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Beschreibung
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"Schaltungsanordnung zur Speisung von Bausteinen in Teilnehmerstationen"
Zusatz zu DBP . . .. (P 29 31 922) Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Speisung von eine konstante Betriebsspannung erfordenden Bausteinen in über
eine Anschlußleitung gespeiste Teilnehmerstationen, bei der eine erste Schaltungsmaßnahme
vorgesehen ist, welche den Schleifenstrom in der Anschlußleitung bestimmt, bei der
eine zweite Schaltungsmaßnahme vorgesehen ist, welche den Wechselstromwiderstand
der Schaltungsanordnung bestimmt, bei der ein erster Stromkreis zum Speien des Bausteins
mit dem Schleifenstrom, ein zweiter Stromw.kreis zur Ableitung des Schleifenstromes
vom Baustein und eine Vergleichsschaltung zur Umschaltung des Schleifenstromes vorhanden
ist (nach Patentanmeldung P-29 31 922.0).
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Teilnehmerstationen (Endstellen) von Fernmelde- und Fernsprechanlagen
werden über die Teilnehmeranschlußleitung,
hier kurz Anschlußleitung
genannt, gespeist. Die Endgeräte erhalten hierzu ihren Speisestrom z4 B. aus einer
60 V Amtsbatterie über eine Drosselspule oder Relaiswickbeispielsweise lung, welche/einen
Wicklungswiderstand von 1 k# hat. Je nach Länge der Teilnehmeranschlußleitung@ deren
ohmscher Widerstand bis zu 2,5 k# betragen darf, ergeben sich dadurch im Kurzschlußfall
Schleifenströme zwischen 17 und 60 mA. Dem Schleifenstrom überlagert ist der Sprechstrom
oder gegebenenfalls ein niederfrequenter Signalstrom. Für diesen soll das Endgerät
einen Wechselstromwiderstand von z. B. 600 # haben.
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Künftig werden immer mehr Funktionen der Endgeräte, wie z. B. die
Wahlsignalabgabe, von integrierten Schaltungen (Bausteinen) ausgeführt. Um in diesen
mit möglichst wenig Verlustleistung auszukommen und um genügend Sicherheitsabstand
von der maximal zulässigen Betriebsspannung der Bausteine zu haben, ist eine möglichst
niedrige Betriebsspannung an den Anschlußklemmen der Endstelle wünschenswert. Andererseits
sollen gelegentlich auftretende hohe Amplituden dem Gleichstrom überlagerter Donsignale
unverzerrt übertragen werden.
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Ist z. B. ein Baustein für eine Betriebsspannung von 3 V vorgesehen
und mit einer Maximalamplitudz der Wechselspannung von 2,5 V zu rechnen, so ist
ohne zusätzliche Schaltungsmaßnahmen eine KlemmenspannunE von mindestens 3 V + 2,8
V 5,8V erforderlich, wobei jedoch als weiteres Problem die Realisierung eines linearen
600Q -Wechselstromwiderstandes hinzukommt.
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Eine SchaltungsaSordmng, die diese Schwierigkeiten verhindert, ist
z. B. aus der DE-OS 29 31 922 bekannt. Bei dieser.Schaltungtanordnung ist eine erste
Schaltungsmaßnahme vorgesehen, welche den Schleifenstrom in der knschlußleitung
und eine zweite Schaltungsmaßnahme, wel che den Wechselstromwiderstand der Schaltungsanordnung
be.sti.mmt.- Hierbei dient ein erster Stromkreis zum Speisen des eine -konstanteBetriebsspannung
erfordenden Bausteins mit dem Schleifenstrom und ein zweiter Stromkreis zur Ableitung
des Schleifenstromes vom Baustein, falls die Klemmenspannung der Anschlußlejtung
unterhalb der Betriebsspannung des Bausteins sinkt.
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Die- Ausgestaltung dieser bekannten Schaltungsanordnung sieht vor,
daß der eine konstante Betriebsspannung erfordenden Baustein von einem komplementären
Darlingtontransistor gespeist wird, dessen Basisspannung einen zweiten Stromkreis
so steuert, daß dieser beim Unterschreiten der Basisspannung unter eirAM vorgebenen
Wert den zweiten Stromkreis zum Ableiten des Schleifenstromes einschaltet.
