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Elektronische Schaltungsanordnung zur Stromversorgung einer digitale
Signale verarbeitenden Schaltung, insbesondere einer Fernsprech-Vermittlungsanlage.
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Es ist bekannt, herkömmliche, digitale Signale verarbeiten de Relais-Schaltungen,
insbesondere öffentliche Fernsprech-Vermittlungsanlagen, so einzurichten, daß ihre
Teile auch im Bereitschaftzustand wenig Verlustleistung verbrauchen.
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Auch für elektronische Schaltungsanordnungen zur Stromversorgung,
in denen eine Quelle zur Stromversorgung einer Vielzahl von jeweils Halbleiter enthaltenden
Stromkreisen vorgesehen ist, sind bereits verschiedene Maßnahmen zur Verminderung
der oft sehr hohen Verlustleistung bekannt geworden: In Frequenz, Band 19, 1965,
Seite 386 bis 392 sind elektronische Schaltungsanordnungen zur Stromversorgung von
Stromkreisen beschrieben. Manche der vorgesehenen Stromkreise sind an sich bei Versorgung
mit Spannung bzw. Strom leitend, so daß sie dann eine bestimmte Verlustleistung
verbrauchen wUrden. Zur Verminderung der Verlustleistung werden hier zweierlei Einschaltzustände
vorgesehen, nämlich der Bereitschaftszustand und der Betriebszustand, wobei die
Dauer des Bereitschaftszustandes wesentlich länger als die Dauer des Betriebszustandes
sein kann. Beide Zustände unterscheiden sich dadurch, daß im Bereitschaftszustand
die die Verlustleistung verbrauchenden Stromkreise nicht mit der Quelle verbunden
sind, während im Betriebszustand diese die Verlustleistung verbrauchenden Stromkreise
mit der Quelle verbunden
sind. Dadurch kann bei diesen Schaltungsanordnungen
ein Verbrauch von Verlustleistung weitgehend vermieden werden.
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Auch durch DAS 1 300 969, Spalte 1, Zeile 43 bis 62 ist bekannt, daß
zur Verminderung des Verlustleistungsverbrauchs bei elektronischen Schaltungsanordntmgen
mit einer Quelle zur Stromversorgung von hier durch Stromkreise gebildeten Schaltkreisen
die Maßnahme vorgesehen wurde, die Quelle im Bereitschaftszustand völlig abzuschalten,
aber im Betriebszustand mit allen Schaltkreisen ZU verbinden.
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Hierbei ist es auch möglich, daß der Bereitschaftszustand Jeweils
wesentlich länger als der Betriebszustand andauert.
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Diese Maßnahme führt Jedoch oft dazu, daß unerwtlnscht lange Zeitspannen
zum Wiederherstellen des Betriebszustandes, in welchem die Nutzsignaie angelegt
werden können, erforderlich sind. Dies ist offensichtlich besonders störend bei
sehr viele elektronische Bauteile enthaltenden Schaltungsanordnungen, welche Verknüpfungsglieder
enthalten.
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In der zitierten DAS 1 300 969 ist angegeben, daß zur Verminderung
des Verlustleistungsverbrauchs von digitale Signale verarbeitenden Schaltungen auch
komplementäre Transistoren vorgesehen sein können, nämlich bei Flip-Flops, also
bei bestimmten elektrischen Speichern. Dies erfordert Jedoch im allgemeinen einen
relativ hohen schaltungstechnischen Aufwand und dartiberhinaus zeigt sich insbesondere
bei sehr viele Bauteile enthaltenden Anlagen, daß diese Maßnahme nicht immer ohne
weiteres gewählt werden kann, insbesondere wenn für deren Aufbau auf dem Markt erhältliche,
gewöhnliche Halbleiterchips verwendet werden sollen; im allgemeinen enthalten nämlich
diese Chips nicht solche Verlustleistungen vermeidende komplementäre Transistoren.
