DE69327064T2 - Fernsprechschaltung mit geringer verlustleistung - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Leistungsentnahme aus einer Telefonleitung, wobei die Schaltung in der Lage ist, etwa 80% der den Anschlüssen eines Telefons zugeführten Leistung zu gewinnen. Um diesen Wirkungsgrad zu erzielen, werden Schaltstromversorgungsregler und ein anderer Aufbau eines großen Teils des "vorderen Endes" des Telefons angewandt.
• Die Größe der aus der Leitung entnommenen Leistung bestimmt die Merkmale und das Verhalten des Telefons. Frühere Produkte mußten die Gleichspannungsanforderungen überschreiten (und von den Telefongesellschaften zugelassen werden). Es ist unwahrscheinlich, daß eine solche Zulassung in Zukunft gewährt wird, so daß Schaltungen entwickelt werden müssen, die die Leistung effizient aus der Leitung entnehmen.
• Die US 5 038 375 offenbart ein Anschlußgerät für eine Telefonleitung. Das Anschlußgerät ist physisch von der Telefonleitung getrennt, und zwar durch Verwendung eines Transformators für das Ein- und Auskoppeln von Signalen in die bzw. aus der Telefonleitung. Das Anschlußgerät und mithin der Transformator muß eine hohe Impedanz (einen hohen Eingangswiderstand) für die Telefonleitung haben. Obwohl ein kleiner Transformator höchst erwünscht ist, pflegt er keine hinreichend hohe Impedanz für die Telefonleitung darzustellen. Daher wird eine Rückkopplungsanordnung verwendet, die dafür sorgt, daß der Transformator für die Telefonleitung eine hinreichend hohe Impedanz darstellt.
• Die US 3 819 951 offenbart eine Polaritätsüberwachungsschaltung für ein Telefonsystem, die zur Beibehaltung der Polarität einer Spannungsversorgungseinrichtung eines Umformers benutzt wird. Es handelt sich um einen Vollweg- Brückengleichrichter mit einer Anordnung aus vier Feldeffekt- oder bipolaren Transistoren.
• Die US 4 306 119 offenbart eine Polaritätsüberwachung für ein Telefonsystem mit IGFETs, die so angeordnet sind, daß sie sich wie ein Vollweg-Brückengleichrichter verhalten.
• Die DE 32 44 240 offenbart eine Polaritätsüberwachung in Form eines Vollweg-Brückengleichrichters aus Dioden für ein Telefonsystem.
• Ziel der Erfindung ist die Herstellung einer Schaltung, die Leistung aus der Leitung effizient entnimmt und daher Leistungsmerkmale und Verhaltenseigenschaften des Telefons ermöglicht, die derzeit verfügbar sind, aber den Spannungsanforderungen entspricht.
• Erfindungsgemäß enthält eine Telefonleistungsentnahmeschaltung zur Gewinnung elektrischer Leistung aus einer Telefonleitung eine Polaritätsüberwachungsteilschaltung, eine Leitungsbelegungsteilschaltung, eine Sprachübertragungsteilschaltung und eine Schaltsromversorgungseinrichtung, die in Reihe zwischen die Telefonleitungen geschaltet sind, wobei die Sprachübertragungsteilschaltung einen Transformator und eine Rückkopplungsschaltung zur Erhöhung der Wechselstromimpedanz des Transformators durch Messen eines ersten Wechselstroms in der Primärwicklung des Transformators und als Antwort Bewirken eines zweiten Wechselstroms in der Primärwicklung, um die Wirkung des ersten Stroms aufzuheben, wobei der Transformator eine Primärwicklung mit kleinem Gleichstromwiderstand hat.
• Vorzugsweise enthält die Polaritätsüberwachungsteilschaltung eine MOFSET-Brücke, in der die MOSFETs invers betrieben werden. Vorzugsweise enthält die Polaritätsüberwachungsschaltung P- und N-MOSFETs.
