-
Schaltungsanordnung zur geregelten Spannungsversorgung von
-
ferngespeisten Endeinrichtungen in Fernmelde- insbesondere Fernsprechanlagen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur geregelten Stromversorgung von
Endeinrichtungen in Fernmelde- insbesondere Fernsprechanlagen, wobei die Endeinrichtungen
jeweils über ihre Anschlußleitung aus einer in der Vermittlungsstelle anschaltbaren
Gleichspannungsquelle ferngespeist werden und in der Endeinrichtung eine konstante,
demgegenüber einen geringeren Spannungswert aufweisende Versorgungsspannung verfügbar
sein muß, insbesondere für digitale Fernsprechendgeräte mit durch unterschiedliche
Betriebs zustände bedingten schwankenden Strombedarfe 5.
-
Die Endeinrichtungen einer Fem melde- bzw. Fernsprechanlage werden
über die einen bestimmten ohmschen Widerstand aufweisende informationstragende Anschlußleitung
gespeist, womit eine Unabhängigkeit des Betriebes von einer lokalen Stromversorgung
erreicht wird. Je nach angewendeter Speisetechnik können die Speisesohaltungen in
der Vermittlungsstelle unterschiedlich ausgelegt sein. Bei modernen Vermittlungssystemen,
bei denen diese Speiseschaltungen Bestandteil der Teilnehmeranschlußschaltung sind,
wird Wert auf Verringerung der Verlustleistung in der Speiseschaltung und auf Integrationsfähigkeit
gelegt, um das Bauvolumen und die Kosten zu reduzieren. Eine Grenze für die erzielbare
Packungsdichte stellt dabei die abzuführende Verlustleistung dar.
-
In Zusammenhang mit der Spannungs einspeisung ist es be-
kannt
eine Fernspeisung von Endeinrichtungen über Vorwiderstände, die sich im einspeisenden
Gerät oder in der Vermittlung befinden, vorzunehmen. Die Vorwiderstände dienen dabei
als Strombegrenzung bei eventuell auftretenden Kurzschlüssen. Ungünstig ist die
damit verbundene Verringerung der Reichweite und die dabei entstehende Verlustleistung.
-
Weiterhin ist es bekannt, bei Vermittlungssystemen,in denen die Speise
schaltungen Bestandteil der Teilnehmeranschlußschaltungen sind, für die ferngespeisten
Teilnehmerendeinrichtungen einen Gleichspannungswandler einzusetzen. Mit dessen
Hilfe wird die Speiseleistung auf das für die betreffende Teilnehmerendeinrichtung
erforderliche Maß durch Wahl der Taktfrequenz, mit der die Speisespannung der Spesiatirie
getaktet wird, eingestellt. Die noch auftretende Verlustleistung wird dadurch auf
den im Rahmen der sonstigen Gegebenheiten unvermeidlichen Wert reduziert.
-
Im Zusammenhang mit der Speisung einer digitalen Teilnehmerstation,
die in Vergleich zu einer analogen Teilnehmerstation eine wesentlich größere Anzahl
von Funktionseinheiten enthält und demnach auch eine höhere Versorgungsleistung
benötigt, ist es bekannt,zurErzeugung der von Stationseinheiten beanspruchten geregelten
Spannungen einen Spannungslängsregler vorzusehen. Dieser stetige Verlustregler wirkt
wie ein in Reihe zu den einzelnen Verbrauchern liegender variabler Widerstand in
Form eines steuerbaren Halbleiterelementes. Durch einen derartigen Regler wird grundsätzlich
die Differenz zwischen dem Spannungswert der ungeregelten Vermittlungs-Speisespannung
abzüglich des Spannungsabfalls auf der Anschlußleitung und dem Spannungswert der
Versorgungsspannung der jeweiligen Endeinrichtung ausgeglichen. Je nach Betriebszustand
und Anschlußleitungslänge ist eine mehr oder weniger
große Verlustleistung,
die an einem derartigen Regler entsteht, abzuführen. Aufgrund dieser unvermeidlichen
Verlustleistung wird die Packungsdichte für die Baueinheiten der Endeinrichtung
begrenzt. Die einsetzbaren Verlustregler erfordern darüberhinaus eine vorgeschaltete
Spannungs-Schutzeinrichtung für die eine spezielle Ausbildung vorzusehen ist,um
die Speisereichweite nicht wesentlich zu beeinträchtigen.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, für Endeinrichtungen die über in
der Regel längere Anschlußleitungen ferngespeist werden, eine möglichst gute Annäherung
an die theoretisch maximal verfügbare Versorgungsleistung zu erreichen.
-
Dies erfolgt bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch,
daß als Teil der jeweiligen Endeinrichtung ein mit der Anschlußleitung gekoppelter
Gleichspannungs-Schaltregler vorhanden ist, durch den vermittels seiner transformierenden
Wirkung bei konstanter Versorgungsspannung, der Speisestrom für die in der Endeinrichtung
enthaltenen Funktionseinheiten bei in Zusammenhang mit dem Regelvorgang auftretenden
minimalster Verlustleistung in der jeweils erforderlichen Höhe zur Verfügung gestellt
wird.
-
Durch den erfindungsgemäß eingesetzten Schaltregler erfolgt eine Anpassung
der in der Vermittlungsstelle oder in einem Konzentrator angelegten Speisespannung
an die in der Endeinrichtung benötigte demgegenüber kleinere Versorgungsspannung.
