DE10140358C2

DE10140358C2 - Telefonsystem mit Stromregelung im Konstantstrombereich

Info

Publication number: DE10140358C2
Application number: DE10140358A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Noessing; Alberto Canella
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2021-08-18
Also published as: DE10140358A1; US6980648B2; WO2003017637A1; US20030048896A1; CN1543740A; CN100562053C

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Telefonsystem mit mehreren Telefonen (1), die über eine Übertragungsleitung (6) mit einem Interface (2) verbunden sind, das im Off-Hook-Zustand der Telefone (1) als DC-Stromquelle wirkt und einer Einheit (16) zur Erzeugung einer DC-Charakteristik im Off-Hook-Zustand. Zur Reduzierung des auf der Übertragungsleitung (6) fließenden Stromes umfasst das Telefonsystem ferner eine Regeleinrichtung (13), mit der ein Knickstrom (IK') der DC-Charakteristik geändert werden kann, so dass sich ein Stromfluss einstellt, der im Wesentlichen gleich einem vorgegebenen Sollstrom (Isoll) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Telefonsystem mit einer Stromregelung im Konstantstrombereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Telefon kennt im wesentlichen zwei Grundzustände, nämlich On-Hook (der Hörer ist auf der Gabel aufgelegt) und Off-Hook (der Hörer ist von der Gabel abgehoben). Im On-Hook-Zustand wird von einem SLIC (Subscriberline Interface Circuit) eine konstante Spannung - es fließt kein DC-Strom - und im Off-Hook- Zustand ein konstanter Strom ausgegeben. Dadurch ist es möglich, den jeweiligen Zustand eines Telefons zu erkennen.

Im Off-Hook-Zustand verhält sich das Interface (SLIC) wie eine Stromquelle, die eine im wesentlichen aus dem Widerstand der Übertragungsleitung und der Impedanz des Telefons bestehende Last treibt. Ein Ersatzschaltbild des Interface, bestehend aus einer Stromquelle I0 mit einem Ausgangswiderstand RI und einem Last-Widerstand RL ist in Fig. 1a dargestellt.

Dieses Ersatzschaltbild gilt für den sogenannten Konstantstrombereich A zwischen 0 V und einer Knickspannung VK, in dem der Stromverlauf relativ flach ist (vergleiche Fig. 1b).

In Fig. 1b ist eine DC-Charakteristik des vom SLIC im Off- Hook-Zustand gelieferten Stromes Ia, b über der an der Gesamtlast anliegenden Spannung Va, b dargestellt. Die DC- Charakteristik kann im wesentlichen in den Konstantstrombereich A, dessen Steigung durch den Ausgangswiderstand RI, und in einen Widerstandsbereich B, dessen Steigung durch einen Widerstand RR bestimmt ist, unterteilt werden. Der Knickpunkt zwischen Konstantstrombereich A und Widerstandsbereich B wird durch den sogenannten Knickstrom IK und die Knickspannung VK bestimmt. Die maximal erreichbare Spannung ist mit Vlim bezeichnet.

Die DC-Charakteristik ist üblicherweise als Software implementiert.

In Fig. 1b ist ferner eine Gerade b eingezeichnet, deren Steigung dem Lastwiderstand RL entspricht. Der Arbeitspunkt AP der Schaltung stellt sich am Schnittpunkt des Abschnitts a und der Geraden b ein.

Befindet sich ein Telefonapparat näher am Vermittlungsamt, wird die Steigung der Geraden b steiler (kleinerer Leitungswiderstand) und der Arbeitspunkt AP wandert in Richtung von höheren Stromwerten (Pfeil C). Ist dagegen die Übertragungsleitung zwischen Amt und Telefonapparat länger, so wandert der Arbeitspunkt AP in die Gegenrichtung von Pfeil C.

Wie zu erkennen ist, hängt der auf der Übertragungsleitung fließende Strom und somit auch die Verlustleistung von der Länge der Übertragungsleitung ab, wobei die Verlustleistung bei kurzen Leitungen größer ist als bei langen Leitungen.

Zur Verringerung der Verlustleistung bei kurzen Leitungen wäre es theoretisch denkbar, den auf der Übertragungsleitung fließenden Strom durch einen höheren Ausgangswiderstand RI zu begrenzen. Dadurch könnte ein flacherer Verlauf der DC- Charakteristik a im Konstantstrombereich A erreicht werden (Pfeil D). Bei unendlich hohem Ausgangswiderstand RI wäre der Strom konstant und gleich dem Knickstrom IK, wobei sich die punktiert gezeichnete Linie c einstellen würde. In der Praxis ist es jedoch nicht möglich, die Stromquelle mit einem unendlich hohen Ausgangswiderstand auszuführen.