• Der erfindungsgemäßen Schaltung liegt der Gedanke zugrunde, ein Verfahren der Leistungsentnahme anzuwenden, bei dem der Leitung die maximal mögliche Leistung entnommen und einer Schaltstromversorgungseinrichtung (SSVE) zugeführt wird, um eine effiziente Abgabe von Leistung bei der erforderlichen Spannung zu erzielen.
• Die verschiedenen Teilschaltungen im Leitungsstrompfad sind so ausgelegt worden, daß an ihnen nur ein kleiner Spannungsabfall auftritt, so daß die Entnahme des Leitungsstroms mit hoher Spannung möglich ist, ohne die Sende- und Empfangseigenschaften zu beeinträchtigen. Dann können die Betriebsspannung im Schaltbetrieb herabsetzende Regler verwendet werden, um diese höhere Leistung effizient in die gewünschte Spannung bei einem Strom umzuwandeln, der größer als der durch die Leitung gelieferte ist.
• Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltung unter Angabe des in ihren verschiedenen Teilschaltungen auftretenden Spannungsabfalls,
• Fig. 2 eine Schaltung einer MOSFET-Brücke,
• Fig. 3a, 3b und 3c alternative Lösungen zum Modulieren des Leitungsstroms für eine Sprachteilschaltung und
• Fig. 4 ein Schaltbild einer typischen Sprachteilschaltung, die an die Transformatorstrufe nach Fig. 3c angeschlossen ist.
• Nachstehend sei zunächst auf die in Fig. 1 dargestellte Schaltung Bezug genommen, die auf dem Gedanken beruht, die maximal mögliche Leistung aus der Leitung einer Schaltstromversorgungseinrichtung (SSVE) zuzuführen und den Spannungsabfall an ihren verschiedenen Teilschaltungen so klein wie möglich zu halten. Dadurch ist es möglich, den Leitungsstrom mit höherer Spannung als bisher zu entnehmen, ohne die Sende- und Empfangseigenschaften zu beeinträchtigen. Dann ist es möglich, die Spannung im Schaltbetrieb heruntertransformierende Regler wirksam einzusetzen, um diese höhere Leistung in eine solche mit höherer Spannung umzuwandeln. Nach Fig. 1 wird Leitungen 1 und 2 Leistung mit einer Spannung von 8,63 Volt bei 20 Milliampere zugeführt. Der Strom fließt in eine Leitungsschutzteilschaltung 3 und von dort in eine MOSFET-Brücke 4, bei der es sich um eine Polaritätsüberwachungsschaltung handelt, und der Spannungsabfall an diesen Teilschaltungen ist sehr klein. So tritt an der Teilschaltung 3 ein Spannungsabfall von 0,272 Volt, an der Brücke 4 ein Spannungsabfall von 0,14 Volt und an der Leitungsbelegungsschaltung 5 ein Spannungsabfall von 0,02 Volt auf. Die Eingangssignale werden von der Leitungsbelegungsschaltung zur Empfangsleitung 6 geleitet. Der Leitungsstrom fließt durch eine aktive Transformatorstufe 7 und durch ein Filter 8. Über die Sendeleitung 9 auszusendende Signale werden über die Transformatorstufe 7 injiziert. Der Spannungsabfall an der Transformatorstufe beträgt nur 0,3 Volt. Aus dem Filter 8 werden der Leitungsstrom und die am Kondensator 14 verfügbare Spannung über eine SSVE 13 mit einem Wirkungsgrad von mehr als 90% zum Ausgang an der Leitung 15 mit 5 Volt Und bei einem Strom von 281 Milliampere übertragen, so daß sich eine Ausgangsleistung von 141 Milliwatt ergibt. Eine dabei nicht ausgenutzte Leistung wird über die SSVE 12 einer 6 V- Batterie 10 mit einem Wirkungsgrad von mehr als 90% zuge führt. Die Batterie dient der Versorgung von Starkstromgeräten, wie Motoren und Elektromagneten, die nicht dargestellt sind, oder zur Ergänzung der über den Ausgang 15 abgegebenen Leistung während Spitzenbedarfszeiten. Die Ausgangsleistung der Schaltung ist daher für alle Zwecke ausreichend, und es tritt kein nennenswerter Spannungsabfall an den Schaltungs-Komponenten auf, der eine Abweichung der Spannung von den Vorschriften ergäbe.