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Die dort beschriebene 'Ausgestaltung hat jedoch den Nachteil, daß
bei ihrer Integration auf einem Halbleiterchip die Schaltungsanordnung im Gebiet
der Stromübernahme des Speisestromes vom Baustein auf die Ableitung elektrische
tiP-Schwingungen auStreten, die nur durch weitere externe, nicht auf dem Baustein
integrierbare Bauteile beseitigt werden können..Außerdem besteht der Wunsch, die
minimal zulässige Spannung für die Anschlußleitungsklemmen weiter zu reduzieren
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung. der eingangs
genannten Art weiterhin
zu verbessern, so daß die Schaltung insbesondere
ohne externe Pbasenkorrekturmsßnahmen auskommt Die Aufgabe wird durch die im Anspruch
1 genannte Erfindung gelöst. Die erfindungsgemäße Schaltung erfordert zu ihrem stabilen
Betrieb keine zusätzlichen externen Bauteile, wie z. B. Kondensatoren'und vermeidet
Verzerrungen der an der Anschlußleitung liegenden Signalspannungen selbst dann,
wenn deren Amplitude die Speisespannung um 1,5 V unterscheidet. Bei einer Klemmenspannung
der Anschlußleitung von 5 V ist folglich ein Tonsignal von 7 Vss unverzerrt übertragbar.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird nun anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: FIG. 1 Schaltbild des Ausführungsbeispiels
FIG. 2 Zeitlicher Verlauf einer angenommenen Klemmenspannung FIG. 3 Zeitlicher Verlauf
des Speise stromes I1 FIG. 4 Zeitlicher Verlauf des abgeleiteten Stromes I2 In FIG.
1 ist das Schaltbild der erfinduagsgemäßen Schaltungsanordnung angegeben. Das Endgerät
rLt den Klemmen K1 und K2 ist an der a- und b-Ader der Anseylußleitung angeschlossen,
deren Leitungswiderstand als Widerstand 3 dar-
gestellt ist und
die vom Amt von einer 60 V-Batterie 1 über den Gleichstromwiderstand 2 einer Drossel-
oder Relaiswicki.ung von 1 k: gespeist wird. Die im Endgerät eingebaute: erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung umfaßt die Bauteile 4 bis 131. Der zu speisende Baustein ist
mit 20 bezzichnet. Die Bauteile 4 bis 13 sind aus der bereits zitierten DE-OS 29
31 922 bekannt und wurden mit gleichen Ziffern bezeichnet. Bauteile der Weiterbildung
sind mit 3-stelligen Ziffern gekennzeichnet.
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Die erste Schaltungsmaßnahme, welche den Schleifenstrom in der Anschlußleitung
bestimmt, enthält als wesentliches Bauteil einen Transistor 120 in Planartechnik
mit zwei Kollektoren, von denen der eine, hier als normaler Kollektor C1 bezeichnet,
den Emitter ringförmig umgibt, so daß der Transistor mit diesem Kollektor wie üblich
arbeitet. Der zweite Kollektor 02, im folgendenmit Hilfskollektor bezeichnet, umgibt
wiederum den normalen Kollektor Cj ebenfalls ringförmig Er ist dadurch vom Emitter
des Transistors durch den normalen Kollektor C1 abgeschirmt und führt erst dann
Strom, wenn die Kollektorspannung des normalen Kollektors Cl unter die Sättigungsspannung
sinkt, was bei einer Spannung des Kollektors C1 gegen Emitter von etwa 0,15 V eintritt.
Der Hilfskollektor C2 dient hier zur Steuerung des Ableitstromes; Ein Transistor
mit Hllfskollektor st beispielsweise in IEEE, Vol SC-13, No 6, Dec 19?8, p 840 in
Verbindung.mit FIG 5 beschrieben
Die Arbeitsweise der bekannten
Schaltungsanordnung wird erfindungsgemäß dadurch wesentlich verbessert, daß als
erste Schaltungsmaßnahme, die den Schleifenstrom in der Anschlußleitung bestimmt,
der Transistor 120 von einem ersten Leitfähigkeitstyp mit dem normalen Kollektor
Cl und dem Hilfskollektor C2 vorgesehen ist, an dessen Basis ein an die beiden Anschlußklemmen
E1 und E2 geschalteter Basisspannungsteiler 6, 7 und an dessen normalem Kollektor
C1 die Basis eines komplementären Transistors 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeschlossen
ist. Der Kollektor des komplementären Transistors 13 ist über einen ersten Widerstand
14 mit der einen AnschluBleitungeklemme K1 und der Emitter des komplementären Transistors
13 ist mit dem zu versorgenden Baustein 20 verbs den, dessen konstante Betriebsspannung
beispielsweise 3 V beträgt? Im Ausführungsbeispiel ist der Transistor vom ersten
Leitfähigkeitstyp ein PNP-Transistor und der komplementäre Transistor 13 hierzu
ein NPN-Transistor.
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Die zweite Schaltungsmaßnahme, welche den Wechselstromwider stand
der Schaltungsanordnung bestimmt besteht aus einer Reihenschaltung eines Kondensators
4 mit einem Widerstand 5, die zwischen der Basis des ersten Transistors 120 und
der einen Anschlußleitungsklemme K1 geschaltet ist.
