Telefon k bráně VoIP
Telephone for VoIP gate

This telephone unit was designed for use with Sipura VoIP gate with 600 ohm line impedance. May be connected to PTSN too, but I don't tested enough it. Telephone work properly from november 2007 and is often in use.

Amatérská výroba telefonů není příliš rozšířená. Dříve musel být přístroj připojený do veřejné telefonní sítě homologovaný, dnes stačí, když splňuje příslušné normy. S rozvojem IP telefonie si může vyrobit a používat telefon každý zručnější konstruktér.

Telefonovat přes internet lze několika různými způsoby. Pro domácnosti s trvalým připojením k internetu lze výhodně použít IP telefony a různé VoIP brány, které k funkci nepotřebují zapnutý počítač. Protože IP telefony jsou stále poměrně drahé, používají se častěji různé VoIP brány. VoIP brána je „jedním koncem“ připojena do sítě s přístupem na internet, na „druhý konec“ se připojuje standardní analogový telefonní přístroj, který se pak používá běžným způsobem a který má přiděleno telefonní číslo dostupné z jakéhokoli pevného či mobilního telefonu. Některé VoIP brány navíc mají router, který bychom stejně potřebovali, chceme-li k internetu přes jeden modem připojit více počítačů. Ke svojí VoIP bráně si můžeme připojit i nehomologovaný, vlastnoručně vyrobený telefon. Návod na jednoduchý telefon je předmětem tohoto článku.

Jak telefon pracuje

V klidu je na telefonní lince stejnosměrné napětí, většinou 50 až 70 V. Při vyzvánění se na toto napětí superponuje ještě střídavé napětí 50 až 100 V s kmitočtem většinou 20 nebo 25 Hz. „Zvedneme-li“ telefon, začne linkou protékat proud 20 až 40 mA. Na telefonu přitom vznikne úbytek napětí několika voltů (obr. 1). Toto napětí lze využít k napájení obvodů telefonu. Polarita stejnosměrného napětí není definována, telefon musí fungovat při obou polaritách. Telefonní linka má při zvednutém telefonu definovanou impedanci, které by měl být telefonní přístroj přizpůsoben. Impedance linky se v různých zemích liší, proto například telefon zakoupený v Německu (impedance 220 Ohmů + 820 Ohmů paralelně s 220 nF) nemusí v Čechách (600 Ohmů) pracovat optimálně. Někdy se liší i impedance různých sítí v rámci jednoho státu, záleží na stáří a typu telefonní ústředny, délce a vlastnostech použitých kabelů.

Obr. 1. Napětí na zvednutém telefonu by se v závislosti na procházejícím proudu mělo pohybovat v oblasti vyznačené písmeny A až G
Fig. 1. Recomended telephone unit operating area is among points A to G

Nejdůležitější částí telefonu je hovorový obvod. Hovor se po lince přenáší modulací proudu, který protéká linkou. Proud je modulován jak na straně ústředny (brány VoIP), kdy se přenáší hovor k uživateli, tak v telefonním přístroji, kdy se přenáší od uživatele. Součástí hovorového obvodu je tzv. hybridní obvod, který potlačí signál z mikrofonu ve sluchátku telefonu. Hybridní obvod je i na protistraně (ústředna, brána VoIP). Hybridní obvod je většinou nějaký druh můstku, a proto je třeba, aby impedance telefonu a brány VoIP (nebo ústředny) byly přizpůsobené. Důležité je to zvláště u VoIP zařízení, kde vlivem digitalizace a přenosu dat po internetu vzniká zpoždění signálu v řádu desítek milisekund. Nepřizpůsobením, zvláště na straně VoIP brány, vzniká velmi nepříjemná ozvěna.

Obr. 2. Hovorový obvod s hybridním transformátorem. Pokud mají L1 a L2 stejný počet závitů a vyvažovací impedance ZM je shodná s impedancí linky ZL, je signál mikrofonu ve sluchátku potlačen
Fig. 2. Simple telephone hybrid circuit

Další důležitou částí je obvod pro vytáčení čísel. Všechna moderní zařízení podporují tónovou volbu. Vyzváněcí obvod upozorňuje uživatele na příchozí hovor. Akustické (zvonek) nebo optické návěstí indikuje přítomnost vyzváněcího napětí na lince. Hook switch je spínač, kterým se zapne hovorový obvod při zvednutí telefonu.

