Zwei Verbindungswege ein Apparat

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1 Telefon-Leitungsums Zwei Verbindungswege ein Apparat Von Nicolas Boullis Immer mehr Internet-Provider stellen ihren Kunden zusätzlich zum Internet- Zugang einen Sprachverbindungsweg (Voice over IP) zur Verfügung. Zu den vorhandenen Telefonen des herkömmlichen (Festnetz-) Anschlusses kommt mindestens ein weiteres Telefon hinzu. Das kostet Platz auf der schon immer zu kleinen Schreibtischfläche, und der Telefonierkomfort leidet, weil zwei Apparate bedient werden müssen. Abhilfe schafft ein elektronischer Umschalter, der zwei Verbindungswege bedarfsabhängig auf einen Apparat schaltet. Dieser selbsttätige Telefon-Umschalter beseitigt die Umständlichkeiten, die zwei Telefonapparate mit sich bringen. Die Schaltung arbeitet ohne (!) einen Mikrocontroller, der erst noch programmiert werden müsste, und sie versagt auch bei Stromausfall nicht ihren Dienst. Vorüberlegungen Viele Telefon-Zusatzgeräte wie Anrufbeantworter und Fax-Umschalter benötigen für ihren Betrieb eine externe Stromversorgung, meistens in Form eines Steckernetzteils. Falls der Strom einmal ausfallen sollte, sind diese Geräte außer Betrieb. Wegen der manchmal lebenswichtigen Funktion des Telefons haben wir hier eine vom Stromnetz unabhängige Lösung gewählt. Den minimalen Strom, den die Schaltung aufnimmt, liefert ein NiMH-Akku oder eine 9-V-Batterie. Dadurch ist sicher gestellt, dass der Telefon-Leitungsumschalter auch bei Stromausfällen betriebsfähig ist, zum Beispiel wenn der Arzt, die Polizei oder die Feuerwehr herbeigerufen werden müssen. Schaltungstechnische Voraussetzung ist dabei, dass die Stromaufnahme wirklich minimal ist. Außerdem muss, beziehungsweise soll der Telefon-Leitungsumschalter folgende Vorgaben erfüllen: So lange eine Verbindung aktiv durchgeschaltet ist, darf sie unter keinen Umständen unterbrochen Der Benutzer muss die Möglichkeit haben, unter den verfügbaren Verbindungswegen gezielt auszuwählen. Möglicherweise gilt nur für einen Verbindungsweg ein spezieller Tarif, oder eine Sonderrufnummer ist nur über einen bestimmten Verbindungsweg erreichbar. Bei Anrufen von außen wird der Verbindungsweg durchgeschaltet, über den der Ruf ankommt. Für abgehende Verbindungen hat Verbindungsweg Priorität, sofern er verfügbar ist. Die Verfügbarkeit von VoIP-Verbindungen über das Internet ist nicht immer gewährleistet. Wenn Verbindungsweg nicht verfügbar ist oder nicht existiert, wird Verbindungsweg benutzt. Da bei Telefonleitungen nicht unbedingt feststeht, welche Ader in der Vermittlungsstelle geerdet ist, muss im Telefon-Leitungsumschalter eine galvanische Trennung vorgenommen Bei ankommenden Rufen muss für den Benutzer erkennbar sein, über welchen Verbindungsweg der Ruf eingeht. Ein letztes, aber nicht unwichtiges Ziel, das wir uns gestellt haben: Die 0 elektor - /007

