CN87106171A

CN87106171A - 通讯线路的保护电路装置

Info

Publication number: CN87106171A
Application number: CN87106171.6A
Authority: CN
Inventors: 熊恩泰
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1986-09-09
Filing date: 1987-09-09
Publication date: 1988-05-04
Also published as: CA1281768C; KR880004619A; JPS6369330A; EP0260839A2; EP0260839A3; CN1010155B

Abstract

一种保护电路装置，适用于双线制线路，例如电话用户线路，该装置包括一个具有两个原边绕组和一个副边绕组的变压器。原边绕组均与线路的导线相串联，其相位关系为：线路中的共模(轴向的)电流可在副边绕组中感应出电流，而环路电流则不能。副边绕组中的感应电流被放大，并被用来触发有如交流三端器件或SCR以及二极管桥路那样的保护器件，用以当在该处发生任何过电流的期间将该线路短路。

Description

本发明涉及为保护与通讯线路相联的设备免遭该线路中可能出现的过电压或过电流而设置的保护电路装置。

人们早就了解需要提供一个或多个保护器连接到通讯线路上，例如平衡的双线电话用户线，以便保护连接到线路上的设备免遭该线路可能出现的过电压和过电流。而这样的过电压和过电流可能起因于雷击，电力线的交叉，以及由邻近的电力线所感应的电流。

对因雷击而引起的浪涌进行保护，往往采用浪涌放电器。而对因电力线的交叉和感应电流进行保护通常采用所谓的热线圈。该热线圈包含两个电阻，每一电阻阻值一般约4欧姆，它们与通讯线路的导线相串联，其作用是，当出现持续的过电压或过电流时，通过电阻的加热作用，激励一个热敏的短路机构，从而将电流分流接地。

这些已知的器件带来各种熟知的缺点或问题。例如，热线圈是不可复位的，因此它必须在起过一次保护作用之后被识别及更换，并且由于这是一种热器件，其动作可能较慢。而且由于使用了它，使通讯线路中接入了不希望的电阻。诚然，这些器件尚广泛用于保护的目的，主要出自它们的成本低，相对地尺寸小，及由于尚无经济的取代物。

为了保护的目的，已经提出过各种固态器件。特别是，半导体瞬态电压保护器已被提出用来取代碳块（Carbon block）和离子管浪涌放电器。进而，一种固态的瞬态过电压抑制器和过电流放电器，以SGS器件的形式，型号为L3100，已被公知，它包括一个栅或触发电极。该器件的作用类似于半导体可控整流器，它响应在其阳极与阴极之间的过电压而变成导通的状况，或者响应因过电流流过阴极与栅极之间所连接的串联电阻所形成的电压降而变为导通，并且当过电压或过电流消失时，它本身自动地复位（即，变为不导通状况）。但，仍然保留了需要串联电阻的要求。另外，这样的保护装置响应的是绝对值电流，但并不敏感于共模电流（即沿着双线制线路的两根导线，以同方向流动的轴向电流），也不敏感于金属电流（即仅沿着双线制线路中的一根导线流动的半轴向电流），而这些电流正是由于雷击或电力线的感应所导致。

于是，就呈现了期待获得一种可靠，成本低，尺寸小，可自动复位的保护电路的需求。

据此，本发明的目的是提供一种改进的保护电路装置。

本发明提供了一种连接于双线制线路的保护电路装置，它包括：一个具有两个类似的原边绕组和一个副边绕组的变压器，所述的原边绕组各与双线制线路中的相应导线相串联，以便在副边绕组中产生响应双线制线路上共模电流的感应电流，而基本上不产生响应双线制线路中环路电流的感应电流;连接于双线制线路的保护装置;以及响应变压器副边绕组中感应电流的控制装置，其作用是，当线路上出现过电流时，该控制装置触发保护装置，从而提供双线制线路的短路。该保护装置被设计为可响应所述的过电流的终止，而自动地终止所述的短路。