• In Fig. 2 ist eine MOSFET-Brücke dargestellt, bei der MOSFETs 21, 22, 23, 24 vom P- und N-Typ in ihrer inversen Betriebsart verwendet werden, so daß der Strom im N-Typ von der Source zur Drain und im P-Typ von der Drain zur Source fließt. Die internen Dioden verhalten sich wie eine herkömmliche Dioden-Brücke, wenn die MOSFET-Bauelemente ausgeschaltet (gesperrt) sind. Eine mit den Anschlüssen A und B verbundene Telefonleitung bewirkt, daß nur das richtige Paar von MOSFETS aufgrund einer Vorspannungs-Einrichtung eingeschaltet (leitend) wird. Dies ermöglicht eine Gleichrichtung des Leitungs-Gleichstroms mit sehr geringem Spannungsabfall in Durchlaßrichtung, wenn der Telefonhörer abgenommen ist. Eine auf der Leitung bei aufgelegtem Telefonhörer auftretende Ruf-Spannung bewirkt, daß die MOSFETs ausgeschaltet werden, so daß das Ruf-Signal nicht beeinträchtigt wird. Die Zener-Dioden schützen die Gates vor einer Überspannung. Die übrigen Dioden und ohmschen Widerstände bewirken die Vorspannung und das rasche Ableiten einer Ladung von den Gates der MOSFETs, so daß sie rasch ausgeschaltet werden können. Dies ergibt eine Polaritätsüberwachungsfunktion bei Telefonen mit sehr kleinem Leistungs- bzw. Spannungsverlust, wie dies bei einer herkömmlichen Dioden-Brücke der Fall wäre, und erfordert keine separate Stromversorgungseinrichtung wie bei einer MOSFET-Brücke, die nur N-MOSFETs enthält.
• Bei der Leitungsbelegungsteilschaltung 5 (nach Fig. 1) und für die Leistungsentnahme aus der Leitung sind die allein zu berücksichtigenden Faktoren der ohmsche Reihenwider stand, der Leckstrom und die Tatsache, daß nunmehr ein Leitungsbelegungs-Transistor verwendet wird, um Wählimpulse auf der Leitung zu erzeugen. Der einzige ohmsche Widerstand tritt im MOSFET auf. Die Verwendung eines Leitungsbelegungs-Transistors für eine Impuls-Wahl hat den Vorteil, daß die Leitungs-Leistung beim Wählen zur Verfügung steht und keine separate Schaltung zur Erzeugung von Wählimpulsen erforderlich ist.
• Die Sprachschaltung ist am schwierigsten auszulegen. Sie muß nicht nur die üblichen Sprechfunktionen haben, sondern darf auch nur einen minimalen Spannungsabfall im Leitungsstrompfad bewirken, so daß sie in der Lage ist, Sprachsignale mit einem Spannungshub (einer Spannung von Spitze zu Spitze) von 3,5 Volt abzugeben. Die Schaltung muß ferner für Eingangssignale eine hohe Impedanz darstellen und bei sich ändernden Leitungsströmen funktionsfähig bleiben.