Technické údaje
Specifications

Popis zapojení

Obr. 3. Schéma telefonu
Fig. 3. Telephone unit schematic

Zapojení telefonu je na obr. 3. Hovorový obvod s tranzistory T1 až T3 je připojen přes hook switch a můstek DB1 na telefonní linku. Diodový můstek zajišťuje, že elektronické obvody jsou napájeny se správnou polaritou. Je-li hook switch sepnut, prochází proud linky přes tranzistor T1, který je zapojen jako mikrofonní zesilovač, a tranzistory T2 a T3, které zesilují signál pro sluchátko. Zesilovač pro sluchátko pracuje ve třídě A. Rozkmit výstupního napětí na kolektorech tranzistorů je asi 1 V, což pro daný účel zcela postačuje. Sluchátko nebo reproduktor lze použít i s impedancí 8 Ohmů, zesilovač však pracuje lépe (má menší zkreslení) s větší impedancí zátěže. Trimrem P2 lze nastavit zesílení podle potřeby. Na zesilovači je trvale úbytek asi 1,3 V, daný součtem napětí UBE tranzistorů T2 a T3 a je jen málo závislý na protékajícím proudu. Z tohoto napětí je přes rezistor R1 napájen elektretový mikrofon. Signál z mikrofonu prochází přes C1 na bázi tranzistoru T1. Ten signál zesílí na úroveň potřebnou k vybuzení linky. Původně byl mikrofonní zesilovač o mnoho složitější. Měl však zbytečně velké zesílení a nevhodnou výstupní impedanci. Toto jednoduché zapojení pracuje lépe. Pracovní bod T1 je nastaven rezistory R2 až R4. Na mikrofonním zesilovači vzniká úbytek napětí asi 3,5 V, úbytek napětí se může podle proudového zesílení T1 měnit od 3 do 4 V. Rezistor R5 zavádí v tomto stupni zápornou zpětnou vazbu, upravující zesílení a zmenšující zkreslení. Vyvažovací obvod C6, R6 a P1 potlačuje signál z mikrofonu ve sluchátkovém zesilovači. Signál z mikrofonu má na kolektoru T1 opačnou fázi než na emitoru, avšak amplituda signálu je na kolektoru mnohem větší. Trimrem P1 lze nastavit stav, kdy se signály z kolektoru a emitoru T1 na kondenzátoru C7 odečtou a zvuk z mikrofonu se ve sluchátku potlačí. Zjednodušené zapojení vyvažovacího můstku je na obr. 4. Nastavení je velmi závislé na impedanci linky. Protože brána VoIP vytváří linku s činným odporem 600 ohm a krátký přívod nevytváří významnou jalovou složku, je vyvážení snadné a velmi účinné. Signál přicházející z brány nebo ústředny je na kolektoru i emitoru T1 ve fázi, a vyvažovacím obvodem proto není potlačen.

Obr. 4. Zjednodušené zapojení hybridního (vyvažovacího) obvodu v telefonu
Fig. Simplified telephone hybrid circuit schematic

Aby potlačení vlastního signálu dobře fungovalo i na straně VoIP brány, je třeba, aby telefon měl definovanou impedanci blízkou impedanci brány, tj. 600 ohm. Výstupní impedance kolektoru T1 je pro střídavé signály velká, je to téměř proudový zdroj. Impedanci telefonu pro hovorové signály tvoří v podstatě jen paralelní kombinace R6, R1 a asi o řád větší impedance kolektoru T1. Usměrňovací můstek, přes který signál prochází, ovlivní impedanci už jen minimálně.

Obr. 5. Úprava dialeru
Fig. 5. Dialer circuit arrangement

Pro tónovou volbu jsem nesehnal žádný vhodný integrovaný obvod, a generovat DTMF signál diskrétními oscilátory by bylo složité a velmi nepraktické. Nakonec jsem pro telefon upravil DTMF dialer. Dialer je malá krabička s tlačítky a reproduktorem, generující po stisku tlačítka tóny odpovídající příslušným číslům. Používá se k dálkovému ovládání telefonních záznamníků a pro tzv. selektivní volbu u občanských radiostanic. V dialeru (obr. 5) je signál veden z integrovaného obvodu přes rezistor 22k na tranzistor, který budí malý reproduktor. Tranzistor a reproduktor jsem vymontoval a signál DTMF je vyveden na tranzistor T4 v telefonu. Po stisku tlačítka se na výstupu IO objeví napětí asi 1 V se superponovaným signálem DTMF. Připojení na telefonní linku je velmi jednoduché, postačí jen tranzistor T4 a rezistor R7. Změnou odporu R7 lze upravit intenzitu tónové volby. Reproduktor z dialeru jsem v telefonu použil jako sluchátko. Dialer má podle typu paměť na 11 nebo 13 čísel, bohužel mu však chybí užitečné tlačítko „redial“ pro opakování naposled volaného čísla. Nechtělo se mi řešit napájení dialeru z telefonní linky, proto je v telefonu malá baterie, která pravděpodobně vydrží mnoho let. Baterie má naopak výhodu v tom, že telefon nezapomene uložená čísla, odpojíme-li ho od linky.

