CN1025101C - 一种高度接地平衡的过电压和过电流保护电路 - Google Patents

Abstract

一种交换机终端电路的过压和过流保护电路，该电路有两个输入端和多个输出端。在初级一侧的网络包括两个二分之一初级绕组，其中间串联一个电容。本发明的新颖特点在于有一并联在电容上的变阻器。当一个冲击脉冲将该电容充电到该变阻器的额定电压时，该变阻器导通，从而增加了流过初级绕组的电流，直至变压器的铁心饱和。在变压器的次级一侧有一个变阻器和齐纳二极管，它们起到进一步减小冲击脉冲的作用。

Description

本发明是关于一种用于交换机终端电路的过电压和过电流保护电路，而该交换机终端电路则是联接到在两个方向上传输模拟与数字信号的双线线路上。该终端电路能够将双线联接变换为四线联接、五线联接或其他高次线的联接，其功能主要是使发送与接收设备的阻抗与线路阻抗相匹配。该保护电路可以位于ISDN网络的U接口中，在这种情况下，它形成了所谓网络终端。该过压和过流保护电路还可以安装在位于ISDN网络的R接口、S接口或T接口中的交换终端电路中。本发明的保护电路还能安装在常规的电话网的交换局一侧或用户一侧的交换终端里。

在我们的美国专利说明书US-A-4，539，443中已经公开了一种能从双线联接的传输变换到四线联接的传输的网络终端。

一般情况下，交换机终端是安装在电话交换机的线路终端里并且具有两个用于联接双线线路的输入端。该终端电路必须能够满足许多要求。例如，该电路的各输入端相对于一个基准电位，一般是地电位，必须是平衡的，否则在线路上将会产生所谓纵向电流。另外，该交换机终端电路将呈现极高的回声衰减。在有用频段范围内，即音频段或数字信号的比特频段内的有效衰减失真和基本衰减将是很小的。另外一个要求是发送和接收设备之间在用户一侧或在电话交换机一侧等方面的所谓环路衰减应当是低的。

在网络终端的情况下，该终端将能够联接供电电源，该供电电源通过该电路的输入端向位于线路的另外一端的用户设备提供电流。结合通话来说，这个电流一般是用于线路信令的目的。

公知的用户网终端是为了传输频率范围约在300Hz到3.5KHz的话音信号以及直流型的线路信令信号。然而，当该用户线被用于传输数字信号时，其信号传输频率比话音频率高很多，就会出现许多问题。数字信号会受到比话音信号大的多的衰减，从而需要在较高的功率电平上传送数字信号。这随之又更高地要求良好的接地平衡。

过压和过流保护电路的目的是抵御所发生的过电流和过电压，保护联接到终端电路或网络终端的输出一侧的贵重的设备。这些所发生的过流和过压的原因包括有：击到用户线上的雷电电压;电磁场干扰;不慎将线路联接到诸如交流220V交流市电电网，例如由于火灾、或由于笨重、或由于线路处于接近电力电缆的不合适的位置，这样通过暴风雨、动物或其他方式的影响使线路与电力电缆碰在一起。

该过压和过流保护电路将不影响上述终端电路的电特性。

因此，当线路接地或短路时，为了保证设备不被损坏，必须限制传到设备上的电流。一般联接到线路上的数字交换设备具有5V的工作电压并且选定经受得住大约5V的最高电压而不受到破坏。例如，由于雷电在线路上产生的过压可能达到1500V数量级。

在当前的各种系统中，将大型辉光放电管或冷阴极电子管联接在电话交换机的输入一侧的每条用户线与地之间作为基本的保护装置。这些辉光放电管是有惰性的，并且具有大约1毫秒的反应时间。雷电脉冲的最大电压出现在约10微秒之后。这样，这种辉光放电管在不同的瞬间及时被触发，结果在线路的两条导线上出现了横向残余电压。

