CN1166158C - 电话设备的保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于保护电话/调制解调器设备免受损害的电路，该电路包括一个用户电话信号源。一个能量转移装置被连接到该用户电话信号源，在该能量转移装置与电话/调制解调器设备之间连接了一个电感。

Description

电话设备的保护电路
本发明涉及防止电话设备的前端电路被其所连接的电话线路上的诸如电路短路或雷击这样的损害信号破坏的电路。
本电子设备可以包括经用户电话线路连接到外部计算机的诸如调制解调器电路这样的电话设备。这种设备是相当昂贵的。但是，用户电话线路要经受各种信号条件，而这些条件会损坏连接到该线路上的电话设备，或者严重地降低该设备的性能。例如，电磁干扰(EMI)可能被起天线作用的电话线路拾取；或者在用户位置如果电话线路未被良好地接地，则在这些线路上可能建立起高压静电荷，当电路被连接到电话线路时这些电荷将引起放电；或者耦合到电话线路上的各种其它电路可能不正确地操作和产生太高电压的信号或短路；或者雷电可能击中电话线路。在所有的这些情况下，电话线路拾取了信号，该信号如果被传送到与这些线路连接的电话设备，则将可能损坏电路或降低其性能。
为保护电话设备和电话线路两者免于损坏，已经要求各种测试，以便在出现这样的损坏信号的情况下，保证电话设备将继续工作。例如在美国，Underwriter′Laboratory已经规定了在UL规范1459中提出的一系列测试，和Federal Commnunication Commission在FCC电话设备规程的第68部分也规定了其它的一些测试。连接到电话线路上的所有设备在它们在美国出售前必须通过上述这些文件规定的测试。
在上述这些文件中的测试是试图保护电话设备免遭会在电话线路上出现的各种损害信号的损坏。另外，各制造商为了减少检修和被保证人的修理花费和增大用户对他们设备的满意度，希望将由这样的损害信号引起的对他们的设备的损坏降低到最低。再有，包括电路的制造商也将防止可能降低他们的电话设备的操作的这些信号到达设备。
已经开发出各种保护电路，保护电话设备免遭损害或降低工作性能的信号。这些保护电路被连接到用户的电话线路和电话设备之间，并设计得使通过如上所述的所要求的测试并保护电话设备免于损坏或工作性能变坏。例如，在现有技术的保护电路中，一些电感被直接连接到用户的电话线路上。这些电感减少或消除EMI进入电话设备的。此外，其目的是这些电感防止损害信号的通过它们。但是，已经发现这些电感将不能完全防止高压峰值的通过和进入电话设备。
为了防止这种高压峰值通过和进入到电话设备中，一些保护电路进一步包括在各电感和电话设备之间的充气体的火花放电器，将高压峰值的能量转移到地，于是避免它达到电话设备。但是，一旦高压峰值已经到达充气体的火花放电器，该峰值的某些部分会不利地影响电话设备。
希望提供一种对高压峰值和EMI以及其它损害或使工作性能下降的信号的保护。最好是，可能提供一种保护电路，当损害信号发生时可以使该损害信号消失，从而保护更昂贵的电话设备免受损害。
由Williams等人描述的使用三极气体放电管和电感的保护电路的一个例子刊登在出版物San Francirco，7-9 November 1995Institute of Electrical and Electronics Engineeres的Wescon′95 Conference Record，(Microelectronics，CommunicationsTechnology，Producing Quality，Products，Mobile and PortablePower，Emerging Technologies)上的文章“Circuit protectionfor telephone networks-Needs and Co-ordination”中。
在由Williams等人描述的示例性电路中，塞尖和塞环端被直接连接到三极气体放电管(具有额定420V触发电压)上，在塞尖塞环和地之间提供过压保护。PPTC可复原保险丝、电阻和电感的串联，连接塞尖和塞环端的每一个到各自一个用户电话设备输入端，并将与电容串联的各个变阻器连接到电话设备输入端和地之间。