Rovněž pro vyzváněcí obvod jsem nesehnal speciální IO. Proto jsem jako zvonek použil oscilátor se samovybuzujícím se piezoelektrickým měničem. Oscilátor je napájen proudem, který při vyzvánění prochází kondenzátorem C8, můstkem DB2, LED2 až LED4 a rezistorem R14. Oscilátor je napájen jen v jedné půlvlně, zvuk je pak výraznější. Při opačné půlvlně prochází proud diodou D1. Zvonek musí mít určité pásmo necitlivosti. To je zde zajištěno zapojením LED. Vyzváněcí napětí musí mít amplitudu alespoň 10 V, aby piezoměnič začal vydávat nějaký zvuk. V telefonu jsem použil modré LED s velkou svítivostí. Ty intenzivně svítí již při proudu několika miliampér, který při vyzvánění obvodem prochází. LED zároveň slouží k optické signalizaci zvonku, což se může hodit v hlučném prostředí.

Posledním obvodem telefonu je indikátor obsazené linky. Telefon jsem od začátku zamýšlel jako druhý telefon paralelně připojený k přístroji na druhém konci bytu. Je-li telefon „zavěšen“, je hook switch přepnut na obvod s tranzistory T5 a T7. Jsou-li všechny telefony na lince zavěšeny, je na lince napětí 50 až 60 V. Tranzistor T5 je otevřen, T7 zavřen a LED1 nesvítí. Obvod odebírá z linky jen velmi malý proud procházející rezistory R8 a R9. Zmenší-li se napětí linky pod 15 V, T5 se uzavře, T7 otevře a LED1 se rozsvítí. Tranzistor T6 řídí předpětí gate T7 podle úbytku na R11 tak, že LED1 prochází proud asi 1 mA, což pro indikaci zcela postačuje. V rozsahu napětí 3 až 15 V na lince svítí LED1 prakticky stejně. Tranzistor BSS123 má maximální napětí UDS jen 100 V. Při vyzvánění je toto napětí překročeno. V mnou postaveném telefonu zvýšené napětí tranzistor již několik měsíců vydržel. Máte-li o něj obavy, můžete použít typ BS108 s UDSmax 200 V, ten však není v provedení SMD. Tento „in use“ obvod není třeba osazovat, pokud indikaci nepotřebujete, nebo ho lze použít i samostatně pro jiný telefon.

Mechanická konstrukce

Šířka desky s plošnými spoji byla určena rozměry dialeru, délka pak „rozumnou“ vzdáleností mezi mikrofonem a sluchátkem. Přestože je na desce spousta volného místa, je většina součástek SMD. Zabírají méně místa, osazování je snažší a deska se nemusí tolik vrtat. Obrázek motivu spojů a rozmístění součástek získáte kliknutím na odkaz v následující tabulce.

Obr. 6, 7 a 8. Deska s pl. spoji Fig. 6, 7 & 8. PCB board: PCB GIF 600 dpi PCB PDF vrchní strana součástek top side component (GIF) spodní strana součástek  bottom side component (GIF)

Než začnete osazovat součástky, připravte si nejdříve dialer a jeho uchycení k desce.Z dialeru vyjmeme baterie a odstraníme odklápěcí kryt. Dialer opatrně „rozlouskneme“. Mělo by to jít poměrně snadno, začnete-li v rohu, ke kterému je připevněn řetízek. Odpájíme přívody reproduktoru od desky dialeru a reproduktor opatrně vyloupneme ze spodní části krabičky. Z desky dialeru vypájíme ještě tranzistor v pouzdře TO92. K desce dialeru připájíme krátké kablíky k zápornému (PAD1) a kladnému (PAD3) póĺu elektrolytického kondenzátoru a k vývodu pro bázi vypájeného tranzistoru (PAD2). Úprava je snad patrná z fotografie na obr. 9. Spodní díl krabičky dialeru zatím jen zkusmo připevníme k desce telefonu plastovými nýtky (obr. 10). Sundáme krabičku a osadíme desku telefonu součástkami.

Obr. 9. Úprava dialeru a připojení vývodů
Fig. 9. Dialer pins connection

Telefon měl být původně v průhledné plastové krabičce, která by byla zevnitř prosvícena LED. Její výroba se mi však nedařila, a proto jsem zhotovil krabičku dřevěnou. K její výrobě jsem použil překližku z měkkého dřeva, získanou z lísky na ovoce. Tu vám zdarma věnuje snad každý zelinář. Z jedné vysoké lísky získáte materiál na několik krabiček. Překližka se snadno opracovává a dobře lepí disperzním lepidlem. Krabičku jsem nakonec přebrousil, namořil a přelakoval polyuretanovým lakem.

