DE2822880A1

DE2822880A1 - Bipolare transistor-schalteranordnung

Info

Publication number: DE2822880A1
Application number: DE19782822880
Authority: DE
Inventors: Herbert Anton Schneider
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1978-12-14
Also published as: CA1101942A; CH632616A5; BE867465A; ES470362A1; JPS53148903A; JPS593896B2; SE7805882L; IT1095845B; GB1602304A; IT7823887A0; FR2393499B1; SE424494B; FR2393499A1; US4107474A; NL7805874A; DE2822880C2

Description

BLUMBACH . WESER . BERGEN · KRAMER ZWIRNER ■ HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestrafle 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patenlconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull

Ytestern Electric Company, Incorporated Schneider, H.A. 25

Broadway

New York, N.Y. 10038, U.S.A.

Bipolare Transistor-Schalteranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine bipolare Transistor-Schalteranordnung mit je einem Paar von Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen, mit zwei bipolaren pnp-Transistoren, von denen einer mit seinem Emitter an den einen Anschluß und der andere mit seinem Emitter an den anderen Anschluß des Eingangsanschlußpaares verbunden ist, und mit einer Steuerschaltung zum Aktivieren der Transistoren in Abhängigkeit von einem SchalterSteuersignal.

In kommerziellen Nachrichtensystemen befinden sich zahlreiche Halbleiter-Schaltnetzwerk-Kreuzpunktanordnungen, in denen als Kreuzpunktelemente bisher entweder pnpn-Elemente, bipolare Transistoren, Dioden, SCR's oder Feldeffekttransistoren verwendet werden. Alle diese bekannten Elementen haben schwerwiegende Nachteile beim Einsatz als Kreuzpunktelemente, jedoch kommen mit gesättigten bipolaren Transistoren versehene Kreuzpunkte einer idealen Kreuzpunktcharakteristik am nächsten, v/eil sie im Einschaltzustand einen niedrigen Kreuzpunktwider-

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München: R. Kramet Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. ßrehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · 6. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

stand aufweisen, große Ströme "bewältigen und hohen Leitungsspannungen widerstehen können. Zur Nutzbarmachung dieser Eigenschaften muß allerdings jedem bipolaren Transistor ein relativ großer Steuerstrom zugeführt werden, um die Transistoren im gesättigten Zustand zu halten. Bei derzeit benutzten Bipolartransistor-Kreuzpunktanordnungen benötigt man zwei oder mehr Stromversorgungseinrichtungen zur Erzeugung dieses benötigten Steuerstromes. Jedoch führt die Größe des Kreuzpunkt-Steuerstromes zu einer extremen Störgeräuschankopplung an die Nachrichtenleitungen, zur Leitungs-Unsymmetrie und zu erhöhtem Leistungsverbrauch. Zusätzlich zu diesen Steuerstromproblemen sind bipolare Transistoren intern empfindlich. Idealerweise sollte ein Kreuzpunkt sowohl am Kontakt als auch an den Ansteuerungen unempfindlich sein gegenüber der Polarität und Größe von jeglichen Spannungen und Strömen, die irgendeinem Kreuzpunktknoten zugeführt werden. Nun sind bipolare Transistoren offenkundig und mit Absicht gegenseitig abhängig, so &ß es der Verwendung von Hilfsschaltungen bedarf, um eine Unempfindlichkeit gegenüber Veränderungen zu schaffen, die am anderen Knotenpunkt des gleichen Transistors auftreten.

Diese Notwendigkeit von Hilfsschaltungen wird deutlich, wenn man bekannte bipolare Transistorkreuzpunktanordnungen studiert. Eine bekannte Halbleiter-Kreuzpunktanordnung besteht aus einem Paar bipolarer komplementärer Transistoren, die in Serie in die Nachrichtenadern eingesetzt sind und im gesättigten Betrieb

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arbeiten. Die Basen der bekannten Ereuzpunkttransistoren sind über eine Feldeffekttransistor-Steuerschaltung miteinander verbunden, so daß dieser bekannte Kreuzpunkt direkt aus den Nachrichtenadern gespeist wird und in der Lage ist, einen Schleifenstrom zu führen.

Ansonsten arbeiten die in den bekannten Kreuzpunktelementen vorhandenen bipolaren Transistoren völlig ungeschützt* Der Kreuzpunkt arbeitet nur in einer Richtung, und es besteht eine direkte Verbindung zwischen dem Kreuzpunkt selbst und der Steuerlogikschaltung· Somit ist auch bei dieser bekannten Kreuzpunktanordnung das Problem der internen Empfindlichkeit bipolarer Transistoren nicht gelost. Es gibt keine bekannte Kreuzpunktanordnung, bei der Vorkehrungen gegen sämtliche nachstehend aufgeführten Probleme getroffen sind: Kreuzpunkt-Überspannungsschutz, Umkehr der Versorgungsspannung, sichere Kreuzpunkt-Abschaltung, gegenseitige Beeinflußung zwischen Kreuzpunkten und Steuerlogikschaltung, und Parallelbetrieb von Kreuzpunkten in einer Schaltnetzwerkumgebung.

Veil es diesen bekannten bipolaren Transistor-Kreuzpunkten an Hilfsmitteln bzw. Hilfsschaltungen fehlt, die notwendig sind, um eine Unempfindlichkeit gegenüber am anderen Knotenpunkt des gleichen Transistors auftretenden Änderungen zu erzielen, kann man sie nicht als brauchbare lebensfähige Halbleiter-Kreuzpunkte verwenden.