Atkins在名称为CIRCUIT PROTECTION DEVICE的于1992年4月16日出版的PCT国际公开WO92/06523中描述了利用能量转移装置和电感的另一个保护电路的例子。在这个装置中气体放电管从电话线路的塞尖和塞环端直接连接到地，并且各电感连接塞尖和塞环到另外的由连接到地的电压箝位或返送装置组成的保护装置和到用户电话设备。
Page等人在于1987年7月15日公开的名称为TELEPHONESUBSCRIBER STATION WITH AN ELECTRONICS SWITCH CLOSING ANDOPENING THE  SUBSCRIBER LOOP的瑞士专利CH 661397A5中描述了另外一个保护设备的例子。在这个系统中，充有气体的放电管与电话线路的塞尖和塞环端之间的压敏电阻串联将这些线端经一对电感连接到连接到具有连接到其输出端的第二压敏电阻的全波整流桥电路的相应输入端。
Lace在于1996年2月20日颁发的名称为SURGE PROTECTIONDATA LINES的美国专利5493469中描述最后一个利用电感能量转移装置的保护电路的例子。在这个系统中，塞尖和塞环端被直接连接到用户的电话设备上，该电话设备与具有桥输出端被连接到电感和电容负载的桥式整流器相并联，该电感和电容负载的每个与“击穿”装置相串联。
在这里应当认识到，对于所描述类型的电话保护装置而言尚存在着进一步改进的需要。本发明的一个目的是提供一种阻止静电荷的保护，举例说明，如果用户电话线路在用户和/或中心局位置没有被很好接地，这种静电荷可以在“悬浮”的电话线路上积累，这种情况可能发生。
本发明的原理应用到电话保护装置，以保护连接到用户电话线路(10)的电话设备(30)免遭损坏，本发明的保护装置包括：连接到用户电话线路(T)和参考电压源之间的能量转移装置(20)；和连接到能量转移装置和电话设备之间的电感(L1)。
按照本发明，该装置的特征在于：与用户电话线路(T)和参考电压源之间的能量转移装置(20)相并联的放电电路(R2)用于将从用户电话线路的静电荷放掉到参考电压源。
在附图中；
图1是按照本发明的电话接口保护电路的示意图。
在图1中，可以是标准的RJ11电话塞孔的电话塞孔10以公知的方式被连接到用户电话线路上(未示出)。连接到用户电话线路塞尖信号的电话塞孔10的第一端子被连接到第一电阻R1的第一电极。第一电阻R1的第二电极被连接到第一电感L1和第二电阻R2的各自的第一电极，和连接到火花放电器20的第一端子1。第一电感的第二电极被连接到调制解调器30的第一输入端(在下面详细描述)。第二电阻R2的第二电极被连接到一个参考电压源(地)和到火花放电器20的第三端子3。
连接到用户电话线路塞环信号R的电话塞孔10的第二端子被连接到第三电阻R3的第一电极。第三电阻R3的第二电极被连接到保险丝F的第一电极。保险丝F的第二电极被连接到相应第二电感L2和第四电阻R4的第一输入端，和到火花放电器20的第二端子2。第二电感L2的第二端子被连接到调制解调器30的第二输入端。第四电阻R4的第二电极也被连接到地。
调制解调器30的第一和第二输入端被连接到全波桥路B的各双向端子。一个Sidactor被连接到桥路B的正电压端+和桥路B的负电压端-之间。此外，桥路B的正电压端+通过串联的光电达林顿对PD、变压器绕组Tr、和第五电阻R5和发光二极管LED与第六电阻R6的并联被连接到桥路B的负电压端-。
在操作中，在调制解调器30中，光电达林顿对PD是固态中继器的一部分。该固态中继器还包括用于控制光电达林顿对PD的一个发光二极管(未示出)。固态中继器被用于使调制解调器30摘机和挂机。变压器Tr包括连接到调制解调器30的处理电路(未示出)的另外的绕组(未示出)。变压器Tr被用于以公知的方式变换代表从调制解调器30到用户电话线路和从用户电话线路到调制解调器30的信号的数据。第五电阻R5和LED的串联与第六电阻R6的并联是光隔离器的一部分，该光隔离器还包括一个光电晶体管(未示出)。第六电阻R6被用于降低由第五电阻R5和LED代表的阻抗。光隔离器被用于与测量环路电流的其它电路(未示出)相连。
