DE69824567T2 - Analoge schnittstellenschaltung für fernsprechgerät - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine analoge Schnittstellenschaltung für Telefoneinrichtungen.
• Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar im Bereich von Telefonausrüstungen, insbesondere bei öffentlichen Telefonen und Telefonzentralen.
• Als allgemeine Regel umfassen die analogen Schnittstellenschaltungen für Telefoneinrichtungen eine Abtrennschaltung, die vorgesehen ist, um die Trennung einer Gleichstromkomponente, die zur Versorgung der Schaltungen bestimmt ist, und einer Wechselstromkomponente sicherzustellen, die das zu übertragende Audiosignal darstellt, die gemeinsam das differentielle Leitungssignal bilden.
• Die Trennung der genannten Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten wird üblicherweise mittels einer Sperrimpedanz realisiert, die wechselstrommäßig einen hohen Wert und gleichstrommäßig theoretisch Null darstellt.
• Üblicherweise verwendet die Sperrimpedanz einen Ballastblock, der aus einem bipolaren Transistor oder einem MOSFET gebildet ist. Um den auf der Leitung anliegenden Wechselstromsignalen von häufig hoher Spannung eine hohe Impedanz zu bieten, muss dieser Ballastblock ständig einen hohen Spannungsabfall aufrecht erhalten, der größer ist als der Spitzenwert dieser Spannung. Der Leistungsverlust, der sich hieraus ergibt, ist gleich dem Produkt dieses Spannungsabfalls, z.B. 3 V, und dem Gleichstrom, der in dem Ballast in der Größenordnung von 20 mA fließt, was insgesamt einen Verlust von 60 mW ergibt.
• Diese Leitungsverluste zusätzlich zu der Abschwächung der Gleichstromspannung, die zur Versorgung der Telefoneinrichtung zur Verfügung steht, begrenzen die nutzbare Leitungslänge für die Installation der Einrichtung.
• Ein anderes Mittel, um die Sperrfunktion zwischen Gleichstrom/Wechselstrom zu realisieren ist, eine Selbstinduktanz mit hohem Sperrwert derart einzusetzen, dass sie eine hohe Impedanz für eine Wechselstromkomponente darstellt. Um eine größere Isolation als 9 kΩ für Frequenzen oberhalb von 300 Hz zu garantieren, muss der Wert der sperrenden Selbstinduktanz wenigstens 5 H betragen. In jedem Fall wäre ein solches Bauteil teuer, sperrig und schwer, wenn man dessen parasitären Widerstand auf einen Wert begrenzen wollte, welcher nicht erhebliche Verluste bei der Gleichstromkomponente zur Folge hat.
• Das US-Patent 4,562,525, Ferry et al., beschreibt eine Versorgungsschaltung, die mit einer Einrichtung zur Trennung der Gleichstromkomponente und der Wechselstromkomponente versehen ist. Die Schaltung umfasst Regelungsmittel, die es gestatten, einen Wechselstrom zu erzeugen, der einen eventuellen Wechselstrom zwischen zwei Klemmen aufhebt.
• Das US-Patent 4,837,818, Pieters et al., beschreibt eine Schaltung für eine Telekommunikationsleitung, die eine Herter-Brücke umfasst, die eine Vielzahl von Funktionen hat: Kopplung der Empfangs- und Sendeverbindungen mit der Leitung des Teilnehmers, während der Detektorausgang der Brücke die Sendeverbindung, die Schleifen zur Synthese von Gleichstrom- und Wechselstromimpedanzen sowie die Mittel zur Schleifenüberwachung beim eventuellen Auftreten eines Läutens versorgt.
• Das US-Patent 4,319,093, Bars, beschreibt eine Versorgung für einen Apparat eines Telefonteilnehmers, in welchem mittels einer Kompensationsschaltung ein Signal abgetrennt wird, während der Apparat des Teilnehmers auf Empfang ist.
• Das technische Problem, das durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelöst wird, ist es auch, eine analoge Schnittstellenschaltung für Telefoneinrichtungen vorzuschlagen, die eine Abtrennschaltung aufweist, die dazu eingerichtet ist, mittels einer Sperrimpedanz eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente eines differentiellen Leitungsstromes zu trennen, wobei diese Schaltung es gestatten würde, eine effiziente Trennung der Wechselstromkomponente zu erzielen, ohne im gleichen Maße merkliche Leitungsverluste für die Gleichstromkomponente hervorzurufen.