在过压和过流保护电路中绝不能发生火灾。在由附图1表示的那种过压和过流保护器的情况下过压是利用两个线绕电阻予以阻止的。如果过压的时间长而且电压高，这些线绕电阻则可能开始发热，随之有发生火灾的危险。这些线绕电阻必须彼此匹配或配对，以便防止过压保护器影响终端电路的接地的平衡。所谓电阻元件的额定电压，即其耐压性能必须很高，以便能够抵御高的过压。另外，这些电阻必须体积大，以便承受高功率。

公知的保护电路还包括一个线路变压器。当通过变压器的电流很高时，存在一个危险，即安装过流和过压保护器的电路接线或板上的铜箔将开始被燃烧。

作为电流限制保护器，还已知使用所谓正温度系数（PTC）电阻的温度响应电阻。但是，这种电阻的缺点是这种元件的额定电压受到限制，因此就像经受高压的元件所发生的一样出现电火花。这些PTC电阻放置的位置也是有要求的。如果通过PTC电阻的电流很大，则电阻将开始熔化，熔化的金属有可能烧着下边的印刷电路板或接线。当PTC电阻遭受到高电流和电压时，由于发生在电阻体中温度梯度影响的结果，这些电阻也有可能损坏，于是保护性不复存在。

在现有技术中还利用齐纳二极管作为防止过压的保护装置。这种齐纳二极管具有尽可能陡的特性曲线。然而，这会产生一些动态问题，因为会出现许多谐波（泛音）、谐波失真和互调产物，而以上这些会对信号传输质量起到消极的影响。

在其他要点之中，接地平衡的要求意味着在保护电路中的电压不平衡最高可能达到60dB。当相对于约600Ω线路阻抗的情况来看，这意味着线路过压保护器接地对称电路的电阻彼此之间的差别最多可以是约0.1Ω。因此线路运行是处于临界状态的。

本发明的一个目的是提供一种具有高接地平衡的过压和过流保护电路，这种保护电路能够由体积小而价格低廉的元器件构成，并且能够有效地用于交换机终端电路或网终端终。

本发明的另一个目的是提供一种已描述的那种由变压器组成的保护电路，其变压器的初级绕组不需中间串联一个线绕的限流电阻，而是直接联接到用户线路的输入端。

更为具体地讲，这个变压器将形成终端电路的一部分，即终端电路线路变压器。

该保护电路将有效地使用终端电路线路变压器去减小发生在线路上的过压脉冲的时间间隔，这个脉冲从线路通过变压器作用后传送到被保护的设备中。传送到变压器次级的脉冲能量通过变压器的作用就这样减小了，因此能够使体积小的元器件应用到过流和过压保护电路的次级一侧。

在音频段和用于数据比特传输的那些频段中，回声衰减、有效衰减失真、基本衰减和环路衰减都将大大减小。其结构特点是各个元器件彼此之间的安装不处于临界状态。也不需要包括在保护装置中呈现陡峭特性曲线的齐纳二极管。

过压和过流将在保护电路中的不同元件上逐步地被减小，这种电路减小了额定的元件电压，使价格低廉的标准元器件也可以被利用。

本发明有代表性的特点归结为一个变阻器和两个PTC电阻，它们与线路变压器的初级绕组一起包括在一个接地平衡的电路中。

下面参照附图将对本发明进行更详细的描述，其中：

图1表示一种已知的过压和过流保护电路;

图2表示本发明的过压和过流保护电路的图;

图3表示图2的过压和过流保护电路对于一个雷电脉冲的电压输出图。

图1表示一种已知类型的过压和过流保护电路。该电路被安装在已知类型的一个终端电路或网 络终端上并且联接到该终端电路的输入端a、b上的用户线的二条线上。在这种情况下，该线路终端电路具有四个输出端子T₁、T₂、T₃和T₄。发送器设备（未示出）联接在T₁和T₂之间;接收器设备（未示出）联接在端子T₃和T₄之间。仅仅那些对于本发明具有重要意义的终端电路元件被表示在图2中。作为一个终端电路来说，对于该终端电路的功能很重要的其余元器件则没有表示出来。