Obr. 10. Připevnění krabičky dialeru
Fig. 10. Dialer mounting on PCB

Se změnou krabičky jsem musel upravit i některé součástky na desce. LED byly původně všechny SMD. Nakonec zůstala SMD jen LED2. Ta však není zvenku vidět, a proto nemusí moc svítit. Můžete ji nahradit Zenerovou diodou (3 až 12 V) nebo i zkratem, ale tím se zvětší citlivost vyzváněcího obvodu. Ostatní LED jsou v pouzdru o průměru 3 mm. Ukázalo se, že je lepší použít LED s velkou svítivostí než typ pro proud 2 mA, protože při malém proudu svítí více. Také přepínač SW1, kterým se telefon „zvedá“, jsem přemístil na stranu spojů. Odložený telefon je na stole položen klávesnicí dolů. LED na zadní straně jsou proto dobře vidět a spínač je při zvednutí telefonu dostupný jedním hmatem. Ze strany spojů jej však nelze připájet těsně k desce, protože se hrotem páječky nedostanete k pájecí plošce. Na pájecí kontakty jsem proto rozklepl malé nýtky, které jsem ze strany spojů připájel. Pak jsem ze strany spojů do nýtků zasunul přepínač a připájel ho z opačné strany desky. Mezi přepínač a desku jsem vložil kousek izolačního papíru. Přepínač můžete také umístit na kterémkoli jiném vhodném místě v krabičce a s deskou propojit kablíky. Přepínače P-B143 z novější série („stříbrné“) nejsou příliš kvalitní a zahýbáte-li páčkou, ztratí občas kontakt. Opravíte je tak, že „packy“ držící pertinaxovou destičku s vývody trochu více přihnete. Závadu vykazovaly všechny kusy, které jsem měl doma. Rozměrově stejné přepínače, ale černě lakované byly v pořádku.

Obr. 11. Vrchní strana desky s plošnými spoji
Fig. 11. PCB top side

Pro napájení dialeru jsem místo původních článků použil lithiovou baterii. Do desky telefonu můžete zapájet jak pouzdro zakoupené např. v GM, tak pouzdro, které vypájíte z vadné základní desky PC a které má jinak umístěny vývody. Piezoelektrický měnič je přišroubován malými vruty skrz desku s plošnými spoji do spodní části krabičky dialeru.
Na mikrofon jsem nasunul kousek hadičky tak, aby hadička zevnitř těsně přiléhala ke krabičce. Omezí se tak akustická vazba mezi sluchátkem a mikrofonem uvnitř přístroje.

Obr. 12. Spodní strana desky a krabička
Fig. 12. PCB bottom side and vooden box

Obr. 13. Zadní strana telefonu s LED, spínačem a dírou pro zvonek
Fig. 13. Rear phone side with LEDs, hook-switch and ringer hole

Oživení

Telefon používám ve spojení s bránou Linksys Sipura SP2100. V nastavení brány si zkontrolujte, zda v menu /admin/voice/advanced v záložce Regional máte nastavenou impedanci linky FXS Port Impedance: 600. Telefon můžete oživit také přípravkem podle obr. 14 (Sw1 sepnut). Přípravkem můžete testovat telefon při různém proudu linkou, měřit napětí na lince a odhadnout impedanci telefonu - střídavé napětí ve zkušebním bodě by mělo být po rozpojení spínače dvojnásobné. Trimr P2 vytočte na maximální odpor (max. hlasitost). K mikrofonu přiložte zdroj zvuku (například sluchátko od přehrávače mp3) a trimr P1 nastavte tak, aby zvuk z mikrofonu nebyl ve sluchátku telefonu slyšet. Vyzkoušejte tónovou volbu. Vyzváněcí obvod můžete vyzkoušet připojením zavěšeného telefonu přes rezistor 1 kOhm na střídavé napětí 24 až 50 V.

Obr. 14. Testovací přípravek
Fig. 14. Test circuit

Závěr

Telefon je v provozu již několik měsíců a přesto, že byl koncipován jako druhý pomocný telefon, je často používán. Vyzkoušel jsem ho úspěšně i na veřejné telefonní síti (PSTN), avšak protože si nejsem jist, zda splňuje všechny požadované normy, neměl by tam být připojen. PSTN má oproti bráně VoIP také větší napětí při zavěšeném telefonu a větší proud, když je telefon zvednut.

Seznam součástek
Components

Odkazy / Links

[1] http://www.tkk.fi/Misc/Electronics/circuits/teleinterface.html
[2] Normy / document TBR 38 a TBR 21
[3] http://www.elix.cz
[4] http://www.electronic-circuits-diagrams.com/telephones_circuits.shtml

Jaroslav Belza

Návod na tento telefon byl otištěn také v PE 3/2008 s. 19. Verzi pro web jsem doplnil o 2 obrázky a nějaký text.

16. 4. 2008