平成14年1月7日朝刊
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| 電子回路の豆知識 |
| 第0章 基本の豆知識 |
| 第1章 部品の豆知識 |
| 第2章 個別半導体の豆知識 |
| 第3章 オペアンプ回路の豆知識 |
| 第4章 ディジタル回路の豆知識 |
| 第5章 コネクタと規格の豆知識 5.1 プリンタポート 5.2 RS232C 5.3 VGAコネクタ 5.4 電話線 5.5 ISDN 5.6 LAN 5.7 168ピンDIMM |
| 第6章 画像信号の豆知識 |
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平成10年2月28日発行.第三種郵便物不認可
| 電話回線 |
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電話はとても素晴らしい技術です。二本の線で双方向通信を行うことができるのです。この節では、電話回線の原理や、電話端末の原理に関するインターフェースを紹介します。このページに書かれた内容を理解すればそれなりの電話端末が作れますが、決して事業用電気通信回線設備(NTTの電話線など)に接続してはいけません。どんなに素晴らしく完成した装置であっても、どれほど規格を遵守していても、一瞬たりとも接続することは許されていません。認定を受けていない端末はつないではならないからです。 これらの点を十分にご理解した上でお読みください。 最終更新日 平成14年2月11日 |
| 電話回線の原理 |
 電話の原理は上のような簡単な回路です。送話器（マイク）と受話器（スピーカー）と電源が直列でつながっています。この原理的な電話は2本の線で一対一の双方向通信を行います。2本の線には極性はありません。また、原理的なこの回路では自分が喋った声と相手の喋った声が同じ線を使っているので、自分の声も聞こえてしまいます。これは通話に支障をきたすことでしょう。 なお、複数の人を選択して通話したい場合には、人手や電気回路を用いて回線を切り替えます。これが交換の役割です。 ところが、距離が長くなると電気信号は減衰してしまいますので、遠くの人と話すときには増幅器が必要になります。しかしながら、2本の線で双方向通信を行っているこの回路に増幅器を挿入することはできません。 |
| 2線-4線の変換 |
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そこで、2線と4線を変換する回路が必要になります。4線というのは、送話か受話かが決まっている線路で、すなわち単方向通信の線路です。2線の信号はそのままでは増幅できないので、右の図のようなハイブリッド回路というものを用いて4線に変換し、アンプで増幅して再び2線に戻します。4線だと信号の方向がはっきりしているので、増幅することができるようになります。また、送話線路の信号が受話線路に漏れないように工夫がされています。そうしないと自分の喋った声が自分の受話器に受話器に聞こえてしまいます。 ハイブリッド回路はコイルがいっぱい使われていたり、ICで作られたりします。 |
| コイルを使ったハイブリッド回路 |
コイルを使って、2線-4線の変換を行うことができます。右の回路はその一例です。4線の受話側からきた信号はコイルの平衡が十分に保たれていれば4線の送話側に漏れることはありません。その信号の半分は2線側へ、残り半分は平衡結線に流れます。2線側からきた信号は4線受話と4線送話に半分づつ流れます。しかしながら、受話側はアンプの出力になっているので、そちらには流れ抜くことはできません。 コイルを使ったハイブリッド回路を使うと、信号が半分に減衰(-3dB)してしまうのは避けられません。この方式の欠点はトランスの製作が難しいことです。 |
| オペアンプを使ったハイブリッド回路 |
オペアンプを使ってハイブリッド回路を作ることができます。右の回路はその一例です。使うトランスは電話回線にインピーダンス（600Ω）に合わせてあります。ICを使う場合でもトランスは使いましょう。4線送話（喋った声）が4線受話（喋った人の受話器）に入らないように、差動増幅回路で信号を打ち消します。ポテンショメータを調整して最も信号の漏れこみが小さくなるように調整して使います。 |
| コネクタ |
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認定を受けた端末を認定を受けた方法で接続する場合は、工事担任者は必要がありません。認定を受けた方法というのは、モジュラージャックを指しこむ場合などが該当します。そのため、電話線の多くはモジュラージャックを使うようになっています。最も多く見かけるのは、6ピンのモジュラージャックです。通常はこの真ん中の2本の線を用います。なお、電話線にはL1とL2がありますが、どちらにつないでも問題ありません。電話回線は相手が応答すると極性が反転するため、どちらの極でも良いように設計されています。多くの電話回路は極性をはっきりさせるためダイオードブリッジを使っているからです。 |
| 通話路の確立 |
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| 呼び出し時 |
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受話器を上げる前、回線には交換機から送られた48Vの直流がかかっています。受話器を上げると300Ω以下の抵抗値で接続されるために、電話回線にループが形成されて電流が流れます（発呼信号）。そのため、この電圧は5V程度まで下がります。 この電流が20mA程度以上になると交換機は受話器が上がったことを検知して、400Hzの音を送信します。これが「プー」音です。 次に、端末はダイヤルパルスまたはダイヤルトーン、いわゆるDTMF音を送出します。これらの信号の規格は決められています。ダイヤルパルスは、数字の数だけ回線を瞬断することで送出します。そのため、一部の電話やモデムではダイヤルパルスを送信するときに押した数字の回数だけ「ツツツツツ」という音が聞こえます。 交換機は、通話の相手方の状態によって話中音「プープー」や呼び出し音「プルルル」を送出します。この音も400Hzです。 相手が応答すると、回線の極性が逆転します。相手が電話を取ったときに「プチ」という音がするのでわかると思います。この極性の反転を使って、高度な電話器は相手の応答を知ることができるようになっています（応答信号）。 |
| 着信時 |