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Auch die Miniaturisierung ist eine häufig angewandte, die Verlustleistung
in digitale Signale verarbeitenden Schaltungen vermindernde Maßnahme, welche grundsätzlich
neben den obengenannten Maßnahmen angewandt werden kann. Es ist aber bekannt, daß
die Verlustleistung durch die Miniaturisierung in häufig nur unbefriedigender Weise
herabgesetzt werden kann. Die einzelnen miniaturisierten Bauteile verbrauchen zwar
trotz geschickter Dimensionierung und Konstruktion nur wenig Verlustleistung. Die
oft sehr hohe Zahl der insgesamt in einer solchen elektronischen Schaltung enthaltenen
Bauteile entspricht aber einem sehr hohen Verlustleistungsverbrauch.
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In der zitierten DAS 1 300 969 ist inshesondere ab Spalte 3, Zeile
20 angegeben, die Verlustleistung in digitale Signale verarbeitenden Schaltungen,
insbesondere in elektrischen Speichern wie Flip-Flops, mittels einer elektronischen
Schaltungsanordnung mit einer Quelle zur Stromversorgung einer Vielzahl von jeweils
Halbleiter enthaltenden, durch Stromkreise gebildeten Schaltkreisen zu vermindern,
wobei hier ein erheblicher Teil der Schaltkreise Laststromkreise bzw. Laststrom-Schaltkreise
sind und bei Versorgung mit Strom Verlustleistung verbrauchen wUrden und wobei die
Bereitschaftszustände, während denen nur ein Teil dieser Stromkreise mit der Quelle
verbunden sind, wesentlich länger als dieBetriebszustände andauern. Dort wird nämlich
die Maßnahme angegeben, die die Verlustleistung verbrauchenden Laststrom-Schaltkreise,
soweit sie im Bereitschaftszustand leitend gesteuert sind, nur im Betriebszustand
mit der Quelle zu verbinden und die anderen Schaltkreise dauernd, also auch im Bereitschaftszustand,
mit der Quelle zu verbinden.
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Die Erfindung wurde für eine öffentliche elektronische
Fernsprech-Vermittlungsanlage
entwickelt, deren Teile im Bereitschaftszustand wenig Verlustleistung verbrauchen
sollen. Untersuchungen zeigten, daß die in der DAS 1 300 969, Spalte 3, Zeile 20ff
angegebene Maßnahme zur Verminderung der Verlustleistung z.B. bei solchen Vermittlungsanlagen
oft nicht ausreichend ist, weil schwerwiegende Störungen des Betriebs, nämlich z.B.
Fehlverbindungen, auftreten können. Dabei ist gerade bei einer solchen umfangreichen
elektronischen Anlage, die sehr viele wärmeempfindliche Halbleiter enthaltende Stromkreise
aufweist, die aufzubringende Verlustleistung normaler Weise nicht nur wegen ihrer
Höhe, sondern auch wegen ihres Einflusses auf die Zuverlässigkeit der Anlage besonders
unangenehm. Die auftretenden Störungen bestehen auch darin, daß an vielen Stellen
der Anlage Impulse und Impulsfolgen mit falschem Informationsinhalt auftreten, was
bei einer solchen digitale Signale verarbeitenden Schaltung unzulässig ist.
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Bei der erwähnten Vermittlungsanlage ist außerdem die andere bekannte
Maßnahme zur Verlustverminderung unzulässig, die Quelle während der Bereitschaftszeit
völlig abzuschalten und sie während der Betriebszeit mit den Stromkreisen zu verbinden
- es treten nämlich auch dann Störungen auf.
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Es mußte daher eine neue technische Lehre zur Verminderung der Verlustleistung
ohne Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit für elektronische öffentliche Fernsprech-Vermittlungsanlagen
entwickelt werden, die digitale Signale verarbeiten.
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Hierbei wurde eine vergleichsweise überraschend geringen Aufwand erfordernde,
neue Lehre aufgestellt, welche sich auch allgemein für andere elektronische Schaltungen
eignet.