Zur Erzeugung hoher Ausgangswiderstände wäre es auch denkbar, den Ausgangswiderstand RI zu programmieren (z. B. in einem Bereich zwischen 40 bis 5 kOhm). Hohe Ausgangswiderstände haben den Vorteil, dass eine in einem Codec (Codierer/Decodierer) vorgesehene DC-Regelung zur Einstellung des Arbeitspunktes AP schneller einschwingt. Bei extrem flachen Stromverläufen wirkt sich dies jedoch negativ auf die Stabilitätseigenschaften der Regelung aus. Außerdem beeinflussen hohe Ausgangswiderstände RI die AC-Impedanz der Schaltung und verschlechtern insbesondere die Reflexionen am Ende der Übertragungsleitung und den Frequenzgang.

Wird dagegen der Ausgangswiderstand RI zu klein eingestellt, nimmt der Strom für kurze Übertragungsleitungen immer weiter zu, wodurch die Verlustleistung immer weiter steigt.

Aus der US-Patentschrift US 5,619,567 ist ein Telefonsystem mit mehreren Telefonen bekannt, die über eine Übertragungsleitung mit einem Interface verbunden sind. Das Interface wirkt dabei im Off-Hook-Zustand der Telefone als DC-Stromquelle mit einer vorgegebenen DC-Charakteristik, die einen Konstantstrombereich aufweist, der von einem Knickstrom begrenzt ist. Ferner umfaßt das Telefonsystem eine Einheit zur Erzeugung der DC- Charakteristik. Im Konstantstrombereich liefert die DC- Stromquelle einen im wesentlichen konstanten Strom. Bei kurzen Übertragungsleitungen zwischen Interface und Telefon ist dieser Strom jedoch höher als notwendig und führt somit zu Verlustleistung.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verlustleistung im Konstantstrombereich unter Beibehaltung optimaler Regeleigenschaften zu senken.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, den im Konstantstrombereich fließenden Strom im wesentlichen durch Parallelverschiebung der DC-Charakteristik auf einen Sollwert zu regeln, der vorzugsweise gleich dem ursprünglichen Knickstrom der DC-Charakteristik ist. Die Steigung der DC- Charakteristik im Konstantstrombereich sollte dabei möglichst groß bleiben, um die Stabilitätseigenschaften der Regelung zur Einstellung eines Arbeitspunktes nicht zu verschlechtern.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird hierfür ein Parameter der DC-Charakteristik, insbesondere der Knickstrom, neu eingestellt, und zwar vorzugsweise derart, dass der im Off- Hook-Zustand auf der Übertragungsleitung fließende Strom im wesentlichen gleich dem ursprünglichen Knickstrom der DC- Charakteristik ist. Dabei wird die Steigung der DC- Charakteristik im Konstantstrombereich vorzugsweise unverändert belassen.

Die Regelung des Knickstromes erfolgt vorzugsweise mittels einer Regeleinrichtung in der ein Soll-Stromwert für den Konstantstrombereich der DC-Charakteristik vorgegeben werden kann, der vorzugsweise gleich dem Knickstrom der DC- Charaktersistik ist.

Die DC-Charakteristik wird durch eine Einheit (Controller) vorgegeben, wobei die Definitionsparameter der DC- Charakteristik wie zum Beispiel die Knickspannung VK, der Knickstrom IK, der Widerstand im Konstantstrombereich RI, der Widerstand im Widerstandsbereich RR oder die maximale Spannung Vlim programmierbar sind.

Zur Messung des auf der Übertragungsleitung fließenden Stromes ist eine Strom-Messeinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise im SLIC angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Regeleinrichtung einen Subtrahierer bzw. Komparator, der ein aus der Differenz zwischen dem Soll-Stromwert und dem gemessenen Stromwert gebildetes Fehlersignal erzeugt.

Das Fehlersignal wird vorzugsweise einem Integrator zugeführt und anschließend vom Strom-Sollwert subtrahiert, um einen neuen, verringerten Knickstrom für die DC-Charakteristik zu erhalten.

Der Einheit zur Erzeugung der DC-Charakteristik ist vorzugsweise ein Tiefpass nachgeordnet, um Störungen im Signal zu unterdrücken.

Die erfindungsgemäße Regelung umfaßt vorzugsweise zwei Regelschleifen, nämlich eine erste Regelschleife zur Einstellung eines Arbeitspunktes sowie eine zweite Regelschleife zur Regelung des Knickstroms.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Regelung des Knickstroms nur im Konstantstrombereich der DC-Charakteristik durchgeführt und außerhalb des Konstantstrombereichs abgeschaltet. Zu diesem Zweck sind geeignete Mittel (Sensoren) zur Erkennung eines Betriebs im Konstantstrombereich vorgesehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Ersatzschaltbild einer Stromversorgung im Off- Hook-Zustand;

Fig. 1b eine DC-Charakteristik der Stromversorgung im Off- Hook-Zustand;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Stromregelung im Konstantstrombereich.

