12.3 Телефонні апарати і комутатори

Принцип телефонної передачі

Принцип телефонного передачі полягає в тому, що в пункті передачі звукові коливання мови перетворюються за допомогою мікрофона на коливання електричного струму, які передаються лінією зв'язку в пункт прийому. У пункті прийому здійснюється зворотне перетворення електричних коливань у звукові за допомогою пристрою, званого т е л е ф о н о м .

Анімація нижче демонструє роботу найпростішого телефонного з'єднання. Тут телефон використовується і як мікрофон, і як телефон, і називається це телефонним апаратом ТА. Працює все наступним чином: звукові хвилі, що надходять через отвір в корпусі ТА, приводять в рух пружну металеву мембрану. В такому випадку ТА працює як мікрофон - коли мембрана коливається, вона тим самим змінює поле постійного магніту, а це, в свою чергу, викликає електричні коливання (змінний струм), які передаються по дротам. На іншому кінці дроту ТА працює як телефон ))): змінний струм, протікаючи по витках електромагнітних котушок, створює навколо них змінне магнітне поле, яке підсилює або послаблює поле постійного магніту. При цьому змінюється сила тяжіння мембрани до магніта і вона починає вібрувати в такт з коливаннями змінного струму (тобто в такт зі звуковими хвилями, які надходять в мікрофон). Вібрація мембрани викликає коливання часточок повітря, тобто створюються звукові коливання, точно такі самі, що й на іншому кінці дроту, де працює мікрофон.

Мікрофон і телефон є електроакустичними перетворювачами. Вони можуть бути різних типів. Розглянемо принцип роботи мікрофона на прикладі вугільного мікрофона.

У корпус вугільного мікрофона засипається вугільний порошок. Між мембраною і корпусом встановлена прокладка з ізоляційного матеріалу, тому мембрана контактує з корпусом тільки через вугільний порошок. Джерело постійного струму підключене з одного боку до металевої мембрани, а з іншої - до металевого корпусу. За відсутності звукових коливань перед мембраною мікрофона струм у мікрофонному ланцюзі постійний, оскільки опір вугільного порошку не змінюється. Опір, до речі, може бути декілька десятків або сотен Ом - в залежності від марки мікрофону. Коли ми говоримо в мікрофон, то створюємо коливання, які призводять мембрану в рух - вона починає то більш щільно притискатися до корпусу, то навпаки - відходити від нього. Коли мембрана притискається, вона збільшує тиск на вугільний порошок, і його опір зменшується, а струм в колі збільшується. Коли мембрана відходить від корпусу, то тиск на порошок зменшується і його опір збільшується, а струм зменшується. Виходить, що вібруюча мембрана перетворює постійний струм в пульсуючий (струм то збільшується, то зменшується). Цей струм має як постійну І0, так і змінну і складові (див.графік). Змінна складова являє собою змінний електричний струм, який змінюється з такой же частотою і по тому ж закону, що і звукові коливання. 

На даному рисунку (вище) представлена конструкція одного з перших мікрофонів. І хоча конструкції сучасних вугільних мікрофонів дещо відрізняються від даної, принцип дії залишається таким же. Залишається лише зібрати схему телефонного з'єднання (див.рис.нижче). Це вже повноцінне телефонне з'єднання. Саме по такій схемі включають свої трубки зв'язківці, коли "продзвонюють" кабель. 

Батарея живлення обов'язкова, оскільки вугільний мікрофон без джерела стуму працювати не буде. Але споживає така схема не дуже великий струм. Однієї батарейки на 1,5 В достатньо, щоб забезпечити зв'язок  на декілька десятків, а то й сотень метрів. Полярність включення батареї теж не грає ролі, але струм обов'язково має бути постійним.

Для повноцінного телефонного апарату необхідні, як мінімум, ще три елементи: номеронабирач, дзвінок, важільний перемикач. Останній - це просто група контактів, які переключаються, якщо трубку зняти або покласти. 

Принцип дії дзвінка нагадує роботу телефону: на котушку подається змінна напруга, під дією якої магнітний потік в сердечниках котушок змінюється за величиною і напрямком. В результаті то один, то інший сердечник отримує додаткове підмагнічування і притягує до себе якір. Бойок, розташований на кінці якоря, позмінно ударяє по чашкам. 

