-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, welche ihre Impedanz an die Impedanz einer
Versorgungsleitung automatisch anpaßt, um eine maximale Leistung abzugeben. Die Erfindung
betrifft spezieller die Versorgung eines Lautsprechers eines Telefongeräts während des Läutens,
um ein akustisches Signal abzugeben, das so laut wie möglich ist.
-
Fig. 1 zeigt schematisch eine klassische Klingelschaltung, welche eine automatische
Anpassung an die Impedanz einer Telefonleitung L erlaubt. Sie umfaßt eine Gleichrichterbrücke, die
eine gleichgerichtete Leitungsspannung VL an einen Regler 12 abgibt. Dieser Regler liefert
eine konstante geregelt Spannung VCC, welche insbesondere einen Mikorprozessor 14 und
einen Klingelverstärker 16, der mit einem Lautsprecher 18 verbunden ist, versorgt.
-
Beim Klingeln liefert der Mikroprozessor 14 eine Melodie M in der Form eines
Rechtecksignals mit variabler Frequenz zur Übertragung an den Lautsprecher 18.
-
Eine Telefonleitung weist eine nicht vernachlässigbare Impedanz ZL auf, die von einer
Einrichtung zur anderen unbestimmt variiert. Die auf der Leitung L abgegriffene Leistung ist
maximal, wenn die Impedanz Z aufgrund des oder der mit der Leitung verbundenen
Schaltkreise gleich der Impedanz ZL ist.
-
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung umfaßt eine Regelschleife, die durch einen Multiplizierer 20
gebildet ist, der das Produkt des Signals M mit der Leitungsspannung VL an den Eingang des
Verstärkers 16 anlegt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 oder des Multiplizierers 20
wird so gewählt, daß die Amplitude des Signals VA, das an den Lautsprecher 18 angelegt
wird, sich auf einen Wert stabilisiert, für den die Impedanz Z des Schaltkreises in der Nähe
der Impedanz ZL der Leitung L liegt.
-
Die Amplitude des Signals VA am Ausgang des Verstärkers 16 ist somit meistens kleiner als
die Versorgungsspannung VCC des Verstärkers. Dies führt zu einem Verlust an Leistung, die
in dem Verstärker 16 verbraucht und nicht an den Lautsprecher 18 geliefert wird.
-
Die europäische Patentanmeldung 0 554 192 beschreibt einen ähnlichen Klingelschaltkreis,
der es ermöglicht, die in dem Verstärker verlorene Leistung zu unterdrücken und somit mehr
Leistung an den Lautsprecher liefert. Hierfür wird der Multiplizierer 20 durch einen
Pulsbreiten-Modulator ersetzt, der die zyklische Wiederholung des Klingelsignals als Funktion
der Leitungsspannung regelt.
-
Wenn die verfügbare Leistung besonders gering ist, wenn z. B. mehrere Stationen an
derselben Leitung parallel angeschlossen sind, wird das an den Lautsprecher übertragene Signal
durch schmale Impulse gebildet, die eine große Vielzahl von Oberschwingungen aufweisen,
die unangenehm anzuhören sind.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Klingelschaltkreis vorzusehen, der
einen angenehmen Klang erzeugt, an die Impedanz der Leitung angepaßt werden kann und
den Lautsprecher optimal versorgt.
-
Es ist eine allgemeinere Aufgabe der Erfindung, eine an die Impedanz einer
Versorgungsleitung anpaßbare Vorrichtung vorzusehen, um eine Last mit einem Signal, das irgendwo auf der
Leitung abgegriffen wird, optimal zu versorgen.
-
Diese Aufgaben werden mit einer Einrichtung gelöst, welche an die Impedanz einer
Versorgungsleitung angepaßt werden kann, um eine Last optimal zu versorgen, mit einem
geschalteten Spannungsregler, von dem ein Signal abgenommen und an die Last angelegt wird, einer
Regelschleife zum Einstellen der Amplitude des an die Last angelegten Signals als eine
Funktion der Leitungsspannung, und Mitteln zum Angleichen der Ausgangsspannung des
Spannungsreglers an die Amplitude des an die Last angelegten Signals.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zum Angleichen
Vergleichermittel zum Vorsehen eines Erfassungssignals, das aktiv ist, wenn die Ausgangsspannung
des Spannungsreglers niedriger ist als die eingestellte Amplitude des Signals, das an die Last
angelegt wird, und ein Tiefpaßfilter zum Empfangen des Erfassungssignals und Modifizieren
einer Bezugsspannung des Spannungsreglers.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung empfängt der Spannungsregler eine niedrige
Bezugsspannung, zu der die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters addiert wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Einrichtung einen Verstärker zum
Versorgen der Last und Empfangen des Produkts eines Sollsignals mit der Leitungsspannung,
wobei die Vergleichermittel durch einen Detektor zum Erfassen der Sättigung des Verstärkers
gebildet sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Verstärker einen
Ausgangstransistor, der die Last ausgehend von der Ausgangsspannung des Spannungsreglers versorgt,
wobei der Sättigungsdetektor zum Erfassen der Sättigung des Ausgangstransistors vorgesehen
ist.
