DE2811696C3 - Elektronischer Koppelpunkt zum Durchschalten von Fernsprech- oder Datensignalen in einer symmetrischen Verteil- und Koppelanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Koppelpunkt zum Durchschalten von Fernsprech- oder Datensignalen in einer symmetrischen Verteil- und Koppelanordnung mit je einem Eingang und Ausgang für jede durchzuschaltende Leitungsader, wobei zwischen jeden Eingang und den zugehörigen Ausgang der Drain-Source- Kanal wenigstens eines Feldeffekttransistors geschaltet ist und zum Ein- und Ausschalten der FETs eine optoelektronische Kopplung vorgesehen ist. In der Fernmeldetechnik werden Kontakte als Koppelpunkte in großer Zahl benötigt, z.B. zur Vermittlung von Fernsprech- und Datensignalen. Von diesen Koppelpunkten wird einerseits eine möglichst geringe Durchgangsdämpfung im durchgeschalteten Zustand und andererseits eine möglichst hohe Sperrbzw. Nebensprechdämpfung im gesperrten Zustand ίο gefordert Mechanische Kontakte haben in dieser Hinsicht sehr günstige Übertragungseigenschaften; in geöffnetem Zustand sind sie zudem weitgehend unempfindlich gegen Überspannung, sie sind polaritätsunabhängig und ermöglichen eine galvanische Trennung zwischen Steuerstromkreis und Sprechstromkreis. Mechanische Kontakte sind aber dem Verschleiß unterworfen, ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer hängen in starkem Maße von Umwelt- Einflüssen ab. Da mechanische Kontakte mit weiteren Nachteilen behaftet sind, wie verhältnismäßig hoher Leistungsbedarf zum Schalten und nicht prellfreies Schließen, ist man bestrebt, sie durch elektronische Kontakte zu ersetzen. Bekannte elektronische Koppelpunkte besitzen als Durchschaltglieder Halbleiterelemente, wie Dioden, Transistoren oder Thyristoren. Im Gegensatz zu Relais-Koppelpunkten weisen sie im durchgeschalteten Zustand keine vernachlässigbar kleine Durchgangsdämpfung auf. Mit den bekannten elektronischen Koppelpunkten kann eine Durchgangsdämpfung von weniger als 0,2 dB nur dann erreicht werden, wenn ein erheblicher Gleichstrom von mindestens 10 mA durch die Schaltelemente fließt. Im Hinblick auf den Leistungsbedarf weisen die bekannten elektronischen Koppelpunkte also keine besonderen Vorteile auf. In einer praktischen Anwendung muß der Gleichstrom durch eine zusätzliche Stromversorgung geliefert und über Induktivitäten oder je einen Abriegelungsübertrager am Ein- und Ausgang des elektronischen Koppelpunktes eingespeist werden. Bei Verwendung von ■to bipolaren Transistoren müssen überdies besondere Vorkehrungen getroffen werden, um unerwünschte Querverbindungen über die Basisanschlüsse zu verhindern, z. B. durch hochohmige Ansteuerung über bipolare Stromquellen.

Zur galvanischen Trennung zwische Steuer- und Signalstromkreis ist es bereits bekannt, Übertrager mit einem magnetisierbarer! Kern zu verwenden, wobei der Primärkreis des Übertragers an eine Hilfswechselspannung angelegt ist und die Sekundärspannung des Übertragers nach Gleichrichtung zur Steuerung des Schalttransistors herangezogen wird. Der Schaltzustand läßt sich dann durch Tastung der Hilfswechselspannung steuern.

Eine galvanische Trennung unter Verwendung von magnetisierbaren Kernen hat den Nachteil, daß unvermeidbare Koppelkapazitäten zwischen primären und sekundären Steuerstromkreis eine Einstreuung der Hilfswechselspannung in den Signalstromkreis bewirken. Der störende Einfluß der Hilfswechselspannung im Signalstromkreis läßt sich durch eine statische Abschirmung zwischen primären und sekundärem Steuerkreis wohl vermindern, in einer praktischen Ausführung eines solchen Schalters aber läßt er sich nie ganz beseitigen.

Die bekannte galvanische Trennung mittels optoelektronischer Kopplung vermeidet den Nachteil der mit der Verwendung von Hilfswechselspannungen verbunden ist. Optoelektronische Koppelelemente, in der Fachliteratur kurz Optokoppler genannte, sind elektro-

nische Bauelemente, die in einem Gehäuse einen Strahlungssender, ζ. B. eine lichtaussendende Diode, und einen mit diesem optisch gekoppelten Strahlungsempfänger enthalten. In der Regel besteht der Strahlungsempfänger aus einem Fototransistor, einer Fotodiode, oder einem Fotoelement Das bestrahlte Fotoelement erzeugt bekanntlich eine Spannung die exponentiell mit der Bestrahlungsstärke zunimmt Bei hohen Bestrahlungsstärken tritt eine Sättigung auf, das Fotoelement erzeugt dann eine Leerlaufspannung von ca. 400 mV. Bei dem als Solarzelle bekannten Fotoelement ist die Leerlaufspannung nicht von praktischer Bedeutung, da dem Fotoelement im Leerlauf keine Leistung entzogen werden kann.