Durch die Transformatorwirkung des Schaltreglers ist der über die Anschlußleitung
gezogene Strom deutlich geringer als der von den vorzugsweise elektronischen Baueinheltender
Endeinrichtung aufgenommene Strom. Dadurch werden die Ubertragungsverluste verringert
und die in der Endeinrichtung verfügbare
Speiseleistung steigt im
Vergleich zu bekannten Speisetechniken in der Weise, daß eine optimale Näherung
an die über einen ohmschen Leitungswiderstand maximal übertragbare Leistung erreichbar
ist. Unter der Voraussetzung, daß auch im Ruhezustand der Endeinrichtung eine Versorgungsspannung
beispielsweise wegen der erforderlichen Datensicherung oder der Aufrechterhaltung
einer Funktionsbereitschaft für bestimmte Schaltungseinheiten notwendig ist, kann
durch entsprechende Dimensionierung des Schaltreglers erreicht werden, daß ein nahezu
vernachlässigbar kleiner Ruhestrom in der Speiseschleife fließt. Durch die Verwendung
des Schaltreglers ergibt sich nur eine geringe Verlustleistung, so daß in der jeweiligen
Endeinrichtung eine hohe Packungsdichte der Baueinheiten ermöglicht wird ohne daß
die Zuverläßigkeit durch entstehende Verlustwärme beeinträchtigt wird. Bei Verwendung
des Schaltreglers als Teileinheit der Endeinrichtung führt eine Verringerung der
bereitzustellenden Versorgungsspannung nicht zu einer entsprechenden Verringerung
der verfügbaren Versorungsleistung. Es ist deshalb die erfindungsgemäße. Anwendung
des Schaltreglers für Endeinrichtungen, deren Einheiten aus integrierten Schaltkreisen
gebildet werden die eine kleine Versorgungsspannung benötigen, besonders vorteilhaft.
-
Der verwendete Schaltregler ist gemäß einer Ausbildung der Erfindung
unter Verwendung einer in Reihe zu einem, mit seiner Hauptstromstrecke im- Gleichspannungskreis
der Anschlußleitung angeordneten steuerbaren Halbleiterschaltelement liegenden Induktanz,
einer Diode, einem der Speicherung der von ihm als Versorgungsspannung abgegebenen
Ausgangsspannung dienenden Element, der Ansteuerschaltung für das Halbleiterelement
und einer taktgebenden Einheit aufgebaut. Die Polung der Diode ist derart, daß sie
durch die beim Übergang des Halbleiterschaltelementes vom leitenden in den gesperrten
Zustand der Induktanz induzierten
Spannung in Durchlaßrichtung
beaufschlagt wird. Die Steuerung des Halbleiterschaltelementes kann durch in einer
entsprechenden Regelschaltung aus der Arbeitstaktimpulsfolge abgeleiteten impulsbreitengeregelten
Impulse erfolgen. Der für diese Regelung notwendige Vergleich zwischen der tatsächlich
erzeugten Versorgungsspannung und . ihrem Sollwert kann erfindungsgemäß durch einen
entsprechend gesteuerten Indikator vorgenommen werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist im Ruhezustand der jeweiligen
Endeinrichtung die Arbeitstaktimpulsfolge unwirksam geschaltet und es werden die
für die Funktion des Schaltreglers notwendigen Taktimpulse stattdessen während dieser
Zeitspanne mit einer wesentlich geringeren Frequenz durch einen, während der anderen
Betriebszustände gesperrten Spannungs-Frequenzumsetzer,abgegeben. Diese Umsetzeranordnung
ist durch die in Abhängigkeit von der auftretenden Abweichung vom Sollwert erzeugen
und in ihrer Frequenz veränderbsren Steuerimpulse vorbestimmter konstanter Breite
steuerbar.
-
Insbesondere bei der Anwendung des Schaltreglers in einer Endeinrichtung
mit digitaler Technik wird für die Arbeitstaktimpulsfolge eine Frequenz gewählt,
die in etwa der für derartige Einrichtungen vorgesehnen Ubertragungsfrequenz entspricht.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die als Bestandteil des
Schaltreglers vorhandene Diode durch ein weiteres steuerbares Halbleiterschaltelement
gebildet.
-
Dieses ist durch die Spannung, die an einer Sekundärwicklung geeigneter
Polung der den Schaltregler mitbildenden Induktanz entsteht, steuerbar.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung stellen die ver-
wendeten
Halbleiterschaltelemente in MOS-Technologie hergestellte Feldeffekttransistoren
dar.
-
Da gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die bereitgestellte
Ausgangsspannung auch als Speisespannung für die Funktionseinheiten bzw. Elemente
der Steuerschaltung des Schaltreglers herangezogen wird, ist damit eine Kurzschlußsicherheit
für den Schaltregler gegeben.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den restlichen Unteransprüchen
zu entnehmen.
-
Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert.
-
FIG 1 zeigt ein aus der Vermittlungs stelle über die Anschlußleitung
ferngespeistes Fernsprechendgerät, das zur Versorgung seiner Einheiten einen, in
seinen grundsätzlichen Aufbau gezeigten Schaltregler enthält.
-
FIG 2 zeigt eine Diagrammdarstellung einzelner Spannungs-bzw. Stromverläufe
an bestimmten Schaltungspunkten des Schaltreglers.
