzstroms während des Absinkens von seinem Maximalwert von 20 mA auf einen Wert, der wenig oberhalb des festgelegten Minimalwerts des Schutzstroms von 1 mA liegt, unterhalb dem die Metall- Terminierungseinheit wieder in den AUS-Zustand wechselt, auf maximal 20 mA/s begrenzt werden. Aufgrund des exponentiellen Abfalls des Stroms kann der Minimalwerts des Schutzstroms ebenfalls ohne Auftreten von Unstetigkeiten erreicht und gehalten werden.

Von dem Endwert des Schutzstroms ≧ 1 mA aus wird der Übergang der Metall-Terminierungseinheit von ihrem EIN- Zustand zu ihrem AUS-Zustand erreicht, indem der eingespeiste Schutzstrom streng monoton abfällt.

Soll die sich im AUS-Zustand befindliche Metall- Terminierungseinheit aktiviert werden, so wird die Leerlaufspannung der Stromversorgungseinheit so eingestellt, daß sie oberhalb der festgelegten Obergrenze für die Aktivierungsspannung der Metall- Terminierungseinheit von 39 V liegt.

Nach einem Wechsel vom EIN- in den AUS-Zustand der Metall-Terminierungseinheit dagegen wird, nachdem die kürzeste mögliche Freigabezeit von 3 ms verstrichen ist, die Leerlaufspannung der Stromversorgungseinheit, die nun keinen Strom mehr liefert, unter der niedrigsten Aktivierungsspannung von 30 V gehalten, um ein sofortiges Reaktivieren der Metall-Terminierungseinheit zu verhindern. Durch Ausschalten der Stromquellen kann dies automatisch gewährleistet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit ist zwischen dem Integrator und dem Steuereingang der zweiten Stromquelle ein Pegelverschieber angeordnet, wobei der Pegelverschieber geeignet ist, die Spannung um eine negative Offsetspannung zu verschieben. Anstelle eines Pegelverschiebers kann auch eine analog wirkende Anordnung anderer Bauelementen vorgesehen sein. Wird an den Eingang des Komparators die von dem Integrator ausgegebenen Spannung angelegt, so ist der Betrag der Offsetspannung des Pegelverschiebers vorzugsweise größer als die Referenzspannung des Komparators, so daß die erste Stromquelle bereits kurze Zeit vor der zweiten Stromquelle aktiviert wird.

Eine besonders flexible Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erreicht, wenn die erste Stromquelle zum einen durch die von dem Komparator gelieferte binärwertige Spannung und zum anderen durch eine separat anlegbare und binärwertig zur Verfügung stellbare Spannung aktivierbar ist.

Auf diese Weise stehen dem Betreiber drei unterschiedliche Betriebsarten zur Auswahl:
In einer ersten Betriebsart kann die Spannung an dem mit dem Integrator verbundenen Eingang dauerhaft auf einen niedrigen Pegel gesetzt werden und die Spannung an dem weiteren Spannungseingang dauerhaft auf einen hohen Pegel, wodurch die Ausgabe eines konstanten, niedrigen Gleichstroms größer 1 mA, insbesondere von 1,2 mA, erfolgt.

Diese Betriebsart ist vor allem für Anwendungen kleiner Leistung von Bedeutung, bei denen ein hoher Schutzstrom nicht in Frage kommt, die Metall-Terminierungseinheit einer ANSI T1.601-1992 konformen Netzabschlußeinheit aber dennoch stabil im EIN-Zustand betrieben können werden soll, während der niedrige Schutzstrom auf die Leitung gegeben wird.

In einer zweiten Betriebsart kann die Spannung an dem ersten Spannungseingang durchgehend auf einen hohen Pegel und die Spannung an dem weiteren Spannungseingang durchgehend auf einen niedrigen Pegel gesetzt werden. Der Ausgangsstrom der Stromversorgungseinheit ist in diesem Fall standardmäßig 20 mA. Lediglich für Wartungsaufgaben erfolgt ein Ausschalten der Stromversorgungseinheit, indem auch die Spannung an dem ersten Spannungseingang auf einen niedrigen Pegel gesetzt wird. Es erfolgt daraufhin ein exponentieller Abfall auf den Wert ≧ 1 mA und dann nach einer kurzen Dauer ein stufenförmiger Übergang zu 0 mA. Wird die Stromversorgungseinheit reaktiviert, indem die Spannung an dem ersten Spannungseingang wieder durchgehend auf einen hohen Pegel gesetzt wird, so erfolgt zunächst ein Sprung auf einen Wert ≧ 1 mA, beispielsweise 1,2 mA, und nach einer kurzen Dauer ein exponentieller Anstieg auf 20 mA.

