DE4127569A1 - Schaltung zum erkennen einer gleichstromleitungsunterbrechung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Erkennen einer Gleichstromleitungsunterbrechung. Eine derartige Schaltung wird in nachrichtentechnischen Geräten häufig benötigt, um Stromschleifenunterbrechungen unverzüglich zu erkennen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet stellen Fernsprech­ leitungen dar, wobei die auftretenden, zugelassenen Schleifen­ stromstärken sehr unterschiedlich sein können und beispiels­ weise im Bereich der Deutschen Bundespost zwischen 19 mA und 60 mA variieren. Je nach Endgerät, d. h. Fernsprechapparat, rufen die dort vorhandenen kapazitiven Bauelemente für die Anrufvor­ richtungen und eventuelle elektronische Beschaltungen ein sehr unterschiedliches Abklingverhalten des Stroms bei einer Lei­ tungsunterbrechung hervor.

Es ist bekannt, Leitungsunterbrechungen durch eine fest einge­ stellte Stromerkennungsschwelle zu detektieren. Hierzu kann beispielsweise ein spannungsschwellwertsensitives Bauelement parallel zu einem in die Leitung eingeschleiften ohmschen Widerstand geschaltet sein. Damit eine solche Anordnung mit festem Schwellwert für unterschiedliche, nominale Schleifen­ stromstärken verwendbar ist, muß sie zwangsläufig auf einen Stromwert unterhalb der geringsten auftretenden Nominalstrom­ stärke eingestellt sein. Dies führt dazu, daß bei hohen Nominalstromstärken eine Unterbrechung erst viel später erkannt wird. Diese Zeitverzögerung kann beispielsweise für Fernsprech­ leitungen bis zu mehreren Millisekunden betragen, was für viele Anwendungsfälle zu einer unvorteilhaft späten Erkennung führt.

Der Erfindung liegt daher die Schaffung einer Schaltung zu­ grunde, welche eine aufgetretene Unterbrechung in einer elektri­ schen Gleichstromleitung weitgehend unabhängig von der zuvor vorliegenden Leitungsstromstärke zuverlässig und ohne Zeit­ verzögerung erkennt.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Das von der Detektoreinheit ausgangs­ seitig erzeugte Spannungsdifferenzsignal ist im Normalbetrieb der Leitungsstromstärke in etwa proportional, wobei sich die Schaltschwelle der Spannungsänderung variabel an eine verän­ derte nominale Leitungsstromstärke anpaßt. Aufgrund des bei schnell abfallender Leitungsstromstärke, insbesondere wegen einer Leitungsunterbrechung, sein Vorzeichen innerhalb einer von der anfänglichen Stromstärke unabhängigen Zeitdauer wechselnden Spannungsdifferenzsignals läßt sich mit der Detek­ toreinheit stets zeitrichtig und zuverlässig eine solche Stromschleifenunterbrechung erkennen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist nach Anspruch 2 ein Spannungskomparator vorgesehen, der den Vorzeichenwechsel des Spannungsdifferenzsignals der Detektoreinheit auswertet und an­ zeigt.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 hat den Vorteil, daß die für die Detektoreinheit vorgesehene Strom-/ Spannungswandlereinheit ggf. zugleich zur Energieversorgung für ein Endgerät, zum Beispiel einen Fernsprechapparat, dienen kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ist die Detektoreinheit in einfacher Weise aus wenigen, passiven Bau­ elementen aufgebaut.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Fernsprechleitung mit Endgerät und einer Zusatz­ schaltung zum Erkennen einer Leitungsunterbrechung,

Fig. 2 eine Fernsprechleitung wie Fig. 1, jedoch mit einer andersartigen Detektoreinheit innerhalb der eine Leitungsunterbrechung erkennenden Zusatzschaltung, und

Fig. 3 ein Detailschaltbild einer in Fig. 1 verwendeten Strom-/Spannungswandlereinheit.