-
In der FIG 1 ist mit VSt die Vermittlungs stelle bezeichnet, aus deren
Amtsbatterie mit dem wirksamen Anschalten der Batteriespannung Ub das Fernsprechendgerät
EG über die Anschlußleitung AL fem gespeist wird. Für das Ausführungsbeispiel ist
angenommen, daß es sich um ein Fernsprechendgerät handeln soll, das in digitaler
Technik aufgebaut ist. Die Vermittlungsstelle ist damnach in an sich bekannter und
nicht dargestellter Weise für den Empfang und für Ubertragung von Nutzinformationen
in Form von Sprache oder Daten und für die Signalisierung ausgerüstet. Von diesen
Einheiten ist lediglich die unter anderem dem Zweidraht-Vierdraht- tjOergang dienende
Gabelschaltung gezeigt. fDer diese, aus den TSicklungen
w1 bis
w3 und dem Kondensator C7 aufgebaute Gabel schaltung verlaufen die zu empfangenden
und zu übertragenden Informationen. Die Speisespannung wird aus der Amtsbatterie
über die jeweils in einer der Adern liegenden niederohmigen Widerstände R14 bzw.
R15 in der dargestellten Weise an die Anschlußleitung AL angeschaltet. Der Spannungsabfall
an diesen als Stromfühler dienenden Widerständen wird innerhalb der Vermittlungsstelle
durch eine Kontroll-und Auswerteeinrichtung KA überwacht. Uberschreitet der auftretende
Spannungsabfall den vorgegebenen zulässigen Maximalwert, so wird durch die Einheit
KA die Öffnung des ansonsten geschlossenen, in einer symbolischen Darstellung gezeigten
elektronischen Schalters ES veranlaßt. Es wird dadurch beispielsweise bei einem
Kurzschlußfall schnellstens die Abschaltung der Speisung ermöglicht. Die geschilderte
Stromüberwachung kann auch für die Indikation des Speiseschleifenzustandes herangezogen
werden.
-
Von dem Fernsprechendgerät EG, das über die AnschluBleitung AL mit
der Vermittlungsstelle VSt verbindbar ist, ist neben der Einheit BE der erfindungsgemäß
verwendete und zwischen den eingangsseitigen Anschlußpunkten 1,4' und den ausgangsseitigen
AnsiLußpunkten 2,2' liegende Schaltregler in einer prinzipiellen Darstellungsweise
gezeigt. Es sind Schaltungseinzelheiten nur insoweit dargestellt, als sie für das
Verständnis erforderlich sind.
-
Unter der Voraussetzung, daß es sich bei dem Endgerät EG um ein digitales
Fernsprechendgerät handlet, sollen in der einheit BE alle diejenigen Funktionseinheiten
zusammqngefaßt sein, die für die Übertragung und dem 3mpang der Nutzinformationen
bzw. für die Signalisierung notwendig sind. Im Falle der digitalen Teilnehmerstation
als endgerät handelt es sich bei den einzelnen Funftionseinheiten beispielsQreise
um die Steuerlogik, um den
Analogteil einer Einrichtung zur Digital-Analogwandlung
und Analog-Digitaiwandlung (Codec) und um die übrige Steuerlogik. Eine weitere Funktionseinheit
stellt die Leitungsanschalteeinheit LE, von der einige Einzelheiten gezeigt sind,
dar. Sie umfaßt unter anderem die aus den Wicklungen w4 bis w6 und dem Kondensator
C2 bestehende Gabelschaltung sowie die Sendeeinrichtung S und die Empfangseinrichtung
E. An den beiden leitungsseiten Wicklungen des Ubertragers der Gabelschaltung wird
die ungeregelte Leitungsspannung für den Schaltregler abgenommen und an seine Eingangsklemmen
1,1' geführt. Mit dem im Endgerät angeordneten Schaltregler wird eine Anpassung
der am Endgerät zur Verfügung stehenden Spannung Ug an die benötigte Versorgungsspannung
Uv vorgenommen. Diese vom Schaltregler an den Anschlußpunkten 2 und 2' für die elektronischen
Baueinheiten bereitgestellte Versorgungsspannung ist wesentlich kleiner als die
Spannung Ug und kann beispielsweise 5 Volt betragen.
-
Das im Ausführungsbeispiel vorgesehene digitale Fernsprech endgerät
hat mehrere Betriebszustände, die jeweils durch die Wirksamsohaltung bzw. den Bereitschaftszustand
von spezifischen Funktionseinheiten und den dadurch bedingten unterschiedlichen
Strombedarf gekennzeichnet sind.
-
So besteht beispielsweise im Ruhezustand bei aufgelegtem Handapparat
zwischen dem digitalen Fernsprechendgerät und der Vermittlungsstelle keine Sprach-
und Signalisierungskanalanschaltung. Um im Fall einer Tastenbetätigung bzw.
-
des Abhebens des Hörers durch einen Teilnehmer ein rasches Auf synchroni
sieren auf die Taktphase der Vermittlung zu ermöglichen, werden lediglich die Synchronisier-
und Signalisierbits zum Fernsprechendgerät gesendet. In diesem Zustand ist also
für die Aufrechterhaltung der Funktionsbereitschaft sowie zur Sicherung von gespeicherten
Daten für die hier maßgebenden FunktionseiSheiten-die Versor-
gungsspannung
zur Verfügung zu stellen. Durch die Wir kung des Schaltreglers bedingt, ist der
im Ruhezustand über die Leitung fließende Strom äußerst gering. Weitere Betriebszüstände
sind der sogenannte Signalisierungszustand und der Belegungszustand, für den wegen
der bei der Sprachübertragung eingesobiteten zusätzlichen Verbrauchern der höchste
Strombedarf anzusetzen ist.
-
Außer der Einheit BE stehen die in der Figur 1 für das Fernsprechendgerät
EG dargestellten Bauelemente bzw.