Schließlich kann in einer dritten Betriebsart ein gemischter Betrieb erfolgen, bei dem von der Stromversorgungseinheit grundsätzlich ein geringer Strom mit einen Wert ≧ 1 mA ausgegeben wird, indem an der ersten Stromquelle über den weiteren Spannungseingang dauerhaft ein hoher Pegel angelegt wird. An den Integrator wird standardmäßig wieder eine Spannung mit niedrigem Pegel angelegt. Diesmal wird jedoch diese am Integrator anliegende Spannung in regelmäßigen Abständen und für eine bestimmte Dauer auf einen hohen Pegel gesetzt. Daraus resultiert nach einer kurzen Verzögerung, abhängig von dem Wert der Offsetspannung des Pegelverschiebers, ein exponentieller Anstieg auf ≦ 20 mA. Nachdem die am Integrator anliegende Spannung wieder einen niedrigen Pegel angenommen hat, folgt ein exponentieller Abfall des Ausgangsstroms auf den Wert ≧ 1 mA. Ein solcher gemischter Betrieb wird weltweit von einigen Netzwerkbetreibern bevorzugt. Üblich ist dabei eine Wiederholung des Schutzstromanstiegs in Abständen von etwa 15 Minuten für eine Dauer von etwa 20 Sekunden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit wird bereits an den Spannungseingang und/oder an den weiteren Spannungseingang der Stromversorgungseinheit eine binärwertige Spannung angelegt. Alternativ können die angelegten Spannungen aber auch erst innerhalb der Stromversorgungseinheit in binärwertige Spannungen, beispielsweise über einen Schmitt-Trigger, umgewandelt werden. Über zusätzliche, den Spannungseingängen nachgeordnete Pegelumsetzer können die an den Eingängen angelegten oder die intern generierten binärwertigen Spannungen verstärkt und/oder verschoben werden. Durch eine solche Transformation auf ein anderes binärwertiges Spannungsniveau sind unabhängig von den Eingangsspannungen besonders geeignete hohe und niedrige Pegelwerte der binären Spannungssignale für die Weiterverarbeitung, wie Integration und ODER-Verknüpfung, einstellbar.

Für die Steuerung der an die Eingänge der Stromversorgungseinheit anzulegenden Spannungen wird vorteilhafter Weise eine entsprechende Steuersoftware eingesetzt, die beispielsweise in dem Mikroprozessor der Teilnehmeranschlußkarte integriert ist. Die Steuerung über Software ist besonders einfach zu realisieren. Sie kann aber auch auf beliebige andere Weise erfolgen, wie beispielsweise durch eine festverdrahtete Logik.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit und des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit und das erfindungsgemäße Verfahren werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Schnittstelle eines digitalen Teilnehmeranschlusses am U-Referenzpunkt eines ISDN-Systems, das einen Schutzstrom in die Anschlußleitung einspeist,

Fig. 2 ein Prinzip-Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit,

Fig. 3 den prinzipiellen Verlauf des von einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit ausgegebenen Schutzstroms, der einer ohmschen Last zugeführt wird, und

Fig. 4 den prinzipiellen Verlauf des von einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit ausgegebenen Schutzstroms, der einer NT- Einrichtung zugeführt wird.

Fig. 1 stellt eine Übersicht über einen ISDN- Basisanschluß dar, in dem eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit SCC zum Generieren eines Schutzstroms integriert ist, der metallischen Anschlußleitungen zum Schutz vor Korrosion eingespeist wird.

Eine S₀-Busschnittstelle ist über eine Netzabschlußeinheit NT (network termination) und eine U-Schnittstelle mit einer Leitungsabschlußeinheit LT einer Vermittlungsstelle eines Telekommunikationsnetzwerks verbunden. An der S₀- Schnittstelle können von einem Teilnehmer über Steckdosen beliebig Endgeräte wie Sprach-, Text- und Datenterminals angeschlossen werden. Die Netzabschlußeinheit NT, die den Abschluß des ISDN-Netzes bildet, hat die Aufgabe, die Nutz- und Signalisierungsinformationen der Endgeräte am S₀-Bus auf das Übertragungsmedium zu geben und für deren Transport zu sorgen. Die U-Schnittstelle ist durch die Kupferdoppeladern der Anschlußleitung zu der Vermittlungsstelle gegeben.