2 chalter Schaltung soll möglichst aus leicht montierbaren Standard-Bauelementen bestehen, und auf Bauelemente, die erst noch programmiert werden müssen, soll verzichtet Telefonleitung Die Standards der Telefonnetze sind (historisch bedingt) nicht einheitlich, sie können sich von Land zu Land und auch regional unterscheiden. Auch die Standards der VoIP-Verbindungswege, die von den Internet-Providern bereit gestellt werden, können unterschiedliche Eigenschaften haben. Im Allgemeinen gelten jedoch folgende Richtwerte: Im Ruhezustand liegen an einer (analogen) Telefonleitung etwa V Gleichspannung, es fließt kein Strom. Die Polarität der Gleichspannung ist nicht fest gelegt, sie kann bei der Installation neuer Vermittlungstechnik unter Umständen sogar vertauscht Wenn die Vermittlungsstelle einen Ruf aufschaltet, wird der Gleichspannung eine Wechselspannung von etwa V SS überlagert. Die überlagerte Wechselspannung ist ungefähr sinusförmig, sie hat die Frequenz Hz oder 0 Hz. Die Rufspannung wird abgeschaltet, sobald der Telefonhörer vom Apparat genommen wird und Gleichstrom fließt. Die Gleichspannung am Apparat sinkt dann infolge des Leitungs-Schleifenwiderstands auf etwa 0 V. C 00n C 00n k k R R R 0k 7k R M R C ICA u8 V C7 0u V ICB k T BC7 R D T S R8 0k S D N8 00k R9 ICA & R 70k C 0n ICC 8 9 & 0 R k T C0 0u 00R R IC TLP0 BC7 k R7 D 00k R0 BC7 RESET D 8 9 C R 00n S R7 k R9 00k C 00n k C 70n R8 C 0u 00R R 0k R0 00k R M R 7k R C8 ICC 0u V C9 u8 V ICD 9 8 T7 D N8 T BC7 R k D7 T BC7 R k D8 ICF ICB & R 70k C 0n ICD & IC 7 R k T BC7 SET D R M7 BC7 R7 ICE 0 M JP K RJ- Line JP IC TLP0 JP RE DSE-ML-DCV BAT8 K Tel. RJ- K Line JP JP RESET SET IC TLP0 IC TLP0 IC7 TLP0 K IC = HCC00BF IC = 09 IC 7 C 00n BAT8 C 00n RJ- JP Bild. Abgesehen vom Relais besteht die Schaltung aus Standard-Bauelementen. /007 - elektor

3 K K K Bistabile Relais JP JP JP JP JP JP RE C C C C RR R7 D D R8 C0 C C R9 R R IC R R IC R R R0 IC IC7 R R R7 C C9 R R8 C7 T7 C8 C D D R T Bild. Die doppelseitige Platine ist so gestaltet, dass alle Bauelemente bequem Platz haben. Stückliste Widerstände: R,R,R7,R8 = k R,R,R8 = 0 k R,R,R7 = M R,R= 00 Ω R9,R0 = 00 k R = M7 R, = 7 k R,R7,R,R,R,R = k R9,R0 = 00 k R,R = 70 k Kondensatoren: C...C = 00 n (MKT, Raster 7, mm) C = 70 n (MKT, Raster 7, mm) C,C9 = µ8/00 V C7,C8 = 0 µ/00 V C0,C = 0 µ/0 V bipolar C,C = 0 n (Sibatit, Raster mm) C,C = 00 n (Sibatit, Raster mm) S IC R0 IC R R9 T T R7 IC C R T D8 T T R D D C C D7 R R giezufuhr beibehält. Bistabile Relais gibt es in Ausführungen mit einer oder zwei Wicklungen. Typen mit nur einer Wicklung müssen über eine Brückenschaltung gesteuert werden, die aus vier Transistoren und vier Dioden besteht. Die steuernde Schaltung für Ausführungen mit zwei Wicklungen kommt mit zwei Transistoren und zwei Dioden aus, und außerdem vereinfacht sich hier die Steuerung der Transistoren. Aus den vorstehenden Gründen fiel die Wahl auf ein bistabiles Relais mit zwei Wicklungen und zwei Umschaltkontakten. Der ge- S R K Halbleiter: D,D = BAT8 D,D = N8 D,D7 = LED mm grün, Low-current* D,D8 = LED mm rot, Low-current* T,T = BC7 T...T7 = BC7 IC = 00BF IC = 09 IC...IC7 = TLP0 Optokoppler (Toshiba) Außerdem: K,K,K = Buchse RJ / für Telefonleitung (Hirose TMRE-) K = Anschluss für Stromquelle (9-V-Batterie oder NiMH-Akku) S,S = Drucktaster RE = Bistabiles Relais, zwei Umschaltkontakte, V (Panasonic DSE-ML-DCV oder Omron GAK-P-ST-US ) Platine 0088 (siehe *Siehe Text! Nach alter Manier werden Telefonleitungen mit Relais geschaltet, wegen der galvanischen Trennung im Ruhezustand haben diese Relais mindestens zwei Umschaltkontakte. Einfache Relais sind für den Telefon-Leitungsumschalter weniger geeignet, denn hier muss durch die Wicklung