Der Feldeffekt-Transistor, im folgenden kurz FET genannt eignet sich vorzüglich als Durchschaltelement, da das aktive Element des FET, der sogenannte Kanal, keine Sperrschicht aufweist so daß seine Leitfähigkeit nicht von der Polarität des Stromsignales abhängt Im Gegensatz zum bipolaren Transistor benjtigt der FET bei Schalterbetrieb keine zusätzliche Stromversorgung. Als polaritätsunabhängige Schalter eignen sich insbesondere der Sperrschicht-FET und der CMOS-FET. Die Steuerung des FET erfolgt praktisch leistungslos, bedingt aber eine Steuerspannung von mehreren Volt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen elektronischen Koppelpunkt für die Durchschaltung von symmetrischen Leitungen zu schaffen, bei dem die Nachteile der bekannten Koppelpunkte insbesondere unter Verzicht auf die Verwendung von Übertragern mit einem magnetisierbaren Kern und unter Verwendung von Optokopplern vermieden sind und der bei hoher Sperrdämpfung Fernsprech- und Datensignale mit geringer Durchgangsdämp'.ung übertragen kann.

Der elektronische Koppelpunkt nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronische Kopplung eine durch Steuersignale erregbare Lichtquelle und für jede durchzuschaltende Leitungsader ein aus einer Reihenschaltung von Einzel-Fotoelementen bestehendes Vielfach-Fotoelement aufweist und daß die Eingänge und die Ausgänge miteinander durch Kondensatoren verbunden sind, die mit den zwischen jedem Eingang und zugehörigen Ausgang des Koppeipunktes wirksamen Halbleiter-Kapazitäten eine Brücke bilden, derart daß im abgeglichenen Zustand der Brücke bei hohen Signalfrequenzen mit den Brücken strömen, der durch diese Kapazitäten verursachten Verringerung der Sperrdämpfung entgegengewirkt wird. Der erfindungsgemäße Koppelpunkt erfüllt die Forderung nach einer geringen Durchgangsdämpfung und ermöglicht die Durchschaltung von Sprech- und Datensignalen ohne Qualitätsverlust und stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, da eine geringe Durchgangsdämpfung ohne Stromversorgung im Sprech- oder Datensignalkreis und demzufolge ohne Abriegelungsübertrager zur Einspeisung eines Durchschaltgleichstromes erzielt wird und der Koppelpunkt im gesperrten Zustand der Durchschaltglieder eine hohe Sperrdämpfung aufweist, die unabhängig von der Signalfrequenz ist. Vorzugsweise ist jedem Vielfach-Fotoelement eine Zenerdiode zur Stabilisierung der Sperrspannung parallel g<"i>^,''-n, um das Brückengleichgewicht aufrecht zu erhalten.

Um eine pegelunabhängige Sperrdämpfung zu gewährleisten, ist in Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes bei jedem Durchschaltglied der Drain-Source-Kanal jedes Feldeffekttransistors durch einen Hochohmwiderstand überbrückt, so daß im gesperrten Zustand die Signalspannung gleichmäßig über Drain-Source-Kanäle verteilt ist

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes enthalten für jede durchzuschaltende Leitungsader wenigstens einen MOS-Feldeffekttransistor und die Vielfach-Fotoelemente bestehen aus einer monolithisch integrierten Schaltung.

Als Lichtquelle eignet sich insbesondere eine Reihenschaltung von Leuchidicden oder eine Glühlampe.

Bei einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgegenstandes ist der Lichtquelle ein von deren Strahlung beaufschlagtes fotoelektrisches Element insbesondere ein Fototransistor, zugeordnet der bei Bestrahlung durch die Lichtquelle ein den Sperrzustand der FETs anzeigendes Überwachungssignal abgibt

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Koppelpunktes mit vierSperrschicht-FETs;

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild für den im durchgeschalteten Zustand befindlichen Koppelpunkt der F i g. 1: und

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für den im gesperrten Zustand befindlichen Koppelpunkt der F i g. 1.