Колись дуже давно номеронабирачів не було. Абонент просто знімав трубку і чекав, доки йому відповість телефоніст. Потім чекав, коли телефоніст вручну з'єднає його з потрібним номером. Але телефонів ставало все більше, винайшли автоматичну телефонну станцію АТС (про неї пізніше), а разом з нею і номеронабирач - пристрій для набору номера.

Спрощена (ну дуже) схема телефону представлена на рисунку нижче. Принцип наступний: поки слухавка лежить на важелях, розмовний тракт відключений від лінії - лінія вільна. Напруга близько 60 В - в залежності від типу АТС. В момент здійснення дзвінка АТС подає викличний сигнал - змінну напругу близько 110 В (також залежить від типу АТС). Коли знімають слухавку, АТС з'єднує абонентів, напруга лінії при цьому стає 10-20 В. Коли слухавку кладуть на важелі, АТС вивільняє лінію - лінія знову вільна (напруга 60 В), навіть якщо абонент на іншому кінці дроту слухавку не поклав. Конденсатор С1 в колі дзвоника практично не пропускає постійний струм, тому коли слухавка лежить на важелях, то лінія залишається незамкнутою, тобто вільною. Якщо конденсатор прибрати, то лінія замкнеться через котушку дзвоника, і АТС "вирішить", що підняли слухавку. А змінний струм конденсатор пропускає майже без втрат, тому викличному сигналу конденсатор не заважає.

Конструкція телефонних апаратів. Телефонні апарати технологічного зв'язку

Телефонні апарати системи МБ. ТА системи МБ (див.рис.нижче) включають в себе, окрім розмовних приладів - мікрофону ВМ і телефону BF, телефонний індуктор И для посилання виклику на сусідню станцію, дзвоник змінного струму Зв для прийому виклику і батарею GB для живлення мікрофонного кола.

Наявність в кожному апараті МБ джерела викличного струму (індуктора) і батареї дозволяє з'єднувати ці апарати між собою і вмикати їх в комутатори МБ, встановлювані на телефонних станціях.

Телефонні апарати системи ЦБ. Відмінною особливістю апаратів системи ЦБ є централізоване живлення їх мікрофонів від однієї загальної центральної батареї GB, яка встановлюється на телефонній станції, до якої підключаються ці апарати. В апаратах системи ЦБ на відміну від апаратів МБ відсутній індуктор. Для надсилання викликів в ці апарати на телефонній станції є джерело змінного струму частотою 25 Гц. В якості цього джерела раніше використовувалися машинні індуктори, в теперішній час широко використовуються статичні електронні перетворювачі. Відсутність індуктора з батареєю в апаратах ЦБ спрощує їх обслуговування, зменшує число пошкоджень в них, але виключає використання цих апаратів для прямого зв'язку між абонентами без телефонної станції або спеціального концентратора. 

На залізничному транспорті використовують обидві системи апаратів МБ і ЦБ. При цьому дуже розповсюджені різні типи технологічного зв'язку. Телефонні апарати АТС призначені для включення в автоматичні телефонні станції. На відміну від апаратів ЦБ і МБ апарати АТС мають номеронабирачі. З'єднання між абонентами відбувається автоматично без участі телефоністки.

Телефонні комутатори. Призначення і принцип дії

За своїм призначенням телефонні комутатори, за допомогою яких можна встановлювати з'єднання між абонентами, поділяються на комутатори місцевого, міжміського та оперативно-технологічного зв'язку. Комутатори усіх видів розрізняють по числу включених номерів на комутатори малої ємності (до 10 номерів) і великої ємності (до 100 номерів). За конструкцією комутатори діляться на напільні, настільні та настінні.

За принципом живлення мікрофонів абонентських ліній розрізняють комутатори з місцевою батареєю (МБ) і центральною батареєю (ЦБ), а за способом встановлення з'єднання - шнурового і безшнурового типів. Принцип роботи комутатора розглянемо на прикладі шнурового типу.