In Fig. 1 ist eine zu Leitungsaderanschlüssen (La und Lb) geführte Fernsprechleitung (9) dargestellt, an die wiederum über Anschlußkontakte (a, b) ein Endgerät in Form eines Fern­ sprechapparates (1) angeschlossen ist. In Serie zum Fernsprech­ apparat (1) ist ein ohmscher Widerstand (R1) sowie eine Strom-/ Spannungswandlereinheit (8) mit ihren Primärwicklungsanschlüs­ sen (8b, 8c) in die Leitung (9) eingeschleift. Widerstand (R1) und Wandlereinheit (8) bilden zusammen eine durch den ge­ strichelten Rahmen symbolisierte Detektoreinheit (3a), die mit Anschlüssen (4, 5) in die Fernsprechleitung (9) eingeschleift ist. Die Detektoreinheit (3a) besitzt außerdem zwei Ausgänge (6, 7), an die ein Spannungskomparator (2) angeschlossen ist. Das Ausgangssignal (A) des Komparators (2) signalisiert einen Vorzeichenwechsel der Differenz der an seinen Eingängen an­ liegenden Spannungen (Ua, Uk′). Mittels eines internen Abzweigs innerhalb der Detektoreinheit (3a) liegt der eine Ausgang (7) auf demselben Potential wie der mit dem Anschlußkontakt (a) für das Endgerät (1) verbundene Anschluß (5) der Detektoreinheit (3a). Dies bewirkt, daß der eine Spannungskomparatoreingang auf dem Potential (Ua) dieses Anschlußkontakts (a) liegt. Am anderen Ausgang (6) der Detektoreinheit (3a) liegt die von einer Sekundärwicklung an einem Ausgang (8a) der Wandlereinheit (8) erzeugte Spannung (Uk′) an, die den anderen Komparator­ eingang beaufschlagt.

Die Wandlereinheit (8) ist in den Fernsprechapparat (1) integriert und kann noch weitere Funktionen erfüllen, zum Beispiel die Energieversorgung des Fernsprechapparates (1), und besitzt intern einen zweckentsprechenden Aufbau, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Die dort gezeigte, als Sperrwandler aufgebaute Wandlereinheit (8) enthält einen Übertrager (16), dessen Primärwicklung über die Anschlüsse 8b und 8c in die Fernsprechleitung (9) eingeschleift ist. In Reihe zur Pri­ märwicklung des Übertragers (16) ist ein Schalttransistor (15) eingeschleift, der über eine Steuerleitung (17) erregt wird, wobei die hierfür erforderliche Taktversorgung mit einem nicht gezeigten Taktgeber im Endgerät (1) erfolgt. Alternativ kann auch eine Selbsterregung vorgesehen werden. Parallel zum Schalttransistor (15) und der Übertragerprimärwicklung ist ein Kondensator (10) geschaltet. Der galvanisch vom Primärkreis entkoppelte Sekundärkreis enthält eine Diode (14) zur Gleichrichtung und einen Kondensator (11) zur Glättung der entstehenden Spannung an der Sekundärwicklung des Übertragers (16). Die entstehende Ausgangsspannung an den Ausgängen 18 der Wandlereinheit (8) dient einerseits zur internen Stromversorgung von Zusatzgeräten im Endgerät (1), worauf hier nicht näher eingegangen wird. Über einen Spannungsteiler, bestehend aus zwei ohmschen Widerständen (12, 13), die parallel zum Kondensator (11) liegen, steht eine Spannung gewünschter Größe an dem Ausgang 8a der Wandlereinheit (8) an. Weil sich dieses Sperrwandlersystem annähernd linear verhält, steigt die an den Ausgängen 18 und damit auch die am Ausgang 8a anliegende Spannung in etwa linear mit dem Schleifenstrom an, der über die Anschlüsse 8b und 8c durch die Übertragerprimärwicklung fließt. Da die im Kondensator (11) zur Verfügung gestellte Energie jeweils größer als die verbrauchte Energie ist, ergibt sich eine gegenüber der Entladezeit kürzere Ladezeit.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung erläutert.

Wie oben beschrieben, ist durch die interne, hochfrequente Taktung der Wandlereinheit (8) bei einem zeitlich konstanten Gleichstrom in der Leitung (9) die am Wandlerausgang (8a) anstehende Spannung (Uk′) annähernd proportional zur Gleichstromstärke in der Fernsprechleitung (9). Die interne Verschaltung der Strom-/Spannungswandlereinheit (8) ist so gewählt, daß bei einer Änderung der Stromstärke in der Leitung (9) die Ausgangsspannung (Uk′) einer solchen Änderung bei steigender Stromstärke mit einer kürzeren Zeitkonstanten und bei abfallender Stromstärke mit einer längeren Zeitkonstante folgt.

