В системе телефонной связи к аппаратуре передачи речи относятся электроакустические преобразователи и вспомогательные устройства. Электроакустические преобразователи осуществляют преобразование электрической энергии в звуковую и наоборот.
Телефон - осуществляет преобразование электрической энергии в звуковую, предназначен для работы в условиях нагрузки на ухо человека. Микрофон - преобразует звуковые колебания в электрические. Устройства, сочетающие функции телефона и микрофона, называют обратимыми. Устройства, требующие для своей работы источник питания, называют активными.
Принцип действия электромагнитного телефона основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых постоянным магнитом (Ф0) и электромагнитом (Ф»). Под действием результирующего (суммарного) потока мембрана телефона совершает колебательные движение, совпадающее с изменениями электрического тока, поступающего в обмотку электромагнита.
Рис. 8.2. Устройство электромагнитного телефона
Основными элементами телефона (Рис. 8.2) являются: постоянный магнит, электромагнит, состоящий из двух обмоток с сердечниками, и мембрана.
В телефонных аппаратах применяются так называемые капсюльные телефоны, размещаемые в микротелефонных трубках. Конструктивное исполнение их может быть различным.
В покое, т.е. при отсутствии тока в обмотках электромагнита, мембрана притянута к сердечникам под действием потока, создаваемого постоянным магнитом, имеет небольшой прогиб в сторону сердечников и неподвижна. Появление переменного электрического тока в обмотках электромагнита создает в сердечнике дополнительный переменный магнитный поток, имеющий направление совпадающее, либо противоположное направлению потока, создаваемого постоянным магнитом (Рис. 8.3). В результате мембрана будет совершать колебательные движения, соответствующие изменению величины тока. Колебательные движения мембраны создают распространяющиеся колебательные движения частиц воздуха, воспринимающиеся ухом человека как звук.
Рис. 8.3. Графики, поясняющие работу электромагнитного телефона: а - поток постоянного магнита; б - изменение тока в обмотках; в - изменение потока электромагнита; г - суммарный магнитный поток
Угольный микрофон - необратимый активный акустоэлектрический преобразователь. Принцип действия основан на свойстве угольного порошка изменять сопротивление электрическому току в зависимости от его плотности, изменяющейся под действием звуковых колебаний воздушной среды. Устройство угольного микрофона и схема его включения в электрическую цепь показаны на Рис. 8.4. Основными элементами микрофона являются подвижный и неподвижный электроды, подключенные к электрической цепи, и угольный порошок, заполняющий пространство между электродами. Подвижный электрод жестко связан с мембраной, воспринимающей колебания окружающего слоя воздуха. Элементы микрофона помещены в общий корпус, изготовленный из токонепроводящего материала. Звуковые колебания воздуха приводят к соответствующим колебаниям мембраны. Вместе с мембраной колеблется, совершая горизонтальные движения, подвижный электрод, изменяющий плотность угольного порошка. При увеличении плотности порошка его сопротивление электрическому току уменьшается, а при уменьшении - увеличивается. Следовательно, ток в цепи будет изменяться прямо пропорционально изменению звукового давления (Рис. 8.5).
Рис. 8.4. Устройство и схема включения угольного микрофона
Рис. 8.5. Графики изменения звукового давления (а), сопротивления угольного порошка (б) и тока (в) в цепи
При отсутствии звуковых колебаний (P=0) мембрана находится в состоянии покоя, сопротивление порошка не изменяется, а в цепи микрофона протекает неизменяющийся ток I. С появлением звуковых колебаний, т.е. началом изменения звукового давления (с момента t1, ток начинает изменяться по закону изменения давления.
К вспомогательным устройствам относятся вызывные приборы, предназначенные для приема сигналов вызова: звонок, зуммер и др. Вспомогательным, но обязательным является также устройство для передачи адресной информации, называемое номеронабирателем. Номеронабиратели бывают дисковые и тастатурные (кнопочные). Принцип их работы рассматривается ниже в подразделе 8.1.8 "Телефонная сигнализация".
Все элементы аппаратуры передачи речи конструктивно объединяются в прибор, называемый телефонным аппаратом (ТА). Структурная схема ТА приведена на Рис. 8.6.
Рис. 8.6. Структурная схема телефонного аппарата
Когда микротелефонная трубка ТА не снята, она нажимает на рычажный переключатель, удерживая его в нижнем положении, как показано на Рис. 8.6. При этом к АЛ подключен вызывной прибор, который сработает при поступлении сигнала вызова. При снятии микротелефонной трубки с ТА переключатель поднимается вверх и подключает к линии разговорные приборы и номеронабиратель, подготавливая ТА к ведению переговоров.