Схема комутатора містить три основні групи приладів: прилади комплектів абонентських ліній (АЛ) і з'єднувальних ліній (ЗЛ), прилади шнурових пар і прилади робочого місця телефоністки. Комплекти АЛ слугують для підключення телефонних апаратів абонентів. Комплекти ЗЛ слугують для підключення з'єднувальних ліній від АТС або інших комутаторів. До складу комплектів АЛ та ЗЛ входять реле, викличні лампи ВЛ і з'єднувальні гнізда ЗГ. Число комплектів визначається ємністю комутатора.

Прилади шнурової пари призначені для встановлення з'єднання між абонентами, апарати яких включені в даний комутатор (ТА1-ТАп), а також цих абонентів з абонентами, апарати яких включені в АТС та інші комутатори.

На одному комутаторі в залежності від ємності є до 18 шнурових пар. Шнурові пари складають опитувальний ОШ та викличний ВШ штепселі, відбійні лампи ВбЛ1 та ВбЛ2, опитувально-викличний ключ ОВК, за допомогою якого відбувається опитування і надсилається виклик абонентам.

Робоче місце телефоністки містить розмовні (мікрофон ВМ і телефон ВF) і викличні прилади. Прилади робочого місця можуть бути підключені до будь-якої шнурової пари відповідним опитувально-викличним ключом.

Встановлення з'єднання на комутаторі здійснюється наступним чином. При надходженні виклику від абонента загоряється виклична лампа ВЛ. Телефоністка вставляє опитувальний штепсель ОШ в з'єднувальне гніздо ЗГ абонента, який здійснює виклик, і переводить опитувально-викличний ключ ОВК в положення "Опитування", при цьому гасне виклична лампа і абонент підключається до розмовних приладів BM і BF робочого місця. Дізнавшись у даного абонента номер того, до кого він телефонує, телефоністка вставляє викличний штепсель ВШ шнурової пари в гніздо ЗГ потрібного абонента і переводить ключ ОВК в положення "Виклик", підключаючи тим самим до абонентської лінії джерело И индукторного струму частотою 25 Гц.

Після відповіді абонента телефоністка переводить ключ ОВК у вихідне положення, з'єднуючи абонентів для розмови. По закінченню розмови абоненти дають відбій (кладуть мікротелефонні трубки на апарат), в результаті чого загоряється відбійна лампа шнурової пари ВбЛ1 або ВбЛ2, і телефоністка виймає штепселі шнурової пари з гнізд, роз'єднуючи абонентів.

При виклику абонента, апарат якого включений в комутатор іншої станції, телефоністка вставляє викличний штепсель ВШ в гніздо ЗГ з'єднувальної лінії до даного комутатора і викликає телефоністку сусідньої станції, надсилаючи в лінію виклик від індуктора И. Отримавши виклик, телефоністка іншого комутатора викликає потрібного абонента і здійснює виклик. При виклику абонента, апарат якого включений в АТС, телефоністка вставляє штепсель в гніздо з'єднувальної лінії АТС і, отримавши сигнал "Відповідь станції", здійснює набір номера необхідного абонента.

Комутатори оперативного та оперативно-технологічного зв'язку

Для організації роботи на станціях створюється декілька мереж розпорядчого зв'язку. Ці мережі організуються окремо від інших телефонних мереж, комутація абонентів в цих мережах здійснюється за допомогою спеціальних телефонних комутаторів безшнурового типу.

Мережі станційного оперативно-технологічного зв'язку мають радіальну (див.рис.а нижче) або радіально-вузлову (рис.б) будову. 

При радіальній побудові у керівників на центральному пункті управління ЦПУ встановлюється комутатор, до якого підключаються індивідуальні абонентські лінії (кабельні або повітряні), які йдуть від абонентських установок АО. Кожній лінії на комутаторі відповідає кнопка або ключ і сигнальна лампочка. У абонентів встановлюються телефонні апарати, обладнані в залежності від схеми включення різними додатковими пристроями. В комутаторах, встановлюваних у керівників, передбачається можливість як індивідуальних викликів і переговорів, так і циркулярних.

При радіально-вузловій побудові мережі є декілька пунктів управління ПУ1...ПУn, з'єднаних лінією зв'язку з центральним пунктом управління ЦПУ. При такій схемі побудови мережі керівник ЦПУ може встановлювати зв'язок як з керівниками ПУ1...ПУn, так і з абонентами, апарати яких включені в комутатори, встановлені на ПУ.