-
Baueinheiten mit der Schaltreglerfunktion bzw. mit vorgesehenen Uberwachungsfunktionen
unmittelbar im Zus?mmenhang. Um den Leistungsbedarf möglichst gering zu halten sollen
die einzelnen Einheiten durch beispielsweise im MOS-Technologie integrierte Schaltkreise
verwirklicht sein. Neben einem hohen Wirkungsgrad ist für den zur Spannungseinspeisung
vorgesehenen Schaltregler ein mindestens zwischen der Hälfte der minimalen und dem
maximalen Wert der Speisebatterie-Spannung liegender Eingaagsspannungsbreic + otwendig.
-
Mit dem wirksamen Anschalten der Speise spannung in der einspeisenden
Einrichtung, beispielsweise der Vermittlungsstelle VST, wird der Kondensator C3
aufgeladen und im Verlauf dieses Aufladevorganges der Transistor Tl durchgeschaltet.
Die Zenerdiode D4dient dazu, den Ladevorgang des Kondensators C3 zu ermöglichen
und hat gleichzeitig eine Schutzfunktion für den Transistor Tl gegen zu hohe Gate-Source-Spannungen.
Der Kondensator C4 lädt sich bis zu einer für die normale Funktion der vorhandenen
Steuerschaltung des Schaltreglers ausreichenden Spannung auf. Damit setzen dann
die taktgebundenen Steuervorgänge ein. Die Diode D5 dient dazu, die Spannung am
Kondensator C3 zu reduzieren falls sich die Spannung zwischen den Anschlußklemmen
1 und 1' verkleinert. Ist der erforderliche
Wert der Versorgungsspannung
erreicht, so wird ein weiterer Anstieg durch eine noch zu erörternde Uberwachungsschaltung
Ug unterbunden. Damit setzt dann gleichzeitig der taktgebundene Funktionsablauf
der Schaltregleranordnung ein. Abhängig vom Betriebszustand der Endeinrichtung EG
dient in Verbindung mit einer die entstehende Versorgungsspannung mit einer Sollspannung
verglechenden Anordnung entweder ein Spannungs-Frequenzumsetzer SF- oder ein durch
ei x Taktgeber TG gesteuerter Pulsbreitenmodulator PM als Steuerschaltung für den
Schalttransistor T1.
-
Dieser Schalttransistor bestimmt den Stromfluß durch die Induktanz
L des Schaltreglers. Im Ruhezustand des Fernsprechendgerätes wird der Taktgeber
TG durch geeignete Ansteuerkriterien in der Weise beeinflußt, daß die Abgabe eines
Steuertaktes an seinem Ausgang TA unterbleibt. Mit dem Ausbleiben der Taktimpulsfolge
am Ausgang TA wird der in den anderen Betriebszuständen, nämlich den Signalisierungszustand
und den Belegungszustand für die Erzeugung der Steuerimpulse maßgebende Pulsbreitenmodulator
PM gesperrt und gleichzeitig der Spannungs-Frequenzumsetzer SF über den Inverter
I1 freigegeben. Beim Ubergang vom Ruhezustand in einen der beiden anderen genannten
Betriebszustände ist es genau umgekehrt. Die Steuersignale, die für diese wechselseitige
Wirksamschaltung notwendig sind,werden von einem Taktdetektor TD abgegeben. Da der
Taktgeber TG nicht in eine definierte Ausgangslage gebracht wird, werden durch den
Taktdetektor TD beide Flanken eines Taktimpulses bewertet. Dies erfolgt durch die
jeweils aus der Diode D2, dem Widerstand R11 und den Kondensator C7 bzw. aus der
Diode D3, dem Widerstand R12 und den Kondensator C8 bestehenden Auswertezweige,
die mit je einem Eingang des Exklusiv- Oder - Gatters G1 gekoppelt sind. Jenachdem
ob der Taktgeber TG wirksam oder unwirksam gesteuert ist, liefert dieses Gatter
ein bestimmtes logisches Ausgangssignal, das dann als Freigabesignal oder als Sperrsignal
für die Einheiten SF bzw.
-
PM herangezogen wird.
-
Liegt ein vom Ruhezustand abweichender Betriebszustand des Frnsprechendgerätes
EG vor, so liefert bei Betrachtung des eingeschwungenen Zustandes der Pulsbreitenmodulator
PM impulsbreitengesteuerte Ansteuerimpulse für den Schalttransistor T1, da er aufgrund
des vom Taktdetektor TD gelieferten Signals betriebsfähig geschaltet ist. Die Regelung
der Impulsbreite der vom Taktgeber TG gelieferten Arbeitstaktimpulse wird durch
den Transistor T6 bewirkt. Dieser Transistor dient anstelle eines ansonsten vorhandenen
ohmschen Widerstandes in Verbindung mit dem Kondensator C10 als zeitbestimmende
Kombination für die mit diesen eine mono stabile Stufe bildenden Einheit Ml. Der
Steuereingang dieser Kippstufe wird über die Gatter G2 und G3 mit den vom Taktgeber
TG abgegebenen Taktimpulsen beaufschlagt, wobei jeweils eine vorgegebene Flanke
zum Setzen der Kippstufe dient. Mit der gleichen Flanke wird eine weitere monostabile
Kippstufe getriggert, die bis auf die aus dem Kondensator C9 und den Widerstand
R13 bestehenden zeitbestimmendeuKombination aus der mit der Einheit M1 gleichartig
aufgebauten Einheit DE gebildet ist. Die Aussteuerung des Transistors T6, die jeweils
einen bestimmten äquivalenten Widerstandswert bedingt, erfolgt durch die von der
bereits erwähnten Vergleichsanordnung V abgegebenen Steuerspannung. In dieser Vergleichsanordnung
wird die am Kondensator C4 entstehende Versorgungsspannung Uv mit dem für diese
Spannung vorgegebenen Sollwert in Beziehung gesetzt und bei einer Abweichung nach
oben oder unten eine Steuerspannung erzeugt. Dies erfolgt mit Hilfe eines Integrators,
der aus dem Operationsverstärker 01, dem Widerstand R3 und dem Kondensator C5 gebildet
wird. Der Sollwert der Versorgungs spannung ist durch Zenerdiode D1 in Verbindung
mit dem Widerstand R4 vorgegeben und liegt am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
01 an. Am Spannungsteiler R1/R2 wird eine Teilspannung der geregelten Ausgangsversorgungsspannung
abgegriffen, mit der dann über
den Widerstand R3 der invertierende
Eingang des Operationsverstärkers beaufschlagt wird. der Integratorausgang liefert
eine sich in Abhängigkeit von der entstehenden Versorgungsspannurs ändernde Ansteuerspannung
für den zur dgeleung der Impulsbreite verwendeten Transistor TS des Pulsbreitenmodulators
PM. Darüberhinaus dient die Ausgangsspannung des Integrators in gleicher Weise zur
Steuerung des Spannungs-Frequenzumsetzers SV wenn dieser im Ruhezustand des Fernsprechendgerätes
freigegeben ist.