По способу электропитания разговорных и вспомогательных приборов различают ТА с местной батареей (МБ) и центральной батареей (ЦБ). ТА МБ оборудован батареей постоянного тока с напряжением 3 В. ТА ЦБ получает питание своей схемы по проводам АЛ от ЦБ, размещаемой на АТС. Напряжение ЦБ обычно составляет 24, 48 или, чаще всего, 60 В.
Коммутационные приборы
Для осуществления коммутации (соединения) линий (или каналов) 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.
В коммутационном 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.
Коммутационные приборы различаются между собой структурными и электрическими параметрами, обусловленными их конструкцией.
К структурным 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.
К электрическим 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.
Рис. 8.7. Электромагнитные реле: а - с открытыми контактами; б - с герметизированными контактами
Реле с открытыми контактами (Рис. 8.7, 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.
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. 8.7, 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 к друг 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.
В коммутационной технике широко применялись и находятся в эксплуатации в настоящее время электромеханические искатели - коммутационные приборы типа (1´ m) со свойством памяти.
В состав 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, подъемно-вращательные);
- по структуре контактного поля (декадное и недекадное).
На Рис. 8.8 приведены устройство шагового (ШИ) и декадно-шагового искателей (ДШИ).
Рис. 8.8. Устройство шагового и декадно-шагового искателей
В коммутационных системах используются шаговые искатели ШИ-11 и ШИ-17 с 10 и 15 рабочими выходами соответственно, а также декадно-шаговые искатели ДШИ, имеющие 100 выходов с декадным построением контактного поля.
Широкое применение в современных АТС имеют коммутационные приборы, называемые многократными координатными соединителями (МКС). МКС представляет собой многопозиционный электромагнитный коммутационный прибор типа n(1´ m). Коммутационными элементами МКС являются металлические контакты релейного типа, выполненные из благородных металлов. Принцип работы МКС основан на принципе координатной сетки (Рис. 8.9). К вертикальным шинам сетки подключаются входы, а к горизонтальным - выходы, и в местах пересечения шин создаются коммутационные точки, позволяющие соединить вход с любым выходом.
Рис. 8.9. Принцип устройства и работы МКС
Конструктивно МКС представляет собой коллективное реле с большим числом контактных пружин (Рис. 8.10). Основными элементами его являются вертикальные блоки, или просто вертикали. Каждая вертикаль содержит контактные струны (шины) и m групп контактных пружин, составляющих контактное поле вертикали (Рис. 8.11). Состояние контактов в группах вертикали обусловлено работой двух электромагнитов с рейками: удерживающего УЭ с рейкой УР и выбирающего ВЭ с рейкой ВР (см. Рис. 8.10). Каждая вертикаль имеет свой УЭ, а число ВЭ равно числу контактных групп m.
Рис. 8.10. Размещение элементов на плате МКС
Рис. 8.11. Схема контактного поля вертикали
Промышленность выпускает МКС, имеющие 10 или 20 вертикалей (входов) и 10 выходов при 6- или 12-проводных цепях. Принята следующая условная запись: МКС-n´ m´ l, где n - число вертикалей, m - емкость вертикалей, l - проводность коммутируемых цепей. Например, МКС-10´ 10´ 12 и МКС-20´ 10´ 6.
Многократные соединители могут быть реализованы на герконовых реле. 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. 8.12. Многократные соединители характеризуются малым временем установления соединения, высокой надежностью, унифицированностью конструкции.
Рис. 8.12. Схема построения соединителя на герконовых реле
В качестве коммутационных элементов могут применяться бесконтактные (электронные) элементы - электронные ключи. Однако такие соединители не получили широкого применения из-за сложности обеспечения удовлетворительных электрических параметров коммутационных элементов.
Все рассмотренные выше коммутационные приборы, в том числе и электронные ключи, реализуют принцип пространственной коммутации, когда точки коммутации разнесены в пространстве.
Электронная (бесконтактная) коммутация в современных электронных АТС осуществляется на основе принципа временной коммутации, заключающегося в следующем. Аналоговые (телефонные) сигналы преобразуются в цифровые, в результате чего образуются цифровые потоки, аналогичные потокам цифровых систем передачи (см. подраздел 6.3). Коммутация осуществляется изменением номера канального интервала для данного сигнала. На выходе станции производится обратное преобразование цифровых сигналов в аналоговые.
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), а использующие электронные приборы - электронными. В историческом плане вначале появились АТС декадно-шаговые, затем координатные, потом квазиэлектронные и последними электронные.