-
Diese sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden
Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele in bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
-
Fig. 1, die bereits beschrieben wurde, den Stand der Technik und das durch die Erfindung zu
lösende Problem;
-
Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Anpassung an die
Impedanz einer Versorgungsleitung;
-
Fig. 3 eine schematische Darstellung von Signalwellenformen, um den Betrieb des
Schaltkreises der Fig. 2 zu illustrieren; und
-
Fig. 4 ein Beispiel eines Sättigungsdetektors, der in dem Schaltkreis der Fig. 2 verwendet
werden kann.
-
In Fig. 2 sind die gleichen Elemente wie in Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in Fig. 1 wirkt ein Klingelschaltkreis gemäß der Erfindung auf die Amplitude des Signals
VA, das von dem Verstärker 16 geliefert wird, derart ein, daß die Impedanz Z des
Schaltkreises an die Impedanz ZL der Telefonleitung L angepaßt wird.
-
Gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung wird zum Minimieren der Leistungsverluste in dem
Verstärker 16 die Ausgangsspannung VCC des Reglers 12 an die Amplitude des Signals VA
angeglichen. Um die Ausgangsspannung VCC des Reglers 12 ohne Leistungsverluste modifizieren
zu können, muß beachtet werden, daß der Regler 12 ein Schaltregler sein sollte, was im
allgemeinen der Fall ist.
-
Der Schwankungsbereich der Spannung VCC sollte so gewählt werden, daß der
Mikroprozessor 14 und der Verstärker 16 gut arbeiten können. Die Spannung VCC hat somit eine untere
Grenze (häufig 3 Volt), unterhalb der der Verstärker 16 und der Mikroprozessor 14 nicht
arbeiten, und eine obere Grenze, bei der der Mikroprozessor 14 zu viel Strom verbraucht. Es ist
vorteilhaft, zwischen den Regler 12 und den Mikroprozessor 14 einen Zusatzregler 22
einzufügen, der den Mikroprozessor 14 mit einer konstanten Spannung versorgt, die gleich der
Untergrenze (3 Volt) der Spannung VCC ist. Der Regler 22 muß keine hohe Leistung haben
und kann somit eine einfache Struktur aufweisen (Serienregler).
-
Um die Ausgangsspannung VCC des Reglers 12 an die Amplitude der an den Lautsprecher 18
gelieferten Spannung VA anzupassen, wird die Differenz zwischen der Spannung VCC und der
Amplitude der Spannung VA erfaßt, und als Funktion dieser Differenz wird eine
Bezugsspannung Vref des Reglers 12 modifiziert, um diese Differenz zu reduzieren.
-
Fig. 2 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform zur Realisierung dieser Funktion. Der
Verstärker 16 ist mit einem Sättigungsdetektor 26 ausgestattet, der ein Signal Id liefert, das
aktiv ist, wenn der Verstärker 16 in die Sättigung geht, d. h. wenn die Versorgungsspannung
VCC zu tief ist, als daß der Verstärker 16 ein Signal VA liefern könnte, dessen Amplitude
seinem Eingangssignal kM · VL entspricht (der Koeffizient k ist der Verstärkungsfaktor des
Multiplizierers 20 oder ein Multiplikationskoeffizient, der an eines der Signale M und VL
angelegt wird). Das Erfassungssignal Id durchläuft eine Tiefpaßfilterung bei 28, bevor es bei 30
mit einer tiefen Bezugsspannung V&sub0; addiert wird, um die Bezugsspannung Vref des Reglers 12
zu bilden. Die tiefe Bezugsspannung V&sub0; entspricht der Untergrenze der Spannung VCC. Das
Signal Id ist im allgemeinen ein Strom; das Tiefpaßfilter 28 umfaßt somit eine Kapazität und
einen Widerstand, die parallel geschaltet und mit einem festen Potential, z. B. Masse,
verbunden sind.
