Раздел 4. Принципы аналоговой коммутации
Тема 11. Основные понятия и определения, принципы аналоговой коммутации. Элементная база аналоговых систем коммутации.
Классификация аналоговых систем коммутации.
Ваналоговых коммутационных системах реализуется принцип пространственной коммутации, при котором коммутируемые линии разнесены в пространстве.
Для осуществления коммутации линий и управления процессами установления соединения применяются коммутационные приборы.
Коммутационным прибором называется устройство, обеспечивающее замыкание, размыкание или переключение электрических цепей, подключенных к его входам и выходам, при поступлении в прибор управляющего сигнала. Замыкание, размыкание и переключение электрических цепей в коммутационном приборе осуществляется коммутационным элементом (КЭ), который в простейшем случае представляет собой один контакт на замыкание.
К коммутационному прибору могут подключаться линии с различной проводностью (двух-, трех- и т.д. проводные), поэтому их коммутация осуществляется несколькими КЭ, объединенными в коммутационную группу, коммутационные элементы которой переключаются одновременно под влиянием поступающего управляющего сигнала.
Вкоммутационном приборе в зависимости от его конструкции может быть установлено различное число коммутационных групп. Совокупность коммутационных групп называется коммутационным полем прибора. Местоположение коммутационной группы в коммутационном поле прибора (или в коммутационном блоке, построенном из нескольких приборов) называется точкой коммутации (рис.4.1).
Рис.4.1. Коммутационный элемент, коммутационная группа, точка коммутации
Коммутатор коммутационного поля – совокупность точек коммутации, обеспечивающих соединение входа с выходом через одну точку коммутации.
Звено коммутации – группа коммутаторов, обеспечивающих одну и ту же функцию в коммутационной станции.
Коммутационный блок – часть ступени искания, представляющая собой совокупность точек коммутации, обслуживающих определенную группу входов.
Ступень искания – часть коммутационной станции, реализующая один вид искания (рис.4.2).
Рис.4.2. Коммутатор, звено коммутации, коммутационный блок, ступень искания
Коммутационное поле – совокупность коммутационных приборов всех ступеней искания станции.
Коммутационная станция – совокупность технических средств, обеспечивающая коммутацию абонентских и соединительных линий и каналов при осуществлении оконечных и транзитных соединений во вторичной сети связи.
Коммутационные приборы различаются между собой структурными и электрическими параметрами, обусловленными их конструкцией.
Кструктурным параметрам относятся: число входов n, число выходов m, доступность D входов по отношению к выходам, проводность коммутируемых линий l, свойство памяти.
Производными от этих параметров являются общее число точек коммутации Т, число коммутационных групп и число коммутационных элементов, а также максимальное число одновременных соединений.
Кэлектрическим параметрам коммутационных приборов относятся:
−сопротивление коммутационного элемента в разомкнутом
(закрытом) состоянии RЗ, и замкнутом (открытом) состоянии RО, отношение которых называется коммутационным коэффициентом
;
−время переключения КЭ из одного состояния в другое;
−вносимое затухание в разговорный тракт;
−уровень шумов;
−напряжение питания;
−величина тока, необходимого для переключения КЭ;
−потребляемая мощность.
Коммутационные приборы характеризуются также сроком службы или долговечностью, под которыми понимается допустимое число переключений или допустимое время работы, и интенсивностью отказов (повреждений), т.е. вероятностью отказов в единицу времени.
Некоторые коммутационные приборы обладают свойством памяти, т.е. способностью сохранять рабочее состояние после прекращения управляющего воздействия. Это позволяет сократить расход электроэнергии для поддержания рабочего состояния прибора. Для возвращения прибора в исходное состояние требуется новое управляющее воздействие.
Используемые в настоящее время коммутационные приборы по структурным параметрам можно разделить на четыре типа.
1.Коммутационные приборы типа (1×1), имеющие один вход и один выход. Число входов и выходов прибора указывается в круглых скобках, где первая цифра - число входов n, а вторая - число выходов m. Прибор имеет два состояния, в одном из которых соединение между входом и выходом отсутствует, а в другом - соединение установлено. Переход коммутационного элемента (или коммутационной группы) из одного состояния в другое осуществляется под воздействием сигнала, поступающего на управляющий вход из устройства управления.
2.Коммутационные приборы типа (1×m), имеющие один вход n=1 и m выходов. В приборе можно установить соединение входа с любым из m выходов, следовательно, доступность прибора D=m. Одновременно в приборе может быть установлено только одно соединение.
3.Коммутационные приборы типа n(1×m), имеющие n входов и nm выходов. Каждому входу из n доступно только m определенных выходов, следовательно, доступность прибора D=m из общего числа выходов nm. В приборе одновременно может быть установлено n соединений.
4.Коммутационные приборы типа (n×m), имеющие n входов и m выходов. Каждому из n входов доступен любой из m выходов, следовательно, D=m. В приборе одновременно может быть установлено n
соединений, если n≤ m или m соединений, если n>m.