• Nach Fig. 3 stellt die Verwendung eines Reihen-Durchlaß- Transistors 25, wie es in Fig. 3a dargestellt ist, ein Mittel zum Modulieren des Leitungsstroms dar, wie es in herkömmlichen Sprachschaltungen angewandt wird und eine Verlustleistung zur Folge hat, weil an diesem Transistor 25 zwangsläufig ein Spannungsabfall auftritt, um eine Sättigung zu vermeiden. Alternativ könnte ein Verfahren angewandt werden, wie es in Fig. 3b dargestellt ist, bei dem der Reihendurchlaß-Transistor 25 nur die positive Hälfte des Sprachsignals bildet und somit bei einem Null-Signal in die Sättigung getrieben wird. Wenn ein Signal zugeführt wird, wird die negative Hälfte des Signals durch einen zweiten Transistor 26 reproduziert, der den Leitungsstrom erdet. Bei dieser Lösung ergibt sich ein Strom nur in der negativen Halbwelle des Signals und weniger als der halbe Strom in der positiven Halbwelle. Dadurch entsteht ein Spannungsabfall von 0,8 Volt am Transistor 25 und mithin eine Ausgangsspannung von 7,2 Volt, wogegen die in Fig. 3a dargestellte Alternative einen Spannungsabfall von 1,7 Volt be wirkt, so daß sich eine Ausgangsspannung von 6,2 Volt ergibt. Durch Verwendung eines Transformators 27 gemäß Fig. 3c kann jedoch eine Ausgangsspannung von 8 Volt erzielt werden. Dieser Transformator 27 hat einen geringen Gleichstromwiderstand, der folglich nur einen geringen Gleichspannungsabfall bewirkt, und der Transformator kann zum Injizieren (Einkoppeln) von Signalen in die Leitung verwendet werden.
• In allen Figuren ist der Verlauf des Stroms dargestellt, der in den Kondensator 28 fließt.
• Der Leitungsgleichstrom hat das Problem der Sättigung des magnetischen Materials des Transformators 27 zur Folge. Dies läßt sich zwar durch Verwendung eines großen Transformators vermeiden, doch werden dadurch die Kosten zu hoch getrieben und der Raumbedarf zu groß. Der Transformator 27 muß eine hohe Impedanz haben, was normalerweise die Ausbildung einer hohen Induktivität erfordert. Dies führt wiederum zu einer Sättigung bei noch schwächeren Leitungsströmen.
• Wenn die Induktivität des Transformators klein gehalten wird, muß die Anzahl der Windungen klein sein, so daß sie einen niedrigen ohmschen Widerstand haben und das Sättigungsproblem vermieden wird sowie die Abmessungen des Transformators geringer werden. Das allein verbleibende Problem ist das der Impedanz, und diese läßt sich künstlich durch Anwendung einer Rückkopplung erhöhen, d. h., wenn das Eingangssignal infolge der geringen Impedanz einen Strom im Transformator bewirkt, dann kann dieser Strom gemessen und zur Einführung eines entgegengesetzt gerichteten Stroms verwendet werden, der den ursprünglichen Strom aufhebt bzw. ausgleicht. Das ursprüngliche Eingangssignal bewirkt daher, daß kein Strom in den Transformator fließt; so daß der Transformator scheinbar eine hohe Impedanz darstellt. Wenn diese an eine herkömmliche, aber leistungsschwache Sprachschaltung angeschlossen wird, wird das Ziel geringer Leistungsverluste und außerdem eine Sprachschaltung erreicht, die auf einfache Weise auf alle Anforderungen eingestellt werden kann.
• Fig. 4, auf die nachstehend Bezug genommen wird, stellt die vollständige Sprachschaltung und den aktiven Transformator dar. Der Transformator läßt die Gleichströme mit geringer Verlustleistung durch. Die Treiberschaltung des Transformators bildet für Eingangssignale aus der Leitung eine hohe Impedanz, während ein herkömmlicher Sprach-Chip 40 den Transformator-Treiber zur Aussendung von Signalen ansteuern kann.
