De werking

In het navolgende leg ik voor de geïnteresseerde leek uit hoe hoe het telefoontoestel functioneert. Ik ga voorbij aan de eerste experimenten die werden gedaan met toestellen en onderdelen die weer snel verdwenen omdat ze niet goed (genoeg) functioneerden. De schema's en modellen betreffen de telefoontoestellen zoals ze tussen pakweg 1890 en 1990 zijn gebruikt.

Feitelijk is het telefoontoestel een simpel apparaat, gebaseerd op een aantal klassieke natuurkundige principes, gebruik makend van elektrische stromen en spanningen. Maar hoe werkt dat dan ?
In een telefoontoestel gebeuren vier essentiële zaken:

  1. Omzetten van geluid in een elektrische stroom. (een elektrisch signaal zenden).
  2. Omzetten van een elektrische stroom in geluid (een elektrisch signaal ontvangen).
  3. Kenbaar maken van de wens om een gesprek te voeren (een oproep zenden).
  4. Signaleren van een oproep van een gesprekspartner (een oproep ontvangen).

1.  Omzetten van geluid, d.w.z. luchttrillingen, in een fluctuerende elektrische stroom.
Het telefoontoestel zet luchttrillingen om in elektrische stromen.
Voor een goede kwaliteit van de telefoonverbinding is het nodig dat de stroomfluctuatie zo goed mogelijk in analogie zijn met de luchttrillingen. Het onderdeel dat de omzetting doet is de microfoon.Microfoongeschiedenis

Bell gebruikte aanvankelijk een vloeistof microfoon maar paste al snel een telefoon toe als microfoon. In principe een goed idee, maar de energie die ermee kan worden opgewekt is te gering voor praktisch gebruik over wat grotere afstand. Grote verbetering kwam met de door Hughes uitgevonden microfonen die werkten op basis van koolstaven die onderling losjes tegen elkaar liggen of losjes tussen vaste elektrodes zijn gevat. Met een dergelijke constructie kan een variërende stroom worden gegenereerd als geluidsgolven de koolstaven laten trillen.
Hunnings verbeterde de Hughes-microfoon aanzienlijk door de koolstaven te vervangen door in een doosje gepakt koolgruis. Dit type microfoon, de koolkorrelmicrofoon,  zat tot eind 20e eeuw in vrijwel alle toestellen en wordt overigens nog steeds gebruikt.

Microfoon 2

In fig. 1 is het principe van de werking van de koolkorrelmicrofoon uitgebeeld. De batterij stuurt een gelijkstroom door de microfoon, het geluid laat het membraan trillen waardoor het koolgruis meer of minder samengedrukt wordt. Hierdoor verandert de elektrische weerstand van het doosje met gruis en daardoor ook de stroom: er ontstaat een fluctuerende elektrische gelijkstroom die in analogie is met het geluid. Fig. 2 geeft de constructie van de moderne koolmicrofoon.

 

2.  Omzetten van een fluctuerende elektrische stroom in geluid, luchttrillingen.
Hier moet het geluid zo goed mogelijk naar analogie van de stroomfluctuaties zijn. Deze omzetting gebeurt door de telefoon. Omdat elektromagnetische verschijnselen eind 19e eeuw al wel bekend waren, is de elektromagnetische telefoon al vanaf het begin in telefoontoestellen toegepast.

telefoon 2

De telefoon bestaat uit een permanente magneet, een spoel en een ijzeren trilplaat, zie fig. 3. De magneet houdt de trilplaat in een neutrale stand. Als een fluctuerende stroom door de spoel loopt, wordt de trilplaat in trilling gebracht overeenkomstig de oorspronkelijke luchttrillingen en is dus het geluid overgebracht. Fig 4 geeft de constructie van een moderne elektrodynamische telefoon.

Met een microfoon, een telefoon en een batterij kan een elementair systeem worden gemaakt voor geluidsoverdracht, zie fig. 5.

verbinding

Echte communicatie ontstaat als aan weerskanten van de verbinding kan worden gesproken en geluisterd. Dat kan in principe met de opzet van fig. 6.verbinding 1

Aan deze schakeling kleeft echter één onoverkomelijk bezwaar: de gelijkstroom voor de microfoon loopt ook door de spoel van de telefoon en zal daardoor het magnetische veld van de permanente magneet op den duur ontoelaatbaar vervormen. De schakeling van fig. 7 ondervangt dit bezwaar: door de microfoon loopt een fluctuerende gelijkstroom, de transformator draagt uitsluitend de fluctuaties over en door de telefoons vloeit slechts een wissel stroom.
Met de schakeling van fig. 7 is aan de eerste twee van de hierboven genoemde  vier eisen voldaan: er kan worden gesproken en geluisterd.

verbinding 2


3. Kenbaar maken van de wens om een gesprek te voeren.
In fig. 7 is een permanente verbinding tussen twee telefoontoestellen geschetst. In de praktijk is er uiteraard behoefte aan tijdelijke verbindingen voor de duur van een gesprek maar dan wel tussen diverse telefoontoestellen; verbindingen "on demand" dus. Hiervoor is een faciliteit nodig om (tijdelijk) telefoontoestellen met elkaar te koppelen: een telefooncentrale. Aan iets of iemand in de telefooncentrale moet vervolgens kenbaar worden gemaakt dat er een telefoonverbinding gewenst wordt. Aanvankelijk werd het telefoontoestel hierom uitgerust met een inductor: een soort fietsdynamo met een krukje eraan om te draaien. Het schema van een dergelijk toestel is in fig. 8 geschetst.