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Aufgabe der Erfindung ist es, eine bipolare Transistor-Schalteranordnung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die ausschließlich aus den Nachrichtenadern mit Strom versorgt wird, zwischen den Kreuzpunktelementen und zugeordneten Steuerschaltungen eine vollständige Isolierung aufweist, unempfindlich ist gegenüber Polarität und Größe der zugeführten Spannungen und Ströme, eine Zweirichtungsübertragung auf den Nachrichtenadern erlaubt und ferner vollständig unter Anwendung integrierter Schaltungstechniken herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen der Steuerschaltung und den Basen sowie zwischen der Steuerschaltung und den Emittern der beiden Transistoren und ferner zwischen den Ausgangsanschlüssen und den Kollektoren der Transistoren-Schutzschaltungen angeschlossen sind.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung liegt darin, daß die Schalteranordnung mit einer Hilfsschaltung versehen ist, welche notwendig ist, ein normales bipolares komplementäres Transistorpaar in einen lebensfähigen Halbleiter-Schaltnetzr werkkreuzpunkt zu verwandeln. Dies geschieht in der Weise, daß jeder Transistor des komplementären bipolaren Transistorpaares mit einer Schutz- und Steuerschaltung umgeben ist, so daß ein "schwimmender" Kreuzpunkt besteht.

Die Schutz- und Steuerschaltung enthält Transistoren, optischelektrische Elemente und Dioden in Parallelschaltung zu den

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beiden Transistoren des bipolaren komplementären Transistorpaares, die das Kreuzpunktelement bilden. Diese Zusatzeinrichtungen gewährleisten sowohl einen Überspannungsschutz als auch eine sichere Kreuzpunkt-Abschaltung, ohne diejenigen Schaltcharakteristiken der bipolaren Transistoren zu beeinträchtigen, welche sie als Kreuzpunktelement geeignet machen. Die Schutz- und Steuerschaltung wirkt als Puffer zwischen den bipolaren Kreuzpunkttransistoren und dem Nachrichtenadernpaar, und die komplementären Transistoren werden dadurch geschützt, daß die Schutz- und Steuerschaltung alle Überspannungen oder Umkehr spannungen absorbiert oder fernhält, welche auf den Nachrichtenadern auftreten; dadurch erhalten die als Kreuzpunkt arbeitenden bipolaren Transistoren nur Spannungen in der Durchlaßrichtung und im zulässigen Bereich. Dadurch wird das Kreuzpunktelement unempfindlich gegenüber Polarität und Größe sämtlicher auftretenden Spannungen und Ströme. Außerdem eliminiert die Schutz- und Steuerschaltung jeglichen externen Stromversorgungsmaßnahmen für bipolare Transistorkreuzpunkte, vielmehr werden die nötigen Vorspannungen oder Steuerströme im Kreuzpunkt selbst erzeugt, wobei die Energie ausschließlich der Nachrichtenleitung selbst entzogen wird.

Durch Verwendung optisch-elektrischer Bauelemente kann man eine totale Isolierung zwischen dem Kreuzpunktelement und externen Steuerschaltungen erzielen. Durch die aufgezeigten Maßnahmen erhält man einen vollständig "schwimmenden" Kreuz-

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punkt. Durch die Hilfsschaltungen ersieht man ferner die interne Unempfindlichkeit gegenüber am anderen Knotenpunkt des gleichen Transistors auftretende Änderungen, und man erhält eine mit einem lebensfähigen bilateralen Halbleiterschaltnetzwerk ausgestattete Kreuzpunktanordnung.

Außer den genannten Vorteilen ist es ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäße Schalteranordnung als Einweg-Kreuzpunktelement innerhalb eines Zweiweg-Schaltnetzwerkes anzuordnen.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein das Prinzip der Erfindung erläuterndes Blockschaltbild;

Fig. 2 ein als Blockschaltbild dargestelltes Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 4' eine typische Kreuzpunkt-Steueranordnung;

Fig. 5 eine Kreuzpunkt-Konfiguration für eine bilaterale Übertragung; und

Fig. 6 eine Statusaussage für a- und b-Ader.

Das Blockschaltbild von Fig. 1 enthält das Prinzip einer erfindungsgemäßen bipolaren Komplementärtransistor-Schaltnetzwerk-Kreuzpunktanordnung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit

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ist hier ein vollständiges Schaltnetzwerk, wie beispielsweise eine Matrix mit Vertikal- und Horizontalverbindungen nicht dargestellt worden. Stattdessen beschränkt sich die Darstellung auf einen einzigen Kreuzpunkt 106, der hier zwischen einer Amtsleitung 104 und ein Fernsprechgerät, oder sonst zwischen die nicht dargestellte Vertikalverbindung und die ebenfalls nicht dargestellte Horizontalverbindung zwischengeschaltet ist.