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Durch die erste Schaltungsmaßnahme wird ein erster Stromkreis durch
die Reihenschaltung des ersten Widerstandes 14 mit der Kollektor-Emitter-Strecke
des komplementären Transistors 13 gebildet Der über diese genaniten Bauelemente
fließende Strom 11 speist den Baustein 2C;
Der zweite Stromkreis,
der erst dann wirksam wird, wenn die Klemmenspannung der Anschlußleitung unter die
Betriebsspannung des Bausteins 20 sinkt, wird durch die Kollektor-Emitter-Strecke
eines zwischen dem Kollektor des komplementären Transistors 13 und der anderen Aaschlußleitungsklemme
K2 geschalteten Transistors 8 vom zweiten Iieitfähigkeitstyp, also einem NPN-Transistor,
gebildet.
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Gesteuert wird dieser Transistor dadurch, daß seine Basis an den Hilfskollektor
des ersten Transistors 120 angeschlossen ist.
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Die Vergleichsschaltung zur Umleitung des Schleifenstromes wird durch
den Aufbau des Transistors 120 gebildet Der FIG. 1 ist ferner zu entnehmen, daß
das an die 4nschluÇ klemme K1 angeschlossene Basisspannungsteilerelement durch eine
erste Stromquelle 600 gebildet ist. Diese Stromquelle speist einen konstanten Strom
in das andere Basisspannungsteilerelement, einem Widerstand 7, dessen anderes Ende
an die Anschlußleitungsklemme K2 angeschlossen ist. Der konstante Strom durch den
Widerstand 7 bewirkt eine konstante Spannung am Widerstand 7.und damit an der Basis
des Transistors 120 bezüglich der Klemme K2. Ferner ist der Transistor 120 der eine
Transistor eines Differenzvezstärkers, dessen gemeinsamerEmitterwiderstand 141 mit
der einen Anschlußleitungsklemme K1 verbunden ist und dessen anderer Transistor
121 mit seiner Basis zum einen über eine Konstantspannungsquelle mit dem Kollektor
des komplementären Transistors 13 und zum anderen über eine zweite Stromquelle 124
mit der anderen Anschlußleitungsklemme K2 verbunden ist. Die Konstantspannungsquelle
ist im Ausführungsbeispiel durch zwei als Diode geschaltete Transistoren 125 und
126 gebildet.
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Als Kollektorwiderstand ist für den Differenzverstärker eine Stromspiegelschaltung
mit einem als Diode geschalteten Transistor 122 in der Kollektorleitung des Transistors
121 und mit einem von dem Transistor 122 gesteuerten rlrcL sistor 123 in der Kollektorleitung
des normalen Eollektors C1 des Transistors 120 vorgesehen. Diese Stromspiegelschaltung
gestattet noch bei niedrigen Betriebsspannungen des Differenzverstärkers eine hohe
Spannungsverstärkung des Transistors 120.
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Die konstante Basisspannung des Transistors 120 bewirkt über dessen
Basis-Emitter-Strecke und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 121 eine bezüglich
der Klernne K2 ebenfalls konstante Spannung an der Basis des Transistors 121 und
über die durch. zwei in Reihe geshalteten Dioden realisierte Konstantspannungsquelle
125, 126 auch eine nahezu konstante Kollektcrspannung des Transistors 13.
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den Die Klemmenspannung der Anschlußleitung ist gegeben durch/ Spannungsabfa
11 am Widerstand 14 und durch die Basisspannung des Transistors 120, die gegebenenfalls
durch die GröZe des Stromes durch die Stromquelle 600 oder durch den Basisspannungsteilerwiderstand
7 justiert werden kann. Da der Widerstand 14 einen Widerstandswert von etwa 10 zur
hat, liegt die Änderung der Klemmenspannung bei unterschiedlichen Schleifenströmen
im Bereich von et. IV Durch diese n u konstante Klemmenspannung wird in Verbindung
mit dem Widerstand der Anschlußleitung, dem Innenwiderstand und der Leerlaufspannung
der amtsseitigen Speisung der Teilnehmeranschlußleitung der Schleifenstrom bestimmt.
Änderungen der Klemmenspannung werden über den Widerstand ., die beiden Dioden 125
und 126, den Differenz-
verstärker, den Kollektor C1 und den Transistor
13 ausgeregelt und veQursachen unterschiedliche Speiseströme fur den Baustein 20,
dessen Betriebsspannung durch eine Konstantspannungsschaltung 22 konstant gehalten
wird, der ein Kondensator 21 parallel geschaltet ist Mit 23 ist eine eine konstante
Betriebsspannung erfordernde Schaltung, beispielsweise ein Verstärker,bezeichnet.
