DE3613913C2 - Monolithisch integrierbare Telefonschaltung für die Versorgung einer Teilnehmer-Fernsprechleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Telefonschaltungen für die Versorgung einer Teilnehmer-Fernsprechleitung, ins­ besondere solche Telefonschaltungen, die in eine mono­ lithisch integrierte Telefonschaltung einer Schnitt­ stelle zwischen der Teilnehmerleitung und den Einrich­ tungen im Vermittlungsamt eingefügt werden können.

In den derzeit noch in Betrieb befindlichen, elektro­ mechanisch arbeitenden Vermittlungsämtern, in denen die Steuerorgane die Einrichtungen der Leitung durch induk­ tive Kopplung durchsteuern, wird eine Teilnehmer-Fern­ sprechleitung im allgemeinen durch eine zwei identische Widerstände R_DC enthaltende Schaltung gespeist, welche die Adern der Leitung jeweils über einen Widerstand an die beiden Anschlußklemmen einer Versorgungsspannungs­ quelle V_BAT ankoppelt. Diese Spannungsquelle besteht in den Telefonnetzen zum größten Teil aus einer 48-Volt- Batterie.

Die an die Teilnehmer-Fernsprechleitung angelegte Spannung V_L als Funktion des Leitungsstroms I_L, welcher durch die Last der Leitung bestimmt wird, ergibt sich daher zu

V_L =V_BAT - 2R_DC I_L.

Diese Beziehung definiert die äußere Strom/Spannungs- Kennlinie der Versorgungsschaltung an den mit der Lei­ tung verbundenen Anschlußklemmen.

Die Kennlinie der Schaltung, die in einem kartesischen Koordinatensystem, in welchem die Werte des Leitungs­ stroms I_L auf der Abszisse und die Werte der an die Leitung angelegten Spannung V_L auf der Ordinate aufge­ tragen sind, dargestellt wird, ist mithin eine gerade Linie für positive Werte auf der Abszisse und auf der Ordinate entsprechend der oben angegebenen Gleichung. Die Kennlinie hat den in Fig. 1 als gestrichelte Linie "1" dargestellten Verlauf. Bei einem Leitungsstrom Null ergibt sich als Spannung V_L die Batteriespannung V_BAT.

Die Steigung der Kennlinie "1" bezüglich der Abszisse bestimmt sich durch den Gesamtwert 2R_DC der Widerstände, über die die Leitung an die Anschlußklemmen der Ver­ sorgungsspannungsquelle V_BAT angeschlossen ist. Durch Auswählen oder Entwerfen einer bestimmten Strom/Span­ nungs-Kennlinie für eine Telefonschaltung, die sich für die Versorgung einer Teilnehmer-Fernsprechleitung eignet, bei der die Last R_L mit zunehmender Länge größer wird, läßt sich zweierlei erreichen: Zunächst kann man die Impedanz der Schaltung, betrachtet von der Leitung her, bestimmen, um zu garantieren, daß der Leitungsstrom I_L als Funktion unterschiedliche für das Telefonnetz zulässige Leitungslängen einen Wert auf­ weist, der innerhalb vorgegebener Wertgrenzen liegt; zudem kann man exakt die Werte der in dem Vermittlungs­ amt verbrauchten Energie als Funktion der Leitungslänge vorherbestimmen. Die Kennlinie "1" ergibt sich nicht nur genau angepaßt an die normalen Forderungen bei einem Telefonnetz, um mit einer sehr einfachen Schal­ tung realisiert zu werden, sondern die Kennlinie führt auch direkt zu der vorteilhafteren externen Kennlinie für eine Versorgungs-Telefonschaltung, weil sie die vollständige Ausnutzung der von der Versorgungsspan­ nungsquelle gelieferten Spannung V_BAT für maximale Leitungslängen ermöglicht.