线路变压器LT₁具有由两个二分之一绕组L₁、L₂组成的初级绕组，其中间串联联接一个中心点电容器C，于是形成了一个串联组合电路，该串联组合电路的一端通过一个串联限流电阻Ra联接到输入端a，而其另一端通过第二限流电阻Rb连接到输入端b。电压源E经过电阻R₁和R₂跨接在中心点电容C上。电压源的负极点接地。齐纳二极管Z₁、Z₂、Z₃和Z₄以所示的方式联接在指定为-48V的基准电压和地之间以及以所说明的方式联接在串联组合L₁-C-L₂的上述两个端点上。该电压源E用于为用户设备提供直流电流。该电路在初级一侧相对于地是对称的。限流电阻Ra、Rb由大的线绕电阻组成。齐纳二极管Z₁～Z₄用作过压保护器将过电压短路到地。变压器LT₁具有次级绕组L₃，在L₃上并联跨接一个电容C₁。齐纳二极管Z₅～Z₈用作发送和接收设备的过电压保护器。

图1所示的电路具有在前面说明书中描述的一些缺点，这些缺点基本是由于电阻Ra和Rb的存在所造成的。

图2表示本发明的过压和过流保护电路。与图1所示电路相对应的表示在图2的各个元器件是用相同的标号所表示的。该电路包括具有初级绕组和次级绕组的线路变压器LT₂，该初级绕组由两个二分之一绕组L₁和L₂组成，次级绕组由两个二分之一绕组₃和L₄组成。

该电路在初级一侧包括有上文提到的与图1所示的组合相似的串联组合L₁-C-L₂。然而重要的差别是这个串联组合的各个端点是直接联接到输入端a、b，而没有串联的限流电阻Ra、Rb。取而代之，由变阻器V₁来限制电流，该变阻器是通过PTC电阻PTC1、PTC2并联在中心点电容C上。上述PTC电阻的一个串联在变阻器的一端与中心点电容的一个极板之间;而另一个PTC电阻则串联联接在变阻器V₁的另一端与电容的另外一个极板上。电阻Ra₁和Ra₂用作限流电阻，不过下文将更详细的描述。与图1所示的限流电阻Ra、Rb比较起来，这些电阻在其体积和阻值上都能够做得非常小。电阻Ra₁串联在变阻器的一端和电压源E的一个极之间;而电阻Ra₂串联在变阻器的另一端和电压源的另一极之间，这个极是负极，这一负极是接地的。

变阻器V₁是金属氧化物型的并可以描述为具有均匀电压/电流特性的电压相关电阻器。当电压超过某一标定或额定值时其阻值急剧下降。这种类型的变阻器的响应时间约小于25ns（毫微秒）。

PTC电阻也称为冷导体，是一种随温度增加阻值也增加的温度相关半导体电阻。在某一个给定的温度上阻值突然增加，这个温度叫做参考温度。由于它的非常高的正温度系数，这种电阻因此叫做PTC电阻（正温度系数电阻）。

在初级一侧的电路是按以下方式工作的：

当一个雷电脉冲击到用户线时，电容C将开始充电，此时电容两端的电压升高。当电容的电压超过了变阻器的额定电压时，变阻器V₁将开始导通，随着通过变阻器的电流急剧地增加，引起通过初级绕组的电流加速地增加直到变压器铁心饱和。实际上到此为止没有其他能量被传送到变压器的次级。因为通过变阻器的电流增加了，分流到电阻Ra₁和Ra₂上需要吸收的电流与分流到图1所示的电阻Ra、Rb所需要吸收的电流比较起来显著地减小了。因此，电阻Ra₁和Rb₁能够做的非常小，即体积小，电阻值也小。

当变阻器V₁开始导通过，电流也将通过温度响应电阻PTC1和PTC2，上述电阻的温度开始上升，直至达到参考温度，此时上述电阻的阻值急剧地上升。这样就缩短了电阻PTC1和PTC2的开关时间。