光电达林顿对PD和发光二极管LED是单方向器件。但是，不能预测哪个电话线路，塞尖T或塞环R将被连接到用户电话线路中的正电压源和哪个将被连接到负电压源。例如由半导体二极管制造的全波整流的桥路B被连接到塞尖信号T或塞环信号R，利用单方向的光电达林顿对PD和发光二极管LED变换该信号为适当的极性。
单方向Sidactor(Teccor Electronic s公司的注册商标)S工作在类似于单方向DIAC的方式。具体地，只要是其两端的电压仍然低于一个预定的触发电压，它就保持高阻抗，但是一该旦触发电压被超过，Sidactor S以公知的电压/电流特性变为导通。这提供了调制解调器30两端的过压保护。在一个优选实施例中，Sidactor的触发电压是275到300V。
包括光电达林顿对PD、变压器Tr、和由发光二极管LED构成的光隔离器的固态中继器对过压相当敏感。它是由表示在图1的电路的剩余部分保护的电路。
现在参照图1的电话塞孔10和调制解调器30之间的部分。第一和第三电阻R1和R3分别在来自用户电话线路的电流泄漏上提供电流限制。另外，当该保护电路允许连续操作，而不考虑短时间的高压脉冲时，第一和第三电阻R1和R3分别的值和保险丝F配合工作相对于长时间短路的保护(正如下面所描述的)。在一个优选实施例中，第一和第三电阻R1和R3分别为10Ω的电阻，和保险丝是350ma的保险。
第二和第四电阻R2和R4分别用于对不接地的电话线路上可能积累的电荷进行保护。例如，如果用户电话线路在用户和/或中心局位置没有很好接地，这种情况可以发生。只要电话塞孔10被插入用户电话线，在用户电话线路上的任何静电荷通过第二和第四电阻R2和R4被耦合到地，和只要电话塞孔10仍然被插入，在电荷有机会积累前，任何这样的电荷都被耦合到地。在一个优选实施例中，第二和第四电阻R2和R4是10MΩ电阻。
火花放电器20包括连接到塞尖信号的端子1，连接到塞环信号的端子2，和第三端子3接地。所有这些端子由相应的经验经选择的尺寸的空气间隙互相分隔开的，使得如果它们之间的任何电压超过预定的电压，由该电压代表的能量被通过这些端子之间的放电转移掉。具体地讲，存在着塞尖信号T和地之间，塞环信号和地之间，和塞尖信号T和塞环信号和地之间的各间隙。这些间隙通过在PCB上物理穿孔一个间隙和在间隙的任意侧淀积铜电极被形成在印制电路板(PCB)上。这形成了一个火花放电器的空气间隙，这种空气间隙比充有气体的火花放电器便宜。为了提供机械上更坚固的火花放电器和增加其可以处理的电流，在一个优选实施例中，在PCB上空气间隙的任意一侧的铜电极具有固定在PCB上的被低温焊料覆盖着的片电阻。当产生火花时，低温焊料被暂时熔化，改善了火花放电器的散热。在一个优选实施例中，该火花放电器的宽度被间隙调整，使得当在间隙两端的基本上在2000和2200V之间时产生火花。
第一和第二电感L1和L2分别对MEI频率的信号呈现高阻抗和对在调制解调器数据频率呈现低阻抗。这些阻抗包括阻塞从调制解调器30来的或幅射的MEI信号。此外，通过分别在火花放电器20和调制解调器30之间设置第一和第二电感L1和L2，已经被火花放电器20转移到地的或由火花本身产生的任何高频和高压信号都被间隙阻塞，而不能到达调制解调器30。在一个优选实施例中，第一和第二电感L1和L2分别为5微亨(ηH)。
在在用户电话线路上的有害信号的事件中，表示在图1的保护电路将耗散超过的能量，或者阻塞该信号到达在调制解调器中的相对昂贵的电路。某些保护电路在诸如雷击之类的特别过量有害信号的事件中可能被损坏或破坏。但是由雷击引起的损害将被限制在保护电路上。如图1所示的按照本发明的安排，在火花放电器和电话设备之间设置一些电感将提供优于现有技术的附加保护。
图1的实施例表示用于保护调制解调器免遭损害的保护电路。本专业的技术人员将理解为，按照本发明的保护电路可以适合保护任何电话设备免遭损害。再有，本专业的技术人员将认识到，可能包括其它的保护电路提供对其它国家的其它电话系统的委托的保护。例如，其它国家可能要求按照对于南美的IEC规则提供保护。在图1中没有表示出这种电路，但是对于本专业的技术人员来说将懂得，满足这些要求需要什么样的电路，和如何设计和制造这种电路和其与表示在图的电路的互连。
如上所述，火花放电器20包括三个单独的放电器。在这里和在后附的权利要求书中使用的各火花放电器或各火花放电器20的“能量转移装置”是由端子标号1、2和3来识别的。例如，端子1和3构成第一火花放电器或能量转移装置。端子2和3构成第二火花放电器或能量转移装置和端子1和2构成第三火花放电器或能量转移装置。