Damit, daß in Telefonnetze teilweise oder vollständig elektronisch arbeitende Vermittlungsämter eingefügt wurden, in welchen mit Hilfe von elektronischen Schaltkreisen, die in die an die Teilnehmerleitungen in Serie angeschlos­ senen Schnittstellenschaltungen eingefügt wurden, Funk­ tionen wahrgenommen wurden, die zuvor im Teilnehmer- Fernsprechgerät durchgeführt wurden, entstand jedoch das Problem, über die Teilnehmerleitung auch diese elektronischen Schaltungen zu versorgen. Eine elek­ tronische Schaltung erfordert in der Tat eine minimale Arbeitsspannung, deren Betrag unter anderem mit zuneh­ mender Stärke des in der Schaltung fließenden Stroms ansteigt. Wenn daher in dem Vermittlungsamt zu einer Teilnehmer-Fernsprechleitung elektronische Schaltungen in Reihe geschaltet sind, muß dafür Sorge getragen werden, daß ein Anteil V_DROP der Versorgungsspannung V_BAT entsteht, der nicht der Leitung zuteilbar ist, da er für die Funktion solcher Schaltungen unerläßlich ist. Derzeit werden sowohl elektronische Schaltungen ent­ wickelt, die in Serie an eine Teilnehmer-Fernsprech­ leitung anzuschließen sind, als auch Versorgungsschal­ tungen für elektronische Vermittlungsämter, welche die Besonderheit aufweisen, daß die Möglichkeit besteht, für solche Versorgungsschaltungen eine noch geradlinige Kennlinie beizubehalten, wobei die Impedanz so groß ist wie bei einer Leitung einer nicht-elektronischen Schal­ tung für elektromechanisch arbeitende Vermittlungs­ ämter. Hierbei ist man bestrebt, die unvermeidbare Spannung V_DROP so weit wie möglich herabzusetzen. Und zwar verwendet man eine Kennlinie der in Fig. 1 durch die Zahl "2" gekennzeichneten Art. Diese Kennlinie läuft parallel zu der Kennlinie "1" und liegt dieser möglichst nahe.

Auch wenn dadurch der Gesamtaufwand für die Projektie­ rung größer wird, gestattet eine solche Kennlinie "2" die Schaffung elektronischer Versorgungsschaltungen, die im Hinblick auf die Leitung kompatibel ist mit nicht-elektronischen Schaltungen. Wenn der Strom I_L der Leitung Null ist, ergibt sich folgende, an die Leitung angelegte Spannung V_L:

V_L =V_BAT - V_DROP.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mono­ lithisch integrierbare Telefonschaltung zur Versorgung einer Fernsprech-Teilnehmerleitung zu schaffen, die in eine monolithisch integrierte Schnittstellen-Schaltung zwischen einer Teilnehmerleitung und Steuereinrichtun­ gen im Vermittlungsamt eingefügt werden kann, und die im Hinblick auf solche elektronischen Schaltungen eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Kompa­ tibilität mit nicht-elektronischen Fernsprechsystemen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch angegebene Erfindung gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Strom/Span­ nungs-Kennlinie der erfindungsgemäßen Versor­ gungsschaltung sowie der oben erläuterten Kenn­ linien,

Fig. 2 eine Schaltungsskizze einer erfindungsgemäßen Versorgungsschaltung für eine Teilnehmerleitung.

In Fig. 1 ist die äußere Strom/Spannungs-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Versorgungs-Telefonschaltung durch eine ausgezogene Linie dargestellt. Die gestrichelt eingezeichneten Linien sind die oben erläuterten Kenn­ linien "1" und "2".

Die drei Kennlinien beziehen sich sämtlich auf den­ selben Versorgungsspannungswert V_BAT und auf die glei­ chen Forderungen für den Teilnehmeranschluß.

Die Kennlinie der erfindungsgemäßen Schaltung besteht aus zwei geradlinigen Abschnitten unterschiedlicher Steigung. Der erste Linienabschnitt mit geringerer Steigung verbindet den Ordinatenpunkt V_BAT - V_DROP mit einem Punkt, der einen vorbestimmten Abszissenwert I_LT sowie einen Ordinatenwert besitzt, der dem der Kenn­ linie "1" für eine solche Stromstärke entspricht. Der zweite Linienabschnitt fällt mit der Kennlinie "1" zusammen, und zwar zwischen dem Abszissenpunkt I_LT bis zu einem Abszissenpunkt I_LM, in welchem die Linie "1" die Abszisse schneidet.