Sowohl auf Seiten der Netzabschlußeinheit NT als auch auf Seiten der Leitungsabschlußeinheit LT sind die Anschlußleitungen mit zwei leitungsseitigen Spulen eines Transformators verbunden, zwischen denen jeweils ein Koppelkondensator C1, C2 angeordnet ist. In der Netzabschlußeinheit NT befindet sich eine Metall- Terminierungseinheit MT, die über dem Kondensator C1 zwischen den Transformatorspulen der Netzabschlußeinheit NT angeschlossen ist. In der Leitungsabschlußeinheit LT befindet sich eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit SCC, deren Ausgänge über dem Kondensator C2 zwischen den Transformatorspulen der Leitungsabschlußeinheit LT angeschlossen ist.

Die Metall-Terminierungseinheit MT ist konform zu dem ANSI-Standard ausgelegt, und die Stromversorgungseinheit SCC ist in der Lage, den in dem ANSI-Standard für einen stabilen Betrieb der Metall-Terminierungseinheit MT geforderten Schutzstrom zur Verfügung zu stellen.

In Fig. 2 ist anhand eines Prinzip-Blockschaltbildes der Aufbau einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit dargestellt. Diese Stromversorgungseinheit stellt einen Strom zur Verfügung, der in die Kupferanschlußleitungen gespeist werden kann, um auf diesen Korrosion zu verhindern.

Die Stromversorgungseinheit SCC weist zwei Eingänge E₁, E₂ für binärwertige Steuerspannungen auf, an die sich jeweils ein Pegelumsetzer LC₁, LC₂ anschließt.

Der Ausgang des ersten Pegelumsetzers LC₁ ist über ein ODER-Gatter O₁ mit dem Steuereingang einer ersten spannungsgesteuerten Stromquelle J₁ verbunden. Diese erste Stromquelle J₁ ist in der Lage, einen konstanten Strom I₁ von etwa 1,2 mA zu liefern, wenn an ihrem Steuereingang eine Spannung mit hohem Pegel angelegt wird. Liegt dagegen an dem Steuereingang eine Spannung mit niedrigem Pegel an, so wird die Stromquelle ausgeschaltet, d. h., es liegt ein Ausgangsstrom von 0 mA vor.

Der Ausgang des zweiten Pegelumsetzers LC₂ ist über einen RC-Integrator RCI und einen Pegelverschieber LS mit dem Steuereingang einer zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle J₂ verbunden. Die zweite Stromquelle J₂ liefert einen Strom I₂, der direkt proportional ist zu der Spannung, die an ihrem Steuereingang anliegt, wenn diese einen Schwellenwert übersteigt, der hier auf 0 V gesetzt sei. Es erfolgt dabei eine Normierung mit 18,8 mA/(maximal anliegende Spannung UC_2,max), so daß von der zweiten Stromquelle J₂ ein maximaler Strom I₂ von 18,8 mA ausgegeben wird.

Zwischen dem RC-Integrator RCI und dem Pegelverschieber LS erfolgt außerdem ein Abgriff, der dem nicht­ invertierenden Eingang (+) eines Komparators C zugeführt wird. Der Abgriff für den Eingang des Komparators kann unter Berücksichtigung der entsprechend anders gearteten Spannungswerte auch an anderer Stelle erfolgen. Der invertierende Eingang (-) des Komparators C ist mit einer Referenzspannungsquelle verbunden. Der Ausgang des Komparators C bildet den zweiten Eingang des ODER-Gatters O₁, über den der erste Pegelumsetzers LC₁ mit der ersten Stromquelle J₁ verbunden ist.

Die Ausgänge der Stromquellen J₁, J₂ sind über einen Knotenpunkt CN gemeinsam dem Ausgang A der Stromversorgungseinheit SCC zugeführt, über den diese Zugang zu den zu schützenden Leitungen hat.

