CN1076920C - 远距离操纵开关和保护电路 - Google Patents

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Abstract

一个能连接到一通讯道中的开关装置包括一对线，其间的终端设备，该设备包括：(i)一对串联开关电路，其中之每一个能串联连接在其中的一条线中，并且当在与其相关的线路中遭遇电流过载时打开；和/或(ii)一个或多个连接在该线间的，或连接在一线——地间的，或连接在两线——地间的分路开关电路，并当在与其相关的线路中遭遇电压过载时闭合，其中，每一个开关电路能用沿该通道传送的一个测试信号远距离操纵。

Description

远距离操纵开关和保护电路
本发明涉及通讯电路，特别涉及在电话电路中使用的维护终端单元。
近年来，尤其考虑在许多电话系统缩小国家对经济干予的范围，对该系统而言，在用户中已越来越多地私人安装了自己的通讯设备，其结果经常有必要去确定任一故障是处在电话线上，或者是在用户家中，即有必要去确定由谁来负责修理这种故障，如果通过沿线从该本地交换机远距离送一适当信号至用户家中就能完成这种确定的话，这在经济效益上是相当高的，因此，就避免了送任何给用户打电话进行个人交往的必要性。
为了检测用于任何故障的电话线首先有必要安装一种所谓“维护终端单元或在用户家中的线上的MTU，该用户能立即将用户设备从该线断开(通常该线称分段线)，并连接a和b或端线，并且环线收到从交换机来的适当的信号。在该线检测过程期间，这种对故障的确定将典型地由线-线电阻以及该第一和第二线对地电阻构成。而且该线的连续性可用电方法检测MTU存在的办法来确定。
现在描述MTU的各种形式，例如，在Om Ahuja的美国专利US-4710,949中，该装置包括一对电压灵敏开关，其中之一个配置在每一个端线和环线中，而另一有区别的终端连接该电压灵敏开关的用户边上的端线和环线上，该电压灵敏开关可以每一个具有约16伏的阈值电压，因此在正常操作状态下，它们由48伏电池电压闭合，但是当由低于32伏的测试电压取代时，它们将被打开，以便测试线-地和端线-环路的阻抗。该有区别的终端可以例如包括一背对背二极管和齐纳二极管，当不同极性的大电压(高于工作电压)加到它们上面时，将表现出不对称的阻值。
除在通讯系统中提供MTU以外，该系统一般需要对通讯通道中的过载电流和过载电压采取保护措施，例如这些过载电流电压可以由设备故障，电磁干扰，静电放电，连接到主电源等所引起的。通常在该系统中含有如火花隙，三端双向可控硅开关(元件)等隔离元件可达到保护目的。
本发明就是基于这样一种理解，即有可能使用同样的开关电路来保护用户设备或电话局(交换机)设备免受电流或电压过载，这些开关电路是隔离用户的远距离操纵开关或是环路复原试验(Loop backtesting)和一个器件。
因此，本发明的目的是提供一种能连接在一通讯通道中的开关装置。该开关装置包括一对线接在终端设备之间，它包括：
(i)一对串联的开关电路，其中之每一个能串联连接在一条线中，当在其相关线中发生电流过载时，它将打开，和/或
(ii)一个或多个分路开关电路，它们连接在各线之间，或者连接在一条线-地或两条线-地之间，当在其间相关线中发生电压过载时，它将闭合；
其中，第一个开关电路能够用沿通道借助于发送一个试验信号远距离操纵；
其特征在于每一个串联开关电路包括一开关晶体管，该管的基极或栅极电压由一电流过载控制元件控制，当该开关电路遭遇电流过载时，该电流过载控制元件接通，因此使该开关晶体管截止。
按照本发明的这种开关装置具有若干优点，即在每条信号线中采用一个信号开关(对于串联开关的情况)以提供两个功能，即远距离断开和电流过载保护，由此改善了装置的可靠性，降低了它在线路中的插入损耗，并且由于减少了信号承担元件量而降低了它的价格，此外，分路和串联开关电路能任意操作，使远距离测试电路保护成为可能。
开关控制电路能按若干方式的任何一种进行操纵，例如可用线上的直流电压或一给定频率的交流信号。按照本发明的最佳装置，在线间连接一直流电压窗检波电路(这里看作为一窗检波电路)，并且，当且仅当线间电压处在一预定范围内时，将允许一电流通过它，通过该窗检波电路的电流将操纵该开关电路。
由于为了打开串联开关电路和闭合分路开关电路而加到该装置的试验电压，通常在振铃期间显著地小于所施加的峰值电压，因此，在所施加的电压处于该预定范围内的该振铃周期的那个期间，该开关电路试图转换。这种转换能够借助子在该装置中包括一具有甚低截此频率的低通泸波器加以阻止。该所要求的截止频率将取决于滚电压范围的宽度，在该范围内，电流将在窗电路中流动；该范围越窄，该截止频率可以越高，因为在每一周期时间在预定范围内，所施加的电压将耗费较少时间，例如，20V的电压范围将相应约300Hz的截止频率。