Fig. 1a zeigt ein Ersatzschaltbild einer Stromversorgung für ein Telefon 1, wie sie im Off-Hook-Zustand (Hörer abgehoben) von einem Interface (SLIC 2) emuliert wird. Das Ersatzschaltbild umfaßt eine Konstantstromquelle 20, die einen Strom I0 treibt und einen Ausgangswiderstand RI 21 aufweist. Die zu treibende Last umfasst den Widerstand 4 der Übertragungsleitung 6, die Impedanz des Telefons 1 und Schutzwiderstände 5 zum Schutz des Systems vor Überlast (vergleiche Fig. 2).

Fig. 1b zeigt eine DC-Charakteristik für den Off-Hook- Zustand eines Telefons 1. Die DC-Charakteristik hat im wesentlichen zwei Bereiche, einen Konstantstrombereich A und einen Widerstandsbereich B. Der Konstantstrombereich A ist durch eine Kennlinie a mit relativ geringer Steigung, die durch den Ausgangswiderstand 21 RI bestimmt ist, gekennzeichnet, der Widerstandsbereich B durch eine Kennlinie d mit größerer Steigung. Zwischen Konstantstrombereich A und Widerstandsbereich B existiert ein Knickpunkt mit einer Knickspannung VK und einem Knickstrom IK. Für den Konstantstrombereich gilt: I0 = IK + VK/RI.

Der Widerstandsbereich B reicht bis zu einem maximalen Spannungswert Vlim, wobei die Steigung im Widerstandsbereich durch einen Widerstand RR bestimmt ist.

In Fig. 1b ist ferner eine Last-Kennlinie b eingezeichnet, deren Steigung im wesentlichen durch den Leitungswiderstand 4 bestimmt ist. Am Schnittpunkt von DC-Charakteristik a und Last-Kennlinie b stellt sich ein Arbeitspunktes AP ein.

Bei kurzen Übertragungsleitungen wandert der Arbeitspunkt AP in Richtung des Pfeils C, bei längeren Übertragungsleitungen in die Gegenrichtung. Bei kurzen Übertragungsleitungen stellt sich dabei ein relativ hoher Stromwert ein.

Ein Telefonsystem mit einer Regelschaltung zur Verringerung der Verlustleistung im Off-Hook-Betrieb ist in Fig. 2 dargestellt. Der gezeigte Ausschnitt des Telefonsystems umfasst ein Telefon 1, einen Codec 3 (Codierer/Decodierer) und einen zwischen Telefon 1 und Codec 3 angeordneten SLIC 2 als Interface. Im Off-Hook-Zustand versorgt der SLIC 2 das Telefon 1 mit einem nahezu konstanten Strom Ia, b. Dabei verhalten sich SLIC 2 und Codec 3 wie eine Stromversorgung, deren DC-Charakteristik in Fig. 1b dargestellt ist.

Die DC-Charakteristik wird durch eine entsprechende Einheit 16, wie zum Beispiel einen programmierbaren Controller, vorgegeben. Der Controller gibt ein Spannungssignal V an den SLIC 2 aus, der dieses verstärkt, um die Last 1 zu treiben.

Auf der Übertragungsleitung 6 stellt sich dabei ein lastabhängiger Stromfluss ein.

Der Codec 3 umfasst zwei Regelschleifen, nämlich eine innere Regelschleife zur Einstellung eines Arbeitspunktes AP und eine äußere Regelschleife zur Einstellung eines Knickstroms IK'.

Die innere Regelschleife umfaßt einen AD-Wandler 7, mit dem ein vom SLIC 2 geliefertes Stromsignal digital gewandelt und der Einheit 16 zugeführt wird.

Die zweite, äußere Regelschleife umfaßt eine Regeleinrichtung 13 zur Erzeugung eines Knickstromes IK', der der Einheit 16 zugeführt wird. Die Regeleinrichtung 13 umfasst einen Komparator 10, an dem ein vorgegebener Soll-Stromwert Isoll 9 mit dem vom SLIC 2 gemessenen Stromwert verglichen und ein aus der Differenz der beiden Werte gebildetes Fehlersignal Error ausgegeben wird.