着信の時には、交換機から16Hzの交流が送られてきます。この交流によってベルが鳴ります。電圧は75V程度を発生させているのですが、伝送路の関係で電話端末に到着する時点では何Vになっているかはわかりません。振幅で200Vp-pくらいになる場合もあるそうです。受話器を上げて応答すると300Ω以下の抵抗値で接続されるために、回線にループが形成されて直流電流が流れます（端末応答信号）。交換機は応答を知ることができます。
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| 切断時 |
| 回線を切断するときは、回路を開いて抵抗値を1MΩ以上にします。発信側の端末では切断信号といい着信側の端末では終話信号といいます。 |
| 電話回線の抵抗 |
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| NTTの交換機は直流48Vの送出を行っています。交換機の中での直流抵抗は上り下り合わせて約400オームになっています。線路の抵抗はおよそ数Ωから2kΩになっています。また、電話端末の抵抗は回線を閉じた状態で50Ωから300Ωに決められています。ということで、電話線を閉じる（受話器を上げる）と約20mA〜120mAのループ電流が流れることになります。電話端末や交換機はこの電流に対して十分な設計が行われています。交換機については事業用電気通信設備規則及び同細目で規定されています。 |
| 電力の表現 |
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電話関係では送出電力などで、dBmという単位をよく使います。これは1mWに対する電力の比をとり、それをデシベルで表したものです。絶対レベルともいいます。わかりやすく書けば、
また電力で表現しているので、20dBmは100倍を-3dBmは、それぞれ0dBmの2分の1の電力を表しています。 実際に、音声をどのくらいの振幅で送っているかは一口にはいえません。大きい声と小さい声ではレベルが違います。ボタン式電話でDTMFの音を送る時の電力がおよそ-9dBmですから、電話で会話中に押しボタンを押してみましょう。おおよその電力がどれくらいかが耳でわかると思います。また、最大でも0dBm以上で信号を送ってはいけません。 |
| 周波数範囲 |
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| 電話線では直流は送ることができません。また、原則的に高周波も送ることはできません。それは、周波数多重化という方法で多数の回線をまとめあげることがあるからです。電話ではひとつの回線に対し、4000Hzの帯域が許されています。 |
| 2本の回線で3人分の通話を送る方法 |
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余談ですが、下の図のように中点付きのトランスを用いて、2本の回線で3人分の通話を送ることができるそうです。いまでもこの方式が使われているかどうかはわかりません。
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| 端末の回路 |
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| 600式電話器の回路例 |
600式電話器というのは、従来の黒電話です。この回路は電話器の基本です。
 受話器を置いた状態では、SW1は閉じています。フックスイッチSW2とSW3は開いています。SW4も開いています。 交換機からは常時48Vの直流が送られてきています。しかし、フックスイッチが開いているので電話機には電流は流れません。ここで、受話器を取るとフックスイッチが閉じて回線にループが生じて電流が流れます。交換機はこの電流を検出して受話器が上がったことを判別します。この電流は20〜45mA程度です。 また、ベルが鳴るときには、16Hzの交流が回線を通じて流れてきます。この交流はコンデンサを通じてベルを鳴らします。この信号の振幅は伝送路の関係で200Vくらいある場合もあります。
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| 電子式ボタン電話装置の回路例 |
 上に示したのは、電子式ボタン電話器の回路例です。基本的に上の600式電話と同じようなことをしますが、回路の多くが電子化されています。すなわちスイッチなどの機構的な要素がなく、コイルも可能な限り廃しています。回路の大部分が電子化しているために、黒電話ではできなかった極性反転検出や着信検出、メロディー機能などが容易に盛り込めます。 着信の検出は、下の図に書いたように、フォトカプラと時定数回路を用いて電子的に作ることができます。極性反転検出回路も同様にフォトカプラと若干のデジタルICで作ることができます。DP(ダイヤルパルス)送信回路は、CPUの指示に従ってスイッチをON/OFFします。リレーでも作れますが機械的接点が嫌な場合は他の素子を使っても作ることはできます。 ツェナーダイオードと直列につながれたLEDも極性反転検出回路です。この回路は外線の着信が来たときに、48Vの電圧が-48Vに変わるのでフォトカプラでそれを検出します。こうして着信と同時に発信してしまうことを防ぎます。一方ダイオードブリッジの後にある極性反転検出回路は、相手が電話に出たときに回線の極性が反転するのを検出します。 PB送出回路は、DTMF音などを送出します。クロスポイントスイッチは、メロディーを外線に流したり、いろいろな音源の切り替えをします。 |
| モデムの回路例 |
 モデムの回路も基本的にはボタン電話と同じです。モデムに限らず電話は最大送信電力が0dBm(600Ωインピーダンスで0.775V)と決められていますので、最大でも-1〜-2dBmまでしか送信できないように設計されているはずです。 人間の話は、間合いなどがあって常に喋っているわけではありませんが、モデムはデータがないときも常に音を送りつづけています。そのため交換機に負荷がかかり過ぎないようにさらに平均送信電力を下げなければなりません。 |
| 着信検出回路など |
リング検出や極性反転を検出するための回路にはフォトカプラが良く使われます。リングは16Hzの信号ですが、1秒ON2秒OFFを繰り返しますので、右図のような回路で検出することができます。極性の判定は、フォトカプラを2個使います。互いに逆向きの電流で光るように設計してそれをデジタルICで取りこみ、ONしているフォトカプラが変わったら極性反転だとわかります。 デジタル制御回路と電話回線をつなぐ場合はフォトカプラで接続するのはある意味常識といえるでしょう。 |