-
Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Veränderung der Eingangsspannung kM · VL des Verstärkers 16,
der Ausgangsspannung VCC des Reglers 12 und der Spannung VA, die an den Lautsprecher 18
geliefert wird. Es sei angenommen, daß der Verstärker 16 eine Einheitsverstärkung aufweist,
und somit die Amplitude des Signals VA normalerweise gleich der des Signals kM · VL ist.
Obwohl das Signal M in einem Klingelschaltkreis normalerweise rechteckig ist, sei hier angenommen,
daß es fortgesetzt gleich 1 ist, was das Verständnis erleichtert und zeigt, daß die
erfindungsgemäße Einrichtung zur optimalen Versorgung einer Last 18 mit einem beliebigen
Signal verwendet werden kann.
-
Anfangs, zu einem Zeitpunkt t0, ist die Spannnung VCC an ihre Untergrenze, welche durch die
niedrige Bezugsspannung V&sub0; bestimmt wird. Das Signal M geht von einem Wert gleich Null
zu seinem Nennwert (konstant). Die Impedanz Z des Schaltkreises ist anfänglich hoch, weil
der Schaltkreis bis zum Zeitpunkt t0 praktisch keinen Strom verbraucht. Somit ist die
Leitungsspannung VL und also auch das Produkt kM · VL hoch, so daß der Verstärker 16 in der
Sättigung ist (die Amplitude des Signals VA ist gleich der Spannung VCC). Der
Sättigungsdetektor 26 liefert einen Strom Id, welcher die Kapazität des Filters 28 lädt, woraus sich ergibt,
daß die Bezugsspannung Vref und somit die Spannung VCC steigt. Die Spannung VA folgt
dieser Entwicklung, weil das Produkt kM · VL noch immer zu hoch ist. Demzufolge nimmt die
Impedanz Z des Schaltkreises ab, weil der Verstärker 16 einen zunehmenden Strom an den
Lautsprecher 18 liefert. Die Spannung VL beginnt somit abzunehmen, bis sie zu einem
Zeitpunkt t1 einen Wert annimmt, bei dem die Amplitude der Spannung VA gleich dem Produkt
kM · VL ist.
-
Zum Zeitpunkt t1 ergibt sich ein Gleichgewichtszustand, in dem der Verstärker 16 an seiner
Sättigungsgrenze ist und der Sättigungsdetektor 26 einen Strom Id liefert, der gerade
ausreichend ist, um die Spannung an den Anschlüssen der Kapazität des Filters 28 konstant zu
halten und somit die Spannung VCC konstant zu halten.
-
Der Gleichgewichtszustand zum Zeitpunkt t1 sollte der optimalen Regelung entsprechen.
Hierzu wird der Koeffizient k so gewählt, daß die Leitungsspannung VL im Gleichgewicht
gleich der halben Nennspannung stromaufwärts der Leitung L ist (d. h. die Impedanz Z der
Schaltung ist gleich der Leitungsimpedanz ZL). Der optimale Koeffizient k wird ausgedrückt
durch:
-
wobei RHP der Widerstandswert des Lautsprechers 18 und ρ der globale Wirkungsgrad des
Reglers 12 und des Verstärkers 16 ist.
-
Zum Zeitpunkt t2 steigt die auf der Leitung L verfügbare Leistung abrupt an, z. B. in Folge der
Unterbrechung eines Telefongerätes. Diese Leistungserhöhung setzt sich fort in einer
Erhöhung der Leitungsspannung VL und somit des Produktes kM · VL. Die Spannung VCC folgt
dieser Entwicklung nicht sofort, der Verstärker 16 kann kein Signal VA mit einer Amplitude,
welche dem Produkt kM · VL entspricht, liefern. Er geht in die Sättigung, und die Spannung
VCC erhöht sich, während die Spannung VL abnimmt.
-
Zu einem Zeitpunkt t3 ist der Verstärker 16 wieder bei seiner Sättigungsgrenze. Die
Spannung VCC stabilisiert sich dann auf einen Wert, der höher ist als der, der zum Zeitpunkt t1
erreicht wurde, weil eine höhere Leistung zur Verfügung steht.