Для організації станційного зв'язку випускається декілька типів спеціальних комутаторів різної ємності, призначених для організації станційного зв'язку, наприклад комутатори станційного зв'язку КСС, комплекти станційного зв'язку КАСС та універсальні комутатори станційного зв'язку УКСС.

Комутатори КСС20/30 розраховані на включення 20 або 30 ліній до абонентських установок та інших комутаторів станційного зв'язку (див.рис.нижче). Схема комутатора дозволяє здійснювати як індивідуальний, так і маршрутний виклик, тобто одночасно на декілька стрілочних постів, об'єднаних в одну групу. До комутатора можна підключати підсилювач УС, який забезпечить  прийом мови на гучномовець ВА, а передачу розмови - через мікрофон ВМ.

Крім комутаторів КСС, в експлуатації знаходиться велика кількість комплектів апаратури станційного зв'язку КАСС, за допомогою яких можна організувати різні види станційного зв'язку. Використовують апаратуру типів КАСС-6, КАСС-22, КАСС-53, КАСС-ДЦ, КАСС-ДСП та їх модифікації, розраховані на підключення різної кількості ліній зв'язку.

Для організації перегінного зв'язку використовують комутатор типу КПС2/3, розрахований на включення двох ліній перегінного зв'язку і трьох ліній вибіркового зв'язку (наприклад, поїзного диспетчерського зв'язку, енергодиспетчерського зв'язку, службовий зв'язок електромеханіка).

З метою подальшого удосконалення станційного оперативно-технологічного зв'язку розроблений комутатор технологічного зв'язку КТС, виконаний з урахуванням використання в якості групових каналів зв'язку як аналогових систем передачі (К-24Т), так і цифрових (ІКМ-30, ІКМ-120).

В стативі КТС, який входить до складу комутатора КТС, можуть встановлюватися: до 10 комплектів оперативно-технологічного відділкового зв'язку; до 4 комплектів перегінного зв'язку (ПГС-60 або ПГС-24); комплект виносного телефонного апарату; до 33 абонентських активних і пасивних комплектів; комплект з'єднувальних ліній з АТС; пристрій узгодження з обладнанням станційного двостороннього паркового зв'язку і з апаратурою паркового зв'язку гучномовного оповіщення; до 16 комплектів вибіркового зв'язку; до 5 пристроїв підключення ліній відгалуження. Пульт зв'язку і управління ПСУ, що входить до складу комутатора КТС, використовується в якості переговорного пристрою ДСП або будь-якого іншого керівника робіт.

Телефонний апарат "Перегін-КТС" призначений для організації перегінного зв'язку. Апарат забезпечує роботу по дво- або чотирипровідних лініях перегінного зв'язку.

Переносний переговорний пристрій "Полігон" призначений для організації тимчасового зв'язку між станцією та місцем проведення робіт на перегонах. Переговорний пристрій дозволяє вести переговори в режимі гучногомовного зв'язку. При цьому рівень прийому достатній для прослуховування виклику голосом на відстані не менше 10 м.

Комутатори оперативного зв'язку. На підприємствах залізничного транспорту широке розповсюдження отримали такі різновиди оперативного зв'язку, як директорський зв'язок (службовий зв'язок керівників залізничних підприємств) та оперативний диспетчерський зв'язок всередині підприємств.

Директорський зв'язок організується за допомогою спеціальних директорських комутаторів, встановлюваних в кабінетах керівників. У дані комутатори включаються прямі абонентські лінії підлеглих відділів і служб, лінії телефонного апарату секретаря тощо. У прямих абонентів, лінії яких включені в директорські комутатори, встановлюються телефонні апарати ЦБ. В деяких типах директорських комутаторів є гучномовний переговорний пристрій.