Der hier dargestellte Kreuzpunkt 106 ist linksseitig in der Zeichnung an eine aus a- und b-Ader bestehende Amtsleitung 104 bzw. die nicht dargestellte Vertikalverbindung, und in der Zeichnung rechtsseitig an eine aus den Adern a¹ und b¹ bestehende Fernsprechgerät-Anschlußleitung 105 oder sonst an die nicht dargestellte Horizontalverbindung des Schaltnetzwerkes angeschlossen. Der Schaltnetzwerk-Kreuzpunkt selbst besteht aus einem Paar bipolarer komplementärer Transistoren 100 und 101, jeder von ihnen umgeben von je einer Schutz- und Steuerschaltung 102 bzw. 103. Diese Schutz- und Steuerschaltungen verwandeln das Paar bipolarer Komplementärtransistoren 100, 101 in ein "schwimmendes" Kreuzpunktpaar, welches einen Einweg-Kommunikationspfad zwischen der Amtsleitung und dem Fernsprechgerät bildet.

Sobald die Überwachungs-Gleichspannung auf der Amtsleitung 104 steht und der Kreuzpunkt 106 eingeschaltet ist, fließt ein gerichteter Strom durch den Kreuzpunkt. Wenn die a-Ader der Amts-

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leitung 104 negative und die "b-Ader positive Spannung führt, dann fließt Gleichstrom von der Amtsader b durch den Kreuzpunkt-Transistor 100 zur Anschlußader b¹, durch das Fernsprechgerät hindurch und zurück von der Anschluß^ader a¹ durch den anderen Kreuzpunkt-Transistor 101 zur Amtsader a zurück. Der Kreuzpunkt von Fig. 1 bildet also einen Einweg-Strompfad von der Amtsleitung über seine bipolaren komplementären Transistoren zum Fernsprechgerät.

Fig. 2 zeigt weitere Einzelheiten der Schutz- und Steuerschaltungen 102 und 103 in Form eines Blockschaltbilds. Beide Schutz- und Steuerschaltungen enthalten verschiedene Schutz- und Steuereinrichtungen, die als Puffer wirken und'die zugeordneten "bipolaren Transistoren zu einem gegenüber Spannung und Strom unempfindlichen Kontakt des schwimmenden Kreuzpunktes machen. Zur Schutz- und Steuerschaltung 102 des bipolaren Transistors 100 gehören Elemente 200, 201, 202 und 203. Das Element 200 ist eine den Ein-/Aus-Status des Kreuzpunktes regulierende Steuerschaltung, die ihrerseits mittels eines durch eine Kreuzpunktsteuerschaltung (nicht dargestellt) gelieferten Kreuz- . punkt-Steuersignals gesteuert wird. Element 202 ist eine Schutzschaltung gegen Spannungsumkehr an den b-Adern. Element

201 enthält impedanz- und stromreduzierende Glieder als Ausgleich für Effekte seitens der Spannungsumkehr-Schutzschaltung

202 auf die Vorwärts-Impedanzcharakteristik des Transistors 100. Das Element 203 enthält Schaltungselemente für eine Sicher-

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heitsabschaltung und zum Schutz vor Leckstrom; durch diese Schaltungsmittel wird der Kollektorleckstrom zwecks sicherer Abschaltung des Kreuzpunktes reduziert und ferner ein Umkehrspannungsschutz für die Basis-Emitterstrecke gewährt. Das Element 200 sowie die zusätzlichen Elemente 204, 205 und 206 in der anderen Schutz- und Steuerschaltung 103 wirken in ähnlicher Weise in Bezug auf den anderen Transistor 101 sowie die zugeordneten a-Adern.

Die Schutz- und Steuerschaltung 102 schützt den Kreuzpunkt-Transistor 100 vor möglichen Überspannungen auf den Leitungspaaren 104 und 105. Der Kreuzpunkt-Transistor 100 erhält nur die normalen Durchschalt- und Kommunikationssignale, während der Kreuzpunkt als Ganzes'vor Spannungsumkehr und Überspannungen geschützt ist, ohne Kopplung zwischen den Transistor-Knotenpunkten oder merkliche Leckströme. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Steuerschaltung 200 den Kreuzpunkt ohne externe Stromversorgung betreibt, indem die Basisanschlüsse der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 über die Impedanzreduktionsschaltungen 201 und 204 miteinander verbunden sind. Diese Verbindung läßt einen Steuer- bzw. Vorspannungsstrom von der Amtsader b durch den Transistor 100, die Steuerschaltung 200, den anderen Kreuzpunkt-Transistor 100 und schließlich zur Amtsader a schließen.

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Somit erhalten die Kreuzpunkt-Transistoren ihren Steuerstrom direkt aus den Kommunikationsleitungen, externe Stromquellen sind überflüssig. Dieses Merkmal sichert einen ausgeglichenen Kreuzpunktbetrieb, da mit dem gleichen Durchschalt- bzw. Vorspannungsstrom beide Kreuzpunkt-Transistoren betrieben werden; dadurch ist sichergestellt, daß der Arbeitspunkt beider Transistoren identisch ist. Somit wirken die Schutz- und Steuerschaltungen 102 und 103 als Puffer zwischen den empfindlichen Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 und den Kommunikationsleitungen 104 und 105. Damit wird ein "robuster" Kreuzpunkt geschaffen, der unempfindlich ist sowohl gegenüber der Größe als auch der Polarität der zugeführten Spannungen und Ströme, während er außerdem ausschließlich von den Kommunikationsleitungen mit Energie versorgt wird. Der vorliegende Bipolar-Komplementär-Transistor-Kreuzpunkt besitzt ideale Kreuzpunktcharakteristiken: Einen niedrigen Kreuzpunkt-Durchschaltwiderstand, die Fähigkeit zum Durchlaß großer Ströme, Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Spannungen, vollständige Isolierung zwischen Kreuzpunkt und Steuerschaltung, Unabhängigkeit von externen Stromquellen, und eine hochgradige Unempfindlichkeit gegenüber Veränderungen am anderen Knoten- oder Bezugspunkt des gleichen Transistors zwischen Eingang, Ausgang und Steuerpunkt im abgeschalteten Zustand.