-
Diejenigen Einheiten, die die Steuerschaltung des Schaltreglers bilden,
sollen möglichst verlustarm sein. Für die Integration der Funktionseinheiten im
gesamten oder ihrer Teileinheiten wird deshalb zum Beispiel die C-MOS-Technologie
zugrunde gelegt. Da bei einer in dieser Technologie integrierten und eine monostabilen
Kippstufe mitbildenden Einheit die Impulsbreite des von diesem gelieferten Ausgangssignals
nicht wie dies wünschenswert ist, bis auf Null geregelt werden kann, wird deshalb
im Ausführungsbeispiel im Pulsbreitenmodulator PM eine weitere mit M1-gleichartige
integrierte Stufe M2 verwendet, die in Verbindung mit dem Kondensator C9 und den
Widerstand R13 als äußere Beschaltung eine zusätzliche monostabile Kippstufe bildet.
Die-beiden Kittstufen werden von der gleichen Flanke des ansteuernden Taktipmulses
getriggert.
-
Der Regelbereich für die durch die Einheit Ml mitgebildeten ersten
monostabilen Kippstufe kann so bemessen sein, daß die Impulsbreite des abgegebenen.Ausgancsim.
u'ses beispielsweise im Bereich unter einer Mikrosekunde bis zwei Mikrosekunden
liegt. Die andere monostabile Kippstufe soll beispielsweise jeWeils einen Ausgangsimpuls
mit einer konstanten Impulsbreite von einer Mikrosekund-e liefern. Dabei können
die steuernden Taktimpulse des Taktgebers TG eine Frequenz von z.B. 256 Kilohertz
aufweisen. Die impulsbreitenmodulierten Ausgangsimpulse des Pulsbreitenmodulators
PN entsprechen dann der-Differez der von jeder monostabilen Kippstufe abgegebenen
Impulse.
-
Dies wird durch eine mit ihrem Ausgang verbundene Gatterkombination
erreicht, die aus den beiden Invertern I2 und I3, sowie aus den NOR-Gattern G4 und
G5 sowie dem Exklusiv- ODER -Gatter G6 gebildet wird. Die am Ausgang dieses Gatters
G6 entstehenden Impulse sind demnach in Abhängigkeit von der Belastung durch Funktionseinheiten
des Fernsprechendgerätes bzw. in Abhängigkeit von der sich daraus ergebenden Veränderung
der Versorgungsspannung Uv impulsbreitenmoduliert. Sie steuern den Transistor T1,
der in Verbindung mit der Induktanz L und der notwendigen Diode in Form eines Transistors
T2 und dem Kondensator C4 als speicherndes Schaltglied, einen wesentlichen Bestandteil
des Schaltreglers bildet.
-
Zur. Erläuterung der insbesondere im Zusammenhang mit diesen zuletzt
genannten Schaltelementen stehenden Funktionsweise des Schaltreglers werden die
Diagramme nach der FIG 2 herangezogen. Unter der Voraussetzung, daß ein vom Ruhezustand
abweichender Betriebszustand des Fernsprechendgerätes vorliegt, enstehen am Ausgang
des Gatters G6 die in der Zeile a dargestellten impulsbreitenmodülierten Impulse.Dies
Ist erden zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 anstehenden Steuerimpuls durch den
Doppelpfeil angedeutet. Im übrigen beziehen sich die Diagramme nach der FIG 2 auf.einen
stationären Zustand des Schaltreglers. Mit jedem Ansteuerimpuls gemäß Zeile a wird
der Transistor T1 durchgeschaltet und es liegt an der Induktanz L eine wertmäßig
der Differenz zwischen der ungeregelten Eingangs spannung und der erzeugten Versorgungsspannung
entsprechende Spannung an.
-
In Zeile b der FIG 2 ist schemati-sch der sich aus den Ansteuerimpulsen
gemäß Zeile a ergebende Stromverlauf über den Transistor Tl dargestellt. Mit Im
ist der sich über eine Periode To darstellende Mittelwert bezeichnet, der dem über
die Leitung gezogenen Stromwert IS entspricht.
-
Die durch die dargestellte Impulsformzu bildende Fläche Q1 entspricht
der durch das Produkt aus dem Mittelwert des Stromes und der Feriodendauer darzustellendenFläche
Q2.
-
Die genannten Flächen sind durch unterschiedliche ScrafRnen gekennzeichnet.