Claims (17)

1.一种用于保护耦合到用户电话线路(10)上的电话设备(30)免受损害的装置，包括：
能量转移装置(20)，耦合在用户电话线路(T)和参考电压源之间；和
电感器(L1)，耦合在能量转移装置和电话设备之间；
其特征在于：
放电电路(R2)，与所述能量转移装置(20)并联耦合，用于在用户电话线路(T)和参考电压源之间提供第一固定电阻，以便将用户电话线路(T)中由于至少一条所述电话线路未接地而导致的静电荷放电到参考电压源；和
具有第二固定电阻的电阻器，耦合在用户线路和能量转移装置之间。
2.按照权利要求1的装置，其特征还在于：所述放电电路是包括电阻器(R2)的线性电路。
3.按照权利要求2的装置，其特征还在于：所述电阻器(R2)的值在MΩ范围内。
4.按照权利要求1的装置，其中能量转移装置包括空气火花放电器，所述空气火花放电器被构造为在用户电话线路和参考电压源之间的电压超过预定触发电压时产生火花。
5.按照权利要求2的装置，其中构造火花放电器，以使触发电压实际上在2000和2200V之间。
6.按照权利要求1的装置，还包括耦合在用户电话线路和空气火花放电器之间的保险丝(F)。
7.一种用于保护具有第一和第二输入端并耦合到第一和第二用户电话线路(T，R)上的电话设备(30)免受损害的电路，包括：
第一能量转移装置(1-3)，耦合在第一用户电话线路(T)和参考电压源之间；
第一电感器(L1)，耦合在第一能量转移装置和电话设备的第一输入端之间；
第二能量转移装置(2-3)，耦合在第二用户电话线路(R)和参考电压源之间；和
第二电感器(L2)，耦合在第二能量转移装置和电话设备的第二输入端之间；
其特征在于：
放电电路(R2，R4)，耦合在第一用户线路(T)和第二用户线路(R)与参考电压源之间，并且具有第一固定电阻，用于将用户电话信号中由于至少一条所述用户电话线路未接地而导致的静电荷放电到参考电压源；
具有第二固定电阻的第一电阻器(R1)，耦合在第一用户线路和第一能量转移装置之间；和
具有第三固定电阻的第二电阻器(R3)，耦合在第二用户线路和所述第二能量转移装置之间。
8.根据权利要求7的电路，其中所述放电电路是线性电路并包括：
第三电阻器(R2)，耦合在第一用户电话线路和参考电压源之间；和
第四电阻器(R4)，耦合在第二用户电话线路和参考电压源之间。
9.根据权利要求8的电路，其中第一和第二电阻器的值在MΩ范围内。
10.根据权利要求7的电路，其中：
第一能量转移装置包括空气火花放电器(1-3)，所述空气火花放电器(1-3)被构造为在第一用户电话线路(T)和参考电压源之间的电压超过预定触发电压时产生火花；
第二能量转移装置包括空气火花放电器(2-3)，所述空气火花放电器(2-3)被构造为在第二用户电话线路(R)和参考电压源之间的电压超过预定触发电压时产生火花。
11.根据权利要求10的电路，其中构造第一和第二空气火花放电器两者，以使预定触发电压基本上在2000和2200V之间。
12.根据权利要求7的电路，还包括耦合在第一用户电话线路(T)和第二用户电话线路(R)之间的第三能量转移装置(1-2)。
13.根据权利要求12的电路，其中第三能量转移装置包括第三空气火花放电器(1-2)，所述第三空气火花放电器被构造为在第一用户电话线路(T)和第二用户电话线路(R)之间的电压超过预定触发电压时产生火花。
14.根据权利要求13的电路，其中构造第三火花放电器(1-2)，以使预定触发电压基本上在2000和2200V之间。
15.根据权利要求7的电路，还包括耦合在第一和第二用户电话线路之一(R)与第一和第二火花放电器之中相应一个火花放电器之间的保险丝(F)。
16.根据权利要求7的电路，还包括：
第一电阻器(R1)，耦合在第一用户电话线路和第一火花放电器之间；和
耦合在第二用户电话线路和第二火花放电器之间的第二电阻器(R3)和保险丝(F)的串联连接。
17.根据权利要求15的电路，其中第一和第二电阻器(R1，R3)两者的值在5-15欧姆的范围内。
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