• Die Lösung des gestellten technischen Problemes besteht erfindungsgemäß darin, dass ein Messwiderstand mit niedrigem Wert mit der Abtrennimpedanz in Reihe geschaltet ist, wobei die Abtrennschaltung eine Gegenkopplungsschaltung umfasst, die dazu eingerichtet ist, um die Differenz des Wechselstrompotentials an den Klemmen des Messwiderstandes aufzuheben.
• Indem die Wechselstromspannung an den Klemmen des Messwiderstandes auf diese Weise aufgehoben wird, hebt man in gleicher Weise die Wechselstromkomponente des Leitungsstromes auf, der den Messwiderstand durchströmt. Selbstverständlich muss der Begriff „aufheben" an dieser Stelle im weiten Sinn aufgefasst werden, um jede Reduktion der betreffenden Größen auf einen für eine zufrieden stellende Funktion der betrachteten Telefoneinrichtung akzeptablen Wert zu bezeichnen.
• Gemäß einem bestimmten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung umfasst die Gegenkopplungsschaltung einen Operationsverstärker mit unendlicher Verstärkung, dessen Eingangsklemmen mit den Klemmen des Messwiderstandes verbunden sind, und dessen Ausgangsklemme mit der gemeinsamen Klemme der Sperrimpedanz und dem Messwiderstand verbunden ist.
• Es wird weiter unten im Detail gezeigt, dass der offensichtliche Wert der Sperrimpedanz für die Wechselstromkomponente mit einem Faktor multipliziert wird, der proportional zur Schleifenverstärkung des Operationsverstärkers ist, was es gestattet, einen physisch wirklichen Wert der Sperrimpedanz für die Gleichstromkomponente vorzusehen, der sehr viel niedriger ist als der, welcher aktuell in bekannten Abtrennschaltungen angetroffen wird, und folglich die ohmschen Verluste wesentlich zu vermindern.
• Auch hier versteht man unter „unendlicher Verstärkung" eine Verstärkung von hohem Wert, der mit dem gewünschten Aufhebungsgrad für die Gleichstromkomponente des Leitungssignals kompatibel ist.
• Insbesondere wenn die Sperrimpedanz eine Selbstinduktanz ist, kann man der Selbstinduktanz einen deutlich niedrigeren Wert geben als denen, die bislang in herkömmlichen Schaltungen verwendet wurden, mit dem Vorteil, damit den Widerstand zu vermindern und folglich die Wechselstromverluste.
• Es ist außerdem zu bemerken, dass herkömmlicherweise der Ballastblock an einem der Zugänge der Leitung angeordnet ist, wobei der andere Zugang die Bezugsmasse wird. Hieraus resultiert eine Unsymmetrie der Impedanz im Gleichtaktmodus bezüglich der Masse. Das ist nachteilig für die Leistungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).
• Auch mit dem Ziel, diesen Nachteil zu beseitigen, sieht die Erfindung vor, dass die Sperrimpedanz aus den Wicklungen eines Transformators mit einem Übersetzungsverhältnis 1:1 gebildet ist, der längs der Abtrennschaltung in Serie geschaltet ist.
• Man erzielt auf diese Weise im Gleichtaktmodus eine vollkommene Symmetrie bezüglich der Masse. Diese Symmetrisierung hat ebenfalls als großen Vorteil, die EMV-Leistungen der Schnittstellenschaltung, dem Gegenstand der Erfindung, zu verbessern.
• Die analogen Schnittstellenschaltungen für Telefoneinrichtungen umfassen über die Abtrennschaltung mit einer theoretisch unendlichen Wechselstromimpedanz hinaus auch einen Impedanzwandler, der vorgesehen ist, um die Wechselstromimpedanz auf einen kontrollierten Wert zu bringen, der von den Betreibern des Telefonnetzes gemäß den geltenden Normen festgelegt wird, z.B. 600 Ω.
• Üblicherweise wird die Funktion der Impedanzanpassung durch eine Wheatstone'sche Brücke realisiert, welche in ihren Zweigen die erforderlichen Impedanzen aufweist. Diese, von dem Nutzsignal durchflossen, sind eine Ursache für Leistungsverschwendung und erfordern bestimmte zusätzliche Bauteile, die für jedes Land angepasst werden müssen, welche unterschiedliche Normen aufweisen.
• Deshalb kann die in der Erfindung definierte Gegenkopplungsschaltung angepasst werden, um auf vollständig kontrollierte Weise eher eine endliche Impedanz zu erzeugen, als eine unendliche Impedanz, welche der Aufhebung des Wechselstroms durch die zuvor beschriebene Einrichtung entspricht.