permanent Strom fließen, so lange das Relais in aktivem Zustand ist. Diese Eigenschaft wirkt sich ungünstig auf die Energiebilanz aus. Die Lösung des Problems ist das bistabile Relais, das seinen eingenommenen Zustand auch ohne Enerwählte Relais-Typ arbeitet noch bei der Spannung V zuverlässig, so dass der Betrieb auch bei niedrigem Ladezustand des 9-V-Akkus gewährleistet ist. Schaltung Die Schaltung in Bild lässt sich in vier Funktionsgruppen unterteilen, sie sollen der Reihe nach betrachtet Zustandserkennung Drei Zustände müssen von der Schaltung erkannt werden: Die Verfügbarkeit von Verbindungsweg, das Ankommen eines Rufsignals sowie der Betriebszustand des Telefon-Leitungsumschalters. Laufende Verbindungen über Verbindungsweg, angeschlossen an K, werden mit Optokoppler IC erkannt. Der Leitungsschleifenstrom ma fließt durch die antiparallel geschalteten LEDs des Optokopplers. Der zugehörige Fototransistor leitet, so dass am Eingang des nachgeschalteten Schmitt-Triggers logisch 0 liegt und sein Ausgang logisch ist. Widerstand R bewirkt, dass die Optokoppler-LED erst bei Strömen über ca. 0 ma aufleuchtet. Der bipolare Kondensator C überbrückt den Optokoppler-Eingang für ankommende Rufspannungen. Die RC-Kombination R/C8 stellt sicher, dass kurze Leitungsunterbrechungen (bis ca. 0, s) unwirksam bleiben. Derartige Leitungsunterbrechungen treten beim (heute nur noch selten angewendeten) Impulswahlverfahren sowie beim Drücken des R-Tasters am Telefon auf. Kriterium für das Rufsignal ist die hohe Wechselspannung (ca V) mit der Frequenz Hz oder 0 Hz. Das Rufsignal durchläuft ein für diese Frequenzen dimensioniertes Bandfilter, bestehend aus C, C, R7 und R8, bevor es über R zum Eingang von Optokoppler IC gelangt. Bei anliegendem Rufsignal schaltet der Fototransistor des Optokopplers durch, so dass am Ausgang des nachgeschalteten Inverters logisch liegt. Die RC-Kombination R/C9 sorgt dafür, dass dieses Signal auch in den Rufpausen unverändert bleibt. Das Prüfen der Verfügbarkeit von Verbindungsweg geschieht durch Prüfen der an Leitung liegenden Spannung. Bei vorhandenem Verbindungsweg muss die Spannung zwischen ungefähr 0 V (abgenommener Hörer) und 0 V (Ruhezustand) liegen. Eintreffende Rufsignale wirken sich störend aus, sie werden durch C und R9 elektor - /007

4 Bild. Fertig aufgebaute Platine des Telefon-Leitungsumschalters. abgeschwächt. Widerstand R0 bewirkt, dass der Strom durch die Optokoppler-LEDs einen Wert zwischen 0 µa und 0 µa annimmt. Höhere Werte sind nicht zulässig, sie können in der Vermittlungsstelle zu Fehlfunktionen führen. Der niedrige LED-Strom reicht nicht aus, um den zugehörigen Fototransistor voll in den Leitzustand zu steuern. Deshalb ist Transistor T7 nachgeschaltet, er stellt sicher, dass bei Verfügbarkeit von Leitungsweg logisch am Ausgang des zugehörigen Schmitt-Trigger-Inverters liegt. Ein kleines Problem stellt der unter 00 na liegende Leckstrom des Fototransistors dar. Der von T7 verstärkte Leckstrom könnte ein falsches Signal am Inverter- Ausgang zur Folge haben. Das wird mit Widerstand R verhindert, er bewirkt, dass T7 Ströme unter ca. 0 na nicht verstärkt. Signalisierung Die Schmitt-Trigger der Zustandserkennung steuern über diverse Transistoren die vier LEDs D und D sowie D7 und D8. Eine rote