Fig. 3 zeigt das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente des mit bipolaren Komplementärtransistoren ausgerüsteten

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"schwimmenden" Einweg-Kreuzpunktesj die verschiedenen Elemente der Schutz- und Steuerschaltungen in Fig. 3 entsprechen denen von Fig. 2. Ferner sei angenommen, daß in Fig. 2 und 3 die gleichen Anruf-Bedingungen für den Kreuzpunkt herrschen, d.h., auf der Amtsleitung 104 liegt die normale Betriebsgleichspannung, Ader a ist negativ und Ader b positiv. Ferner ist ein nicht dargestelltes Fernsprechgerät an die hier mit a¹ und b¹ bezeichneten Adern der Anschlußleitung 105 angeklemmt.

Steuerschaltung 200;

Zwei darin enthaltene Fototransistoren 305 und 308 sprechen auf Signale an, die von in einer nicht dargestellten Kreuzpunkt-Steuerschaltung enthaltenen Leuchtdioden abgegeben werden. Dieser Vorgang wird nachstehend separat in Verbindung mit Fig. 4 besprochen werden. Bei aktivierter Leuchtdiode der Kreuzpunkt-Steuerschaltung ist der Fototransistor 308 durchgeschaltet und der Fototransistor 305 gesperrt und der Kreuzpunkt eingeschaltet, während die umgekehrte Situation den Kreuzpunkt abgeschaltet hält. Wenn also die Gleichstromvorspannung am Amtsleitungspaar 104 anliegt, leiten die Komplementärtransistoren 100 und 101 den Kreuzpunktstrom nur dann, wenn die Steuer-Leuchtdioden den Fototransistor 305 im Sperrzustand und den anderen Fototransistor 308 im durchgeschalteten Zustand halten. Zur weiteren Erläuterung der Steueranordnung sei angenommen, der Kreuzpunkt befinde sich im abgeschalteten Zustand.

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Kreuzpunkt ist abgeschaltet:

Zum Abschalten wird Fototransistor 308 gesperrt und Fototransistor 305 durchgeschaltet. Jetzt sperrt der Fototransist., r 308 den Vorspannungs-Stromfluß zwischen den Basen der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101, sie sind gesperrt. An sich wäre der Kollektorleckstrom (ßl_c0) in beiden Transistoren nicht zu vernachlässigen, wenn die Emitter-Basis-Strecken ungeschützt wären und die Basen von Transistoren 313 und sich im virtuellen Floating-Zustand befinden. Zum Schutz davor enthalten die Schutz- und Steuerschaltungen 102 und Sperr- und Leckschutzschaltungen 203 und 206.

Sperr- und Leckschutzschaltungen 203. 206: Darin enthaltene Dioden 312 und 322 versorgen die Emitter-Basisstrecken beider Kreuzpunkt-Transistoren 100, 101 sowie die Transistoren der Impedanzreduktionsschaltungen 201 und mit Umkehrschutzspannungen, weil gegenpoligen Spannungen auf diesen Emitter-Basisstrecken eine niedrige Impedanz geboten wird,

Schutztransistoren 310, 311, 320 und 321 sorgen für sicheres Sperren der Kreuzpunkt-Transistoren 100 bzw. 101, weil sie im aktivierten Zustand einen effektiven Kurzschluß über die Emitter-Basisstrecken der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und aufbauen und dadurch die Kollektor-Leckstromeffekte unterdrücken«, Diese die Abschaltung sicherstellenden Transistoren werden aktiviert bei durchgeschaltetem Fototransistor 305,

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und zwar in ähnlicher Weise wie "bei der Ansteueranordnung der Kreuzpunkt-Transistoren selbst. Es fließt Strom von der Amtsader b durch die Emitter-Basisstrecke des Transistors der Schutzschaltung 203, dann durch die Diode 301, den Fototransistor 305, die Diode 304 der Steuerschaltung 200 und schließlich durch die Basis-Emitterstrecke des Transistors 320 der Schutzschaltung 206 zur Amtsader a. Dieser Vorspannungsstrom sättigt die Schutztransistoren 311 und 320, die dadurch die Basis-Emitterstrecken der Transistoren 100, 101 sowie der Impedanz-Reduktionstransistoren 313 und 323 kurzschließen.

Dioden 301 bis 304 der Steuerschaltung 200 bilden eine Brückenschaltung zur Versorgung des Fototransistors 305 mit Einwegstrom, und zwar unabhängig von der Polarität der auf dem Amtsleitungspaar 104 anliegenden Spannung. Wenn also eine Umkehrspannung auf dem Amtsleitungspaar 104 liegen würde, dann bekämen die Transistoren 321 und 310 Vorspannstrom, der durch die Diode 303, den Fototransistor 305 und die Diode 302 fliessen würde. Dieser Strom würde außerdem die Schutztransistoren 310 und 321 sättigen und auf diese Weise die Basis-Emitterstrecken der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 kurzschließen. Auf diese Weise werden sie gegen Umkehrspannung auf dem Amtsleitungs-Adernpaar 104 geschützt.