Die Funktionsweise der Stromversorgungseinheit SCC wird nun für eine erste Betriebsart mit Verweis auf Fig. 3 beschrieben, in der der idealisierte Verlauf des an eine ohmsche Last ausgegebenen Gesamtstroms über der Zeit für normalen Betrieb aufgetragen ist. Der Einfluß der Kapazitäten C1 und C2 sowie der Leitungskapazität wurde in der Darstellung vernachlässigt. Bei Berücksichtigung dieser Elemente ergeben sich entsprechende Abweichungen. Es wurde ein ANSI T1.601-1992 konformer Schutzstrom von 20 mA zugrunde gelegt.

Ausgangspunkt ist eine Situation, in der sowohl die erste als auch die zweite Stromquelle J₁, J₂ ausgeschaltet sind, da an dem Steuereingang beider Quelle J₁, J₂ eine Spannung UC₁, UC₂ von 0 V anliegt.

Während der gesamten Zeit wird bei dieser Betriebsart auf den Eingang E₁ des ersten Pegelumsetzers LC₁ keine Spannung, bzw. eine Spannung mit niedrigem Pegel, gelegt.

Am Eingang E₂ des zweiten Pegelumsetzers LC₂ wird dagegen in festgelegten zeitlichen Abständen ein Spannungsimpuls angelegt, dem der Ausgang des RC-Integrators RCI mit einer exponentielle ansteigenden Spannung folgt, die einerseits dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators C und andererseits dem Eingang des Pegelverschiebers LS zugeführt wird.

Der Komparator C vergleicht die Ausgangsspannung des RC- Integrators RCI mit der am anderen Eingang des Komparators C anliegenden Referenzspannung V_ref der Referenzspannungsquelle. Sobald die von dem RC- Integrators RCI ausgegebene, exponentiell ansteigende Spannung die Referenzspannung V_ref übersteigt, wechselt der Wert der Ausgangsspannung des Komparators C von einem niedrigen Pegel zu einem hohen Pegel. Da diese Ausgangsspannung über das Oder-Gatter O₁ mit dem Steuereingang der ersten Stromquelle J₁ verbunden ist, schaltet sie dadurch die erste Stromquelle J₁ ein, so daß diese einen Ausgangsstrom von I₁ = 1,2 mA liefert, der zunächst auch den Gesamtstrom darstellt. In Fig. 3 ist dies als eine Stromstufe von 1,2 mA am Anfang des dargestellten Stromverlaufs zu sehen.

Der Pegelverschieber LS, dem ebenfalls die Ausgangsspannung des RC-Integrators RCI zugeführt wird, sorgt für eine Verzögerung einer an die zweite Stromquelle J₂ angelegten positiven Spannung UC₂, indem er der Ausgangsspannung des RC-Integrators RCI eine negative Offsetspannung überlagert. Die Größe der Offsetspannung wird dabei auf einen Wert gesetzt, der oberhalb des Wertes der an dem Komparator C anliegenden Referenzspannung V_ref liegt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die zweite Stromquelle J₂ erst nach einer bestimmten Zeit nach der durch die erste Stromquelle J₁ erzeugten Stromstufe von 1,2 mA des Gesamtstroms aktiviert wird. Die resultierende, von dem Pegelverschieber LS ausgegebene Spannung UC₂ wird direkt dem Steuereingang der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle J₂ zugeführt. Sobald der Wert der Ausgangsspannung des Pegelverschiebers LS größer als der Schwellwert von 0 V ist, wird die zweite Stromquelle J₂ aktiviert, und sie generiert nun einen Strom I₂, der direkt proportional zu der anliegenden Steuerspannung UC₂ ist. Durch den Proportionalitätsfaktor von 18,8 mA . UC_2,max ergibt sich bei einer anliegenden Steuerspannung von 0 ≦ UC₂ ≦ UC_2,max ein Ausgangsstrom I₂ zwischen 0 mA und maximal 18,8 mA.

Da für den Gesamtstrom, der von der Stromversorgungseinheit ausgegeben wird, die von der ersten Stromquelle J₁ und von der zweiten Stromquelle J₂ generierten Ströme I₁, I₂ in dem Knotenpunkt CN summiert werden, besteht der Gesamtstrom aus einer Überlagerung des von der ersten Stromquelle J₁ ausgegebenen Stroms von 1,2 mA und dem von der zweiten Stromquelle J₂ ausgegebenen, exponentiell von 0 mA auf 18,8 mA ansteigenden Stroms.