• Das Prinzip der Synthese einer endlichen Impedanz basiert auf der Steuerung der Klemmenspannung des Messwiderstandes. Eine Bezugsspannung, die von einem Widerstandsmodul erzeugt wird, welche die zu synthetisierende Impedanz charakterisiert, wird von der Telefonleitung versorgt. Dieses Modul mit hohem Widerstand stellt eine für die Leitung vernachlässigbare Last dar.
• Die weiter oben beschriebene Hilfseinrichtung zur Aufhebung der Spannung an dem Messwiderstand arbeitet nun, um die Gleichheit zwischen den Klemmen des Messwiderstandes und der Spannung des Widerstandsmoduls sicherzustellen.
• Dieses Impedanzmodul ist in einfacher Weise austauschbar, um alle geltenden Normen einzuhalten.
• Darüber hinaus ist es ausgehend von diesem Impedanzwandler möglich, die notwendig 2/4-Drahtwandlung zu realisieren, um die empfangenen Signale und die gesendeten Signale aus der Leitung zu entkoppeln.
• Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße analoge Schnittstellenschaltung insofern bemerkenswert, als sie einen 2/4-Drahtumsetzer umfasst, der auf der einen Seite durch einen Sendeoperationsverstärker gebildet ist, der dazu eingerichtet ist, um über den Impedanzwandler ein Sendesignal auf die Leitung zu geben und auf der anderen Seite durch einen Empfangsoperationsverstärker gebildet ist, der dazu eingerichtet ist, um von der Leitung ein Empfangsignal an einer ersten Eingangsklemme und das Sendesignal an einer zweiten Eingangsklemme zu empfangen.
• Die nachfolgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die als nicht beschränkende Beispiele angegeben sind, macht gut verständlich, worin die Erfindung besteht und wie sie ausführbar ist.
• 1 zeigt ein Schema einer Abtrennschaltung einer erfindungsgemäßen analogen Schnittstellenschaltung.
• 2 zeigt ein Schema einer abgewandelten Ausführungsform der Abtrennschaltung nach 1.
• 3 zeigt ein Schema der Abtrennschaltung nach 2, die mit einem Impedanzwandler versehen ist.
• 4 zeigt ein Schema der Schaltung nach 3, die mit einem 2/4-Drahtwandler versehen ist.
• Die in 1 gezeigte Schaltung ist eine Abtrennschaltung einer analogen Schnittstellenschaltung für eine Telefoneinrichtung. Der definitive Aufbau der erfindungsgemäßen analogen Schnittstellenschaltung umfasst darüber hinaus einen Impedanzwandler und einen 2/4-Drahtwandler, von denen im folgenden gezeigt werden wird, wie sie sich nacheinander mit der Abtrennschaltung nach 1 verbinden.
• Die Funktion der Abtrennschaltung ist es, die Gleichstromkomponente von der Wechselstromkomponente eines differentiellen Leitungssignals zu trennen, welches an den Eingangsklemmen A, B der Schaltung anliegt. Hierfür muss die Abtrennschaltung gleichzeitig wechselstrommäßig eine sehr hohe und gleichstrommäßig eine sehr niedrige Impedanz darstellen, um die ohmschen Verluste zu vermeiden.
• Zu diesem Zweck umfasst die Abtrennschaltung nach 1 in Reihe geschaltet einen Messwiderstand r von niedrigem Wert und eine Sperrimpedanz, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Selbstinduktanz L ist. Im Allgemeinen ist bei dieser Art von Schaltung der Widerstand r vorhanden, um die Gleichstromkomponente des Leitungssignals zu messen, welches zur Versorgung der Telefoneinrichtung bestimmt ist.
• Damit die Wechselstromimpedanz an dem Eingang AB der Abtrennschaltung unendlich ist, genügt es, dass der Wechselstrom i_r in dem Messwiderstand r Null ist. Deshalb ist eine Gegenkopplungsschaltung 10 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, den Potentialunterschied v an den Klemmen A, C des Widerstandes r aufzuheben.
• Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Gegenkopplungsschaltung 10 einen Operationsverstärker 11 mit einer in dem oben definierten Sinn unendlichen Verstärkung G. Die Eingangsanschlüsse a, b des Operationsverstärkers 11 sind mit den Klemmen A, C des Messwiderstandes r verbunden, während der Ausgangsanschluss c mit der gemeinsamen Klemme C der Sperrimpedanz L und des Widerstandes r verbunden ist.