Auf diese Weise sind die Basis-Emitterstrecken der Kreuzpunkt-

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Transistoren 100 und 101 ständig von den Dioden 312, 322 der Schutzschaltungen 203, 206 gegen Spannungsumkehr bzw. vertauschte Polaritäten geschützt. Außerdem bilden die Schutzschaltungen 203 und 206, unter der Kontrolle des Fototransistors 305ι einen Kurzschlußpfad über die Basis-Emitterstrecken der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 und verhindern so das Auftreten jeglicher Abseitszustand-Kollektor-Leckströme. Die Basis-Emitter-Kurzschlüsse in Verbindung mit der Beseitigung der Vorspannströme durch Fototransistor 308 garantieren, daß der Kreuzpunkt einen offenen Schaltkreis zwischen den Kommunikationsaderpaaren 104 und 105 bildet.

Kreuzpunkt-Einschaltzustand:

Vor dem Einschalten des Kreuzpunktes müssen die zuvor beschriebenen Basis-Emitterkurzschlüsse entfernt und den Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 Vorspannströme zugeführt werden. Das geschieht, indem von der Kreuzpunkt-Steuerschaltung ein Kreuzpunkt-Steuersignal zugeführt wird, welches den Fototransistor 308 der Steuerschaltung 200 durchschaltet und den anderen Fototransistor 305 sperrt. Fototransistor 305 entzieht. den Schutztransistoren 310, 321/311, 320 den Vorspannstrom, diese werden somit gesperrt, und dadurch sind die Kurzschlußpfade von den Basis-Emitter-Strecken der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 entfernt.

Der Fototransistor 308 baut zwischen den Basen der Kreuzpunkt-

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Transistoren 100 und 101 einen Gleichstrompfad auf, und weil es sich hier um komplementäre bipolare Transistoren handelt, deren Emitteranschlüssen eine Gleichstrom-Vorspannung zugeführt wird, fließt dieser Vorspanngleichstrom von der b-Ader durch die Emitter-Basisstrecke des Transistors 100, weiter durch die Emitter-Basisstrecke des Transistors 313, durch die Diode 306 und den aktivierten Fototransistor 308, dann durch die Basis-Emitterstrecke von Transistor 323 und schließlich durch die Basis-Emitterstrecke des Kreuzpunkt-Transistors zur Ader a. Somit fließt exakt der gleiche Vorspannstrom durch beide Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101, sie werden identisch angesteuert. Das Vorhandensein dieser identischen Vorspannströme an beiden Kreuzpunkt-Transistoren bietet die Gewähr für einen ausgeglichenen Kreuzpunktbetrieb. Außerdem wird dieser Vorspannstrom vollständig den Kommunikationsleitungen entnommen und nicht einer externen Stromquelle; damit ist die Isolierung des Kreuzpunktes von anderen Kreuzpunkten des Schaltnetzwerkes sichergestellt.

Die Dioden 306 und 307 der Steuerschaltung 200 haben die Aufgabe, den Fototransistor 308 vor Spannungsumkehr zu schützen. Die Diode 306 läßt einen Einwegstrom durch den Fototransistor fließen und absorbiert dabei jegliche gegenpoligen Spannungen, die über den Fototransistor 308 auf Leitungen 209 und 210 auftreten könnten. Diode 307 liegt parallel zum Fototransistor 308 und bildet in der Gegenrichtung eine niedrige Impedanz parallel zum Fototransistor 308, so daß jegliche an den Lei-V^;. .i.V.: ·:.,: : 809850/0731

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tungen 209 und 210 auftretenden Umkehrspannungen nicht zum Fototransistor 308 gelangen können, sondern voll von der Diode 306 aufgenommen werden.

Stromumkehr-Schutzschaltungen 202» 205:

Das Aufschalten des zuvor erwähnten Vorspann-Gleichstromes auf die Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 schaltet diese durch, so daß ein Einweg-Emitter-Kollektorstrompfad einerseits zwischen den Adern b und b¹ und andererseits zwischen den Adern a und a¹ gebildet wird. Die Stromumkehr-Schutzschaltungen 202 und 205 innerhalb der Schutz- und Steuerschaltungen 102 und 103 liegen in Serie mit jeweils einem der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101; diese Schutzschaltungen enthalten jeweils eine Diode 315 bzw. 325. Diese Dioden 315 und 325 halten jegliche Umkehrspannungen von den Kollektor-Emitter-Strecken der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 fern.

Impedanzreduktionsschaltungen 201_t 204:

Die Stromumkehr-Schutzschaltungen 202 und 205 der Schutz- und Steuerschaltungen 102 und 103 bilden zusätzliche Serienimpedanzen in den Kommunikationspfaden. Die diesem Effekt entgegenwirkenden Impedanzreduktionsschaltunggn 201 und 204 enthalten je eine Serienschaltung aus einem Transistor 313 und einer Diode 314 bzw. 323 und 324; diese Serienschaltungen"liegen jeweils zwischen dem Basis des zugehörigen Kreuzpunkt-Transistors

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und der zugeordneten Kommunikationsader b¹ bzw. a¹. Diese Impedanz-Reduktionsschaltungen liegen parallel zum Kreuzpunkt-Transistor und zur Stromumkehr-Schutzschaltung, und sie reduzieren die Durchlaßimpedanz des Kreuzpunktes.