Bei einer Leitungsunterbrechung im Fernsprechapparat (1), beispielsweise mittels eines Gabelumschalters oder einer Wählvorrichtung, kommt es zu einem etwa exponentiellen Strom­ abfall in der Leitung (9) aufgrund parallel überbrückender kapazitiver Elemente im Fernsprechapparat (1). Die interne Verschaltung in der Wandlereinheit (8) und der Wert des ohm­ schen Widerstands (R1) sind so gewählt, daß vor einer Strom­ unterbrechung in der Leitung (9) die beiden zur Leitungsstrom­ stärke etwa proportionalen Ausgangsspannungen (Ua und Uk′) der Detektoreinheit (3a) dasselbe Vorzeichen haben und die Spannung Uk′ zwischen Ua und dem Potential am Leitungsaderanschluß La, das je nach Polung einen positiven oder negativen Wert hat, liegt. Bei erfolgter Stromunterbrechung folgt nun die Spannung Ua mit einer sehr kurzen, durch die Kapazitäten im Fernsprech­ apparat (1) bestimmten Zeitkonstanten dem Stromabfall nach, bis sie schließlich dem Potential am Zufuhranschluß La der Fern­ sprechleitung (9) entspricht. Demgegenüber ist die Änderungs­ geschwindigkeit der Spannung Uk′ aufgrund des integrierenden Verhaltens der Wandlereinheit (8) deutlich geringer. Die Spannung Uk′ fällt daher mit einer deutlich größeren Zeit­ konstante ab. Da sich die Spannung Ua vergleichsweise schnell zum Potential des Zufuhranschlusses La hin und die Spannung Uk′ von einem ursprünglich zwischen Ua und dem Potential an La liegenden Wert vergleichsweise langsam nach Null hin verändert, kommt es während der Spannungsänderungen im Anschluß an eine Leitungsunterbrechung zwangsläufig zu einem Überkreuzen der beiden Spannungswerte, bei dem die vom Spannungskomparator (2) anzeigbare Spannungsdifferenz U_D= Ua-Uk′ ihr Vorzeichen wechselt. Der Spannungskomparator (2) erzeugt in diesem Moment ein entsprechendes Ausgangssignal (A), wodurch die Leitungs­ unterbrechung erkannt ist.

Da die beiden Spannungen (Ua und Uk′) jeweils annähernd pro­ portional zur Stromstärke des Gleichstroms in der Fernsprech­ leitung (9) sind, bewirkt diese Anpassung der Schaltschwelle, daß die Stromschleifenunterbrechung stets innerhalb einer Zeitdauer erkannt wird, die im wesentlichen unabhängig vom anfänglichen Wert der Gleichstromstärke in der Leitung (9) ist. Der bei Verwendung einer festen Schaltschwelle ansonsten auftretende Zeitverzug bei Unterbrechungen eines zuvor ver­ gleichsweise hohen Schleifenstroms tritt bei dieser Schaltung nicht auf. Entsprechend wird auch ein erneuter Stromschleifen­ schluß wiederum gemeldet, wobei die Wandlerausgangsspannung Uk′ dem ansteigenden Leitungsstrom schneller nachzufolgen vermag als dem zuvor erfolgten Stromabfall. Die Spannung Ua folgt dem Stromanstieg, der durch einen entsprechenden Schal­ terschluß im Endgerät (1) bedingt ist, sehr rasch und höchstens um geringfügige induktive Effekte aufgrund der Primärspule der Wandlereinheit (8) und Induktivitäten im Endgerät (1) verzö­ gert.

Eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 1 ist in Fig. 2 darge­ stellt, wobei funktionell gleiche Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen sind. Unterschiedlich gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist lediglich der Aufbau der wiederum symbolisch mit einem gestrichelten Rahmen versehenen Detektor­ einheit (3b). Sie besteht hier aus drei ohmschen Widerständen (R2, R3, R4) und einem Kondensator (C). Die Widerstände R3 und R4 sind seriell zwischen den Anschlüssen (4 und 5) der Detektor­ einheit (3b) eingeschleift. Parallel zum Widerstand R3 ist ein Leitungszweig geschaltet, in dem der Kondensator (C) und der Widerstand R2 in Reihe geschaltet sind. Der Ausgang 6 der Detektoreinheit (3b) ist mit einem Abzweig zwischen dem Konden­ sator (C) und dem Widerstand R2 auf der dem Widerstand R3 abgewandten Seite verknüpft. Das dort anstehende Potential (Uk) ist dem einen Komparatoreingang zugeführt, während der andere Komparatoreingang wieder mit der Spannung (Ua) des Anschluß­ kontakts (a) des Fernsprechapparates (1) - über den Ausgang 7 und eine interne Verknüpfung in der Detektoreinheit (3b) mit dem Anschlußkontakt (a) - beaufschlagt ist.

Nachfolgend wird die Funktionsweise dieser aus wenigen passiven Bauelementen aufgebauten Detektoreinheit (3b) beschrieben.

Sobald nach einem durch einen Stromschleifenschluß hervorge­ rufenen Einschwingvorgang eine konstante Stromstärke I₀ durch die Fernsprechleitung (9) fließt, fällt am Widerstand R3 eine Spannung U₃ = I₀R3 und am Widerstand R4 eine Spannung U₄ = I₀R4 ab. Da der Schleifenstrom ein reiner Gleichstrom ist, fließt nach dem Einschwingvorgang kein Strom über den Parallelkreis von Kondensator (C) und Widerstand R2. Die Spannung Uk ent­ spricht damit dem Potential am Verknüpfungspunkt (V) zwischen den Widerständen R2, R3 und R4. Die vom Komparator (2) erfaßte Spannungsdifferenz ergibt sich daher zu U_D = Ua-Uk = I₀R4. Ersichtlich ist diese Spannungsdifferenz proportional zur Stromstärke (I₀) des Leitungsgleichstroms.

Bei einer Stromschleifenunterbrechung im Endgerät (1) erfolgt wiederum aufgrund der dort vorhandenen Kapazitäten ein im wesentlichen exponentieller Abfall der Stromstärke mit einer durch die Kapazitäten im Endgerät (1) bestimmten Zeitkonstan­ ten. Der Stromabfall hat zum einen zur Folge, daß sich der entsprechende Spannungsabfall U₄ am Widerstand R4 zeitgleich mit dem Stromabfall verringert. Zum anderen verringert sich auch der Spannungsabfall U₃ am Widerstand R3. Zu Beginn des Stromabfalls liegt jedoch am Kondensator (C) eine Spannung U_C an, die der am Widerstand R3 vor dem Spannungsabfall an­ liegenden entspricht, d. h. U_C = I₀R3. Aufgrund der durch die Stromschleifenunterbrechung rasch geringer werdenden Spannungs­ abfälle über den Widerständen R3 und R4 kommt es nun zu einer Entladung des Kondensators (C) über die Widerstände R2 und R3. Die Kapazität des Kondensators (C) und die Widerstandswerte sind so gewählt, daß diese Entladung mit einer längeren Zeit­ konstante erfolgt als das Absinken des Leitungsstroms. Der Kondensatorentladestrom I_C bedingt einen Spannungsabfall U₂ am Widerstand R2, der demjenigen am Widerstand R4 entgegengesetzt ist. Für die Spannungsdifferenz (U_D) während des Stromabfalls ergibt sich somit U_D = Ua-Uk = I₀R4-I_CR2. Bei Beginn der Schleifenstromunterbrechung hat der Schleifenstrom den Wert I₀, der Entladestrom I_C ist noch 0, d. h. U_D = I₀R4. Nach der Strom­ schleifenunterbrechung steigt der Entladestrom (I_C) zunächst schnell an und fällt dann vergleichsweise langsam wieder bis auf 0 ab. Entsprechendes gilt für den zugehörigen Spannungsab­ fall U₂ am Widerstand R2. Gleichzeitig fällt mit der Strom­ stärke in der Leitung (9) der zugehörige Spannungsabfall U₄ am Widerstand R4 vom Wert I₀·R4 vergleichsweise schnell auf 0 ab. Die am Spannungskomparator (2) anliegende Spannungsdifferenz (U_D = Ua-Uk = U₄-U₂) wechselt deshalb während des Strom­ abfalls zu einem bestimmten Zeitpunkt nach Einsetzen der Leitungsunterbrechung ihr Vorzeichen, wenn nämlich die beiden Spannungen U₂ und U₄ betragsmäßig gleich groß werden.