Der Gesamtstrom, der sich hieraus ergibt, ist in Fig. 3 in dem exponentiell ansteigenden Bereich des Stromverlaufs zu sehen. Wenn beide Stromquellen J₁, J₂ ihren maximalen Ausgangsstrom I₁, I₂ liefern, beträgt der Gesamtstrom I₁ + I₂ = 1,2 mA + 18,8 mA wie gefordert 20 mA. Die Bauelemente des RC-Integrators RCI und die Offsetspannung des Pegelverschiebers LS sind außerdem so gewählt, daß in dem von der zweiten Stromquelle J₂ generierten Stroms I₂ ein maximaler Stromanstieg von 20 mA/s auftritt. Da der von der ersten Stromquelle J₁ generierte Strom I₁ konstant ist, ist damit auch der Anstieg des Gesamtstroms nach dem Sprung auf 1,2 mA auf maximal 20 mA/s beschränkt.

Mit der fallenden Flanke des am Eingang E₂ des zweiten Pegelumsetzers angelegten Spannungsimpulses ergibt sich ein genau umgekehrter Verlauf: Der RC-Integrator RCI liefert eine exponentiell abfallende Ausgangsspannung, die weiterhin an den Komparator C und den Pegelverschieber LS angelegt wird. Die von dem Pegelverschieber LS mit der Offsetspannung überlagerte Spannung UC₂, die an der zweiten Stromquelle J₂ anliegt, bewirkt die Generierung eines zu der Spannung UC₂ proportionalen Stroms I₂, bis die Spannung UC₂ unter den Schwellwert von 0 V absinkt und die Stromquelle J₂ ausschaltet. Da der Betrag der Offsetspannung größer ist, als die am Komparator anliegende Referenzspannung Vref, liegt an der ersten Stromquelle J₁ noch eine kurze Zeit eine hochpegelige Spannung UC₁ an, nachdem die zweite Stromquelle J₂ bereits ausgeschaltet hat. Sobald jedoch auch die Referenzspannung V_ref von der Ausgangsspannung des RC-Integrators RCI unterschritten wird, nimmt auch die Spannung UC₁ einen niedrigen Pegel an und die erste Stromquelle J₁ schaltet ebenfalls ab. Damit wird nun auch als Gesamtstrom von der Stromversorgungseinheit kein Schutzstrom mehr geliefert.

In Fig. 3 entspricht der Verlauf des Gesamtstroms während dieses Abschnitts dem exponentiell abfallenden Bereich des Stromverlaufs, der am Ende stufenförmig von 1,2 mA wieder auf 0 mA übergeht. Auch hier beträgt die Rate der Stromänderung maximal 20 mA/s.

Der Verlauf eines Schutzstroms, der einer ANSI T1.601- 1992 gemäßen Metall-Terminierungseinheit MT einer Netzabschlußeinheit NT eingespeist wird, ist in Fig. 4 - wiederum idealisiert - dargestellt. Der Unterschied zu dem Verlauf in Fig. 3 besteht in der Verzögerung des Einsetzens eines Schutzstromflusses zu Beginn der Einschaltphase, die in der Aktivierungszeit der Metall- Terminierungseinheit MT begründet liegt und die entsprechend dem ANSI T1.601-1992 Standard 3 ms-50 ms beträgt.

In einer realen Implementierung der Stromversorgungseinheit SCC auf einer Teilnehmerleitungskarte kann der über die Zeit aufgetragene Verlauf des Schutzstromes leicht abweichen von dem in Fig. 4 idealisiert dargestellten Schutzstromverlauf. Insbesondere kann ein signifikanter Stoßstrom zu Beginn des Stromflusses auftreten, wenn die Metall-Terminierungseinheit von ihrem AUS- in ihren EIN- Zustand wechselt. Die Ursache hierfür besteht hauptsächlich in dem Koppelkondensator C₂, der zwischen den beiden Spulen auf der Leitungsseite des Transformators des Leitungsabschlusses LT angeordnet ist. Eventuell kommt die Wirkung anderer eingesetzter Kondensatoren sowie die Kapazität der Kupferleitungen hinzu, die sich in diesem Moment entladen. Hierdurch wird die Leistung des Schutzstromsystems jedoch nicht erheblich beeinträchtigt, es unterstützt sogar vielmehr den sicheren Übergang vom AUS- zum EIN-Zustand der Metall-Terminierungseinheit.