Широко распространенным прибором является электромагнитное реле. Электромагнитное реле - это прибор типа (1×1). В телефонной технике применяются в основном электромагнитные реле постоянного тока с открытыми и герметизированными контактами.
Реле с открытыми контактами (Рис. 4.1, а) состоит из обмотки с сердечником, якоря с пружиной и контактов, укрепленных на плоских пружинных пластинах. При отсутствии тока в обмотке якорь под действием пружины оттянут от сердечника и контакты разомкнуты. При появлении тока
в обмотке якорь притягивается к сердечнику и, поворачиваясь на оси, вторым плечом нажимает на контактную пластину, замыкая контакты.
Рис. 4.1. Электромагнитные реле: а - с открытыми контактами; б - с герметизированными контактами; в – обозначение реле
Из многих типов реле с открытыми контактами наиболее широко применяются реле типов РПН и РЭС-14 с максимальным числом контактных пружин 18 и 24 соответственно.
Реле с герметизированными контактами (герконы) имеют контактные пружины, полностью изолированные от окружающей среды, так как помещены в заполненный инертным газом стеклянный баллон (Рис. 4.1, б). Геркон помещается внутри обмотки и корпуса, выполненного из магнитного материала. При отсутствии тока в обмотке контактные пластины под действием сил упругости отходят друг от друга, размыкая выходную цепь. При появлении тока в обмотке образуется магнитный поток, притягивающий друг к другу контактные пластины.
Основными достоинствами герконовых реле являются: быстродействие, хорошее качество контактов и малые габариты. На практике широко используются герконовые реле РЭС-46, РЭС-51 и РЭС-55.
Вкоммутационной технике широко применялись электромеханические искатели – коммутационные приборы типа (1× m) со свойством памяти.
Всостав электромеханических искателей обычно входят:
−контактное поле (статор - неподвижный узел), состоящее из изолированных ламелей, к которым подключаются выходы m;
−ротор со щетками, последовательно перемещающийся между ламелями. К щеткам подключается коммутируемая линия (вход);
−привод, обеспечивающий движение ротора.
Искатели классифицируют:
−по принципу действия привода (шаговые и моторные с индивидуальным приводом, машинные с общим приводом);
−по количеству и виду движений ротора (вращательные, подъемновращательные);
−по структуре контактного поля (декадное и недекадное).
Наибольшее распространение получили шаговые (ШИ) и декадношаговые искатели (ДШИ), показанные на Рис. 4.2.
Рис. 4.2. Устройство шагового и декадно-шагового искателей
Вшаговых электромагнитных искателях блок подвижных коммутирующих элементов передвигается шаг за шагом при каждом притяжении или отпускании якоря электромагнита.
Основными характеристиками искателей являются емкость поля, т.е. число линий, которые могут быть включены в контактное поле, и проводность, т.е. число проводов, составляющих каждую линию.
Вкоммутационных системах используются шаговые искатели ШИ-11 и ШИ-17 с 10 и 15 рабочими выходами соответственно, а также декадношаговые искатели ДШИ, имеющие 100 выходов с декадным построением контактного поля.
Вшаговом искателе щетки выполняют одно движение – вращательное.
Вдекадно-шаговом искателе щетки выполняют два движения – поступательное (подъемное) и вращательное. При подъемном движении выбирается декада, а при вращательном движении – линия в декаде.
Условное обозначение искателей показано на рис.4.3, а внешний вид на рис.4.4.
а) б) в)
Рис.4.3.Условное обозначение шаговых искателей а) шаговый искатель; б) декадно-шаговый искатель; в) декадно-шаговый искатель (показаны декады)
Рис.4.4. Внешний вид декадно-шагового искателя
В коммутационной технике широко применялись многократные координатные соединители (МКС) – коммутационные приборы типа n(1× m).
Координатный соединитель состоит из (рис.4.5):
−выбирающих реек;
−упругих выбирающих пальцев, расположенных на выбирающей рейке (рис.4.6);
−выбирающих электромагнитов В1..В10 (по два электромагнита на рейку);
−удерживающих реек;
−удерживающих электромагнитов У1..У20 (один электромагнит на рейку);
−неподвижных контактных струн;
−групп подвижных контактных пружин.
Рис.4.5. Схема многократного координатного соединителя МКС 20х10х6
а) б) в)
Рис.4.6. Положение выбирающей планки (вид слева):
а) исходное; б) сработал нижний выбирающий электромагнит; в) сработал верхний выбирающий электромагнит.
Координатный соединитель работает следующим образом:
1.Срабатывает выбирающий электромагнит, выбирающая планка поворачивается на небольшой угол, и выбирающие пальцы планки располагаются между удерживающей планкой и группой подвижных контактов, «выбирая» ряд контактных групп.
2.Срабатывает удерживающий электромагнит, поворачивается удерживающая планка и сдвигает в горизонтальном направлении все выбирающие пальцы, обслуживающие контактные группы данной вертикали. Выбирающий палец, находящийся напротив подвижной контактной группы, прижимает ее к неподвижным контактным струнам, устанавливая соединение входа с выходом.