-
Zum Zeitpunkt t2 wird der Transistor T1 gesperrt. Das während der
Zeitdauer der Ansteuerimpulse, aSo beispielsweise während der durch die Zeitpunkte
t1 und t2 vorgegebenen Zeitspanne wachsende Magnetfeld, wird in der nachfolgenden
Pausenzeit abgebaut. Während dieser Zeitspanne wechselt die in.den Wicklungen der
Spule induzierte Spannung die Polarität. Dies ist schematisch in der Zeile c der
FIG 2 dargestellt. Bezogen auf die erste dargestellte Periode liegt dann vom Zeitpunkt
t2 bis zum Zeitpunkt t3 die Induktanz an einer konstanten Spannung, die sich aus
der erzeugten Versorgungsspannung abzüglich der Spannung ergibt, die an dem als
Diode verwendeten Transistor T2 in Durchlaßrichtung entsteht. Der Strom iT2 durch
den als Diode verwendeten Transistor T2 ist in Zeile d der FIG 2 dargestellt.
-
Durch den als Diode eingesetzten Transistor T2 wird im Vergleich zur
Verwendung einer normalen Diode die Verlustleistung herabgesetzt. Für den crransistor
T2 wird ingleicher Weise wie für die Transitoren T1 bis T5 ein in MOS-Technologie
integrierter Feldeffektransistor benutzt. Das Steuersignal für den als Diode verwendeten
Transistor T2 wird durch die dargestellte Sekundärwicklung der Induktanz L erzeugt,
da in der durch t3 und t2 vorgegebenen Zeitspanne, in der also die im Schaltregler
zu verwendende Diode leitend zu steuern ist, die in der Wicklung der B£dktanz L
induzierte Spannung ihre Polarität wechselt.
-
Für den Transistor T2 kann anstelle eines N-Xanal-Transistors auch
ein P-Kanal-TransiEtcr ge.ählt werden.
-
Die Ansteuerschaltung ist dann entsprechend anzupassen.
-
In der Zeile e des Diagramms nach der FIG 2 ist für drei Periodenzeiten
der Stromverlauf durch die mit dem Schalttransistor T1 in Reihe liegende Primärwicklung
der Induktanz -
L gezeigt. Es ist in gleicher Weise wie bei dem
Diagramm nach der Zeile d der für eine Periodenzeit sich ergebende Mittelwert IL
dargestellt. Dieser Mittelwert folgt aus der Gleichheit der Flächen Q5 und Q6. Für
die Mittelwertbildung des Stromes IT2 der Zeile d sind die wiederum als gleich groß
anzusetzenden Flächen Q3 und Q4 maßgebend.
-
Der Mittelwert IL entspricht der Summe der Mittelwerte IT2 und Ist1.
Aus der speisenden Quelle in der Vermittlungsstelle VS wird über die Leitung lediglich
der Strom IS=I gezogen. Für die als Verbraucher anzusehenden Einheiten des Fernsprechendgerätes
die in dem jeweiligen Betriebszustand wirksam geschaltet sind, wird demgegenüber
eine höhere Stromaufnahme ermöglicht. Infolge der mit einem' Gleichstromtransformator
zu vergleichenden Wirkung des im Fernsprechendgerät eingesetzten Schaltreglers ist
der von der einspeisenden Quelle gezogene Strom mehrfach kleiner, als die Stromaufnahme
im Fernsprechendgerät. Dies erklärt sich aus der Tatsache, daß die den jeweiligen
Verbrauchswiderständen gelieferte Leistung kleiner ist als die über die Anschlußleitung
gelieferte Leistung. Die an den Leitungsanschlüssen des Fernsprechendgerätes maximal
angebotene Leistung entspricht dem Verhältnis aus dem Quadrat der halben Batteriespeisespannung
zu dem Leistungswiderstand. Die in der Endeinrichtung verfügbare Versorgungsleistung
ergibt sich daraus durch Multiplikation mit dem Wirkungsgrad des Schaltreglers.
Bei Verwendung eines Schaltreglers ist gegenüber anderen Speisetechniken die beste
Näherung an die über den ohmschen Leitungswiderstand maximal übertragbare Leistung
erreichbar. Gemäß Zeile f der FIG 2 entsteht durch die über den Schalttransistor
T1 und die Incuktanz ermöglichten Ladevorgäne am Kondensator C4 beispielsweise eine
positive Versorgungsspannung Uv, die einen Spannungswert von z,B. 5 Volt aufweisen
kann. Dieser Spannungswert 'xann wie dies in der Zeile f angedeutet ist, geringfügig
in der Größenordnung
von einigen Millivolt schwanken. Dies ist
jedoch für die Funktion der digitale Baueinheiten nicht störend. Sollte für einzelne
Baueinheiten eine negative Versorgungsspannung erforderlich sein, so könnte diese
in bekannter Weise durch einen entsprechend ausgelegten Zusatzbaustein erzeugt werden.
Als Bezugspotential für die in FIG 2 dargestellten Spannungsverläufe dient der Potentialzustand
des Schaltungspunktes 2' der FIG 1,dem beispielsweise der Spannungswert Null-Volt
zugeordnet ist..
-
Der im Fernsprechendgerät eingesetzte Schttregler liefert ständig
die Versorgungsspannung für die größtenteils integrierten Einheiten des Endgerätes.