Befindet sich der Kreuzpunkt im ausgeschalteten Zustand, dann verhindern die Schutz- und Steuerschaltungen das Auftreten von Leckströmen und schützen die bipolaren Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 vor Überspannungen. Dieser Überspannungsschutz der genannten Schaltungen besteht auch im abgeschalteten Zustand des Kreuzpunktes, außer der Bereitstellung der erforderlichen Vorspannströme für die Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101. Das Kreuzpunkt-Steuersignal besteht aus Lichtsignalen, und diese bilden einen Einweg-Signalpfad bei totaler Isolation. Somit tragen die Schutz- und Steuerschaltung mit zur Bildung eines ⁿ schwimmenden" Kreuzpunktes bei, der gegenüber Größe und Polarität der zugeführten Spannungen und Ströme unempfindlich ist und dem Kommunikationspfad im eingeschalteten Zustand eine niedrige, und im ausgeschalteten Zustand eine hohe Impedanz verleiht.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zur Steuerung des Einschalt-/Ausschalt-Zustandes des mit bipolaren komplementären Transistoren bestückten Kreuzpunktes von Fig. 3 geeigneten Kreuzpunkt-Steuerschaltung, die ausgerüstet ist mit einer Standard-Flip-Flop-Anordnung, in der die Transistoren 403 und 404 in Abhängigkeit von auf Leitungen OP und UP auftretenden Impulssignalen jeweils einen von zwei komplementären stabilen

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Zuständen einnehmen. Wenn Leitung OP ein hohes Signal führt, dann ist Transistor 403 durchgeschaltet und Transistor 404 gesperrt, weil die komplementäre Leitung ÜF dann ein niedriges Signal führt. Werden die Steuersignale von den Leitungen OP und <5P* weggenommen, dann behalten die Transistoren ihren jeweiligen Einschalt- bzw. Ausschaltzustand aufgrund von Signalen, die auf Rückkopplungspfaden vorhanden sind, die vom Kollektor jedes Transistors zur Basis des jeweils anderen Transistors führen. Der Einschalt- bzw. Ausschaltzustand der Transistoren 403 und 404 verursacht dementsprechend einen Einschalt- bzw. Ausschaltzustand bei einer zugeordneten Leuchtdiode 405 bzw. 406. Beim vorliegenden Beispiel ist Transistor 403 durchgeschaltet, es schließt daher ein Strom von der mit +V bezeichneten Stromquelle durch einen Widerstand 401, die Leuchtdiode 405 und die Kollektor-Emitter-Strecke vom Transistor 403 zum Masseanschluß. Die Leuchtdiode 405 hat jeweils den gleichen Schaltzustand wie Transistor 403, entweder ein oder aus. Ähnlich verhält es sich bei der Leuchtdiode 406 und dem Transistor 404.

Die Steuerung des Kreuzpunktes erfolgt durch Kopplung der die Kreuzpunkt-Steuersignale bildenden Lichtausgänge der Leuchtdioden 405 und 406 mit den Basen der Kreuzpunkt-Fototransistoren 305 und 308. Im vorliegenden Falle ist die Leuchtdiode 405 ausgeschaltet, folglich ist auch der Fototransistor 305 abgeschaltet, der wiederum die Ausschalt- und Leckstromschutzschal-

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tungen 203 und 20ό abschaltet. Sind die letztgenannten Schaltungen 203 und 206 abgeschaltet, dann entfällt der über die Basis-Emitter-Strecken der Kreuzpunkt-Transistofen 100 und 101 gelegt Kurzschlußpfad. Das Licht der in Betrieb befindlichen Diode 406 fällt auf die Basis von Fototransistor 308, dieser wird durchgeschaltet und versorgt den Kreuzpunkt mit Vorspannstrom. Somit wird der Kreuzpunkt eingeschaltet, wobei GIeich-Vorspannung am Emitter beider Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 auftritt und Vorspann-Gleichstrom durch die Basis-Emitter-Strecken beider Kreuzpunkt-Transistoren fließt.

Eine Vertauschung in den Einschalt-Ausschaltzuständen der Kreuzpunkt-Steuertransistoren 403 und 404 führt zum Ausschalten des Kreuzpunktes durch Sperren von Kreuzpunkt-Fototransistor 308 und Einschalten von Kreuzpunkt-Fototransistor 305. Dabei entfällt der zuvor von Fototransistor 308 gelieferte Vorspann-Gleichstrom, und ferner aktiviert Fototransistor 305 die Schutzschaltungen 203 und 206. Letztere gewährleisten den Ausschaltzustand des Kreuzpunktes, indem sie einen Kurzschlußpfad über die Basis-Emitter-Strecken der Kreuzpunkt-Transistoren 100 und 101 legen.