如上所述，当变阻器工作后，有一个加速增加的电流通过初级绕组。这一电流的增加继续不断直至变压器T₂铁心饱和。实际上在变压器饱和的那一时刻没有多余的能量传递到变压器的次级一侧。直至变压器饱和的瞬间传递到次级一侧的电压以两级的方式予以减小，一部分由并联在变压器次级两端的变阻器V₂;一部分由跨接在端子T₁、T₂之间的保护发送设备的齐纳二极管Z₅、Z₆;一部分由 跨接在端子T₃、T₄之间的保护接收设备的齐纳二极管Z₇、Z₈。变阻器V₂的额定电压可以例如为60V，这意味着所有超过60V的电压部分都将被变阻器V₂吸收掉。因此齐纳二极管Z₅～Z₈仅需要吸收那些小于60V的电压。在如图1所示的实施例中，那个电路需要齐纳二极管Z₅～Z₈还吸收所有60V以上的电压，那种电路对齐纳二极管的特性曲线提出过高的要求，特别是处于低电流的区域，即处于齐纳二极管的从非导通至导通状态的转变区域。在本发明的过压保护器中，对于齐纳二极管的高动态电阻斜率提出了一个较低的要求。

图3表示对于通过端子a、b加到初级一侧的一个1500V雷电脉冲并持续800微秒情况下，齐纳二极管Z₅、Z₆两端的电压曲线。该雷电脉冲电压用10微秒的时间从0V升高到1500V。在图3中，Y轴为以V表示的电压座标，X轴为以μs表示的时间座标。雷电脉冲在时间点t＝0开始。变阻器V开始工作并当加到其两端的电压达90V时变为全通，以相对应的方式，变阻器V₂当加在其两端的电压达17V时开始工作。电容C₁是3.9nF（毫微法拉）而电容C₂是6.8nF。从图中可以看出，变压器的铁心仅50μs后就饱和了，次级一侧的电压在150μs以后从约6.2V下降到约1.8V而平衡。该平衡是精确的。

因为过电压从线路变压器的初级变换到次级一侧需要的时间，经变压器作用后被缩短到约为50μs，脉冲能量J＝A×V×T将变小，（J：用焦耳表示的能量、A：电流、V：次级一侧的电压、T：时间）电路中的元器件也能够具有小的尺寸。

在线路上发生短暂的横向脉冲时，PTC电阻PTC1、PTC2不能转换到高电阻，脉冲能量的主要部分还被导入线路上，通过组合部件L₁-PTC₁-V₁-PTC₂-L₂，在该组合部件上上述能量被吸收。

在雷电脉冲的第一阶段，更具体地讲，直至变压器铁心饱和的约第一个50μs期间，能量将存储在变压器铁心和电容器中。而后当变阻器V₁工作，即短路时，全部能量将传送到L₁和L₂以外并且重新输出到线路上。

当PTC1和PTC2转换变为高阻时，这些电阻将吸收过电压。此时这些电阻应当吸收的热功率P变得非常小了，因为P＝U²×R，其中R是PTC电阻的非常高的阻值。

在长时间过压的情况下，例如220V交流电碰到线路上，中心点电容C将具有非常高的阻抗1/wc，全部电流将流过L₁-C-L₂。这里ω＝2×π×f，f表示交流电的频率。在这种情况下典型的总电流约为70mA。Ra₁、V₁、Ra₂支路是短路的，初级绕组的铜电阻将吸收全部热功率，这个功率典型的数量级约为0.5W。

变阻器V₁的额定电压不能太低，以致使在电源电压E的情况下就导通了。另言之，该额定电压应当与电源电压E相适配。

十分明显，本发明的过流和过压保护器是基于以下事实改善接地平衡的，即图1实施例中所需的限流电阻Ra和Rb不再包括在该保护电路中。在低频率信号情况下的接地平衡是由Ra₁和Ra₂以及某种程度上由PTC1和PTC2来确定的。在稍高一些信号频率情况下，中心点电容C开始使PTC1和PTC2短路，接地平衡由线路变压器初级绕组的铜阻确定。V₁、Ra₁和Ra₂不再影响平衡。在高信号频率情况下，接地平衡是由L₁与L₃之间的转换因子和L₂与L₃之间的转换因子，加上初级绕组L₁、L₂的铜阻确定的。这种电路可以与图1所示的已知电路相比较，在图1的电路中电阻Ra和Rb在所有频率上都影响接地平衡。