按照以下说明及参照附图可供对发明作进一步的理解，其中：

图1以示意与方框图的形式介绍一种按照本发明的一个实施例的保护电路装置;和

图2至图7为图1保护电路装置的替换实施例的电路图。

在不同图形中，用相同的标号表示类似的元件。

图1中，示出了一种用于双线制平衡的电话用户线的保护电路装置，它包括塞尖引线（tip wire）T和塞环引线（ring wire）R。作为例子，保护电路装置被放置在邻近电话总局处，总局内包含有要求对由于雷击、电力线交叉以及感应电流等故障所致用户线上的过电压和过电流作保护的设备。

该保护电路装置包括：变压器10，控制电路12和保护电路14。保护电路14被连接到平衡的用户线路的塞尖线T和塞环线R上，并加以接地，其作用是，当它受到控制电路12的触发，或者虽无触发，但响应了足够高的电压时，起短路掉过电压和过电流的作用，因此不致于让过电压和过电流损坏那些接入线路的总局设备。

变压器10有两个原边绕组16和18，它们以相反的极性（如图中圆点所示，它们表示相应的变压器绕组的起端）与T和R两线相串联;以及有一个副边绕组20，它被连到控制电路12。例如，每个原边绕组16或18可以有9匝，而副边绕组20可能有360匝，总的变压比为1∶20。每一原边绕组可能有约0.5欧姆的直流电阻，而对整个用户环路由于变压器10所带来的附加直流电阻为1欧姆，与先有技术中由于热线圈所引入的附加直流电阻（总计8欧姆）相比，这就显得少得多了。

如此的变压器10可以做得尺寸非常小。例如，采用41^＊导线及上述匝数，变压器10所占据的总体积，其各个方向约不超过5mm。

由于原边绕组16和18的极性相反，其环路电流（该电流在正常工作时出现在用户线上，它在引线T和R中电流的流动方向相反）对保护装置不起作用，由这些电流在变压器10中所引起的磁通抵销。而在用户线路上的共模（轴向）和金属（半轴向）电流（它们在故障情况下出现，而对这些故障正是需要作出保护的），它们导致在变压器10中产生一定的净磁通并在副边绕组20上产生一个信号，作为对该信号的响应，控制电路12触发保护电路14，使塞尖引线T与塞环引线R均保护性的对地短路。

控制电路12的灵敏度和变压器10的匝比可以按具体要求作选取。例如，当采用上述匝比时，控制电路12可以容易地被设计成响应副边绕组20 2.5mA的电流，从而触发保护电路14。符合有效保护的条件是：响应20×2.5mA＝50mA的共模（轴向）电流，或响应40×2.5mA＝100mA的金属（半轴向）电流。这些数字已被证实是适应正常环路电流和发出信令的要求，其中也包括在短环路上的同线电话振铃的情况：该种振铃提供约70mA的半轴向电流。

图2至7介绍了控制电路12和保护电路14可能使用的各种实施例。

在图2、3、4和7中，保护电路14包含了一种单向保护器件，在图3和4中由一个SCR（半导体可控整流器）22构成，在图2和图7中采用两个晶体管24、26，以等效的方式工作，它们各被相应地连到塞尖引线T和塞环引线R并通过6个二极管桥路28连接到地，即例如1983.10.4颁发的美国专利第4，408，248号所公知的一种方式。SCR的击穿电压必须大于该总局的最大电压，并且其保持电流应大于该总局所能提供的最大短路电流。该单向保护器件可以由已经提到过的L3100型SGS器件来替代。正好相反，在图5和6中保护电路包含两个双向保护器件，由交流三端器件（triac）30，32构成，它们各被连在相应的T线与R线中的一个及地线之间，在此情况下，二极管桥路28就不需要了。

控制电路12还可能包含在副边绕组20与保护器件之间的直接连接情况或借助于一种两端交流开关（diac）相联系的情况，只要后者足够地灵敏并且变压器10足够地大，以致可以提供触发保护器件所必须的电流。一般说来，这一情况并不实际，在实用中，控制电路12可能包含一种整流装置和电流放大装置，它们的例子示于图2至7中。

在图2中，控制电路12包含两个晶体管34、36，它们被连成复合晶体管（达林顿晶体管）的形式，用以对来自副边绕组20并通过二极管38整流的电流进行放大，以便提供一个适合的驱动电流经由电阻40到达保护器件。电阻40的阻值以及晶体管的增益一起共同决定着保护器件被触发的门限值。