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Die Erfindung geht also aus von einer Schaltungsanordnung zur Stromversorgung
einer digitale Signale verarbeitenden
Schaltung, mit einer Quelle
zur Stromversorgung einer Vielzahl von Halbleiter enthaltenden Stromkreisen, von
denen ein erheblicher Teil bei Versorgung mit Strom Verlustleistung verbraucht,
bei der der Bereitschaftszustand, während dessen nur ein Teil dieser Stromkreise
mit der Quelle verbunden ist, in der Regel wesentlich länger als der Betriebszustand
andauert. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß
auch während des Bereitschaftszustandes jene Stromkreise, welche elektrische Speicher
zur Aufbewahrung von außerhalb und oder während des 3ereitschaftszustandes eingegebenen
Informationen enthalten und zur Eingabe und Aufbewahrung dieser Informationen Strom
verbrauchen, sowie, falls solche vorhanden, auch Stromkreise, welche bei Beaufschlagung
mit einem Steuersignal die Umschaltung vom Bereitschaftszustand zum Betriebszustand
nur bei Versorgung mit Strom auslösen, mit einer Quelle verbunden sind. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung versorgt also zwei Gruppen von Stromkreisen, von denen nur die
eine, nämlich die die betreffenden dektrischen Speicher und Umschalte-Stromkreise
enthaltende Gruppe, auch im Bereitschaftszustand mit Strom versorgt wird, hingegen
die andere Stromkreise enthaltende Gruppe nur im Betriebszustand der.
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Schaltung mit Strom versorgt wird.
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Bei Anwendung der Erfindung werden die Störungen vermieden, die in
elektronischen Geräten und Anlagen auftreten, wenn entsprechend der Lehre der DAS
1 300 969 auch die zur Speicherung von eingegebenen Informationen dienenden Laststromkreise
von elektrischen Speichern alle ohne Ausnahme während de s des Bereitschaftszustandes,
während dessen nur ein Teil der Stromkreise mit der Quelle verbunden ist, nicht
mit der Quelle verbunden sind. Eine gemäß der Erfindung
aufgebaute
Schaltung weist solche Störungen nicht mehr auf, obwohl während des Bereitschaftszustandes
nur noch vergleichsweise wenig Verlustleistung verbraucht wird.
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Bei den fraglichen elektrischen Speichern handelt es sich z.B. um
Ringzähler, Flip-Flops und SchiFeregister. Solche elektrischen Speicher enthalten
oft zusätzliche Bauteile wie einen Eingangsverstärker oder Eingangsimpulsformer,
welche zur Eingabe von In- rmationen dienen. Diese Zusatzteile elektrischer Speicher
werden im folgenden als Teile dieser Speicher betrachtet und daher nicht mehr ausdrücklich
erwähnt.- Elektrische Speicher müssen im allgemeinen zur Speicherung von eingegebenen
Informationen ständig mit Strom versorgt werden, da sonst eie Information verloren
gehen würde, weswegen solche Speicher dann mit einer Stromversorgungsquelle verbunden
sind. Solche mit einer Quelle verbundenen elektrischen Speicher werden vielfach
verwendet, nicht nur in Schaltungen, welche nur wenige Bauteile enthalten, sondern
auch in sehr viele Bauteile enthaltenden Schaltungen wie digitalen Rechnern und
öffentlichen elektronischen Fernsprech-Vermittlungsanlagen. Die in elektrischen
Speichern enthaltenen Stromkreise besitzen zwar verschiedene bekannte Vorteile wie
ihre Miniaturisierbarkeit, sie enthalten aber oft viele Laststromkreise, welche
im leitenden Zustand Verlustleistungen verbrauchen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere
fUr miniaturisierte Stromkreise in großen Anlagen, in denen der hohe Verbrauch von
Verlustleistung oft besonders störend ist.
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In der Figur ist ein Ausführungsbeispiei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gezeigt. Die mit t Strom zu versorgenden
Stromkreise sind im wesentlichen
in zwei Gruppen eingeteilt, nämlich in die relativ große Gruppe K und in die relativ
kleine Gruppe X'.
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Letztere enthält jene - im allgemeinen vergleichsweise nur wenigen
- Stromkreise, welche die elektrischen Speicher Sp - z.B. Flip-Flops, Schieberegister
und Ringzähler - die zur Aufbewahrung von außerhalb und oder während der Bereitschaftszeit
eingegebenen Informationen dienen und zur Eingabe und Aufbewahrung dieser Informationen
Strom verbrauchen.
