Windentelefon für Segelflugplätze

Es wird hier ein spezielles Telefon für den Windenfahrer auf Segelfluggeländen vorgestellt. Es handelt sich um ein komplett in analoger Elektronik ausgeführtes System, ausnahmsweise ohne Mikroprozessoren.

Das Ziel ist es, dass der Windenfahrer die Startkommunikation, verglichen mit einem Telefonhörer den man sich ans Ohr drücken muss, wesentlicher komfortabler mit einem Headset durchführen kann. Dies hat überdies den Vorteil, dass Lärm des Windenmotors gedämpft wird.

Nachteil eines Headset-Telefons ist jedoch, dass man nun andere, teilweise wichtige, Tonquellen ebenso kaum noch wahrnehmen kann. Also z.B. ein Flugfunkempfänger, PMR-Handfunkgeräte, usw.

So kam die Idee auf, ein Headset-Telefon zu entwerfen, mit dem man aber auch gleichzeitig andere Audioquellen zumischen kann. Es kann zwischen zwei Schlepps durchaus einige Zeit dauern, sodass auch eine Möglichkeit Musik aus verschieden Quellen zu hören ganz nett wäre.

Dabei muss aber sichergestellt sein, dass Audioquellen, die für einen Startvorgang nicht relevant sind, rechtzeitig abgeschaltet werden.

Hardware

Das Gerät ist modular aufgebaut, es besteht aus einzelnen Modulen welche jeweils nur eine überschaubare Anzahl an Funktionen implementierten. So ist eine Aufrüstung bzw. Funktionserweitungen durch reines einbauen bzw. tauschen von Modulen möglich.

Hierzu ist das System mit einem analogen Bus ausgestattet, der die Signalmischung, Schaltung des Betriebszustands sowie die Energieverteilung übernimmt.

Dieser besteht aus einem 10- adrigem Flachbandkabel und führt folgende Signale:

Es wird bewusst zwischen Signal- und Versorgungsmasse unterschieden um die Störanfälligkeit und somit Nebengeräusche zu minimieren. Diese Massen treffen sich nur an der Headset- und Versorgungsplatine.

Alle Audiosignale, auch das Mikro, werden auf ca. 1 Vrms-Pegel normiert, was auch der Störvermeidung dient. Die Headsetaudio-Kanäle bilden einen verteilten Summenverstärker und sind somit automatisch erweiterbar.

Die Prio bzw. Telefon-abgehoben-Leitung ist bei einem Pegel von 5V, bezogen auf Versorgungsmasse, aktiv. Dann müssen alle Karten, die kein Prioritätssignal zuführen, also z.B. Radio, sich selbst stumm schalten. Dieses Signal wird von der Telefonkarte eingespeist. Es ist mit NPN-Transistoren bezogen auf Masse ausgewertet, was es automatisch leerlaufsicher macht und auch eine ODER-Schaltung ermöglicht, sollte es neben dem Telefon noch weitere Kriterien für die Stummschaltung aller nicht priorisierten Kanäle geben.

Für experimentelle Erweiterungen und Diagnose ist ein neun polige Sub-D-Buchse vorgesehen, diese enthält alle Signales des Buses bis auf eine Signalmasse.

Hoffentlich kommt niemand auf die Idee, einen RS-232 nach USB Adapter anzuschließen, dies würde wahrscheinlich zu einigem Schaden führen, obwohl ein kurzer Blick auf die Belegungen zeigt, dass die meisten spannungsführenden Pins des Buses auf Eingängen der RS-232 enden.

Headset- und Versorgungsplatine

Dieses Modul hat zwei Aufgaben: Zum einen wird hier die +5V-Hilfsspannung für die anderen Module von der +12V-Versorgung abgeleitet. Die +12V werden hier eingespeist mittels einer 5x20mm-Sicherung abgesichert.

Zum Anderen wird hier das Headset an den Bus angebunden.

Das Mikrofon des Headset wird mit ca. 9V vorgespannt, diese wird mittels eines Shunt-Reglers direkt von der 12V-Versorgungsspannung abgeleitet. So wird eine gute Unterdrückung von Störungen und Schwankungen der Versorgungsspannung erreicht.

Das Signal des Mikrofons wird auf ca. 1Vrms verstärkt und mit 100 Ohm auf die Bus-Leitung gegeben.

Die Audiosignale für den linken und rechten Kopfhörer werden durch den Bus summiert und werden mittels eines invertierenden Summenverstärker, der mit 10kΩ rückgekoppelt wird, für jeden Kanal zusammengeführt. Nun werden diese über ein Doppelpotentiometer geleitet, um dem Windenfahrer die Verstellung der Lautstärke zu ermöglichen. Der Audio-Bus ist damit auch eine Stromschleife, was zusätzlich der Störunterdrückung dient.