Ist dieses im Ruhezustand, so wird wie bereits erwähnt,die taktgebende Einheit TG
unwirksam geschaltet und mit dem Ausbleiben der steuernden Taktimpulse mittels des
daraufhin vom Taktdetektor TD erzeugten Signals der Pulsbreitenmodulator PM gesperrt
und der Spannungs-Frequenzumsetzer SF aktiviert. Die Indikation für den jeweiligen
Ruhezustand kann durch; die Uberwachungsschaltung-Ug erfolgen, die über eine mit
ihr'gekoppelte auswertende Einrichtung IS die taktgebende Einheit TG entsprechend
beeinflußen kann.
-
Die vom Spannungs-Frequenzumsetzer glieferten Steuerimpulse sür den
Schaltregler haben bei freilaufender und sich abhängig von der Belastung einstellender
Schaltfrequenz eine konstante Impulsbreite von beispielsweise einer MSirosekunde.
Die Steuerinformationen für den Spannungs-Frequenzumsetzer SF liefert in gleicher
eise wie dies für die Steuerung des Pulsbreitenmodulators PN bereits geschildert
wurde, die Vergleichsanordnung V. Der mit dem Ausgangssignal dieser Vergleichsanordnung
beaufschalgte Transistor T3 dient in Verbindung mit dem Widerstand R8 als invertierende
Stufe für das gelieferte analoge Steuersignal. Mit dem über den Transitor T3 gewonnenen
Signal wird der als steuerbare Stronquelle eingesetzte
Transistor
T4 ausgesteuert. Der Stromfluß über diesen Transistor lädt den Kondensator C6. Solange
die Spannung am Kondensator C6 unter der Schwellspannung des Schmitt-Triggers ST
bleibt, ist der Transistor T5 gesperrt und der Ausgang des Schmitt-Triggers gibt
ein bestimmtes logisches Zusssignal,beispielsweise Logikpotential Null ab. Erreicht
die Spannung am Kondensator C6 die untere schwelispannung des Schmitt-Triggers,
so ändert er seinen Ausgangszustand und nimmt einen dem anderen Logikpotential entsprechenden
Ausgangswert an.
-
Dadurch wird der Transistor T5 durchgeschaltet und der Kondensator
C6 dabei entladen. Dadurch ändert der Schmitt-Trigger ST wiederum seinen Ausgangszustand,
wodurch der Transistor T5 gesperrt wird. Dies hat dann eine tViederholung des beschrieben
Vorganges zur Folge. Dadurch erhält man am Ausgang des Spannungs-Frequenzumsetzers
SF eine von analogen Ausgangssignal der Vergleichsanordnung V gesteuerte Impulsfolge.
Die einzelnen Impulse dieser Impulsfolge müssen eine konstante vorgegebene Impulsbreite
erhalten. Diesem Zweck dient die fiieinVerbindung mit dem Kondensator C9 und dem
Widerstand R13 eine monostabile Stufe bildende Einheit M2, die von diesen Ausgangsimpulsen
über das Exklusiv- ODER -Gatter G3 angesteuert wird. Die Ausgangsimpulse konstanter
Tmpulsbreite dieser monostabilen Stufe erscheinen über den Inverter I3 und das NOR-Gatter
G5 am Ausgang des Exklusiv- ODER -Gatters G6. An dem nicht mit dem Inverter I3 verbundenen
anderen Eingang, des Gatters G5 liegt das vom Taktdetektor TD abgegebene und das
Gatter G5 freigebende Signal an. Somit können die Ausgangssignale - konstanter Breite
der monostabilen Stufe als Ansteuersignale für den Transistor T1 am Ausgang des
Gatters G6 entstehen. Es wird in der bereits geschilderten Wirkungsweise dadurch
eine konstante Versorgungspannung Uv im Ruhezustand des Fernsprechendgerätes erzeugt.
-
Die Uberwachung Ug spricht in bestimmten, sich im normalen Betriebsablauf
einstellenden oder bewußt erzeugten Betriebszuständen an. Im nicht aktivierten Zustand
der Uberwachung enstprechen die Aus gangs spannungen der in der Überwachungsanordnung
enthaltenen und als Krom paratoren geschalteten Operationsverstärker 02 und 03 dem
für das Logikpotential vergegebenen Wert von z.B. Null Volt. Jeweils ein Eingang
der Operationsverstärker wird mit dem analogen Ausgangssignal des die Vergleichseinrichtung
V mitbildenden Romparators beaufschlagt. Diese Spannung kann aufgrund einer entsprechenden
Dimensionierung dieser Vergleichsanordnung zwischen den 0,1-fachen und 0,9-fachen
der erzeugten Versorgungsspannung Uv liegen. Der Integrator kann bei den für das
Fernsprechengerät EG leitungsseitig auftretenden Eingangs spannungen zwischen der
maximalen und der halben minimalen Speisebatteriespannung die bei normaler Stromaufnahme
auftretende Veränderung der erzeugten Versorgungsspannung ausgleichen. Es gibt Fälle,
bei denen dies nicht mehr möglich ist und die erzeugte Ausgangs spannung geringfügig
den vorbestimmten und durch die Zenerdiode Dl festgelegten Wert übersteigt. Dies
ist biespielsweise dann der Fall, wenn bei einer längeren Anschlußleitung AL sich
die Stromaufnahme der mit der erzeugten Ausgangsspannung zu versorgenden Funktionseinheiten
verringert. Dadurch wird in stärkeren Maße der über die Anschlußleitung ALfließende
Leitungsstrom verkleinert. Aufgrund des dadurch bedingten kleineren Spannungsabfall
auf dem ohmschen Leitung widerstand steigt die Spannung am leitungsseitigen vingang
des Fernsprechendgerätes an. Der Kondensator C3 lädt sich auf diesen Spannungswert
auf.