3.Отключатся выбирающий электромагнит, выбирающая планка возвращается в исходное положение. Выбирающий палец в точке соединения остается в зажатом состоянии.
4.Для разрыва соединения отключается удерживающий электромагнит, удерживающая планка и выбирающий палец возвращаются в исходное состояние.
Вкоординатном соединителе одновременно может существовать множество соединений, которые устанавливаются по очереди под контролем управляющего устройства – маркера, который управляет электромагнитами. МКС получили свое название в связи с многократным использованием каждой из выбирающих реек, которые участвуют в организации соединений
вразных вертикалях одного МКС.
МКС имеет следующие структурные параметры:
−количество вертикалей,
−емкость контактного поля вертикали,
−проводность.
Вертикальным блоком или вертикалью называется пакет контактных групп с удерживающей планкой и удерживающим электромагнитом. Пакет контактных групп состоит из определенного числа групп подвижных контактов (емкость контактного поля вертикали) и общих неподвижных струн. Проводность определяет число одновременно коммутируемых проводов.
Наиболее распространенные координатные соединители имеют обозначение: МКС 20*10*6 и МКС 10*10*6, где первый параметр – количество вертикалей, второй – емкость контактного поля вертикали, третий – проводность. Внешний вид МКС 20*10*6 представлен на рис. 4.7.
Рис.4.7. Внешний вид МКС 20х10х6
Различают двухпозиционные и многопозиционные МКС. Число позиций определяется числом электромагнитов, которые должны сработать
для выполнения каждого соединения. Например, в двухпозиционном МКС срабатывает два электромагнита (один выбирающий и один удерживающий), в трех позиционном – три (два выбирающих и один удерживающий) и т.д. Чем больше позиционность МКС, тем эффективней строится на его основе коммутационное поле, но тем сложнее конструкция. Наиболее широко используются двухпозиционные и трехпозиционные МКС.
Трехпозиционные МКС получается при модификации двухпозиционных МКС для увеличения емкости контактного поля вертикали за счет уменьшения проводности, т.е. могут быть получены МКС 10*20*3 (на базе 10*10*6) и 20*20*3 (на базе 20*10*6). Принцип построения МКС показан на рис. 4.8. На этом рисунке вход подключается к контактам вертикали, которые имеют меньшую проводность и управляются с помощью дополнительного выбирающего электромагнита. Провода обычно обозначаются латинскими буквами a, b, c, d, e, f. Тогда верхний дополнительный выбирающий электромагнит (ДВМВ) использует провода a, b, c, а нижний (ДВМН) – d, e, f. Далее выходы образуются так же как и раньше с помощью выбирающих электромагнитов, но вместо одного выхода образуется два: один – из проводов a, b, c, второй – из d, e, f.
Рис.4.8. Принцип увеличения числа выходов МКС за счет уменьшения проводности
Многократные соединители могут быть реализованы на герконовых реле (МГС). На практике используются герконовые соединители типа МГС- 8×8×2 и МГС-8×8×4, имеющие восемь входов, восемь выходов и обеспечивающие соответственно двух- и четырехпроводную коммутацию. Схема построения МГС приведена на рис. 4.9. Многократные соединители характеризуются малым временем установления соединения, высокой надежностью, унифицированностью конструкции.
Рис. 4.9. Схема построения соединителя на герконовых реле
Еще одной разновидностью многократного герконового соединителя был соединитель на гезаконах – герметизированных запоминающих контактах. Гезакон – это герконовое реле с внутренней памятью, что достигается за счет того, что у гезакона пружины изготовлены из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, обладающие достаточной намагниченностью для удержания его пружин в замкнутом состоянии
(рис.4.10).
Рис. 4.10. Устройство гезакона
На основе ферридов могут быть построены многократные ферритовые соединители (МФС).
Феррид представляет собой магнитный элемент релейного действия, в конструкции которого (рис. 4.10) магнитоуправляемые контакты 1 и 2 объединены с магнитопроводом из ферромагнитного материала 3, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса.
Рис. 4.11. Устройство феррида
В исходном состоянии контакты разомкнуты. Для замыкания контактов феррида в обмотку 4 достаточно подать короткий импульс тока, после окончания которого, контакты остаются замкнутыми за счет остаточного магнитного потока ферромагнетика. Для размыкания необходимо подать импульс тока противоположного направления, чтобы размагнитить магнитную систему.
Многократные интегральные соединители
Автоматические телефонные станции могут быть реализованы на различных коммутационных приборах. Станции, реализованные на шаговых и декадно-шаговых искателях, называются декадно-шаговыми. Станции, реализованные на МКС, называются координатными. Станции, использующие герконовые коммутационные приборы, называются квазиэлектронными (почти электронными). В историческом плане вначале появились АТС декадно-шаговые, затем координатные, потом квазиэлектронные.