Alternativ zu der soeben beschriebenen Betriebsart kann der Betreiber eine Betriebsart wählen, in der ein konstanter, niedriger Schutzstrom von 1,2 mA auf die zu schützenden Leitungen gegeben wird, indem über den Pegelumsetzer LC₁ kontinuierlich eine Spannung U_C1 mit einem hohen Pegel eingeprägt und an dem Eingang des zweiten Pegelumsetzer LC₂ ein niedriger Pegel angelegt wird. Entsprechend der hochpegeligen anliegenden Spannung UC₁ an ihrem Steuereingang gibt die Stromquelle J₁ einen festen Strom von 1,2 mA aus, während die zweite Stromquelle J₂ ausgeschaltet bleibt, da der Eingang niedrig, d. h. unterhalb des Schwellwerts von 0 V gehalten wird.

Schließlich besteht mit der in Fig. 2 dargestellten, erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit SCC die Möglichkeit, eine gemischte Betriebsart zu wählen, indem einerseits über den Pegelumsetzer LC₁ kontinuierlich eine Spannung U_C1 mit einem hohen Pegel eingegeben wird und andererseits an den Eingang des zweiten Pegelumsetzers LC₂ beispielsweise alle 15 Minuten für ein kurzes Zeitintervall von z. B. etwa 20 s eine Spannung mit hohem Pegel, ansonsten aber eine Spannung mit niedrigem Pegel angelegt wird.

Das hat zur Folge, daß wiederum ein permanenter Schutzstrom von 1,2 mA, erzeugt von der ersten Stromquelle J₁, auf die Leitung gegeben wird. In diesem Fall erfolgt jedoch in bestimmten Abständen, in denen zusätzlich die zweite Stromquelle J₂ aktiviert wird, eine kurzzeitige Erhöhung des ausgegebenen Stroms entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten Verlauf, resultierend aus einer Überlagerung der von der ersten und der zweiten Stromquelle J₁, J₂ ausgegebenen Ströme, wobei der Gesamtstrom bis auf 20 mA ansteigt.

Diese gemischte Betriebsart kann realisiert werden, indem eine dazu ausgelegte Zeitsteuerungssoftware eingesetzt wird, die auf dem Mikroprozessor der Teilnehmeranschlußkarte läuft und die die an den Eingängen der Pegelumsetzer LC₁, LC₂ anliegenden Spannungen kontrolliert.

Claims (17)

1. Stromversorgungseinheit (SCC) zum Generieren eines Schutzstroms (sealing current), der über metallische Leitungen übertragenen Signalströmen zum Schutz vor Korrosion an Verbindungspunkten oder Spleisstellen der metallischen Leitungen überlagert wird, die
zwei spannungsgesteuerte Stromquellen (J₁, J₂) aufweist,
wobei die erste Stromquelle (J₁) geeignet ist, in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung (U_C1) einen konstanten Strom (I₁) eines ersten Wertes von 0 mA, oder einen konstanten (I₁) Strom eines zweiten Wertes von mindestens 1 mA, insbesondere 1,2 mA, auszugeben, und wobei die zweite Stromquelle (J₂) geeignet ist, unterhalb eines Schwellwertes, insbesondere von 0 V, der angelegten Spannung (U_C2) einen konstanten Strom (I₂) eines dritten Wertes von 0 mA, und oberhalb des Schwellwertes der angelegten Spannung (U_C2) proportional zu dieser einen Strom (I₂) zwischen dem konstanten Strom (I₂) des dritten Wertes und einem vierten Wert von mindestens um den konstanten Strom (I₁) des zweiten Wertes der ersten Stromquelle (J₁) Verminderten 20 mA auszugeben,
mindestens einen Spannungseingang (E₂) aufweist, der über einen Integrator (RCI) mit dem Steuereingang der zweiten Stromquelle (J₂) verbunden ist, sowie
einen Stromausgang (A) aufweist, mit dem sowohl der Ausgang der ersten als auch der Ausgang der zweiten Stromquelle (J₁, J₂) verbunden ist zum Ausgeben der Summe der von den beiden Stromquellen gelieferten Ströme (I₁, I₂).

2. Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromquelle (J₁) ansteuerbar über einen weiteren Spannungseingang (E₁) ist, wobei die erste Stromquelle (J₁) den ersten konstanten Stromwert bei anliegender Spannung mit niedrigem Pegel und den zweiten konstanten Stromwert bei anliegender Spannung mit hohem Pegel generiert und ausgibt.

3. Stromversorgungseinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromquelle (J₁) ansteuerbar über einen Komparator (C) ist, der eine vorgegebene Referenzspannung (Vref) vergleicht mit einer zwischen Spannungseingang (E₂) und zweiter Stromquelle (J₂) abgegriffenen Spannung, insbesondere der von dem Integrator (RIC) ausgegebenen Spannung, wobei die binärwertige Ausgangsspannung des Komparators (C) einen hohen Pegel aufweist, wenn die zwischen Spannungseingang (E₂) und zweiter Stromquelle (J₂) abgegriffene Spannung die Referenzspannung (V_ref) übersteigt und anderenfalls einen niedrigen Pegel und wobei die erste Stromquelle (J₁) den ersten konstanten Stromwert bei anliegender Spannung mit niedrigem Pegel und den zweiten konstanten Stromwert bei anliegender Spannung mit hohem Pegel generiert und ausgibt.

4. Stromversorgungseinheit nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum einen der weitere Spannungseingang (E₁) und zum anderen der Ausgang des Komparators (C) jeweils direkt oder über geeignete Bauelemente mit den Eingängen eines ODER-Gatters (O1) verbunden sind, dessen Ausgang an dem steuernden Eingang der erste Stromquelle (J₁) anliegt, wobei eine binärwertige Spannung (UC₁) mit hohem Pegel an der ersten Stromquelle (J₁) anliegt, wenn mindestens eine der am ODER-Gatter (O1) anliegenden Spannungen einen hohen Pegel aufweist, ansonsten eine binärwertige Spannung (UC₁) mit niedrigem Pegel.

5. Stromversorgungseinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den ersten und/oder den weiteren Spannungseingang (E₂, E₁) der Stromversorgungseinheit (SCC) zur Steuerung der Stromquellen (J₁, J₂) eine binärwertige Spannung anlegbar ist oder daß eine an den ersten und/oder den weiteren Spannungseingang (E₂, E₁) der Stromversorgungseinheit (SCC) angelegte Spannung innerhalb der Stromversorgungseinheit (SCC) in eine binärwertige Spannung umwandelbar ist.

6. Stromversorgungseinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten und/oder dem weiteren Spannungseingang (E₂, E₁) der Stromversorgungseinheit (SCC) ein Pegelumsetzer (LC₂, LC₁) nachgeordnet ist zum Verstärken und/oder Verschieben der an dem jeweiligen Pegelumsetzer (LC₂, LC₁) anliegenden binärwertigen Spannung auf eine für die Weiterverarbeitung geeignetere binärwertige Spannung.

7. Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Integrator (RCI) und dem Steuereingang der zweiten Stromquelle (J₂) ein Pegelverschieber (LS) angeordnet ist, wobei der Pegelverschieber (LS) geeignet ist, die Spannung um eine negative Offsetspannung zu verschieben, daß die zwischen Spannungseingang (E₂) und zweiter Stromquelle (J₂) abgegriffene Spannung die von dem Integrator (RIC) ausgegebene Spannung ist und daß der Betrag der Offsetspannung des Pegelverschiebers (LS) größer ist, als die Referenzspannung (V_ref) des Komparators (C).

8. Stromversorgungseinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einstellung der maximalen Änderungsrate (dI₂/dt) des von der zweiten Stromquelle (J₂) generierten Stroms (I₂) geeigneten Parameter, insbesondere die Größen der Bauelemente des Integrators und die Offsetspannung des Pegelverschiebers (LS), so gewählt sind, daß die maximale Änderungsrate (dI₂/dt) 20 mA/s beträgt.

9. Stromversorgungseinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (RCI) ein RC-Integrator ist.

10. Verfahren zum Generieren eines Schutzstroms (sealing current) zum Schutz vor Korrosion von Spleis- und/oder Verbindungsstellen von metallischen Leitungen durch eine Stromversorgungseinheit (SCC), die eine erste und eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle (J₁, J₂) umfaßt, wobei die erste Stromquelle (J₁) geeignet ist, in Abhängigkeit von einer angelegten binärwertigen Steuerspannung (U_C1) einen konstanten Strom (I₁) eines ersten Wertes von 0 mA, oder einen konstanten Strom (I₁) eines zweiten Wertes von mindestens 1 mA, insbesondere 1,2 mA, auszugeben, und wobei die zweite Stromquelle (J₂) geeignet ist, unterhalb eines Schwellwertes, insbesondere von 0 V, einer angelegten Spannung (U_C2) einen konstanten Strom (I₂) eines dritten Wertes von 0 mA, und oberhalb des Schwellwertes der angelegten Spannung (U_C2) proportional zu dieser einen Strom (I₂) zwischen dem konstanten Strom (I₂) des dritten Wertes und einem vierten Wert von mindestens um den konstanten Strom (I₁) des zweiten Wertes der ersten Stromquelle (J₁) verminderten 20 mA auszugeben, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Anlegen einer Eingangsspannung an einen Spannungseingang (E₂) der Stromversorgungseinheit (SCC),
• - Generieren einer binärwertigen Eingangsspannung aus der angelegten Eingangsspannung, falls diese nicht bereits binärwertig angelegt wird,
• - Integrieren der binärwertigen Eingangsspannung, insbesondere durch RC-Integration,
• - Verschieben der integrierten Spannung um eine negative Offsetspannung,
• - Generieren der binärwertigen Steuerspannung (UC₁) durch Vergleich der Eingangsspannung, der integrierten Eingangsspannung oder der integrierten und verschobenen Eingangsspannung mit einem Referenzwert (V_ref) durch einen Komparator (C),
• - Erzeugen eines ersten Ausgangsstroms (I₁) mittels der ersten Stromquelle (J₁) gesteuert durch die binärwertige Steuerspannung (UC₁),
• - Erzeugen eines zweiten Ausgangsstroms (I₂) mittels der zweiten Stromquelle (J₂) gesteuert durch die integrierte und verschobene Spannung (UC₂),
• - Addieren des ersten und des zweiten Ausgangsstroms (I₁, I₂) zu einem als Schutzstrom zu verwendenden Gesamtstrom, und
• - Ausgeben des Schutzstroms auf die vor Korrosion zu schützenden Metalleitungen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich über einen zweiten Spannungseingang (E₁) der Stromversorgungseinheit (SCC) eine binärwertige Steuerspannung bereitgestellt werden kann, wobei an dem Steuereingang der ersten Stromquelle (J₁) eine Steuerspannung (UC₁) mit hohem Pegel angelegt wird, wenn mindestens eine der zur Verfügung gestellten Steuerspannungen von dem zweiten Spannungseingang (E₁) und dem Komparator (C) einen hohen Pegel aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Eingang (E₂) und/oder die an dem zweiten Eingang (E₁) der Stromversorgungseinheit (SCC) bereitgestellte Spannung jeweils zunächst als binärwertige Spannung an einen Pegelumsetzung (LC₂, LC₁) angelegt wird und von diesem auf eine geeignete binärwertige Spannung verstärkt und/oder verschoben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgegebene Schutzstrom einem auf den zu schützenden Leitungen übertragenen, digitalen Leitungssignal überlagert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgegebene Schutzstrom in einen digitalen Teilnehmeranschluß, insbesondere einen ISDN- Teilnehmeranschluß eingespeist wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der an die Stromversorgungseinheit anzulegenden Spannung oder Spannungen durch eine Software, insbesondere eine in dem Mikroprozessor einer Teilnehmeranschlußkarte, oder durch eine festverdrahtete Logik erfolgt.

16. Verwendung einer Stromversorgungseinheit (SCC) nach einem der Ansprüche 1-9 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10-15 zum Schutz vor Korrosion von metallischen Leitungen, insbesondere Kupferleitungen, die auf der der Stromversorgungseinheit abgewandten Seite durch eine ohmsche und/oder induktive Last oder durch eine Metall-Terminierungseinheit (MT) einer Netzabschlußeinheit (NT) eines ISDN-Netzes abgeschlossen werden.

17. Verwendung einer Stromversorgungseinheit (SCC) nach einem der Ansprüche 1-9 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10-15 zum Generieren eines Stroms als Leitungserkennungssignal (line detection signal).