LED leuchtet auf, wenn auf der zugehörigen Leitung ein Ruf eingeht, während eine grüne LED den Belegtzustand der Leitung signalisiert. Logik für Leitungswahl Von Hand ist der Verbindungsweg mit den Drucktastern S und S wählbar, hierzu gehören die Widerstände R8, R9 und R0, die Dioden D und D sowie Inverter ICf und NAND-Gatter ICb. Taster S wählt Verbindungsweg aus, während mit S der an K angeschlossene Verbindungsweg durchgeschaltet wird. Weil eine Prioritätsfolge nicht auf der Liste der geforderten Eigenschaften steht, wurde die einfachste Lösung gewählt. Bei Auswahl von Hand hat Verbindungsweg stets Vorrang vor Verbindungsweg. Das gilt auch für ankommende Rufsignale. Kommen Rufsignale gleichzeitig auf den beiden Leitungen an, hat Leitung Vorrang. Falls eine Leitung nicht existiert, kann über diesen Weg kein Rufsignal ankommen. In diesem Fall ist die Wahl des Verbindungswegs unabhängig von Leitung, nur die Signalisierung ist betroffen. Am Ausgang von Gatter ICb liegt logisch, wenn Verbindungsweg durchgeschaltet werden muss, logisch 0 bedeutet, dass Verbindungsweg durchzuschalten ist. Relais-Steuerung Damit der passende Verbindungsweg durchgeschaltet wird, müssen die Kontakte des bipolaren Relais mit einem Impuls in die zugehörige Stellung gesteuert Gatter ICa invertiert das Auswahlsignal, und die RC-Glieder C/R und C/R verzögern das invertierte und nicht invertierte Signal. Die nachfolgenden NAND-Gatter ICc und ICd verknüpfen das verzögerte und nicht verzögerte Signal, so dass an ihren Ausgängen negativ gerichtete Impulse erscheinen. Die impulsförmigen Ausgangssignale werden von T und T verstärkt und den Relais- Wicklungen zugeführt. C/R und C/R sind so dimensioniert, dass die Impulslänge ca. ms beträgt. Diese Impulslänge genügt, um die Relais- Kontakte umzuschalten. Die Funktionen der in der Schaltung dargestellten Jumper JP...JP werden im nächsten Abschnitt erklärt. Aufbau Die doppelseitige Platine, wiedergegeben in Bild, erleichtert den Schaltungsaufbau beträchtlich. Abgesehen vom bipolaren Relais werden nur gängige Standard-Bauelemente verwendet. Bei der Platinen-Bestückung muss unbedingt auf korrekte Position gepolter Bauelemente (insbesondere C... C9) geachtet Dagegen sind C0 und C bipolar, ihre Einbaulage ist beliebig. Auf der Platine befinden sich drei RJ-Buchsen (K, K und K) für den Anschluss des Telefonapparats und der beiden Leitungen. Die Relais-Montage ist nur in einer bestimmten Einbauposition möglich, die Montage der Taster S und S ist unproblematisch. Die LEDs D...D8 müssen natürlich korrekt gepolt angeschlossen Zu den LED-Katoden gehören die Punkt- Symbole auf der Platine. Bei den Jumpern JP...JP handelt es sich um Platinen-Lötpunkte, abhängig von der Aderbelegung der RJ-Stecker müssen bestimmte Punkte durch Lötzinn- Brücken kurz geschlossen Auf diese Weise lässt sich die Anschlussbelegung leicht an die unterschiedlichen Telefon-Anschlussstandards der europäischen Länder anpassen. Nachdem die Schaltung aufgebaut ist und einer sorgfältigen Sichtkontrolle unterzogen wurde, wird der 9- V-Akku (oder die 9-V-Batterie) an K angeschlossen. Inbetriebnahme Beim Anlegen der Betriebsspannung ist der Schaltzustand des bipolaren Relais unbekannt. Deshalb muss das Relais zuerst in den Schaltzustand versetzt werden, der dem Leitungswahl- Signal am Ausgang von ICb (logisch 0 oder ) entspricht. Die Kondensatoren C und C sind unmittelbar nach Anlegen der Betriebsspannung noch nicht geladen, so dass zunächst an beiden Ausgängen (ICc und ICd) logisch liegt. Nach ungefähr ms nehmen die verzögerten Signale unterschiedliche Zustände an. Dadurch erhält das bipolare Relais den Schaltimpuls, der dem /007 - elektor