Auf diese Weise kontrollieren die Kreuzpunkt-Steuerschaltungen die Einschalt-Ausschalt-Zustände ihrer zugeordneten bipolaren komplementären Kreuzpunkt-Transistoren unter Vermeidung einer direkten Verbindung zwischen beiden Schaltkreisen. Die Leucht-

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diode-Pototransistor-Kombination bietet einen einwandfreien Einweg-Signalfluß, mit einer praktisch unendlich großen Impedanz für Signale in der Gegenrichtung. Somit ist die Kreuzpunkt-Steuerschaltung vollständig unabhängig von und unempfindlich gegenüber Spannungen und Strömen, die an Kreuzpunkt-Anschlüssen auftreten. Somit kann man den Kreuzpunkt als "schwimmend" bezüglich der Kreuzpunkt-Steuerschaltung und deren zugehörigen Spannungen bezeichnen.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreuzpunkt-Konfiguration für eine bilaterale Gleichstromübertragung. Jedes in Fig. 5 mit 500 und 501 bezeichnete Kästchen enthält einen eigenen Kreuzpunkt gemäß Fig. 3, und die bilaterale Übertragung wird möglich durch zwei parallel geschaltete Kreuzpunkte, von denen der Kreuzpunkt 501 in der Gegenrichtung relativ zum anderen Kreuzpunkt 500 geschaltet ist. Der Kreuzpunkt 500 bildet einen Einweg-Strompfad von der Ader b zur Ader b¹ und von der Ader a zur Ader a¹, während der andere Kreuzpunkt 501 einen Einweg-Strompfad in der Gegenrichtung bildet, nämlich von Ader b¹ zur Ader b und von der Ader a¹ zur Ader a. Die jedem Kreuzpunkt-Element zugeordneten Steuerschaltungen sind ebenfalls parallel geschaltet, wobei die eine Kreuzpunkt-Steuer schaltung umgekehrt zur anderen Kreuzpunkt-Steuerschaltung liegt. Diese Anordnung von Kreuzpunkten ermöglicht eine Kommunikation zwischen dem Amt und der .Sprechstelle ohne Rücksicht auf die Polarität der Gleichstrom-Schleifenüberwachung.

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In Pig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Kommunkationspfad-Statusanzeigeschaltung dargestellt, die der beschriebenen bipolaren komplementären Transistor-Kreuzpunktanordnung zugeordnet werden kann. Leuchtdioden 315 und 325» die zu den gemäß Fig. 3 in Serie mit den Kreuzpunkt-Transistoren 100 bzw. 101 geschalteten Stromumkehr-Schutzschaltungen 202 bzw. 205 gehören, zeigen an, wenn das Kommunikations-Adernpaar 105 Strom führt und der Kreuzpunkt dadurch eingeschaltet wird, daß dem anderen Kommunikations-Adernpaar 104 Gleich-Vorspannung zugeführt wird.

Ist der Hörer von dem Fernsprechgerät abgenommen, dann fließt Strom von der Ader b zur Ader b* und aktiviert die Leuchtdiode 315. Deren Licht fällt auf die Basis eines Fototransistors 601, dieser wird durchgeschaltet, aktiviert dadurch einen Inverter 603, und dadurch entsteht ein niedriges Signal an den UND-Gattern 609, 611 sowie eines hohes Signal (über einen Inverter 607) an UND-Gattern 610, 612. Außerdem läßt das abgenommene Fernsprechgerät Strom von Ader a¹ zur Ader a fließen, wodurch die Leuchtdiode 325 aktiviert wird. Deren Licht fällt auf die Basis eines Fototransistors 6o4, dieser schaltet einen Inverter 606 an, so daß ein niedriges Signal zum Eingang d^r Gatter 609, 612 und ein hohes Signal (über einen Inverter 608) zum Eingang der Gatter 610 und 611 gelangt. Das UND-Gatter 610 ist das einzige Gatter innerhalb dieser Status-Anzeigeschaltung mit zwei hochliegenden Eingängen. Somit wird Gatter 610

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eingeschaltet, und es gelangt ein niedriges Ausgangssignal auf eine mit "abgenommen" bezeichnete Leitung, und dadurch wird der abgenommene Zustand des betreffenden Fernsprechgerätes angezeigt.

Dementsprechend führt bei aufgelegtem Hörer die a-Ader positive Spannung und die b-Ader negative Spannung, und Longitudinal-Spannungen können festgestellt werden durch die Leuchtdioden 315 und 325, wobei die Anzeige durch die richtige Logik-Kombination von Fig. 6 erfolgt. Somit können die Elemente der Schutz- und Steuerschaltung außerdem zur Anzeige des Status¹ Kommunikationspfades herangezogen werden, ohne die zwischen dem Kreuzpunkt, der externen Stromversorgung und den Kreuzpunkt-Steuerschaltungen bestehende Totalisolation aufzuheben. Auch in dieser Beziehung bildet die erläuterte Schutz- und Steuerschaltung einen vollständigen "schwimmenden" Kreuzpunkt, und zusätzlich übermittelt die Schutz- und Steuerschaltung der Kommunikationspfad-Statusanzeigeschaltung Informationen über den Status von a- und b-Ader und empfängt Kreuzpunkt-Einschalt- und Ausschalt-Steuerinformationen von der zugehörigen Kreuzpunkt-Steuerschaltung unter Vermeidung einer direkten Verbindung zur Kreuzpunkt-Steuerschaltung, zur Kommunikationspfad-Statusanzeigeschaltung oder zu irgendeiner externen Stromquelle. Diese Merkmale tragen zur Schaffung eines Kreuzpunktes bei, der Ströme und Spannungen innerhalb weiter Grenzen verarbeiten kann, ohne daß irgendwelche Effekte auf die Kreuzpunkt-Steuerschaltung oder irgendwelche Signalkopplungen

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zwischen Kreuzpunkten im gesamten Schaltnetzwerk auftreten.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel, vielmehr sind im Rahmen der Patentansprüche zahlreiche Abwandlungen möglich.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2322880

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Western Electric Company, Incorporated Schneider, H.A.