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Ausserdem enthält diese Gruppe K' jene Stromkreise St, welche bei
Beaufschlagung mit einem - innerhalb der Schaltung anordnung erzeugten und von ausserhalb
der Schaltungsanordnung zugefW1rten - Steuerslgnal die Umschaltung vom Bereitschaftszustand
zum Betriebszu3tand nur bei Versorgung mit Strom auslösen.
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Zur Gruppe K gehören Halbleiter enthaltende Schaltkreise, die keine
oben bezeichneten elektrischen Speicher Sp und Umschalte-Stromkreise St enthalten.
In einer öffentlichen ernsprech-Vermittlungsanlage gehören also zur Gruppe K z.B.
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alle oder ein wesentlicher Teil der Wegesucheinrichtungen, Einstelleinrichtungen,
Uberwachungseinrichtungen und Signalgabeeinrichtungen. Die Quelle Q dient hier zur
Stromversorgung der Vielzahl von jeweils Halbleiter enthaltenden Stromkreisen, welche
sowohl zur Gruppe K' als auch zur Gruppe K gehören.
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Die Gruppe K' ist gemäß der technisßhen Lehre der Erfindung hier über
die Leitungen 1 nicht nur während des Betriebszustandes der Schaltungsanordnung,
sondern auch während des Bereitschaftszustandes derselben mit einer
Quelle
Q verbunden. Im eingeschalteten Zustand der Schaltung ist die Quelle Q daher auch
während des Bereitschaftszustandes über die Leitungen 1 nur mit den in der Gruppe
K' enthaltenen Stromkreisen verbunden. Die Stromkreise, welche zur Gruppe K gehören,
sind während des Bereitschaftszustandes hier über den Schalter S1 von der Quelle
Q getrennt. Während des Betriebszustandes ist der Schalter S1 leitend. Dann sind
alle in den Gruppen K t und K enthaltenen Stromkreise mit einer zur Stromversorgung
dienenden Quelle Q verbunden. Dieser Schalter S1 kann insbesondere durch einen -
oder falls meiirere vorgesehen sind, durch einen der mehreren - Umschalte-Stromkreise
St, welche bei Beaufschlagung mit einem Steuersignal die Umschaltung vom Bereitschaftszustand
zum Betriebszustand auslösen, direkt gesteuert sein, wie in der Figur angedeutet
ist.
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Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist also durch
entsprechende Steuerung des Schalters S1 erreicht, daß während des Bereitschaftszustandes
durch Steuerung des Schalters S1 in den nicht leitenden Zustand nur die Stromkreise
der Gruppe K' mit einer Quelle verbunden sind und daß während des Betriebszustandes
durch Steuerung des Schalters S1 in den leitenden Zustand auch die Stromkreise der
Gruppe K mit einer Quelle verbunden sind. Falls sich bei einem set viele THalbleiterschaltkrelse
enthaltenden Gerät oder Anlage, insbesondere bei einer elektronischen Fernsprech-Vermittlungsanlage,
ein Teil des Gerätes bzw. ein Teil der Anlage im Betriebszustand und der Rest im
Bereitschaftszustand befindet, so wirken sich durch Anwendung der erfindungsgemäßen
Lehre auf den sich im Bereitschaftszustand befindenden Teil alle Vorteile der Erfindung
gerade auch innnerahlb dieses Teils voll aus.
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In diesem Falle ist also die von der Schaltungsanordnung mit Strom
zu versorgende Schaltung identisch mit dem genannten Teil des Gerätes bzw. mit dem
Teil der Anlage.
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Besonders kleine Verluste können ovt dadurch erreicht werden, daß
in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung während der Bereitschaftszeit nur jene
Stromkreise, welche elektrische Speicher zur Aufbewahrung von ausserhalb und oder
während der Bereitschaftszeit eingegebenen Informationen enthalten und zur Eingabe
und Aufbewahrung dieser Informationen Strom verbrauchen, sowie, falls solche vorhandene
auch Stromkreise, welche bei Beaufschlagung mit einem Steuer signal die Umschaltung
vom BereitDschaftszustand zum Betriebszustand auslösen, mit einer Quelle verbunden
sind. In diesem Fall sind also die übrigen Stromkreise der Gruppe K zugeteilt und
nur während der Betriebszeit mit einer Quelle verbundene Diese Maßnahme eignet sich
besonders für Geräte und Anlagen, welche relativ unempfindlich für Spannungsschwankungen
der Quelle Q sind. Die niedrigen Verluste beruhen hier darauf, daß zur Gruppe K
alle Stromkreise gehören, die nicht unbedingt dauernd mit Strom versorgt werden
müssen und bei Verbindung mit einer Quelle aber zu einem Verbrauch an Verlustleistung
betragen wurden.