Zur Verdeutlichung ist der zweite Linienabschnitt in der Zeichnung durch zwei benachbarte Linien, von denen eine ausgezogen und die andere gestrichelt ist, dar­ gestellt, in Wirklichkeit jedoch fallen die beiden Linien zusammen. Eine erfindungsgemäße Versorgungs- Telefonschaltung mit dem oben angegebenen Kennlinien­ verlauf stellt für die versorgte Fernsprechleitung eine Impedanz dar, die für Leitungsstromstärken zwischen Null und I_LT einen ersten vorbestimmten Wert aufweist, und die für Leitungsstromstärken zwischen I_LT und I_LM einen zweiten, höheren Wert aufweist, welcher der Impedanz entspricht, welche eine nicht-elektronische Versorgungs-Telefonschaltung für die Leitung darstellt.

Auch in diesem Fall wird der Wert V_DROP, der in Fig. 1 durch die Kennlinie "2" gegeben ist, derart ausgewählt, daß ein ordnungsgemäßer Betrieb sichergestellt ist für alle elektronischen Schaltungen, die in dem Vermitt­ lungsamt in Reihe an die Teilnehmer-Fernsprechleitung angeschlossen sind, welche von der erfindungsgemäßen Schaltung gespeist wird. Bei gleichem Wert von V_DROP gewährleistet die Kennlinie der erfindungsgemäßen Ver­ sorgungs-Telefonschaltung jedoch im Gegensatz zu der Kennlinie "2" höhere Spannungswerte V_L und Stromwerte I_L in der gleichen Teilnehmerleitung. Dies ist von Bedeutung insbesondere dann, wenn es sich um eine lange Leitung handelt und sich deshalb ein verringerter Leitungsstrom I_L ergibt.

Darüber hinaus ergibt die erfindungsgemäße Versorgungs­ schaltung, deren Strom/Spannungs-Kennlinie teilweise mit der Kennlinie "1" zusammenfällt und dieser deshalb ähnlicher ist als die dortige Kennlinie "2", abgesehen von einem vernachlässigbaren Impedanz-Unterschied, eine bessere Kompatibilität der aktuellen elektronischen Versorgungsschaltungen mit Telefonsystemen, die nicht vollständig elektronisch ausgerüstet sind.

Eine erfindungsgemäße Versorgungs-Telefonschaltung besitzt gemäß Fig. 2 eine durch einen rechteckigen Block dargestellte Stromspiegelschaltung M₁ mit einem Eingangs­ zweig sowie einem ersten und einem zweiten Ausgangs­ zweig. Der Eingangszweig ist durch einen Kreis kennt­ lich gemacht.

Der in dem ersten Ausgangszweig fließende Strom ist entsprechend einer Proportionalitätskonstante "n" pro­ portional zu dem in den Eingangskreis fließenden Strom, dem der in dem zweiten Ausgangskreis fließende Strom gleicht.

Außerdem enthält die Versorgungsschaltung einen Opera­ tionsverstärker A₁ und einen NPN-Bipolar-Transistor T₁. Der Eingangszweig der Stromspiegelschaltung M₁ ist an den Kollektor des Transistors T₁ angeschlossen, dessen Basis an den Ausgang des Operationsverstärkers A₁ angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors ist über einen Schaltungsknoten A an den invertierenden Eingang "-" des Operationsverstärkers A₁ angeschlossen. Dieser Eingang liegt über einen Widerstand R₂ an einer Bezugs­ spannungsquelle V_REF.

Der nicht-invertierende Eingang "+" des Operationsver­ stärkers A₁ ist über eine Konstantspannungs-Quelle V₁ an die Bezugsspannungsquelle V_REF angeschlossen.

Der erste und der zweite Ausgangszweig der Stromspiegel­ schaltung M₁ sind an den invertierenden Eingang "-" des Operationsverstärkers A₁ bzw. über einen Widerstand R₀ an die Bezugsspannungsquelle V_REF angeschlossen. Eine erfindungsgemäße Versorgungs-Telefonschaltung enthält außerdem Anschlußelemente für den Anschluß der zu versorgenden Telefonleitung an eine Versorgungsspan­ nungsquelle (V_BAT). Diese für den Anschluß vorgesehenen Schaltungsmittel sind in der Zeichnung durch einen Block CM dargestellt. Der Block besitzt einen ersten und einen zweiten Anschluß zum Anschließen an den posi­ tiven Pol +V_CC bzw. an den negativen Pol -V_CC der Ver­ sorgungsspannungsquelle (bei der es sich typischerweise um eine 48-Volt-Spannung V_BAT handelt). Außerdem sind ein erster und ein zweiter Ankoppelanschluß zum An­ schließen an die Teilnehmerleitung vorgesehen. Die Teilnehmerleitung ist in der Zeichnung symbolisch durch eine gestrichelte Linie und eine Last R_L dargestellt.