Bei der Inbetriebnahme stellte sich heraus, dass die OPV U2B und U3B mit den die Widerständen R4/R8 (in der Simulation R1) und der Leitungskapaziät des Bus (lt Datenblatt 48pF/m) zum Schwingen neigen. Denn diese Kapazität bringt die Phase der Übertragungsfunktion über die kritischen 180 Grad, sodass aus dem Verstärker ein toller Oszillator wird.

Die Kapazitäten C15 und C16 (in der Simulation C2 genannt) kompensieren die Buskapazität und sorgen gleichzeitig für einen Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von ca. 22 kHz.

Als Headset-Treiber wird ein NE5532 verwendet, die Ausgangsimpedanz ca. 300mΩ reicht für diese Aufgabe aus und erfordert somit keine dedizierte Endstufe. Dies wäre als Bauprojekt zwar interessant, allerdings ist damit zweifellos verbundene Aufwand nicht gerechtfertigt.

Telefonschnittstelle

Da im Telefonsystem lt. Spezifikation über 100V auftreten und wir uns bis zu 700m weit von der Telefonanlage befinden, sind hohe Potentialdifferenzen nicht auszuschließen und damit besteht die Gefahr von Stromschlägen. Daneben sind bei solchen weiten Entfernungen auch Störungen durch magnetische gleichtakt-Kopplung zu erwarten, sollte man das Signal nicht völlig differenziell ausführen.

Daher wird die Telefonschnittstelle vollständig galvanisch getrennt. Hierzu werden Audioübertrager und galvanisch getrennte DC/DC-Wandler eingesetzt.

Das Telefon ist im Ruhezustand (Prio-Leitung bei 0V) durch das Reed-Relais K1 vom Netz entkoppelt. Gleichzeitig schaltet das Reed-Relais K2 das Empfangssignal stumm, warum man dies tun sollte, wird etwas später ersichtlich.

Ist das Telefon abgenommen, also es steht Spannung am Prio-Signal an, schließt K1 und K2 öffnet. Aus Sicht der Telefonanlage besteht nun die Anschaltung aus dem Übertrager TR1 in Reihe mit einer Parallelschaltung des 1kΩ-Widerstand R4 und dem 100nF-Kondensator C1.

Das Auskoppeln des Telefonsignals ist relativ einfach, auf der Sekundärseite des TR1 wird nach dem sogenannten Gehörschutz-Gleichrichter (GG1), der nichts anderes ist als zwei genau spezifizierte Antiparallele Dioden, das Signal mittels eines OPV nach Bedarf verstärkt und dann mit je 10kΩ in den rechten und linken Audiobus eingekoppelt.

Das Einkoppeln des Mikrofonsignals ist dagegen schon etwas anspruchsvoller, da eine sogenannte “Rückhördämpfung” implementiert ist. Das heißt, es wird mittels der sogenannten T-Schaltung, vermieden, dass man sich selbst im Telefon zu sehr hört.

In TR1 wird das Audiosignal des Mikrofons in einer Anzapfung eingekoppelt, somit ergibt sich aus Sicht der Telefonleitung eine Art Spartrafo der die Spannung des Signals und gleichzeitig die Impedanz dabei heraufsetzt. Aus Sicht der Sekundärseite hingegen hebt sich das Sprech-Wechselfeld dagegen teilweise auf.

Nun wird klar, warum man im aufgelegten Zustand das Empfangssignal abschalten möchte: Auch wenn die Telefonleitung durch K1 abgekoppelt wird, übertragt TR1 das Mikrofonsignal auf die Empfangsseite. Nun könnte man auch die Senderichtung abschalten, aber es erschien zielführender evtl. empfangene Störungen im Leerlauf so zu dämpfen.

Allerdings tendierte der Aufbau mit einer profesionell gefertigten Leiterplatte aus irgednwelchen Gründen zum Schwingen, anscheinend habe die parasitäten Kapazitäten der Übertrager irgendwelche unerwünschten Kopplungen verursacht. Dies lies sich aber durch eine kapazitive Kopplung der Telefon- und Gerätemasse mittels zwei Y2-Kondenstatoren lösen. Diese koppeln die a- und b-Leitung symmetrisch mit der Gerätemasse.

Einige Teile stammen aus einem FeTAp 611, auch bekannt als Graue Maus. Damit ist die Leitungsschnittstelle sehr wahrscheinlich kompatibel mit der Telefonanlage. Die Bundespost war seinerzeit akribisch bei der Auswahl der Lieferanten und der Qualitätssicherung. Damit sind Komponenten wahrscheinlich von höchster Güte.