Das Fehlersignal Error wird einem Integrator 11 zugeführt und an einem Knoten 12 vom vorgegebenen Soll-Stromwert Isoll 9 subtrahiert. Das resultierende Differenzsignal ergibt einen neuen Knickstrom IK' (siehe Fig. 1b), der der Einheit 16 zugeführt wird. Der Knickstrom stellt sich dabei auf einen Wert IK' ein, bei dem der Strom Ia, b gleich dem vorgegebenen Soll-Stromwert Isoll 9 (im dargestellten Fall gleich dem ursprünglichen Knickstrom IK der DC-Charakteristik) ist. In Fig. 1b zeigt sich dies in einer Parallelverschiebung des Astes a der DC-Charakteristik in Richtung des Pfeils E.

Die Regelung des Knickstroms ist nur im Konstantstrombereich A aktiv. Zur Feststellung, ob das System im Konstantstrombereich arbeitet, ist die Einheit 16 über eine Leitung 18 mit dem Integrator 11 verbunden. Außerhalb des Konstantstrombereichs A wird wieder die ursprüngliche DC- Charakteristik eingestellt.

Bezugszeichenliste

1

Telefon

2

SLIC

3

Codec

4

Leitungswiderstand

5

Schutzwiderstand

6

Übertragungsleitung

7

Analog-Digital-Wandler

8

Digital-Analog-Wandler

9

Soll-Stromwert

10

Addierknoten

11

Integrator

12

Addierknoten

13

Regeleinrichtung

14

DA-Wandler

15

Tiefpass

16

DC-Charakteristik

17

Parameter der DC-Charakteristik

18

Leitung

20

Konstantstromquelle

21

Ausgangswiderstand

22

Leitungswiderstand
a Ast der DC-Charakteristik
b Widerstandsgerade
c Stromverlauf bei unendlich hohem Ausgangswiderstand
A Konstantstrombereich
B Widerstandsbereich
C, D, E Richtungspfeile
IK Knickstrom
VK Knickspannung
RI Ausgangswiderstand
RR Widerstand
Vlim maximale Spannung

Claims

1. Telefonsystem mit
mehreren Telefonen (1), die über eine Übertragungsleitung (6) mit einem Interface (2) verbunden sind, das im Off-Hook- Zustand der Telefone (1) als DC-Stromquelle mit einer vorgegeben DC-Charakteristik wirkt, wobei die DC- Charakteristik einen Konstantstrombereich (A) aufweist, der von einem Knickstrom (Ik) begrenzt ist; und
einer Einheit (16) zur Erzeugung der DC-Charakteristik,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Regeleinrichtung (13) vorgesehen ist, mit der eine Parallelverschiebung der DC-Charakteristik im Konstantstrombereich (A) bewirkt werden kann.

2. Telefonsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regeleinrichtung (13) ein Soll-Strom (Isoll) für den auf der Übertragungsleitung (6) fließenden Strom vorgegeben werden kann.

3. Telefonsystem nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (13) in Abhängigkeit von einem Fehlersignal (Error) einen neuen Knickstrom (IK) an die Einheit (16) ausgibt.

4. Telefonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (13) den Knickstrom (IK') so lange ändert, bis der auf der Übertragungsleitung (6) fließende Strom gleich dem vorgegebenen Soll-Strom (Isoll, 9) ist.

5. Telefonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Soll-Strom (Isoll, 9) gleich dem ursprünglichen Knick-Strom (IK) der DC-Charakteristik ist.

6. Telefonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorgegebene Parameter der DC-Charakteristik, insbesondere die Knickspannung (VK), der Innenwiderstand (RI), der Widerstand (RR) und die maximale Spannung (Vlim), programmierbar sind.

7. Telefonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (13) eine Einrichtung (10) umfaßt, an der ein aus der Differenz zwischen dem Soll-Stromwert (Isoll) und dem gemessenem Stromwert gebildetes Fehlersignal (Error) gebildet wird.

8. Telefonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strom-Messeinrichtung vorgesehen ist.

9. Telefonsystem nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (13) einen Integrator (11) aufweist, dem das Fehlersignal (Error) zugeführt wird.

10. Telefonsystem nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (13) eine zweite Einrichtung (12) aufweist, mit der ein aus dem integriertem Fehlersignal (Error) und dem Soll-Stromwert (Isoll) gebildetes Differenzsignal erzeugt wird, welches der Einheit (16) zugeführt wird.

11. Telefonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit (16) ein Tiefpass (15) nachgeschaltet ist.

12. Telefonsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit (16) ein von der Meßeinrichtung gemessenes Stromsignal zugeführt wird.

13. Telefonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (13) Mittel zum Erkennen des Off- Hook-Zustands aufweisen.

14. Telefonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelschleife zur Einstellung eines Arbeitspunktes (AP) im Off-Hook-Zustand und eine Regelschleife zur Einstellung des Knickstromes (IK') vorgesehen ist.