5 Zweifarben- LEDs für D/ D und D7/D8 Anstelle der rot-grünen LED-Paare sind auch Zweifarben-LEDs mit drei Anschlüssen verwendbar. Die Zweifarben-LEDs müssen korrekt gepolt werden, anderenfalls sind die Farben Rot und Grün vertauscht. Da die Leuchtintensität von Zweifarben-LEDs bei gleichem Strom abhängig von der Farbe unterschiedlich ist, sollen die Strombegrenzungswiderstände für Rot und Grün nicht gleiche Werte haben. Der Wert, kω (anstelle des ursprünglichen Werts kω) ist ein guter Richtwert. Der passende Wert für die andere Farbe wird am einfachsten experimentell bestimmt. aktuellen Zustand des Leitungswahl- Signals am Ausgang von ICb zugeordnet ist. Stromaufnahme Im Ruhezustand wird bei vorhandenem Verbindungsweg die meiste Energie von Widerstand R7 umgesetzt. Er belastet die Spannungsquelle (Akku) jedoch mit höchstens 0 µa, ein 00-mAh-Akku würde rechnerisch mehr als zwei Jahre Dienst tun, bevor er nachgeladen werden muss. Wenn Verbindungsweg nicht vorhanden ist, beträgt die Stromaufnahme maximal nur µa. In aktivem Zustand geht der größte Teil der Stromaufnahme auf das Konto der LEDs. Durch eine rote LED fließen bei Eingehen eines Rufs etwa 7 ma, durch eine grüne LED fließen während des Belegtzustands einer Leitung ungefähr ma. Der genannte Akku übersteht ohne Nachladen ca. 0 Stunden Kommunikation oder ca. 8 Stunden Rufsignal. (0088)gd Weblinks en/opto/tlp0_tlp0-_en_datasheet_ 009.pdf Nur für den Privatgebrauch Der Telefon-Leitungsumschalter besitzt keine allgemeine Zulassung für den Anschluss an öffentliche Kommunikationsnetze. Er darf nur mit Zustimmung des Netzbetreibers an dessen Netz angeschlossen Anzeige S e l b S t b a u - W e g W e i S e r Bauteile: Bauteile und Bauteilzusammenstellungen sind im Fachhandel erhältlich. Im Anzeigenteil von Elektor findet man regelmäßig Anbieter, die zu Elektor-Projekten Materialsätze oder Bauteilesätze zusammenstellen und auch Spezialbauteile liefern können. Ein alphabetisches Inserentenverzeichnis ist in jeder Elektor-Ausgabe am Heftende (vorletzte Seite) zu finden. Die Serviceseite(n) in der Heftmitte bieten eine Übersicht über Platinen und Software. Wegen der Bestimmungen der Postzeitungsordnung dürfen Bezugsinformationen zu aktuellen Projekten erst im nächstfolgenden Heft veröffentlicht werden, aus dem gleichen Grund sind die Serviceseite(n) nicht in allen Ausgaben enthalten. Das bedeutet aber nicht, daß Platinen, Software und Bauteile ebenfalls erst verspätet oder nicht lieferbar sind. Ohm und Farad: In den Stücklisten werden große und kleine Widerstände und Kondensatoren mit folgenden Angaben für Faktoren versehen: p = Pico = 0 - = ein Billionstel k = Kilo = 0 = Tausend n = Nano = 0-9 = ein Milliardstel M = Mega = 0 = Million µ = Micro = 0 - = ein Millionstel G = Giga = 0 9 = Milliarde m = Milli = 0 - = ein Tausendstel Die Einheiten (Ω für Ohm bei Widerständen, F für Farad bei Kondensatoren) werden