本发明的过流和过压保护电路将改善回声衰减，这是因为本发明的电路不包括图1实施例中的电阻Ra和Rb。因为没有功率消耗在Ra和Rb上，也改善了线路电路的阻抗匹配。噪声和谐波失真因子降低了。在发送一侧发送到线路上的信号功率也可以减小。

由于在本发明的电路中没有在图1的已知的保护电路中的Ra和Rb，减小了发生在线路变压器LT₂初级一侧在LC电路中的功率损耗。本发明的过流和过压保护电路还减小了复合损耗失真衰减和基本衰减。

本发明的保护电路与图1的已知的保护电路相比还将减小环路衰减。这是因为线路变压器LT₂的次级一侧的平衡网络不再需要具有相应的Ra和Rb。这将导致发送器与接收器之间的所谓混合衰减的增加。

还应当注意到，当过压脉冲出现时，安装本发明电路的电路板的电位是不变的。但在图1的电路 结构中，过压通过齐纳二极管Z₂和Z₄导入到电路板上，随着在各元器件上后来的电压网络危险增加而会引起电路板的电位上升。

当本发明的过流和过压保护电路被用于ISDN网的R-、S-、或T接口的终端电路或网络终端时，或者常规电话网络的用户一侧可以去掉电压源E，从而图2所示电路中的电压源E可以去掉。

应当清楚，在下面的权利要求书的范围内，可对上面描述的本发明的实施例进行多种方式的修改。

Claims (4)

1、用于终端电路或网络终端的接地平衡的过电压和过电流保护电路，该电路具有两个输入端(a、b)和多个输出端(T₁-T₄)，其中输入端用于联接到一条双线线路上，输出端用于联接到由该过压和过流保护电路所保护的设备上，上述终端电路用于在线路上进行双向数字和模拟信号的传输，该保护电路包括具有初级绕组(L₁、L₂)、次级绕组(L₃、L₄)和铁心的线路变压器(LT₂)，其中初级绕组具有两个二分之一绕组(L₁、L₂)、第一接地对称保护电路安装在变压器初级一侧并包括一个电容(C)和两个限流电阻(Ra₁、Ra₂)，其中电容串联在两个二分之一绕组之间，以便构成跨接在输入端a、b之间的串联组合，并且第二接地对称保护电路装在变压器次级绕组上和用来限制输出端两端电压的齐纳二极管(Z₅到Z₈)，其特征在于：第一保护电路包括一个变阻器(V₁)和两个温度相关的半导体电阻(PTC₁、PTC₂)，上述两个半导体电阻中的一个电阻串联在变阻器的一端与电容的一个壳电极之间，另外一个电阻串联在变阻器的另一端与电容的另一个壳电极之间；其特征还在于该串联组合在没有中间串联电阻的情况下直接跨接在输入端子(a、b)的两端。

2、根据权利要求1的保护电路，其特征在于：第二保护电路包括一个并联跨接在次级绕组（L₃、L₄）的输出端的变阻器（V₂）。

3、根据权利要求2的保护电路，其特征在于：一个其第一端与地相联和第二端与上述第一变阻器（V₁）的一端相联的限流电阻（Ra₁）;以及另一个其第一端与地相联和其第二端与上述变阻器（V₁）的第二端相联的第二限流电阻（Ra₂）。

4、根据权利要求3的保护电路，其特征在于：给线路提供电流的电源（E）用已知的方式串联于限流电阻（Ra₁，Ra₂）的第一端之间;其特征还在于电压源有一极是接地的。

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