• Ein Transformator 31 hat eine geringe Induktivität, einen kleinen Gleichstromwiderstand und geringe Abmessungen. Unter seiner Primärwicklung 32 liegt in Reihe mit ihr ein Strommeßelement 35 mit geringem Gleichstromwiderstandswert (ohmschem Widerstand). Es wird nur die Wechselstromkomponente des Primärstroms gemessen und durch die Verstärker 39, 51 und 50 verstärkt. Das verstärkte Signal wird einer Sekundärwicklung 33 des Transformators zugeführt, um in der Primärwicklung 32 einen Strom zu erzeugen, der der ursprünglichen Wechselstromkomponente des Stroms entgegengesetzt gleich ist. Wechselspannungen an der Primärwicklung 32 bewirken daher keinen Stromfluß in der Primärwicklung, und der Transformator erscheint als eine hohe Impedanz, wie wenn er sehr viel größere Abmessungen hätte. Wechselsignale können in der Primärwicklung 32 durch Injektion in den Verstärker induziert werden. Die Gleichstromkomponente fließt durch die Primärwicklung 32 und das Meßelement 35 mit sehr geringem Verlust, da der Transformator 31 eine sehr geringe Anzahl von Windungen und mithin einen niedrigen Gleichstromwiderstand hat, wie vorstehend erläutert wurde. Sättigungseffekte im magnetischen Material des Transformators aufgrund des Gleichstroms werden wegen der geringen Windungszahl minimiert.
• Der Gleichstrom, der über den Anschluß 34, dem positiven Anschluß der MOSFET-Brücke, zugeführt wird, fließt durch die Wicklung 32, einen ohmschen Widerstand 35 und in einen Reservoir-Kondensator 36.
• Der Widerstand 35 ist ein Meßwiderstand für den infolge eines Leitungssignals durch die Primärwicklung 32 des Transformators fließenden Wechselstrom. Die oben an dem Widerstand abgegriffene Spannung wird über einen Kondensator 38 zum negativen (invertierenden oder umkehrenden) Eingang eines Operationsverstärkers 39 zurückgeführt.
• Das Ausgangssignal des Verstärkers 39 wird durch eine B- Zwischenverstärkerstufe 50, 51 geleitet, die so vorgespannt ist, daß eine Überschneidungsverzerrung ohne übermäßigen Ruhestrom minimiert wird. Das Ausgangssignal der B- Zwischenverstärkerstufe 50, 51 speist die Sekundärwicklung 33 des Transformators 31 und induziert in der Primärwicklung 32 einen Strom, der den durch den ohmschen Widerstand 35 anfänglich gemessenen Strom aufhebt. Dadurch wird die Wirkung einer hohen Impedanz erreicht.
• Eine Impedanz 52 ist der Widerstand, den das Telefon scheinbar haben muß, um eine Anpassung an die Leitung zu bewirken. Sie liegt parallel zur Transformator-Primärwicklung 31 und dem Widerstand 35. Da die Transformatorstufe eine hohe Impedanz darstellt, dominiert die Impedanz 52.
• Die B-Zwischenverstärkerstufe 50, 51 ist erforderlich, um das Ausgangssignal des Verstärkers 39 zusätzlich zu verstärken.
• Der Gleichvorspannungspunkt des Verstärkers 39 ist auf die Hälfte der Betriebs- bzw. Versorgungsspannung eingestellt und wird durch einen ohmschen Widerstand 54 stabilisiert, der den negativen (invertierenden bzw. umkehrenden) Eingang vom oberen Ende der Transformatorwicklung 33 aus speist. Dieser Widerstand 54 und der Kondensator 38 bilden ein Hochpassfilter für den zurückgeführten Wechselstrom.
• Es ist wichtig, daß der positive Eingang des Verstärkers 39 mit dem unteren Ende des ohmschen Widerstands 35 wechselstromgekoppelt ist, um weder die kleinen Spannungsschwankungen am oberen Ende des Reservoir-Kondensators 36 noch das gewünschte Signal zu verstärken. Dies geschieht mittels eines Koppelkondensators 56, der sicherstellt, daß die Gleichtaktunterdrückung bewirkt wird.
• Der Transformator 31 stellt nicht nur eine hohe Impedanz dar, sondern kann auch Sprachsignale auf die Leitung übertragen. Der Sprachchip 40 muß das Ausgangssignal eines Mikrofon-Verstärkers dem positiven Eingang des Verstärkers 39 zuführen, ohne es praktisch auf Erdpotential zu legen, da andernfalls die erwähnte Gleichtaktunterdrückung verlorengeht. Dies wird durch die Verwendung eines Kondensators 57, eines ohmschen Widerstands 58 und eines ohmschen Widerstands 59, dessen Widerstandswert zehnmal größer als der des Widerstands 58 ist, erreicht.