LB toestel1Dit schema van een echte telefoon bevat ook nog een tweestanden schakelaar (het "haakcontact") en een bel. Als de hoorn op de haak ligt, staat de schakelaar in de onderste stand. Draaien aan de inductor laat dan een stroom door de lijnen a en b naar de telefooncentrale lopen: de telefonist(e) wordt gewaarschuwd en de wens voor een verbinding is te kennen gegeven. De hoorn wordt van de haak gelicht, de tweestanden schakelaar gaat in de bovenste stand en er kan worden gecommuniceerd.
Omdat er in het telefoontoestel een batterij zit, nodig voor de microfoonstroom, noemen we een dergelijke telefoon een LB-toestel. Merk overigens op dat microfoon en telefoon van plaats zijn verwisseld vergeleken bij de schakeling in fig. 7. Voor de werking van het telefoontoestel maakt dit geen verschil !

4. Signaleren van een oproep van een gesprekspartner.
Voor dit signaleren is in het toestel een bel opgenomen als in fig. 8. De hoorn ligt op de haak, het haakcontact staat in de onderste stand. Vanuit de telefooncentrale wordt een stroom naar de telefoon en door de bel gestuurd. De bel gaat rinkelen: een oproep is gesignaleerd.
Hiermee is de werking van de telefoon verklaard.

5.  Vervolmaking van de telefoon.
In het begin van de 20e eeuw wordt nog een tweetal belangrijke onderdelen toegevoegd die hier toegelicht moeten worden: de kiesschijf en de anti-lokaal schakeling. Daarnaast zijn inductor en batterij verdwenen. In fig. 9 zijn deze aanpassingen gemaakt en is het definitieve schema van de telefoon geschetst.

De kiesschijf.
Met de kiesschijf kan de gebruiker van het telefoontoestel zelf de verbinding tot stand brengen met de gewenste gesprekspartner. VorkDe kiesschijf werd nodig toen de zg. automatische telefooncentrale werd geïntroduceerd. De noodzaak voor de inductor  was daarmee ook verdwenen. De kiesschijf onderbreekt de stroom die vanaf de telefooncentrale door het toestel vloeit in een ritmisch patroon en voor elk gekozen cijfer een overeenkomstig aantal keren. De centrale detecteert op die manier het gedraaide telefoonnummer en brengt de verbinding met de gewenste gesprekspartner tot stand. Mechanisch is de schijf een nogal fragiel instrumentje, elektrisch bestaat hij feitelijk uit twee contacten, in fig.9 het i en het k contact. Zodra aan de schijf wordt gedraaid, sluit k: als ook de hoorn opgenomen is kan stroom vanuit de centrale ongehinderd door de telefoon vloeien. Contact i onderbreekt de stroom in het ritme van de gekozen cijfers. Staat de schijf stil dan is i gesloten en k geopend: er kan gesproken en geluisterd worden.

De anti-lokaal schakeling.
De anti-lokaal schakeling is niet per se nodig, maar wel zeer gewenst om ervoor te zorgen dat het geluid van de eigen microfoon niet doorklinkt in de telefoon. Eigen stem en omgevingslawaai blijken namelijk erg storend te zijn. In fig. 10 is het principe van de schakeling geschetst. Door de microfoon vloeit een stroom die bij de transformator in tweeën wordt gesplitst: I1 en I2. Deze stromen lopen respectievelijk door de weerstanden Rt en Rlijn. De clou van de schakeling is dat de stromen I1 en I2 gelijk aan elkaar worden gemaakt door een goede dimensionering van de transformator, Rlijn en Rt. CB toestel1Daardoor zal in de transformator geen resulterende elektromagnetische veld meer zijn en er dus ook geen stroom meer door de telefoon lopen. Met andere woorden: het geluid in de microfoon veroorzaakt geen geluid meer in de eigen telefoon. De anti-lokaal schakeling is in het schema in fig. 9 verwerkt: Rt zit in het toestel, Rlijn is de weerstand van de lijn naar de telefooncentrale.

Intussen is er in het toestel nog een laatste fenomeen geslopen: de batterij is verdwenen. Met de komst van de automatische centrale werd ook een systeem met een centrale batterij ingevoerd: de telefooncentrale werd uitgerust met een grote accu vanwaaruit de aangesloten telefoons van stroom worden voorzien. De lokale batterij kon daardoor verdwijnen en het totale onderhoud van het telefoonsysteem werd een stuk goedkoper.

Fig. 9 stelt dus het archetype van het telefoontoestel voor. Met de komst van de elektronica in de telefoon in de jaren '80 verandert er wel het een en ander, zo wordt de kiesschijf vervangen door een toongenerator met druktoetsen en veelal krijgt de telefoon een geheugenfunctie, maar de hier beschreven basis blijft. Tot het moment dat ook de digitalisering van het telefoonnetwerk doordringt tot de abonnee en in de telefoon. Nieuwe netwerktechnologieën zoals ISDN en VoIP maken van de klassieke telefoon een moderne communicatie terminal.

Achtergronden

  • Het telefoontoestel
    De vorm, het uiterlijk van het telefoontoestel is sinds zijn introductie flink geëvolueerd, vooral door toepassing van steeds weer nieuwe materialen. Het aanvankelijke hout werd…
  • De uitvinders
    Er is nog wel wat discussie over de vraag wie de echte uitvinder van de telefoon is. Tal van verhalen doen de ronde, zwartmakerij en…
  • De werking
    In het navolgende leg ik voor de geïnteresseerde leek uit hoe hoe het telefoontoestel functioneert. Ik ga voorbij aan de eerste experimenten die werden gedaan…
  • Twee dingen zijn oneindig, het universum en menselijke domheid. Maar van het universum weet ik het nog niet helemaal zeker...
    Albert Einstein