Der in F i g. 1 gezeigte Koppelpunkt enthält vier FET. Zwecks Erzielung einer hohen Spannungsfestigkeit im gesperrten Zustand sind für jede durchzuschaltende Leitungsader zwei in Reihe geschalteten FET 7, 8 bzw. 7', 8' vorhanden. Die Ansteuerung der FET erfolgt über den Optokoppler 9, welcher in einem lichtundurchlässigen Gehäuse die folgenden Bauelemente enthält: Eine Leuchtdiode 10 als Strahlungssender, zwei Vielfach-Fotoelemente 11, 11', von denen jedes individuell einem Durchschaltglied zugeordnet ist und einen Fototransistor 12, welcher ähnlich den Fotoelementen U, 11' mit dem Strahlungssender 10 optisch gekoppelt ist und zur Überwachung des Schaltzustandes herangezogen wird. Solange über die Klemmen 5,5' kein Steuerstrom fließt, sendet die Diode 10 kein Licht aus; die Vielfach-Fotoelemente 11, 11' können demzufolge keine Spannung liefern. Die gemeinsamen Gate-Anschlüsse 4, 4' der FET-Paare 7, 8 bzw. 7', 8' sind über die Dunkelwiderstände der Fotoelemente 11, 11' mit den gemeinsamen Source-Anschlüssen 3, 3' verbunden, so daß sowohl Gate- wie Source-Elektroden dasselbe Potential aufweisen. In diesem Zustand sind die Kanalwiderstände der Sperrschicht-FET klein und ermöglichen die Durchschaltung des Sprechstromes mit geringer Durchgangsdämpfung. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Koppelpunkt muß für die Durchschaltung des Sprechstromes daher keine Leistung aufgebracht werden. Die hochohmigen Widerstände 13, 14 und 13', 14' sowie die Kondensatoren 15 und 16 haben beim durchgeschalteten Koppelpunkt keinen Einfluß auf dessen Übertragungseigenschaften. Wie F i g. 2 zeigt, kann für den durchgeschalteten Koppelpunkt ein Ersatzschaltbild angegeben werden, das neben der an den Eingangsklemmen 1, Γ angeschlossenen Signalquelle Us mit dem Innenwiderstand R1 und dem an den Ausgangsklemmen 2, 2' angeschlossenen Lastwiderstand R2 nur die Durchlaßwiderstände Rdder FET enthält.

Zum Sperren des Koppelpunktes wird an die Klemmen 5, 5' ein Steuersignal angelegt und zwar derart, daß durch die Leuchtdiode 10 ein genügend großer Strom fließt, um diese Diode zur Lichtemission anzuregen. Die Bauelemente des Optokopplers sind so gegeneinander angeordnet, daß ein erheblicher Anteil

des ausgestrahlten Lichtes gleichzeitig auf die Vielfach-Fotoelemente 11, 11' fällt und von diesen in eine Spannung umgesetzt wird. Dabei sind die positiven Pole der Vielfach-Fotoelemente 11,11' mit den gemeinsamen Source-Anschlüssen 3 bzw. 3' und die negativen Pole mit den gemeinsamen Gate-Anschlüssen 4 bzw. 4' der FET-Paare verbunden, so daß die Gate-Source Sperrschichten der HcT in Sperrichtung vorgespannt werden. Bei genügend großer Sperrspannung werden die FET-Kanäle soweit an Ladungsträgern verarmt, daß der Sprechstrom unterbrochen wird; der Koppelpunkt ist demzufolge gesperrt. Ein äußerst kleiner Sprechstrom kann über die Widerstände 13, 14 und 13', 14' fließen, diese Widerstände sind aber gegenüber dem Leitungsabschlußwiderstand von z. B. 600 Ω so hochohmig bemessen, daß die Forderung einer hohen Sperrdämpfung erfüllt bleibt. Erfindung^gemäß haben die Widerstände die Aufgabe, für eine gleichmäßige Spannungsverteilung zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen der gesperrten FET zu sorgen und damit eine pegelunabhängige Sperrdämpfung zu gewährleisten.

F i g. 3 zeigt das Ersatzschaltbild des Koppelpunktes in gesperrtem Zustand. Bei hohen Signalfrequenzen fließt ein unerwünschter Sprechstrom über die Drain-Gate und Source-Gate Kapazitäten Cdg, C'dgbzw. Csg, C'sg und erzeugt einen Spannungsabfall über dem Abschlußwiderstand R 2. Um eine hohe Sperrdämpfung auch bei hohen Signalfrequenzen zu gewährleisten, muß dieser kapazitive Sprechstrom unwirksam gemacht werden. Hierzu enthält erfindungsgemäß der Koppelpunkt zwei zusätzliche Kapazitäten, die Kondensatoren 15 und 16, die so mit den Durchschaltgliedern verbunden sind, daß sie mit den Halbleiter-Kapazitäten Cdg, Csg, Cdg, C'sg eine Brücke bilden. Über die Kapazitäten 15 und 16 fließt ein Sperrstrom ebenso wie über die Halbleiter-Kapazitäten; diese Ströme fließen aber in entgegengesetzter Richtung durch den Lastwiderstand R 2 und haben die Tendenz, sich gegenseitig aufzuheben. Wird die Brücke ins Gleichgewicht gebracht, was durch Abgleich nur eines Kondensators, z. B. 16, geschehen kann, so heben sich die kapazitiven Ströme vollständig auf; die Sperrdämpfung des Koppelpunktes ist damit unabhängig von der Signalfrequenz.