在图2的装置中，仅能在交流故障波形的某一半周，保护器件才能被触发。这一缺点可以通过采用图3所示的整流桥路42来代替单个二极管38的方法得以克服。图3中，保护器件可能在交流故障波形的任一半周被触发。另外，图3中的控制电路12仅采用了一个晶体管34当作电流放大器，并附带有电阻44和46。

除了采用SCR48来代替晶体管34来提供保护器件SCR22所需要的驱动电流以外，图4中的控制电路12类似于图3中的控制电路。另外，图4中还介绍了电阻46可以被齐纳管50所代替，举例来说，若用于通常装置，它可以是一个60伏齐纳二极管，在该通常装置中，-48伏的总局电瓶电压被连到塞环引线R。在此情况下，在用户线路上，仅约12伏的过电压就足以正向偏置SCR48，使其开启并触发保护器件，这正是所期望予以保护的过电流情况。于是，齐纳二极管50在控制电路12中的作用是，对施加于用户线路的总局电瓶电压起到补偿作用。

在图5和6中，二极管桥路42的设置被取代，其控制电路12被分成互补的两半部分，它们分别对应用户线路中故障的交流波形的相应半周而工作。该两半部分采用了类似的标号，但分别地用正常标号及带撇的标号表示（如34和34′）。

在图5中，由用户线路通过二极管52或54供给偏流的条件下，在交流故障波形的某一半周下，二极管38，电阻44和晶体管34工作，并且就在过电流情况的该半周下通过相应的限流电阻40a和40b触发两个三端交流器件30和32。相应的元件38′、44′、34′、52′和54′在过电流情况的另一半周时以类似的方式工作并再去触发两个三端交流器件。

在图6中的控制电路12类似于图5中的控制电路，下列特点除外：该控制电路包括附加的闩锁晶体管56，56′以便达到更快地触发保护电路14的目的，并且还包括一个如上述的齐纳二极管50，它对施加到用户线路的总局电瓶电压起补偿作用。

在图7中，其保护电路14类似于图2中的保护电路，它包含由两个晶体管24、26构成的单向保护器件和6个二极管的桥路28，但它还包括了一个保持电流控制电阻58和一个任选用的齐纳二极管60，用以对超过限度的用户路电压提供故障一安全保护。在图7中的控制电路12内，提供有如图3和4中同样方式的二极管桥路42，但采用了MOSFET62（金属氧化物半导体场效应晶体管）来取代双极性晶体管或SCR，用以触发保护器件。该MOSFET62可以是高电压N沟道的增强型场效应晶体管，使本装置具有可适用于不同的或更高的总局电瓶电压的优点，例如电压可高达135伏。

另外，在图7中，电容64被连在MOSFET62的栅极和源极之间，用来滤除纹波与噪声信号，否则它们会引起保护装置的假触发。由于MOSFET62在栅极至源极之间具有高漏阻，该电容可以是较小的电容，约为几十微微法的数量级，这是易于以集成电路的方式实现的，或也能通过MOSFET62本身的栅对源极的电容来构成。

由上述可知，按照本发明的保护电路装置与现有技术相比具有许多优点，是值得推崇的。

特别是对过电流的保护可以快速地在交流故障波形的半周内实现，不振荡，并且在过电流消失时，依据过电流门限值具有自动复位的功能。而过电流门限值可以按要求通过相应的变压器和控制电路的设计得到选择，并且该门限值对温度的变化相对地说不很敏感。如热线圈那样的热器件的慢响应在此被避免了。保护电路装置的快速响应和灵敏度使保护器件在交流故障波形的半周期内的较早部分即被触发，触发时电流的变化率要比采用先有技术的保护器件如碳块或充气保护器件时小得多。这一点也极大地减少了在总局范围内邻近用户线路中的噪声电平。

另外，与热线圈的直流电阻相比较，较低的变压器原边直流电阻提供了明显的好处，并且绕组的匹配也相对地容易控制。由此导致的部分结果是，该保护电路装置具有至少达到1.544兆赫范围基本上平直的频率响应曲线，因此它除了可用于声频电话用户线路以外，还可用于高速的数字传输线路。