-
Zu einem Zeitpunkt t4 bricht die verfügbare Leistung abrupt ab, z. B. weil ein oder mehrere
Telefongeräte mit der Leitung verbunden werden. Die Spannung VL fällt soweit, daß das
Produkt kM · VL niedriger wird als die Spannung VCC. Der Verstärker liefert daher das
entsprechende Signal VA ohne Sättigung. Der Sättigungsdetektor 26 bleibt inaktiv, der Kondensator
des Filters 28 entlädt sich, und die Spannung VCC nimmt ab. Die Spannung VCC nähert sich
- dann der Amplitude des Signals VA, was den Leistungsverlust im Verstärker 16 verringert. Da
der Leistungsverlust im Verstärker 16 abnimmt, erhöht sich die Impedanz Z der Schaltung
und somit die Leitungsspannung VL. Als Folge erhöhen sich das Produkt kM · VL und die
Amplitude des Signals VA.
-
Zum Zeitpunkt t5 sind die Amplitude des Signals VA und die Spannung VCC derart, daß der
Verstärker 16 an seine Sättigungsgrenze kommt, was wiederum dem optimalen
Gleichgewichtszustand entspricht.
-
Obwohl die obige Beschreibung sich auf das Beispiel eines Gleichsignals M bezieht, ist klar,
daß dieses Signal M ein beliebiges Signal, insbesondere ein Wechselsignal (rechteckig oder
anders) sein kann, um eine Melodie zu erzeugen. Die in Fig. 3 gezeigten Entwicklungen für
die Gleichsignale bilden dann ein Einhüllende für die entsprechenden Wechselsignale.
-
Die obige Gleichung (1) liefert den optimalen Koeffizient k für ein Gleichsignal M. Für ein
beliebiges Signal M wird der mit dieser Gleichung gefundene Wert mit dem Verhältnis
zwischen dem Spitzenwert des Signal M und seinem Mittelwert multipliziert. Ferner wird der
optimale Koeffizient k für eine gegebene Leitungsimpedanz geliefert. Die Leitungsimpedanz
variiert im allgemeinen von einem Ort zum anderen und von einem Land zum anderen. Man
sollte daher die mittlere Leitungsimpedanz zum Berechnen des Koeffizientes k verwenden.
-
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Sättigungsdetektors mit einer herkömmlichen Ausgangsstufe
eines Verstärkers. Diese Ausgangsstufe umfaßt einen PNP-Transistor Q1 und einen NPN-
Transistor Q2, deren Kollektoren die Spannung VA liefern, welche an den Lautsprecher 18
angelegt wird. Der Emitter des Transistors Q1 empfängt die Versorgungsspannung VCC, und
der Emitter des Transistors Q2 ist mit Masse verbunden. Die Basen der Transistoren Q1 und
Q2 werde auf üblicher Weise angesteuert, damit zu einem Zeitpunkt nur jeweils einer der
zwei Transistoren leitet. Der Sättigungsdetektor 26 umfaßt einfach einen PNP-Transistor Q3,
dessen Emitter mit einem Kollektor des Transistors Q 1 verbunden ist und dessen Basis mit
der Basis des Transistors Q1 verbunden ist.
-
Wenn der Transistor Q1 im linearen Modus arbeitet, ist seine Basis-Emitter-Spannung
niedriger oder gleich als die Kollektor-Emitter-Spannung. Hieraus ergibt sich, daß der Transistor
Q3 gesperrt ist, weil sein Basis-Emitter-Übergang umgekehrt vorgespannt ist. Wenn dagegen
der Transistor Q1 in der Sättigung ist, ist seine Kollektor-Emitter-Spannung deutlich
niedriger als seine Basis-Emitter-Spannung. Der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q3 ist
somit vorwärts vorgespannt, und sein Kollektor liefert den Erfassungsstrom Id.
-
Wenn jedoch der Lautsprecher 18 mit der Versorgungsspannung VCC anstelle von Masse
verbunden würde, würde selbstverständlich der Transistor Q2 mit einem NPN-
Erfassungstransistor versehen, der symmetrisch zum Transistor Q3 wäre.
-
Die Erfindung wurde für einen Telefonklingelschaltkreis beschrieben, der Fachmann wird
jedoch verstehen, daß die Erfindung auf andere Schaltkreise zum Anpassen der Impedanz
angewendet werden kann, bei denen eine Leistung an eine Last geliefert werden soll, die so
hoch wie möglich ist.