• Wir haben: v = r.ir v1 = Gv = Gr.ir
• Andererseits: iC = jC1ω[(G + 1)rir – VAB] ≈ jC1ω(Grir – VAB)und ir = (VAB – rir)/jLCω ≈ VAB/jLCωwelches kombiniert mit iL = ic + ir ≈ ic ergibt |ir| = |iL + jC1ωVAB|/Kmit K = ωrC1G
• Man erkennt, was die Selbstinduktanz L betrifft, dass sich alles ergibt, als ob dessen Wert bezüglich der Wechselstromkomponente mit K multipliziert wäre, wobei sie bezüglich der Gleichstromkomponente unverändert bleibt. In andere Worten, die Abtrennschaltung aus 1 bewirkt die elektronische Erzeugung einer Selbstinduktanz von offensichtlich wechselstrommäßig sehr hohem Wert ausgehend von einer physischen Selbstinduktanz von einem gleichstrommäßig sehr viel kleineren Wert und folglich entsprechend zu dem angestrebten Ziel mit sehr viel weniger ohmschen Verlusten.
• Numerisch mit
  G = 1000, r. = 10Ω, f = 300Hz und C₁ = 220μF
  erhält man K = 4100.
• Im Gegensatz dazu ist der Gleichstromwiderstand sehr niedrig, gleich zu r + r_L, nämlich 20Ω, wobei r_L der Widerstand der Selbstinduktivität L ist mit r_L= 10Ω.
• Die verbrauchte Leistung der Anordnung ist die Summe von:
• – der reaktiven Leistung in der Selbstinduktanz L: PL = V2 ABmax/Lωmit zum Beispiel zwei starken Signalen auf der Leitung, einem Signal mit 1kHz und 0,775V und einem Signal mit 16kHz und 1,2V, und mit einer Selbstinduktanz von 100mH, erhält man P_L = 2,2mW,
• – der Gleichstromleistung in dem Messwiderstand r und dem Widerstand r_L der Selbstinduktanz L, wobei die Gleichstromleistung im Falle von langen Leitungen sehr niedrig ist, wenn der Strom begrenzt ist,
• – der verbrauchten Leistung zur Versorgung des Operationsverstärkers 11 mit den verbleibenden Bauteilen in der Größenordnung von Milliwatt.
• Folglich führt die erfindungsgemäße Schaltung zu einer wesentlichen Verminderung des Leistungsverlustes in der Einrichtung sowie zu dem Verschwinden des Spannungsabfalls, die dem Transistorballast in der herkömmlichen Lösung geschuldet war, wobei die Gesamtheit dieser Vorteile einen Betrieb mit niedrigeren Versorgungsspannungen und folglich längeren Leitungen möglich macht.
• In 2 ist eine Abwandlung der Abtrennschaltung nach 1 dargestellt, in welcher die Sperrimpedanz durch die Wicklungen eines Transformators Tr mit einem Übersetzungsverhältnis 1/1 gebildet ist, mit einem Wert nahe dem des Widerstandes r, der vernachlässigbar ist. Die serielle Anordnung der Wicklungen vervierfacht den Wert der äquivalenten Selbstinduktanz, was es ermöglicht, den Wert jeder Wicklung zu vermindern.
• Wie es bereits weiter oben angedeutet worden ist, ist diese Symmetrisierung der Schaltung ein enormer Vorteil zur Verbesserung der EMV-Leistungen der Einrichtung.
• Schließlich kann man in 2 erkennen, dass die Verarbeitung der Wechselstromkomponente des Signals auf der Leitung mit bezüglich Gleichstrommasse niedrigem Potential ausgeführt wird, wodurch es möglich ist, kostengünstige Niederspannungsbauteile zu verwenden.
• 3 zeigt eine Weiterentwicklung der Abtrennschaltung aus 2, gemäß welcher die Eingangsinpedanz Z_AB dieser Schaltung nicht mehr unendlich ist, sondern einen von dem verantwortlichen Betreiber der betrachteten Telefoneinrichtung definierten Wert hat und durch die geltenden Normen festgelegt ist, z.B. 600Ω.
• Zu diesem Zweck umfasst die Rückkopplungsschaltung 10 einen Impedanzwandler 12, welcher durch einen Spannungsteiler gebildet ist, der an dem Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 11 angeordnet ist und mit der Eingangsklemme A des Messwiderstandes r gegenüber der gemeinsamen Klemme C verbunden ist.
• Mit: v2 = VBZ/(R + Z) ≈ VB – rir VB = –VAB/2 R = kr die Wechselstromeingangsimpedanz Z_AB hat den Wert: ZAB = – VAB/ir = 2(Z/k + r.)sei ZAB ≈ 2Z/k
• Um zum Beispiel eine Impedanz Z_AB von 600Ω zu erhalten, kann man einen Widerstand Z von 300 kΩ mit einem Koeffizient k von 1000 verwenden, was einen Widerstand R von 10kΩ für r = 10Ω ergibt.