Broadway

New York, N.Y. 10038, U.S.A.

Patentansprüche

My Bipolare Transistor-Schalteranordnung mit je einem Paar von Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen, mit zwei bipolaren pnp-Transistoren, von denen einer mit seinem Emitter an den einen Anschluß und der andere mit seinem Emitter an den anderen Anschluß des Eingangsanschlußpaares verbunden ist, und mit einer Steuerschaltung zum Aktivieren der Transistoren in Abhängigkeit von einem Schaltersteuersignal,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerschaltung (200) und den Basen sowie zwischen der Steuerschaltung und den Emittern der beiden Transistoren (100, 101) und ferner zwischen den Ausgangsanschlüssen (a, b; a¹, b¹) und den Kollektoren der Transistoren-Schutzschaltungen (201... 203? 204... 206) angeschlossen sind.
2. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. - P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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daß zwischen federn Emitter der Transistoren (100, 101) und der Steuerschaltung (200) je eine zu den Steuerschaltungen gehörige Überbrückungsschaltung (203; 206) angeschlossen ist, welche für alle an der Emitter-Basisstrecke des betreffenden Transistors auftretenden Durchlaßspannungen eine niedrige Impedanz darstellt.
3· Schalteranordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jeder Überbrückungsschaltung (203, 206) je ein bipolarer pnp-Transistor (311; 321) mit je einem bipolaren npn-Transistor (310; 320) zu einer parallelen Kollektorschaltung verbunden ist, bei der ferner die Emitter beider Transistor miteinander verbunden und ihre Basen an die Steuerschaltung (200) angeschlossen sind; und daß die Steuerschaltung in Abhängigkeit von dem SchalterSteuersignal, welches den zugeordneten Transistor (100; 101) sperrt, die pnp- und npn-Transistoren (311, 310; 321, 320) der Überbrückungs schaltung (203; 206) durchschaltet.
4. Schalteranordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung (106) abhängig ist von einer Vorspannung, mit dem das Eingangsanschluß-Paar (a, b) beaufschlagt ist, wobei der eine Anschluß dieses Paares das positivere Potential führt; und daß mittels einer zur Steuerschaltung (200) gehörenden Verbindungsschaltung

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(305) in Abhängigkeit von dem Schaltersteuersignal eine Direktverbindung zwischen den Basen der pnp- und npn-Transistoren der Überbrückungsschaltungen herstellbar ist.
5. Schalteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschaltung einen Phototransistor (305) enthält, der zwischen den Basen der ρηρ- und npn-Transistoren der beiden Überbrückungsschaltungen (203, 206) in Serie angeschlossen ist.
6. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor jedes Transistors (100, 101) und dem zugeordneten Ausgangsanschluß (b'j a') je eine Umkehrspannungsschutzschaltung (315; 325) angeordnet ist, welche Spannungen mit umgekehrter Polarität, welche zwischen dem jeweiligen Ausgangsanschluß und dem Transistor-Kollektor auftreten, einen hohen Impedanzwert darbieten.
7. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerschaltung (200) und der Basis

jedes Transistors (100, 101) eine Impedanzreduktionsschaltung (201; 204) angeschlossen und mit der Steuerschaltung, der zugeordneten Transistorbasis und dem 809850/0731

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zugeordneten Ausgangsanschluß (b^r; a¹) verbunden ist, um den Leitungswiderstand des zügehörigen Transistors im Durchschaltzustand zu vermindern.
8. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Paare von Eingangsanschlüssen einer ersten Anzahl solcher Schalteranordnungen (106) mit einem ersten Leitungsweg, und das Ausgangsanschlußpaar jedes dieser Anzahl von ersten Schalteranordnungen mit je einem aus einer Anzahl anderer Leitungswege verbunden sind, und daß der erste Leitungsweg den Vertikalweg, und die Anzahl der anderen Leitungswege die Horizontalwege eines Schalternetzwerkes eines Schaltnetzwerkes bilden.
9. Schalteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Schaltnetzwerk eine Anzahl von mit je einem bipolaren Transistorschalter versehenen Schaltersteuersignal-Generatorschaltungen gehören, von denen jede abhängig ist von dem Vertikalweg sowie den Horizontalwegen zugeordneten Auswählpotentialen, die einen bestimmten bipolaren Transistorschalter zur Erzeugung des Schaltersteuersignals definieren, und daß die Steuerschaltung (200) des betreffenden bipolaren Transistorschalters in Abhängigkeit von dem Schaltersteuersignal diesen Transistorschalter aktiviert.

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10. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster bipolarer Transistorschalter (500) mit seinen Ausgangsanschlüssen an Eingangsanschlüsse, und mit seinen eigenen Eingangsanschlüssen an Ausgangsanschlüsse eines zweiten bipolaren Transistorschalters (501) angeschlossen und durch uiese Kombination eine Einrichtung zur Übertragung von Gleichstromsignalen in entgegengesetzten Richtungen gebildet ist (Fig. 5).
11. Schalteranordnung nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Anzahl von Schalteranordnungen vorhanden ist, von denen jede einzelne gemäß Anspruch 10 mit je einer Schalteranordnung der ersten Anzahl von Sehalteranordnungen kombiniert ist.

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