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Tonfrequente Wechselspannungen gelangen über den Kondenscltor 4 und
den Widerstand 5 auf die Basis des Transistors 120 und steuern über Transistor 120
den Transistor 13 und damit den Strom Ip, so daß hierdurch der Wechselstrominrenwiderstand
der Schaltungsanordnung auf einen gewünschten Wert festgelegt werden kann; Im Ausführungsbeispiel
wurden folgende Werte und Einstellungen gewählt: C4 # 30/uF C128, C129 # 10-30 pF
R5=10k# R7=22 k# R14=10# R131 Spannung zwischen Basis des Transistors 120 und Klemme
K2 etwa 3,7 V.
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Sinkt im Ausführungsbeispiel die Klemmspannung der ßnschlu3-leitung
auf 4 V, so gelangt die Spannung zwischen Kollektor Cl und Emitter des Transistors
120 in dss Gebiet ier Sättigungsspannung von etwa 0,15V und der Emitterstrom des
Transistors 120 fließt zum Kollektor C2, dessen Spannung bezüglich seines Emitters
noch etwa 3 V beträgt Der nun über den Kollektor C2 fließende Strom steuert den
Transistor 3 aus, so daß nun der Schleifenstrom vom zweiten Stromkreic, gebildet
durch die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 8, übernommen
wird.
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Der Vergleich zwischen der konstanten Betriebsspannung des Bausteins
20 und der zur Verfügung stehenden Elemmenspannung wird folglich in diesem Ausführungsbeispiel
im Transistor 120 durchgeführt und hat als Kriterium den Cbergang des durch den
Kollektor C1 fließenden normalen Sollektorstromes auf den Hilfskollektor C2. Auch
hier sind bei der Stromübernahme HF-Schwingungen zu beobachten, die aber durch integrierbare
Kapazitäten in der GröBenordnkng von 10 bis 30pF zwischen Jeweils einem Kollektor
und der Basis des Transistors 120 leicht und sicher zu beseitigen sind.
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FIG. 2 zeigt den Verlauf eines sinusförmigen Tonfrequenzsignals zwischen
den Klemmen K1 und K2 der Anschlußleitung bei einer Spannung von 3 V am Kondensator
21. Die vom Schleifengleichstrom bewirkte Spannung an den Klemmen K und K2 betrage
beispielsweise 5 V. Die Amplitude der überlagerten Wechselspannung sei 3,5 V.
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Ohne Stromableitung über den Transistor 8 ergibt sich der strichliert
dargestellte Kurvenverlauf. Er zeigt, daß die Spannung unterhalb 4,5 V abgeflacht
ist und das Wechselspannungssignal somit verzerrt wird, woraus eine unerwünschte
Verzerrung der Tonübertragung folgt, die mit erheblichen Änderungen des Wechselstromwiderstandes
der Schaltungsanordnung verbunden ist. Bei Vorhandensein der Ableitung des Schleifenstromes
über den Transistor 8 wird diese Abflachung vermieden.
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In FIG. 3 ist der Verlauf des Speisestromes I1, der durch den Emitter
des Transistors 13 fließt, dargestellt und in
FIG. 4 der Verlauf
des abgeleiteten Stromes I2, der im wesentlichen über die Eollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 8 fließt. Sinkt die Klemmenspannong unter 4 V, so hört der Speisestrom
11 auf zu fließen und wird vom Transistor 8 als Ableitstrom I2 in gewünschter Weise
übernommen. Während der kurzen Zeit, in der der Speisestrom unterbrochen ist, hat
der Kondensator 21 (FIG. 1) die AAfgabe, den Speisestrom für die Schaltung 23 zu
liefern Durch die erfindungsgemäße Schaltungsano->dnung wird folglich der Einsatzpunkt
beginnender Wechsestromspannungsverzerrungen zu niedrigeren Klemmenspannungen hin
veriagert, so daß bei einem maximalen Schleifenstrom von 100 mA und einem Klemmenspannungsmittelwert
von 6 V die Verlustleistung der Schaltungsanordnung nur 600 mW beträgt. Ohne die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und einer dann erforderlichen mittleren Klemmenspannung
von etwa 8,5 V wäre die Verlustleistung jedoch 850 mW, so daß dann bereits aufwendige
Kühlmaßnahmen .erforderlich wären. Auch würde eine mittlere Klemmenspannung von
8,5 V mit einer überlagerten Wechselspannungsamplitude von 3 V,Spitzenspannungen
von 11,5 V ergeben, die zu technologischen Schwierigkeiten im integrierten Schaltkreis
führen würden.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt dagegen die maximale
Spitzenspannung unter 10 V und damit im sicheren Bereich.
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In vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
der Baustein 20 bis zu einer Schleifengleichspannung von 4 V noch gespeist. Bei
einem Schleifen-iPchstrom von 17 mA beträgt die Klemmenspannung 5 V
Im
gesamten Strombereich von 17 bis 100 mA bleibt der Klirrfaktor überlagerter Tonfrequenzsignale
mit 7Vss unter 1%