Es ergibt sich bei genauerer Betrachtung, daß diese Zeitdauer bis zum Erreichen des Vorzeichenwechsels der Spannungsdifferenz nur von den vorhandenen, die jeweiligen Zeitkonstanten für die exponentiellen Stromstärkeänderungen bestimmenden, Kapazitäten und Widerstandswerten, jedoch nicht vom Wert der anfänglichen Leitungstromstärke (I₀) selbst abhängt. Eine Stromschleifen­ unterbrechung wird deshalb unabhängig von der ursprünglichen Gleichstromstärke (I₀) in der Fernsprechleitung (9) zum selben Zeitpunkt nach Auslösung der Leitungsunterbrechung erkannt und mit Hilfe des angeschlossenen Komparators (2) angezeigt. Bei einem erneuten Schleifenschluß steigt die Spannung U₄ rascher an als die Spannung U₂ aufgrund des einsetzenden Kondensator­ ladestroms, wobei letzterer nach einiger Zeit wieder auf 0 abfällt. Die Spannungsdifferenz (U_D) am Komparator (2) folgt daher ausgehend vom Wert 0 - lediglich temporär um die Spannung U₂ vermindert - dem Spannungsabfall U₄ am Widerstand R4 nach.

Eine neuerliche Stromschleifenunterbrechung kann von der Detektoreinheit (3b) auch bereits erkannt werden, wenn der Ladevorgang des Kondensators (C) aufgrund eines zuvor wieder einsetzenden Schleifenstroms noch nicht vollständig abge­ schlossen ist, da während des Ladevorgangs kein Vorzeichen­ wechsel der Spannungsdifferenz am Komparator auftritt.

Claims (4)

1. Schaltung zum Erkennen einer Gleichstromleitungs­ unterbrechung, insbesondere in einer Fernsprechleitung, gekenn­ zeichnet durch eine über zwei Anschlüsse (4, 5) in die Leitung (9) eingeschleifte Detektoreinheit (3a; 3b), die an einem ersten Ausgang (7) eine mit der Leitungsstromstärke schnell veränderliche Spannung (Ua) und an einem zweiten Ausgang (6) eine mit der Leitungsstromstärke langsam veränderliche Spannung (Uk) erzeugt, wobei das Spannungsdifferenzsignal (U_D = Ua-Uk) im Normalbetrieb einen zur Leitungsstromstärke (I₀) im wesent­ lichen proportionalen Wert besitzt und bei rasch abfallender Leitungstromstärke innerhalb einer von der anfänglichen Strom­ stärke (I₀) unabhängigen Zeitdauer sein Vorzeichen wechselt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an die Ausgänge (6, 7) der Detektoreinheit (3a; 3b) ange­ schlossenen Spannungskomparator (2).

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektoreinheit (3a) aus einer Strom-/ Spannungswandlereinheit (8) und einem ohmschen Widerstand (R1) besteht, daß die Primärwicklung der Wandlereinheit und der Widerstand in Serie in die Gleichstromleitung (9) eingeschleift sind und daß der erste Ausgang (7) der Detektoreinheit mit dem von der Wandlereinheit (8) abgewandten Widerstandsanschluß und der zweite Ausgang (6) der Detektoreinheit mit einem Sekundär­ wicklungsanschluß (8a) der Wandlereinheit leitend verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektoreinheit (3b) aus einem ersten (R3) und einem zweiten ohmschen Widerstand (R4), welche in Serie in die Gleichstromleitung (9) eingeschleift sind, sowie einem zum ersten Widerstand (R3) parallel geschalteten, aus einem Kondensator (C) und einem dazu in Serie geschalteten dritten ohmschen Widerstand (R2) bestehenden, Stromkreis aufgebaut ist, wobei der erste Ausgang (7) der Detektoreinheit mit dem vom ersten Widerstand (R3) abgewandten Anschluß des zweiten Wider­ stands (R4) und der zweite Ausgang (6) der Detektoreinheit mit der zum dritten Widerstand (R2) geführten Kondensatorelektrode verbunden ist.