• Ein PNP-Transistor 60 speist einen Anschluß 41 des Sprachchips 40. Dies ergibt ein hinreichend hohes Signal, um die automatische Verstärkungsregelung zu betreiben. Der erzeugte Ström wird in den Anschluß 41 geleitet, wo ein interner Spannungsteiler aus ohmschen Widerständen die Steuerspannung zur automatischen Verstärkungsregelung bestimmt.
• Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache Änderung der Mittelpunktsposition und des Bereichs der automatischen Verstärkungsregelung. Die Netzwerkimpedanz 64, die am Anschluß 42 des Chips 40 angeschlossen ist, ist das übliche Nebenton-Ausgleichnetzwerk, das zur Anpassung an die mittlere Leitungsimpedanz erforderlich ist.
• Die Anwendung des hohen Impedanzeffekts des Transformators 31 unterstützt die Leistungsentnahme und stellt sicher, daß hinreichend Leistung zur Verfügung steht, um das Telefon innerhalb der Vorschriften (Normen) wirksam zu betreiben.

Claims (11)

1. Telefonleistungsentnahmeschaltung zur Gewinnung elektrischer Leistung aus einer Telefonleitung enthaltend eine Polaritätsüberwachungsteilschaltung (4), eine Leitungsbelegungsteilschaltung (5), eine Sprachübertragungsteilschaltung (7) und eine Schaltstromversorgungseinrichtung (12, 13), die in Reihe zwischen die Telefonleitungen geschaltet sind, wobei die Sprachübertragungsteilschaltung einen Transformator (31) und eine Rückkopplungsschaltung (35, 39) zur Erhöhung der Wechselstromimpedanz des Transformators durch Messen eines ersten Wechselstroms in der Primärwicklung (32) des Transformators und als Antwort Bewirken eines zweiten Wechselstroms in der Primärwicklung, um die Wirkung des ersten Stroms aufzuheben, wobei der Transformator eine Primärwicklung (32) mit kleinem Gleichstromwiderstand hat.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polaritätsüberwachungsteilschaltung (4) eine MOSFET-Brücke aufweist, in der die MOSFETs in invertierter Betriebsart betrieben werden.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstromversorgungseinrichtung eine Ausgangsspannung hat, die kleiner als die Eingangsspannung ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wechselstrom in der Primärwicklung durch Anlegen einer Wechselspannung an die Sekundärwicklung (33) des Transformators induziert wird.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung einen ohmschen Meßwiderstand (35) und einen Operationsverstärker (39) aufweist, in der der Meßwiderstand (35) mit der Primärwicklung (32) des Transformators (31) verbunden und so angeordnet ist, daß er dem Operationsverstärker (39) ein Wechselstromsignal von der Primärwicklung (32) zuführt, wobei der Operationsverstärker so verbunden ist, daß er der Sekundärwicklung (33) des Transformators (31) einen Strom zuführt und in der Primärwicklung den zweiten Strom induziert, um den ersten Strom aufzuheben.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (35) an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers (39) wechselstromgekoppelt ist.

7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zwischenverstärker (50-51), der zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers (39) und die Sekundärwicklung (33) des Transformators (31) geschaltet ist, einschließt.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine parallel zu der Primärwicklung (32) des Transformators und dem Meßwiderstand (35) geschaltete Impedanz (52) aufweist, um die erforderliche Leitungsabschlußimpedanz bereitzustellen.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherkondensator (36) in Reihe mit der Primärwicklung (32) des Transformators (31) verbunden ist.

10. Telephon, enthaltend eine Telefonleistungsentnahmeschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

11. Telephon nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Telefon ferngespeist ist.