Die für die Leitungsimpedanz kritischen Bauelemente sind: Der 1kΩ-Widerstand R4, da dieser Leistungswiderstand die DC-Impedanz signifikant mitbestimmt und der Übertrager TR1.

Ein FeTAp 745 spendete das Tastenfeld, welches an J4 angeschlossen wird und das Wählen ermöglicht. Dies ist bewusst wechselbar ausgeführt um es im Falle eines Defekts schnell tauschen zu können.

Klingel

Dieser Ton besteht aus zwei Grundtönen: 1356 Hz für 46ms und 816 Hz für 83ms, zwischen denen umgetastet wird.

Mittels zwei klassischen NE555-Timern wird der Klingelton auf möglichst analogem Wege generiert. Hierzu erzeugt U1 ein Signal mit 7 Hz und 94ms high und 47ms low, das ist nahe genug am Original.

In U2 werden die beiden hörbaren Töne erzeugt. Die Umschaltung zwischen den Frequenzen geschieht durch einen Timinig-Kondenstaor dem ein weiterer parallel geschaschaltet wird. Dies wird mittels eines einfachen NPN-Transistors implementiert, dieser wird von U1 angesteuert.

Um einen etwas angenehmeren Ton zu erzeugen, wird statt des Rechteck-Signals aus dem OUT-Pin des NE555 die rechteckähnliche Lade- und Entladespannung genutzt.

Das Ganze wird dann mittels C7 ausgekoppelt, wobei R6 dafür sorgt, dass der DC-Offset entfernt wird. U3 sorgt für eine Impedanzwandlung und Bus-Ankopplung während RV1 die Abschwächung erledigt.

Die Erkennung, ob das Telefon nun klingeln sollte, oder nicht, geschieht über ein Reed-Relais. Dieses erhält aus D2 eine gleichgerichtetes Spannung die über C1 als kapazitivem Vorwiderstand aus der relativ hohen Klingelspannung von 50..75V AC bei 25 Hz die Steuerspannung von etwa 5V ableitet.

Audio-Eingang

Die Ankopplung von Audiosignalen ist verglichen mit dem Aufwand der Telefon-Schnittstelle nahezu minimal.

Dieses Modul kann mehrfach eingebaut werden und ermöglicht Folgendes:

• Einkopplung von Stereo- und Mono-Signalen.
• Schnittstelle an Funkgeräte, Radios, usw.
• Eingang kann als Line-In aber auch als Lautspecherersatz (8 Ohm) für Radios bestückt werden
• Optionale automatische Stummschaltung bei abgenommenem Telefon
• Alle Eingänge sind galvanisch getrennt, so sollen Masseschleifen und möglichst auch leitungsgebundene Funkstörungen vermieden werden

Beide Audiokanäle eines Moduls sind bis kurz vor der Einspeisung in den Bus exakt gleich aufgebaut. Daher wird hier zunächst nur ein Zweig beschrieben.

Das Widerstandsnetzwerk aus R1/R3 und R5 passt den Audioübertrager TR1 an einen Lautsprecherausgang eines Autoradios an, wenn diese wie im Schaltplan bestückt sind. Für einen reinen Line-In kann R3 entfallen und R5 überbrückt werden. Die Primärseite von TR1 ist galvanisch getrennt und auch zwischen den beiden Kanälen links und rechts gibt es bewusst keine gemeinsame Masse. Dies dient dazu, dass man auch bei Bedarf zwei Funkgeräte jeweils am linken bzw. rechten Kanal nutzen können soll und diese auch keine Potentialprobleme bekommen sollen.

Hinter dem Übertrager TR1 sind alle Signale bezogen die Analogmasse des Telefons. Das Relais K1 sorgt für eine Stummschaltung, wenn es durch Q1 über von der PRIO_SW-Leitung angesteuert wird. Der Übertrager arbeitet in das Potentiometer RV1, welches ein Abschwächen des Signals ermöglicht und somit die Maximallautstärke bei einem gewissen Eingangspegel vorgibt.

U1 verstärkt das Signal um den Faktor zwei, bevor es über das Potentiometer RV3 zur Lautstärkewahl durch den Anwender und R11 für den Summenverstärker über J6 auf den Bus geleitet wird. Durch J6 kann auch für den Mono-Betrieb das Links-Signal an den R-Bus weitergegeben werden.

Revision B

Der bislang eher einfach gehaltene Eingangszweig wurde aufgrund von mehrfachem Wunsch nach besserer Audioqualität für externe Einspeisequellen noch einmal komplett neu geplant.