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Bei manchen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen erweist es sich
als besonders günstig, außer den vorgenannten, zur Gruppe K' gehörenden Stromkreisen
auch einen oder mehrere Glättungskondensatoren enthaltende Stromkreise schon im
Bereitschaftszustand mit einer Quelle zu verbinden, soweit solche vorhanden sind.
In der Figur ist ein solches Ausfuhrungsbeispiel angegeben. Dort ist nämlich ein
zwei Glättungskondensatoren C enthaltender Stromkreis auch im Bereitschaftszustand
mit der Quelle Q verbunden. Bei diesem
Ausführungsbeispiel kann
die für das Umschalten vom Bereitschaftszustand zum Betriebszustand notwendige Zeitspanne
besonders gering gemacht werden, da nämlich die betreffenden Glättungskondensatoren
bereits auf eine Vorspannung aufgeladen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann
also eine für viele Zwecke günstige raschere Wiederherstellung des Betriebszustandes
erreicht werden, als ohne Aufladung der ClattungsKndensatoren auf diese Vorspannung.
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Eine Weiterbildung des zuletztgen-nten Ausffihrungsbeispiels erhält
man durch die Maßnahme, nur jene im Betriebszustand über die Glattungskondensatore
mLt Strom versorgten Stromkreise schon im Bereitschaftszustand ebenfalls mit der
die Glättungskondensatoren aufladeider' Quelle zu verbinden, welche wesentlich zur
zuladung der betreL£enden Glättungskondensatoren auf deren im Betriebszustand erforderliche
Betriebsspannung beitragen. Eine solche Weiterbildung ist auch in der Figur gezeigt.
Dort ist nämlich ein solcher im Betriebszustand über die Glättungskondensatoren
C mit Strom versorgter Stromkreis, enthaltend den Widerstand R, gezeigt, der im
Bereitschaftszustand mit der Quelle Q verbunden ist, wobei diese Quelle die Aufladung
der Glättungskondensatoren C zumindest angenähert auf deren im Betriebszustand erforderliche
Betriebsspannung unter Mitwirkung dieses Widerstandes R bewirkt. Bei dieser Ausgestaltung
sind also die Glättungskondensatoren nicht nur schlechthin bereits auf eine Vorspannung
aufgeladen, sondern zumindest angenähert gerade auf dieJenige Betriebsspannung,
auf welche diese G1ttungskondensatoren C während des Betriebszustandes der Schaltungsanordnung
aufgeladen sein sollen. Da hier die Glgttungskondensatoren C zumindest angenähert
bereits auf ihre Betriebsspannung aufgeladen sind, ist diese Weiterbildung
insbesondere
für Geräte und Anlagen, die empfindlich gegen Schwankungen der Versorgungsspannung
sind, vorteilhaft. Außderdem hat diese Weiterbildung den oft sehr wichtigen Vorteil,
daß die Zeitspanne zur Umschaltung vom Bereitschaftszustand zum Betriebszustand
extrem kurz gemacht werden kann. Von besonderer Bedeutung ist der zuletzt genannte
Vorteil dann, wenn das Auftreten und die Dauer der Bereitschaftszustände statistische
Gesetze befolgt, wenn also die Umschaltung zum Betriebszustand spontan ohne Vorankündigung
zu erfolgen hat. In diesem Fall fließt nämlich über den bei Beginn des Betriebszustandes
in den leitenden Zustand gesteuerten Schalter S2 ein Stromversorgungs-Strom zu den
zur Gruppe K gehörenden Stromkreisen sofort und zuverlässig mit solcher Amplitude,
wie für die Funktion der zur Gruppe K gehörenden Stromkreise vorgesehen ist. Hierzu
ist bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel der Schalter 52 vorgesehen,
der während der Bereitschaftszeit alle Jene im Betriebszustand über die Glättungskondensatoren
mit Strom versorgten Stromkreise von ihrer Quelle Q abtrennt, welche nicht wesentlich
zur Aufladung der GlEttungskondensatoren C auf deren Betriebsspannung beitragen.