此外，该保护电路装置（除了变压器可做到很小的体积和低成本之外）能被集成在单个半导体集成电路中，因此它可以小尺寸和低成本制造出来。

以上尽管详细地讨论了本发明的几个实施例，但应理解为，在不违背权利要求书中所规定的本发明的范围的情况下，还可以派生出许多变形、修改、及取代物。

Claims

1、一种连接于双线制线路的保护电路装置包括：

一个具有两个类似原边绕组和一个副边绕组的变压器，所述的原边绕组被安排成二，其每一绕组与双线制线路中的相应导线相串联，使得在副边绕组中响应双线制线路中的共模电流而感应电流，并基本上避免了因响应双线制线路中的环路电流而在副边绕组中出现感应的电流；

连接到双线制线路的保护装置；和

控制装置，在双线制线路出现过电流的情况，它响应在变压器副边绕中所感应的电流而去触发保护装置，从而对该线路提供短路；

该保护装置被设计成当所述的过电流终了时，所述的短路自动地终止。

2、如权利要求1所述的保护电路装置，其特征是，其中的保护装置包含一个单向导电的保护器件和一个二极管桥路，该二极管桥路具有两个交流端子用于连接到双线制线路以及具有连接到保护器件的两个直流端子。

3、按照权利要求2所述的保护电路装置，其特征是，其中的二极管桥路包含六个二极管，并且具有用于接地的第三交流端子。

4、按照权利要求2或3所述的保护电路装置，其特征是，其中的单向导电的保护器件包含一个半导体可控整流器。

5、按照权利要求1所述的保护电路装置，其特征是，其中的保护装置包含至少一个双向导电的保护器件。

6、按照权利要求5所述的保护电路装置，其特征是，其中的保护装置包含两个双向导电的保护器件，它们各被设置连接于双线制线路的相应的导线与地之间，还包括响应所述控制装置的用于共同触发该两保护器件的装置。

7、按照权利要求6所述的保护电路装置，其特征是，其中的每一双向导电的保护器件包含一个交流三端器件。

8、按照权利要求1至7中的任一个所述的保护电路装置，其特征是，其中的控制装置包含：

整流装置，用于将变压器的副边绕组中的感应电流整流成已整流电流;

放大装置，用来放大整流的电流，用以产生触发保护装置的控制电流。

9、按照权利要求2和8所述的保护电路装置，其特征是，其中的放大装置连接到二极管桥路，以便从那里导流。

10、按照权利要求9所述的保护电路装置，其特征是，其中的放大装置经由一个齐纳二极管连接到二极管桥路。

11、按照权利要求8所述、而且还包括二极管装置用于连接到两线制线路的保护电路装置;其特征是，其中的放大装置被连接到二极管装置，以便从那里导流。

12、按照权利要求11所述的保护电路装置，其特征是，其中的放大装置通过一个齐纳二极管被连接到二极管装置。

13、按照权利要求11或12所述的保护电路装置，其特征是，其中的二极管装置包含一个二极管桥路。

14、按照权利要求8至13的任一个所述的保护电路装置，其特征是，其中的整流装置为全波整流装置。

15、按照权利要求8至13的任一个所述的保护电路装置，其特征是，其中的整流装置包含两个半波整流器，并且放大装置亦包含两个电流放大器，每一放大器被连到相应的半波整流器，在变压器副边绕组上所感应的交流电流的相应半周期中得以产生用来触发保护装置的控制电流。

16、按照权利要求15所述的保护电路装置，其特征是，其中的每一电流放大器包含一个闩锁晶体管电流放大器。

17、按照权利要求8至14的任一个所述的保护电路装置，其特征是，其中的放大装置包含一个闩锁晶体管电流放大器。

18、按照权利要求8至14的任一个所述的保护电路装置，其特征是，其中的放大装置包含一个半导体可控整流器。

19、按照权利要求8至14的任一个所述的保护电路装置，其特征是，其中的放大装置包含一个场效应晶体管。

20、按照权利要求8至19的任一个所述的保护电路装置，其特征是，其中的控制装置包含设在整流装置与放大装置之间的滤波装置。