-
Bei dieser Umladung des Kondensators C3 zrwrde oble besondere Maßnahmen
der Transistor Tl durchgeschaltet.
-
Damit -.~rde unerlaubter Weise durch die zusätzliche Aufladung
des
Kondensators C4 die erzeugte Versorgungsspannung Uv ansteigen. Um dies zu vermeinden,
wird in einem solchen Fall der aus dem Operationsverstärker 03 bestehende Komparator
aktiviert. Dieser ändert seinen Ausgangszustand beispielsweise von Null-Volt auf
den Wert der Versorgungsspannung Uv, so daß über den Widerstand R9 der Transistor
T7, in dessen Kollektorkreis der Widerstand R10 angeordnet ist, aufgesteuert wird.
Damit wird auch der Transistor T8 leitend, so daß dadurch der Transistor T1 gesperrt
wird und somit die erzeugte Versorgungsspánnung nicht weiter ansteigen kann. Damit
ist wiederum der Übergang in den normalen Betriebsfall möglich und der Komparator
schaltet aufgrund der geländer ten Bezugswerte seinen Ausgang in den ursprünglichen
Zustand. Die Transistoren T7 und T8 sind dann, wie dies für den Normalfall vorgesehen
ist, gesperrt.
-
Bei einem Ausfall der Fernspeisung bzw. bei einer Unter brechung der
Speiseschleife wird die Sberwachungsanordnung Ug gleichfalls aktiviert. Wenn die
Spannung am leitungsseitigen Anschluß des Fernsprechendgerätes EG sinkt, verringert
sich die Ausgangsspannung des in der Vergleichsanordnung V enthaltenen Integrators.
Damit erhöht sich je nach vorliegenden Betriebszustand entweder die Frequenz der
vom Spannungs-Frequenzumsetzer abgegebenen Impulsfolge oder die Breite der vom Pulsbreitenmodulator
PN beeinflussten Taktimpulse. Beim Unterschreiten des im Normalzustand in der gezeigten
Weise durch die Widerstände R5 bis R7 festgelegten Bezugswertes für den als Komparator
geschalteten Operationsverstärker 02 ändert sich sprunghaft sein Ausgangsspannungswert.
Sein Ausgang kann beispielsweise vom Spannungswert Null auf den Tgert der Versorgungsspannung
Uv geändert werden.
-
Es kann somit die im Zusammenhang
mit einer Unterbrechung
der Fernspeisung auftretende geringste Unterschreitung des vorgegebenen Sollwertes
signalisiert werden. Dies ist durch das Informationssignal In2 angedeutet, das einer
auswertenden Einrichtung IS in gleicher Weise wie das vom zuerstgenannten Komparatorger
erte Ausgangssignal In1 zugeführt wird. Durch die Einheit IS können dann notwendige
Folgefunktionen veranlaßt werden. Durch das Informationssignal In2 kann beispielsweise
bewirkt werden, daß bestimmte Informationen, die in entsprechende Speichereinheiten
des Fernsprechendgerätes abgelegt sind, zur Datensicherung in einen anderen Spei.cher
geeigneter Art übertragen werden.
-
Die durch die Ausgangssignale der Komparatoren möglichen Indikationen
können auch für eine zusätzliche Signalisierung herangezogen werden. Unter der Voraussetzung,
daß beispielsweise im Ruhezustand des Fernsprechendgerätes nur ein geringer Teil
der vorhandenen Baueinheiten wirksam geschaltet sind, können die bei einem beabsichtigten
Aufbau einer Verbindung von der Vermittlungsstelle zu dem betreffenden Fernsprechendgerät
die notwendigen zusätzlichen Einheiten durch eine solche Signalisierung betriebsbereit
geschaltet werden. Um diese Betriebsbereitschaltung zu ermöglichen, kann beispielsweise
in der Vermittlungsstelle eine kurzzeitige Unterbrechung der Speiseschreife vorgenommen
werden. Zur Vermeidung von Störungen durch aufgeladene Leitungskapazitäten können
mit dem Abschalten der Speisespannung vermittels eines elektronischen Schalters
die beiden Leitungsadern kurzgeschlossen werden.
-
Nach einer kurzen Unterbrechung wird die Speisespannung wieder wirksam
angeschaltet. Die vorgenommene Unterbrechung wird in der bereits geschilderten Weise
durch die Uberwachungsanordnung Ug dadurch registriert, daß vom Ausgang des als
Komparator geschalteten Operationsverstärkers 02 ein entsprechendes Indikationssignal-
In2 an
die auswertende Einheit IS geliefert wird. Aufgrund dieses
Signals kann dann veranlaßt werden, daß die für den Sprechzustand notwendigen Einheiten
betriebsbereit ge schaltet werden. Geht man von einem Ruhezustand aus, so kann dadurch
unter anderem der Taktgeber TG aktiviert werden, so daß mit dem AuStreten der Taktimpulse
die bereits geschilderte Umschaltung auf Pulsbreitenmodulation vorgenommen wird.
-
Vor einem Aufbau einer Verbindung vom Fernsprechendgerät zur Vermittlungs
stelle ist gleichfalls die Umschaltung vom Ruhezustand, bei dem/äußerst geringe
Stromaufnahme möglich ist in einen der beiden anderen Betriebszustände vorzunehmen.
Dies kann durch ein logisches Signal erfolgen, das mit der Eingabe des gewünschten
Betriebszustandes ausgelöst wurde. Die geannschte Verbindung zur Vermittlungsstelle
kann dann beispielsweise durch die gegenüber dem Ruhezustand erhöhte Stromaufnahme
in der Vermittlungsstelle erkannt werden.