Durch Einfügung eines oder mehrerer dem Schalter S2 entsprechenden Schalter können
darüber hinaus weitere Verluste vermieden werden, welche die hier über S2 im Betriebazustand
versorgten Stronkreise sonst im Bereitschaftszustand verbrauchen würden. Durch Einfügung
des Schalters S2 werden hier also Jene ix Betriebszustand über die Glättungskondensatoren
C mit Strom versorgten Stromkreise, welche nicht wesentlich zur Aufladung der Glättungskondensatoren
C auf deren Betriebsspannung beitragen, sozusagen der Gruppe K von Stromkreisen
zugeordnet, die nur in deren Betriebszustand mit Strom versorgt werden, wodurch
besonders kleine Verluste bei ausserordentlich kurzen Zeitspannen zum Umschalten
vom Bereitschaftszustand in den Betriebszustand erreicht werden.
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Oben wurde bereits angegeben, daß vorgesehen werden kann, während
des Bereitschaftszustandes nur bestimmte, oben genannte Stromkreise mit einer Quelle
Q zu verbinden, wodurch besonders niedrige Verlustleistungen verbraucht werden.
Ähnliches kann auch bei allen anderen genannten Ausführungsbeispielen vorgesehen
werden, daß nämlich während des Bereitschaftszustandes nur Jene Stromkreise mit
einer Quelle verbunden werden, die hier ausdrücklich als mit einer Quelle verbunden
genannt sind. Hierdurch wird dann bei allen Geräten und Anlagen, die im Bereitschaftszustand
keine weiteren mit Strom versorgten Stromkreise benötigen, die also im Bereitschaftszustand
z.B. keine Kontrollampen mit Strom versorgen sollen, nur eine besonders niedrige
Verlustleistung verbraucht.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und deren Ausgestaltungen
kann jeweils vorgesehen sein, daß mehrere oder alle Quellen zu einer einzigen Quelleneinheit
zusnmmengefaßt sind. In der Figur ist eine derartige Maßnahme gezeigt.
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Dort ist nämlich nur eine einzige Quelle Q angegeben, welche hier
sämtliche Stromkreise der Schaltung im Betriebszustand mit Strom versorgt. Die in
der Figur gezeigt Quelle stellt also eine einzige Quelleneinheit dar, welche hier
das gesamte Gerät, bzw. die ganze Anlage mit Strom versorgt. Dadurch, daß nur eine
einzige Quelleneinheit statt vieler einzelner Quellen vorgesehen wird, kann vorteilhafterweise
neben der Verringerun der Zahl der Quellen auch eine Verringerung der Zahl der Schalter,
welche die Umschaltung vom Bereitschaftszustand in den Betriebszustand bewirken,
erreicht werden. So ist in dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch,
daß nur eine einzige Quelleneinheit Q vorgesehen ist, erreicht, daß hier allein
durch die Schalter S1 und S2 die Umschaltung bewirkt werden kann.
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Statt spezielle Schalter für die Umschaltung vom Bereitschaftszustand
zum Betriebszustand vorzusehen, also statt die in der Figur gezeigten Schalter Si
und S2 vorzusehen, ist es auch grundsätzlich moglich, solche Schalter, welche bereits
in den in den Gruppen K und K' enthaltenden Stromkreisen für andere Zwecke, z.B.
zur Durchführung von Verknüpfungsfunktionen vorgesehen sind, für die Umschaltung
mitauszunutzen. Durch eine solche Mitausnutzung können eigens für die Umschaltung
vorgesehene Schalter, wie die in der Figur gezeigten Schalter S1 und 52, eingespart
werden.
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5 Patentansprüche 1 Figur