Der Operationsverstärker U2A treibt einen variablen Strom durch die Primärwicklung des Übertragers TR1. Hierbei wird auf den Spannungsabfall über R7 geregelt. Dieser ist dann proportional zum Strom durch den Übertrager. Der Kondensator C11 könnte, wenn bestückt die Höhen noch etwas anheben.

C9/R5 dienen der Gegekopplung für hohe Frequenzen und verhindern ein Anschwingen. Diese sind für eine obere Grenzfrequenz von ca. 20kHz ausgelegt.

Sekundärseitig sorgt R9 für eine definerte Last. U3A sorgt für eine niedigre Ausgangsimpedanz für das folgende Potentiometer.

Messungen

Zur Bewertung der Schaltung, wurden zwei Messungen mit einem Audio-Analysator durchgeführt.

Signalpfad von Mikrofon ins Telefonnetz

In der obigen Abbildung sieht man den Frequenzgang der Verstärkung von Mikrofon ins Telefonnetz. Es wurde am Telefonausgang ein Lastwiderstand von 600Ω als Abschlusswiderstand genutzt. Die Amplitude ist über den Frequenzbereich leider nicht ganz linear, die Ausreißer von etwa -4.5dB sind zu verschmerzen, allerdings geben sie dem Signal nachher eine gewisse Klangfarbe. Dies kann durch die Einkoppelimpedanz in den Übertrager TR1 verbessert werden, allerdings riskiert man dann Instabilität des Ausgangsverstärkers. Die aktuelle Konfiguration ist ein Kompromiss zwischen Stabilität und Frequenzgang.

Signalpfad vom Telefonnetz ins Headset

Der vorstehende Plot zeigt den Amplitudenfrequenzgang diesmal vom Telefonnetz zum Headset. Hier sieht man bereits einen relativ flachen Verlauf zwischen 150Hz und 9kHz, was für die Sprachverständlichkeit ausreichend ist. Damit ist diese Signalrichtung in dieser Richtung akzeptabel.

Signalpfad vom Line-In ins Headset

Revision A der Leiterplatte

Wenn man den obigen Frequenzgang betrachtet, fällt die Bass-Dämpfung auf. Also ist diese Schaltung ohne weiters Tuning nicht für jede Art von Musik geeignet, da die Eckfrequenz in der Größenordnung von 150 Hz liegt.

Es ist aber zu beachten, dass die Ausgangsimpedanz des Analyzers-Generators bei 600Ω liegt, also kann dass auch schon einen signifikanten Hochpass erzeugen.

Egal, für Sprachverständlichkeit ist das mehr als ausreichend. Auch Höhen über 10 kHz könnte man leicht bedämpfen. Diese Modifikationen können in einer Iteration des Designs nachgezogen oder notfalls auch gefädelt werden. Bei Benutzung eines Autoradios hat man sowieso noch Klangregler mit Bassanhebung.

Revision B der Leiterplatte

Die Revision B der Leiterplatte bietet einen wesentlich lineareren Frequenzgang als die vorige Version. Man beachte die -3dB-Punkte. Die untere Grenzfrequenz liegt bei ca. 25 Hz.

Diese Version ist damit besser für Media-Zuspielung geeignet, die alte Version sollte gerade für Funkgeräte usw. noch ausreichen und auch robuster sein. Auch hat diese Variante keine Unterstützung für Lastwiderstände zur Nutzung von Radio-Endstufen mehr, dies sollte aber zu verschmerzen sein.

Mechanischer Aufbau

Den mechanischen Aufbau hat ein Vereinskamerad in zahllosen Stunden in der Modellbauwerkstatt gemacht. Die Baugruppen des Telefons befinden sich in einem Industrie-Klemmkasten der im Fußraum des Winden-Fahrstandes angebracht ist.

Innerhalb des Klemmkastens sind die Module mittels Gewindestäben mit einander verbunden und werden durch die Potentiometerverschraubungen an der Gehäusewand fixiert.

Die Klingel aus dem Originaltelefon wurde einfach auf ein sehr solides Eichen-Sperrholzbrett montiert.

Das Tastenfeld stammt aus einem Siemens-Nebenstellentelefon, welches einem FeTAP 711 sehr ähnlich war, jedoch bereits über Tonwahl verfügte. Dessen Elektronik ist eine fazinierende Reise in die Elektronik der frühen 80er Jahre des vergangenen Jahrtausends auf drei gestapelten Leiterplatten. Dieses passt gut in den Look des Windenfahrstandes.

Der Schalter zum Abnehmen und Auflegen ist auf der Bedienkonsole ganz rechts angeordnet und ist sehr robust ausgeführt.

Dateien

• phone_kicad.tgz Archiv des Schaltplan und der Fertigungsdaten für alle Leiterplatten des Systems im KiCAD-Format