1 | 2 | 3 | 4

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 moeten vier essentiële functies worden uitgevoerd:

  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.  Signaal zenden..
Het telefoontoestel zet luchttrillingen om in elektrische stromen.
Voor een goede kwaliteit van de telefoonverbinding is het nodig dat deze stromen 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 bij communicatie 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 luchttrillingen de koolstaven laten trillen.
Hunnings verbeterde de Hughes-microfoon aanzienlijk door de koolstaven te vervangen door een doosje met korreltjes kool. Dit type microfoon, de koolmicrofoon,  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 koolmicrofoon getekend: de batterij stuurt een gelijkstroom door de microfoon, het geluid laat het membraan trillen waardoor de koolkorrels meer of minder worden samengedrukt. Hierdoor verandert de elektrische weerstand van het doosje met korrels en daardoor ook de stroom: er ontstaat een fluctuerende stroom die in analogie is met het luchttrillingen en dus met het geluid. Fig. 2 geeft de constructie van de "moderne" koolmicrofoon.

2.  Signaal ontvangen.
Hier moet het geluid zo goed mogelijk naar analogie van de stroomfluctuaties gemaakt worden. Deze omzetting gebeurt door de telefoon. Omdat elektromagnetische verschijnselen eind 19e eeuw al wel bekend waren, werd dit soort elektromagnetische telefoon al vanaf het begin in telefoontoestellen toegepast.

telefoon 2

De telefoon bestaat uit een permanente magneet, een spoel en een ijzeren plaatje, de zg. 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 stroom en dus analoog aan de luchttrillingen: het geluid is 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 uiteraard met uiteraard met twee schakelingen zoals in fig 5, maar dan zijn er twee batterijen en vier draden nodig. Het kan in principe ook 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. Oproep zenden.
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  wel steeds tussen verschillende 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 twee-standen schakelaar (het "haakcontact") en een bel. Als de telefoonhoorn 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 vervolgens van de haak gelicht, de twee-standen schakelaar gaat in de bovenste stand en er kan worden gesproken en geluisterd.
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. Oproep ontvangen.
Voor het signaleren van een oproep is in het telefoontoestel 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.


Met de schakeling van fig 8. worden dus alle vier genoemde essentiële functies van het telefoontoestel vervuld.

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 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 loopt, in een ritmisch patroon en voor elk gekozen cijfer een overeenkomstig aantal keren. De centrale herkent op die manier het gedraaide telefoonnummer en brengt de verbinding met de gewenste gesprekspartner tot stand. Mechanisch is de kiesschijf 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 wat de eigen microfoon opvangt 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 loopt een stroom die bij de transformator in tweeën wordt gesplitst: I1 en I2. Deze beide 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 de microfoonstroom in de transformator geen resulterende elektromagnetische veld meer opwekken en dus ook geen stroom meer door de telefoon. 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 verandering 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 alle aangesloten telefoons van stroom kunnen worden voorzien. De lokale batterij verdween waardoor het onderhoud van het totale telefoonsysteem een stuk goedkoper werd.

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 aan 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…
  • Signaal-ruis verhouding
    De signaal-ruis verhouding (S/N) is één van de centrale begrippen in de wereld van de telecommunicatie en één van de belangrijkste…
  • Signalering
    Behalve zenden en ontvangen van spraak, moet een telefoontoestel ook nog aan een telefooncentrale kunnen melden dat de gebruiker een gesprek wil voeren en zo…
  • Lijnkiezers & Serietoestellen
    Lijnkiezers en serietoestellen; wat zijn het en wat zijn hun verschillen. Lijnkiezers en serietoestellen zijn toestellen ontworpen voor kleine bedrijven, kantoren, thuispraktijken e.d., waarbij er…
  • Wat zonder bewijs beweerd wordt, kan ook zonder bewijs ontkend worden.
    Euclides