ダイヤルに手をかけて回すとSW4が閉じます。そのためダイヤル中は音が聞こえません。ダイヤルが回り始めると、ダイヤルの回数だけSW1が開きます。これがパルス式ダイヤルですが、このパルスのタイミングなどは細かく規定されています。| 端末設備等規則(抜粋) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| この規則では、端末設備が守らなければならない規則が定められています。ここで紹介する内容は第2次改正(昭和62年)を参考にしています。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 抵抗値と静電容量 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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端末の回路が開いている（受話器がおかれている）状態では、抵抗値は1MΩ以上であると決められています。また、この時の静電容量は3μF以下と決められています。ベルが鳴っている状態では直流抵抗は2kΩ以上と決められています。 端末の回路が閉じている（受話器を取った）状態では、抵抗値は50Ωから300Ωの範囲と決められています。押しボタン式電話の場合には50Ωから550Ωです。また、この時の静電容量も3μF以下と決められています。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 直流電圧の印加禁止 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 端末設備は回線に直流電圧を印加してはいけないことになっています。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 絶縁について | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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電源と筐体、電源と回線の間の絶縁抵抗は、300V以下の電圧に対しては0.2MΩ以上でなければなりません。また、300V〜750Vの直流と300V〜600Vの交流については0.4MΩ以上の絶縁がなければなりません。 電線と大地間の絶縁抵抗は、直流250Vの電圧で測定した値で1MΩ以上と決められています。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自動発信について | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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回線ループが形成されてから（受話器を上げてから）、3秒以上待ってからダイヤルパルスまたはトーン音（選択信号）を発信します。再発呼する場合は、2回以内と決められています。また、3分以上経過した場合は別の呼と見なされます。つまり、3回発信したら、3分以内には再発信してはいけません。 モデムでつなごうとして、話中だった場合、3分以内では3回までしかモデムが反応してくれないのはそういう理由からです。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| リターンロスについて | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 回線から端末に入り、端末から反射して出力する電力の減衰は2dB以上と決められています。減衰が少ないと回線がハウリングを起こしてしまいます。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 端末設備等規則 別表第1号 ダイヤルパルスの条件(第11条第一号関係) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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第一 ダイヤルパルス数 ダイヤルパルス番号とダイヤルパルス数は同一であること。ただし、「0」は10パルスとする。
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| 別表第2号 押しボタンダイヤルの信号の条件(第11条第二号関係) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
第1
第2
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| 別表第3号 送出電力の許容範囲(第13条関係) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 交換機の回路 |
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| デジタルPBXの内線側 |
上の図は、構内回線交換機（PBX）の簡略化した内部回路で、通称BORSCHT（ボルシット）回路といわれます。この回路は2線式の電話器に電力を供給し、また呼び出し信号を発し、さらに応答の検出、2線-4線変換を行った後それをCoderとDecoderでアナログとデジタルの相互変換を行います。 |
| 事業用電気通信設備規則及び同細目(抜粋) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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別表第一号 ダイヤルパルス信号の条件(第30条第2項第二号関係)
別表第二号 押しボタンダイヤルの信号の周波数(第30条第3項第一号関係)
別表第三号 押しボタンダイヤルの信号の条件(第30条第3項第二号関係)
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| 参考文献 |
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[1] 第1･2種伝送交換電気通信主任技術者試験受験テキスト第3巻伝送交換設備及び設備管理・法規,電気通信主任技術者試験研究会,電気書院,平成8年 [2] 電気通信主任技術者試験合格のための法規の総まとめ,財団法人電気振興会,平成7年 [3] '96春季アナログデジタル総合種実践問題,電気通信工事担任者の会,リックテレコム,平成8年 [4] デジタル第1種工事担任者試験の徹底研究,東京電気大学出版局,平成6年 [5] トランジスタ技術1985年11月号特集 マイコン・データ通信技術のすべて,CQ出版社 |