Диспетчерський зв'язок всередині підприємств залізничного транспорту дозволяє диспетчеру в будь-який момент швидко зв'язатися з одним або декількома працівниками цехів, відділів, постійно слідкувати за ходом виконання виробничих процесів, передавати оперативні вказівки абоненту або одразу групі абонентів, зв'язуватися по лінії міжміського (МТС) або місцевого (АТС) зв'зку з абонентами інших підприємств або установ тощо. Для організації оперативного зв'язку на підприємствах і в установах залізничного транспорту широке використання отримали спеціальні телефонні установки типу СТУ ємністю від 20 до 50 ліній. Крім СТУ на підприємствах залізничного транспорту знаходять використання й інші комутатори оперативного зв'язку типу КД, розраховані на 18, 36, 60 і 120 ліній; типу "Кристал", розраховані на 70 і 110 ліній та ін.

Цифрові телефонні апарати і комутатори

В електронному телефонному апараті (ТА), так само, як і в електромеханічному, можна виділити декілька основних функціональних блоків: важільний перемикач (ВП); номеронабирач (НН); мікрофон (М); телефон (Т); протимісна схема. Кожен з цих вузлів в тому чи іншому вигляді присутній в будь-якому ТА, в тому числі і в електронних, безшнурових і стільникових телефонах, але їх схемотехніка дещо складніша, і для побудови цих вузлів використовується сучасна елемента база. При існуючому рівні інтегральної технології усе "начиння" електронного ТА може вміститися в одному корпусі інтегральної схеми (ІС). Крім того, з'являються додаткові функціональні можливості, які неможна було реалізувати в електромеханічних ТА. На рисунку нижче показана функціональна схема одного з електронних ТА з розширеними можливостями.

Розглянемо принцип дії електронного ТА по функціональній схемі (див.рис.нижче). При знятті мікротелефонної трубки важільний перемикач ВП підключає ТА до абонентської лінії, яка зв'язує його з АТС. В результаті утворення дільника напруга на лінійних затискачах знижується до величини 5...15 В. При цьому схема "Відбій" через подачу напруги в схему здійснює початкову установку ІС НН (режим готовності до набору номера).

В режимі готовності до набору номера ІС НН виробляє сигнал управління імпульсним ключом (ІК) і розмовним ключом (РК). Отримавши ці сигнали, розмовний вузол, який складається з мікрофонного і телефонного підсилювачів і протимісної схеми, за допомогою РК підключається до лінії і в мікротелефонній трубці прослуховується відповідь станції. ІК в цей момент знаходиться в розімкнутому стані.

Абонент починає набір номера. При доторканні до кнопок клавіатури ІС НН формується послідовність імпульсів, які управляють роботою ІК та РК. ІК замикає лінію накоротко і розмикає її, формуючи імпульси постійного струму, які управляють роботою АТС. РК відключає розмовний вузол від загального проводу на час слідування імпульсів набору номера, що усуває неприйняті клацання в телефоні мікротелефонної трубки при наборі номера.

По закінченні набору РК знов підключає розмовний вузол і в трубці чутно тональні надсилання від АТС, що говорить про закінчення встановлення з'єднання і надходження в лінію абонента викличного сигналу. При знятті трубки встановлюється з'єднання між двома абонентами.

По закінченні розмови трубка повертається на важіль. ВП розмикає коло і схема ТА переходить в черговий режим. В черговому режимі схема живлення забезпечує підживлення мікроскопи пам'яті ІС НН, в якому зберігається останній набраний номер, схема "Відбій" забороняє набір номера з клавіатури з метою збереження останнього набраного номеру, а викличний пристрій готовий до прийому сигналів виклику АТС.

При надходженні сигналу виклику від АТС викличний пристрій (ВП) виробляє звукові сигнали, які інформують про виклик іншим абонентом. До зняття трубки схема ТА знаходиться в черговому режимі.

При знятті трубки ІС встановлюється у вихідний стан з тою лише різницею, що замість сигналу "Відповідь станції" (гудок) в трубці чути голос абонента.

При короткочасному натисканні на ВП або доторканні до кнопки "Відбій" на набірному полі клавіатури за допомогою схеми "Відбій" ТА переводиться у вихідний стан. На рисунку нижче представлена схема ТА з кнопковим набирачем. Принцип і алгоритм роботи ТА  відшліфовані сотнями років і залишаться такими, вірогідно, ще стільки ж. Однак телефонний апарат удосконалюється, і його додаткові (сервісні) можливості безперервно розширяються і доповнюються, дозволяючи абоненту більш ефективно використовувати телефонну мережу і економити свій час і засоби.