Die Ankoppelschaltung CM besitzt eine Spannungsquelle V, die gesteuert wird durch die Klemmenspannung V_O an dem Widerstand R_O.

Wie in der Fig. angedeutet ist, gilt die Beziehung V = V_O. Der Widerstand R_O und der Block CM sind symbo­ lisch enthalten in einem gestrichelten Block C, welcher noch andere Schaltungsteile enthält, die dem Fachmann bekannt sind, aber in der Zeichnung nicht dargestellt sind.

Im Inneren des Blocks CM sind die Schaltungsteile in ihrem Aufbau durch gestrichelte Linien in einfachster Weise angedeutet, um zu verdeutlichen, wie die Ankoppel­ schaltungen theoretisch angeordnet sein könnten. Diese Teile sind in der Praxis bekanntlich durch relativ komplexe Schaltungen realisiert, da diese zahlreiche Funktionen erfüllen.

Die Ankoppelschaltung CM ist gemäß Fig. 2 an einem Schaltungsknoten B mit dem Eingangszweig der Strom­ spiegelschaltung M₁ verbunden. Diese Schaltungen be­ stimmen in dem Schaltungsknoten B mittels an sich bekannter und hier nicht dargestellter Strom-Umsetz­ schaltungen einen Ausgangsstrom I_F = I_L/K, der ent­ sprechend der Proportionalitätskonstanten 1/K propor­ tional zu dem auf die Leitung gegebenen Strom I_L ist.

Es soll nun die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung erläutert werden. Der durch den Transistor T₁ fließende Strom sei mit I₁ bezeichnet, der durch den Widerstand R₂ fließende Strom sei mit I₂ bezeichnet, und der in den Eingangszweig der Stromspiegelschaltung M₁ fließende Strom sei mit I₃ bezeichnet.

Während des Betriebs des Operationsverstärkers A₁ gleicht das Potential am invertierenden Eingang demjeni­ gen am nicht-invertierenden Eingang, und man erhält

I₂ = V₁/R₂.

Legt man die in der Figur eingezeichneten Stromrich­ tungen zugrunde, so ergeben sich an den Knoten A und B gemäß der Kirchhoff′schen Regel:

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich also:

Man kann also die Spannung V_O ausdrücken als Funktion des Leitungsstroms I_L:

Die Spannung V_O hat bei einem Leitungsstrom I_L von Null den Wert

Dieser Wert ist vorbestimmbar durch beliebiges Aus­ wählen der Widerstände R_O und R₂, der Spannung V₁ und der Verstärkung n der Stromspiegelschaltung M₁.

Die Beziehung (3) gilt jedoch nur für den Fall, daß der Transistor T₁ leitet. Leitet der Transistor T₁ nicht, gilt also die Beziehung I₁ = 0, so ergibt sich am Knoten B

I₃ - I_F = 0.

Hieraus erhält man direkt

Der Wert I_LT des Leitungsstroms I_L, in dessen Abhängig­ keit der Transistor T₁ aufhört zu leiten, ergibt sich durch Auflösen der Beziehungen (3) und (4).

Durch Kombinieren der beiden Gleichungen erhält man

Der Wert I_LT= ergibt sich in vorbestimmter Weise, wenn der Wert V_DROP vorbestimmt ist und die Proportionalitätskonstante 1/K zwischen den Strömen I_F und I_L ausgewählt ist.

Die Spannung V_L, die an die Teilnehmer-Fernsprechlei­ tung angelegt wird, welche an die Ankoppelschaltung CM angeschlossen ist, gleicht der Versorgungsspannung V_BAT zwischen den beiden Polen +V_CC und -V_CC der Ver­ sorgungsspannungsquelle, abzüglich der Spannung V = V_O, die von der in der Ankoppelschaltung CM enthaltenen Spannungsquelle geliefert wird.

Die Kennlinie bezüglich des Stroms I_L gegenüber der Spannung V_L ergibt sich somit in exakt derjenigen Form, die in Fig. 1 gezeigt ist.