nur dann angegeben, wenn keine Faktorenangabe erfolgt (Ω bei Widerständen kleiner kω und größer 99 mω, z.b. 999 Ω oder 0, Ω). Ansonsten steht die Angabe des Faktors an der Stelle des Kommas bei der Wertangabe. Beispiele: k9 (=,9 kω = 900 Ω) μ7 (=,7 μf = 0, F) Wenn nicht anders angegeben, werden immer Widerstände mit max. % Toleranz und min. / W Belastbarkeit und Kondensatoren mit min. 0 V Spannungsfestigkeit verwendet. Bauhinweise: Beim Bestücken von Platinen beginnt man am besten immer mit den kleinsten passiven Bauteilen. Daher zuerst die Drahtbrücken, Widerstände und kleine Kondensatoren bestücken, danach IC-Fassungen, Relais, Elkos und Steckverbinder. Empfindliche Halbleiter kommen zuletzt an die Reihe. Löten: Geeignet ist ein Lötkolben mit bis 0 Watt mit feiner Spitze. Nur Elektronik-Lötzinn (0/0) mit Flußmittelkern verwenden. Anschlußdrähte der Bauteile durch die richtigen Platinenbohrungen stecken, etwas umbiegen und abkneifen. Die beiden zu verlötenden Stellen erhitzen, und Lötzinn hinzufügen. bis Sekunden warten, bis das Zinn gut fließt und Lötkolbenspitze wegnehmen. Halbleiter, ICs und kleine Platinenlötaugen nicht zu stark erhitzen! Lötzinn kann wieder entfernt werden, indem man Lötsauglitze mit der heißen Lötkolbenspitze auf die Stelle mit dem zu entfernenden Lötzinn drückt. Fehlersuche: Funktioniert die Schaltung nicht? Als erstes kontrolliert man die Bestückung im Vergleich mit Bestückungsplan, Schaltplan und Stückliste. Besonders auf die Bestückung der Drahtbrücken achten, die nur im Bestückungsplan angegeben sind. Sind alle Bauteile an der richtigen Stelle und auch richtig herum eingesetzt? Beachten Sie diesen Punkt besonders bei IC-Fassungen, Dioden, Elkos und Transistoren. Stimmt die Belegung von Anschlußpunkten auf der Platine, wie Anschlüsse für Betriebsspannung und Schalter etc.? Kontrollieren Sie nochmals kritisch alle Lötstellen, einerseits auf gute Verbindungen (silbrig glänzend sollen sie sein, nicht matt und grau), andererseits auf überschüssiges Lötzinn und eventuell Lötzinnspritzer, die Leiterbahnschlüsse verursachen können. Angegebene Gleichspannunsmeßwerte (siehe Schaltplan und eventuelle Texthinweise) sollen mit einem hochohmigen (digitalen) Multimeter überprüft Toleranzen bis zu 0 % sind normalerweise noch zulässig, größere Abweichungen deuten auf Fehler hin. Alle Korrekturen und relevanten Hinweise werden als Nachlese veröffentlicht. Tips, Tricks und ergänzende Informationen, die sich aus Leserkontakten ergeben, sind auch in Readers Corner zu finden. Farbcode: Der Wert von Widerständen wird durch Farbringe wie folgt angegeben: Farbe. Ring. Ring. Ring. Ring Ziffer Ziffer Nullen Toleranz schwarz braun 0 ± % rot 00 ± % orange gelb grün ±0, % blau violett grau weiß gold - - x0, ± % silber - - x0,0 ±0 % ohne ±0 % Beispiele: braun-rot-braun-gold: 0 Ω/ % gelb-violett-orange-gold: 7 kω/ % Eigene Entwicklungen: Eigene Schaltungsentwickungen und Entwicklungsideen können Sie uns jederzeit zusenden. Fürs erste genügt der (lesbare) Schaltplan mit ein paar begleitenden Worten zum Kennenlernen. Wenn Ihre Einsendung für Elektor interessant ist, senden wir Ihnen ein Honorarangebot. Für die weitere Ausarbeitung sind dann natürlich Unterlagen auf Diskette (Schaltung, Platine, Text) sehr willkommen. elektor - /007