Die in F i g. 3 gezeigten Kapazitäten Cdg, Cdg, Csg,

ίο C'sg sind abhängig von der Gate-Kanal Spannung. Bei diffundierten pn-Sperrschichten ist diese Abhängigkeit umgekehrt proportional mit der kubischen Wurzel aus der angelegten Spannung. Zur Erhaltung des Brückengleichgewichts ist es daher notwendig, die Gate-Source-Sperrspannung konstant zu halten. In einer bevorzugten Schaltungsanordnung nach aer Erfindung ist jedem Vielfach-Fotoelement eine Zenerdiode 17 bzw. 17' parallel geschaltet, wobei deren Kathode mit dem positiven Pol des Fotoelementes und deren Anode mit dem negativen Pol des Fotoelementes verbunden ist. Es ist besonders zweckmäßig, die Zenerspannung so zu wählen, daß sie in jedem Fall kleiner ist als die Leerlaufspannung der Vielfach-Fotoelemente bei Sättigung. Damit wird eine Spannungsstabilisierung schon bei relativ geringer Bestrahlung der Vielfach-Fotoelemente erzielt Der Optokoppler nach der Erfindung weist dann einen günstigen Wirkungsgrad auf. Im besonderen erlaubt er eine einfache Überwachung des Schaltzustandes. Ein dritter Strahlungsempfänger, z. B.

ein Fototransistor 12, kann über die Klemmen 6, 6' an eine Alarmeinrichtung angeschlossen werden. Über die Klemmen 6, 6' fließt nur dann ein Strom, wenn der Fototransistor durch die lichtaussendende Diode 10 bestrahlt wird, d. h. wenn der Koppelpunkt in der erfindungsgemäß bevorzugten Ausführung gesperrt ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Koppelpunkt zum Durchschalten von Fernsprech- oder Datensignalen in einer symmetrischen Verteil- und Koppelanordnung mit je einem Eingang und Ausgang für jede durchzuschaltende Leitungsader, wobei zwischen jeden Eingang und den zugehörigen Ausgang der Drain-Source-Kanal wenigstens eines Feldeffekttransistors geschaltet ist und zum Ein- und Ausschalten der FETs eine optoelektronische Kopplung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronische Kopplung eine durch Steuersignale erregbare Lichtquelle (10) und für jede durchzuschaltende Leitungsader ein aus einer Reihenschaltung von Einzel-Fotoelementen bestehendes Vielfach-Fotoelement (11; 11') aufweist und daß die Eingänge (1, 1') und die Ausgänge (2, 2') miteinander durch Kondensatoren (15, 16) verbunden sind, die mit den zwischen jeden Eingang und zugehörigen Ausgang des Koppelpunktes wirksamen Halbleiter-Kapazitäten eine Brücke bilden, derart, daß im abgeglichenen Zustand der Brücke bei hohen Signalfrequenzen mit den Brücken strömen der durch diese Halbleiter-Kapazitäten verursachten Verringerung der Sperrdämpfung entgegengewirkt wird.

2. Kopplungspunkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder durchzuschaltenden Leitung der Drain-Source-Kanal jedes Feldeffekttransistors (7,8; T, 8') durch einen Hochohmwiderstand (13, 14; 13', 14') überbrückt ist, derart, daß im gesperrten Zustand der FETs die Signalspannung gleichmäßig über die Drain-Source-Kanäle verteilt wird.

3. Koppelpunkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Vielfach-Fotoelement (11; 11') zur Stabilisierung der Sperrspannung eine Zenerdiode(17; 17') parallel geschaltet ist.

4. Koppelpunkt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jede durchzuschaltende Leitung wenigstens ein MOS-Feldeffekttransistor vorhanden ist.

5. Koppelpunkt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vielfach-Fotoelement (U; 11') aus einei monolothisch integrierten Schaltung besteht.

6. Koppelpunkt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) aus mehreren in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder einer Glühlampe besteht.

7. Koppelpunkt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (10) ein von deren Strahlung beaufschlagtes fotoelektrisches Element, vorzugsweise ein Fototransistor (12) zur Überwachung des Schaltzustandes der FETs zugeordnet ist.