Der erste Abschnitt der Kennlinie zwischen I_L = 0 und I_L= I_LT entspricht einer Geradengleichung

Dies erhält man aus der Gleichung (3). Der zweite Kennlinienabschnitt entspricht hingegen der Geraden­ gleichung

Diese Beziehung erhält man aus der Gleichung (4).

Die unterschiedlichen Neigungen der beiden Kennlinien- Abschnitte, denen zwei verschiedene Impedanzwerte für die Leitung entsprechen, bestimmen sich lediglich aus dem Proportionalitätsfaktor 1/(1+n).

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Aus­ führungsbeispiel beschränkt. Der Transistor T₁ kann beispielsweise ein anderer Transistor-Typ sein, und indem man die Spannungs-Polaritäten vertauscht, werden sämtliche Stromrichtungen gegenüber den in der Figur angezeichneten Stromrichtungen umgekehrt.

Die Widerstände R₂ und R_O können an verschiedene Bezugs­ spannungsquellen angeschlossen sein.

Für ein vollkommenes elektrisches Gleichgewicht der Teil­ nehmerleitung kann man außerdem in die Ankoppelschaltung CM zwischen der Telefonleitung und der Versorgungsschaltung symmetrisch zu der bereits eingezeichneten Spannungs­ quelle eine zweite Spannungsquelle V einfügen, die gesteuert wird durch die Klemmenspannung V_O des Wider­ stands R_O. In diesem Fall muß selbstverständlich die gesamte in den zwei untereinander identischen Spannungsquellen erzeugte Spannung so groß sein wie diejenige, die von der einzigen Spannungsquelle ge­ liefert wird.

Schließlich kann man, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, einen einen bestimmten Schwellenwert auf­ weisenden Strombegrenzer einsetzen, um die Kennlinie, bevor diese die Stromstärke I_LM erreicht, abzuschneiden.

Claims (1)

1. Monolithisch integrierbare Telefonschaltung für die Versorgung einer Teilnehmer-Fernsprechleitung, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält: eine Stromspiegelschaltung (M₁) mit einem Eingangskreis sowie einem ersten und einem zweiten Ausgangskreis, einen Transistor (T₁), der einen ersten und einen zweiten Anschluß sowie einen Steueranschluß besitzt, und einen Operationsverstärker (A₁) mit einem ersten (+) und einem zweiten (-) Eingang sowie einem Ausgang, daß der Eingangskreis der Stromspiegelschal­ tung (M₁) an den zweiten Anschluß des Transistors (T₁) angeschlossen ist, dessen Steueranschluß an den Ausgang des Operationsverstärker (A₁) angeschlossen ist und dessen erster Anschluß an den zweiten Eingang (-) des Operationsverstärkers (A₁) sowie über einen ersten Widerstand (R₂) an ein Bezugspotential (V_REF) angeschlossen ist, daß der erste Eingang (+) des Operationsverstärkers (A₁) an das Bezugspotential (V_REF) über eine Spannungsquelle (V₁) angeschlossen ist, daß der erste und der zweite Ausgangskreis der Stromspiegelschaltung (M₁) an den zweiten Eingang (-) des Operationsverstärkers (A₁) bzw. über einen zweiten Widerstand (R_O) an das Bezugspotential ange­ schlossen ist, daß außerdem eine Ankopplungsschaltung (CM) vorgesehen ist für die Ankopplung der Teilnehmer- Fernsprechleitung an eine Versorgungsspannungsquelle, daß die Ankopplungsschaltung einen ersten und einen zweiten Anschluß zum Anschließen an eine erste (+V_CC) bzw. eine zweite (-V_CC) Anschlußklemme der Versorgungsspannungsquelle sowie einen ersten und einen zweiten Ankoppelanschluß zum Ankoppeln an eine erste und eine zweite Ader der Leitung aufweist, und daß die Ankopplungsschaltung (CM) mindestens eine Spannungsquelle (V) enthält, die von der an den An­ schlüssen des zweiten Widerstands (R_O) resultierenden Spannung (V_O) gesteuert wird, und außerdem eine Strom­ übertragungseinrichtung enthält, die zwischen zumindest einen der beiden Anschlüsse zum Ankoppeln an die Teilnehmer-Fern­ sprechleitung und den Eingangskreis der Stromspiegel­ schaltung (M₁) eingefügt ist.