• Die Verwendung eines Koeffizienten k mit hohem Wert gestattet es dank eines niedrigen Stromes die dissipierte Leistung in dem Bezugszweig zu begrenzen, woraus sich eine zusätzliche Energieersparnis ergibt.
• Man kann auch feststellen, dass die Impedanz Z_AB durch die Widerstände R und Z des Spannungsteilers festgelegt ist, der sich folglich wie ein Impedanzmodul darstellt, welches auf einfache Weise gemäß den Normen veränderbar ist.
• Es wird außerdem auf die Möglichkeit hingewiesen, programmierbare Bauteile zur Impedanzsynthese zu verwenden, die nur für kleine Ströme zur Verfügung stehen (Stromspiegel).
• 4 zeigt eine analoge Schnittstellenschaltung in ihrer Gesamtheit, die ausgehend von der Schaltung von 3 realisiert ist und impedanzmäßig angepasst ist, zu der man einen 2/4-Drahtwandler 20 gefügt hat, der dazu bestimmt ist, die Trennung der Wechselstromempfangssignale Rx und -sendesignale Tx sicherzustellen sowie die Einkopplung des Wechselstromsendesignals Tx in die Leitung.
• Wie in 4 gezeigt ist, umfasst der 2/4-Drahtwandler 20 einen Sendeoperationsverstärker 21, der dazu geeignet ist, um über den Impedanzwandler 12 ein Sendesignal Tx einzukoppeln. Die Anpassung ist nicht gestört, weil der Ausgang des Verstärkers 21 gegenüber Z (Z = kZ_AB/2) eine sehr niedrige Impedanz hat. Mit einem Verstärker 21 mit der Verstärkung 1 liegt die Spannung V_TX des Sendesignals auf der Leitung.
• Der 2/4-Drahtwandler aus 4 weist auch einen Empfangsoperationsverstärker 22 auf, der dazu eingerichtet ist, um von der Leitung ein Empfangssignal Rx an einer ersten Eingangsklemme a' und das Sendesignal Tx an einer zweiten Eingangsklemme b' zu empfangen.
• An der Eingangsklemme a' des Verstärkers 22 liegt eine Spannung von V_B = V_Rx/2 + V_Tx an. Wenn die an der Eingangsklemme b' desselben Verstärkers angelegte Spannung V_Tx ist, erhält man am Ausgang mit einer Verstärkung von 6dB die Spannung V_Rx des Empfangssignals Rx.

Claims (6)

1. Analoge Schnittstellenschaltung für Telefoneinrichtungen mit einer Abtrennschaltung, die dazu eingerichtet ist, mittels einer Sperrimpedanz (L; T_r) eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente eines differentiellen Leitungsstromes zu trennen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwiderstand (r) mit niedrigem Wert mit der Sperrimpedanz in Reihe geschaltet ist, wobei die Abtrennschaltung eine Gegenkopplungsschaltung (10) umfasst, die dazu eingerichtet ist, um die Differenz (v) des Wechselstrompotentials an den Klemmen (A, C) des Messwiderstandes (r) aufzuheben.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkopplungsschaltung (10) einen Operationsverstärker (11) mit unendlicher Verstärkung (G) umfasst, dessen Eingangsklemmen (a, b) mit den Klemmen (A, C) des Messwiderstandes (r) verbunden sind und dessen Ausgangsklemme (c) mit der gemeinsamen Klemme (C) der Sperrimpedanz (L, T_r) und des Messwiderstandes (r) verbunden ist.
3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrimpedanz eine Selbstinduktanz (L) ist.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrimpedanz aus den Wicklungen eines Transformators (T_r) mit einem Übersetzungsverhältnis 1:1 gebildet ist, der längs der Abtrennschaltung in Reihe geschaltet ist.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Impedanzwandler (12) aufweist, der aus einem Spannungsteiler gebildet ist, welcher an der Eingangsklemme (a) des Operationsverstärkers (11) angeordnet ist, die mit der Klemme (A) des Messwiderstandes (r) verbunden ist, welche der gemeinsamen Klemme (C) gegenüber liegt.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen 2/4-Drahtumsetzer (20) umfasst, der auf der einen Seite durch einen Sendeoperationsverstärker (21) gebildet ist, der dazu eingerichtet ist, um über den Impedanzwandler (12) ein Sendesignal (T_x) auf die Leitung zu geben, und auf der anderen Seite durch einen Empfangsoperationsverstärker (22) gebildet ist, der dazu eingerichtet ist, um von der Leitung ein Empfangssignal (R_x) an einer ersten Eingangsklemme (a') und das Sendesignal (T_x) an einer zweiten Eingangsklemme (b') zu empfangen.