确定开关打开和闭合所施加的电压的窗检波电路可以包括一齐纳二极管，它设定了引起电流流动所施加的电压低限。上限施加电压一般借助子一个电流过载开关电路可方便地设置，当电流通过该电路时，该电路将打开，因此，施加于它两端的电压将超过一预定值。当所施加的电压处该范围内时，窗电路将一短信号到该开关电路。
按照本发明的最佳装置具有这样一个优点，即它能够用一个信号进行操纵，该信号幅值介于正常通讯信号和振铃信号之间，而不需要触发一个或多个开关的振铃信号，并且不需要在该线路中使用振铃，旁路电容。振铃信号的失真通过使用过载电流开关电路作为串联开关来减少。按照本发明装置中采用的电路能够施加一个p-n结压降那样低的电压(0.6V)就能接通至导通状态，这种情况再结合跨接任何二极管桥的电压降将在该振铃信号中产生低于2V的交叉失真。可是在存在振铃旁路电容的情况下，与约32V之一的电压大不相同，(约32V电压是由电压灵敏开关产生的，此开关应用在美国专利US-4710949中)。
在每条线路中串联开关电路通常是固体开关，一般用硅做成，并且最好包括一个开关晶体管，其输入电压由一电流过载控制元件控制，该元件当开关电路遭迂电流过载时接通，因此使开关晶体管断开，这种电路本身将只是按照其相关线路中电流过载进行切换。然而，该电路包括一个测试控制元件，它也控制该开关晶体管的输入电压。当电流流过窗电路时，该测试控制元件接通，因此，该开关晶体管断开。这样按此方式，该串联开关电路既可远距离操纵，也可用线路中的电流过载进行操纵。控制元件可用任意数量器件做成，而控制元件的选择在某种程度上取决于所采用的开关晶体管的型号。该电流过载控制元件，例如可包括一个晶体管，其基极或栅极固定在一个电位分压器中，该分压器跨接该开关晶体管，因此基极-发射极或栅极-源极电压随线路中电流增加而增加。另外该控制元件可包括一比较器，该比较器包括跨接该具有一参考电压的开关晶体管的部分电压，并且当该部分电压大于该参考电压时打开该开关，正如在我们的正在审理中的(Copending)国际申请No PCT/GB91/02215中描述的那样。如果一种一般的FET例如JFET或一种耗尽型MOSFET用作开关晶体管，则一负电压振荡器，例如一种充电泵，或一种光耦合器(optocoupler)可用作控制控制元件，正如在我们的正在审理中的英国申请No9114717中描述的那样。公开这些说明书在这里乃是结合在一起作为参考用。
通常对于分路开关电路期望能够独立于串联开关电路运行。例如，在环路复原试验(Loop backtest)期间，该分路开关电路需闭合以便确定线路连续性(在该情况下，串联开关电路是打开或闭合不是严格的事情)，而该分路开关电路以及该串联开关电路将都要求打开，以便确定该线路的绝缘电阻(塞尖至塞环电阻等等)。例如，为了操纵不同的开关通过改变所施加的直流信号的极性，可以实现开关的独立操作。对于这情况，用于分路和串联开关电路的信号输入端可以连接到窗电路的不同的线路，只有当直流操纵信号具有正确极性时，其中每个电流才被强迫流动。
每个串联开关电路最好在该操纵直流信号终止后的一时间间隔能维持打开状态，以便有可能在线路上执行一个或多个测试而不需要维持该直流信号，或者只要该信号的极性被反转。例如，该电路可保持打开状态达1分钟，而更通常的是达20-40秒钟，并且通常至少为5秒钟。在上述电路中，在测试控制元件的基极-发射极端或栅极-源极端之间包括-电容器是可以实现的。在用直流信号操纵该开关电路期间，该电容器被充电，并保持该测试控制元件导通而因此在该直流信号操纵之后的期间内使该开关晶体管截止。
串联开关电路可以使用双极晶体管和/或场效应晶体管，在使用双晶体管的地方，最好按达林顿(darlington)结构用作开关晶体管，以便减少当该晶体管接通时所要求的基极电流。该基极电流必需通过在该开关晶体管基极和集电极之间连接的一个电阻来提供。当该电路切换到它的阻塞或打开状态时，该开关晶体管基极电流通过该控制元件(现已导通)流出，并成为漏电流。但是，由于当该装置处于截止状态时，该电阻两端的电压降很高，因此，该漏电流大于该开关晶体管的基极电流。如果采用一达林顿对或三线聚点，则该有效的直流电流增益显著地增加，因此能使用很高的电阻。
在使用场效应晶体管的地方，最好使用MOSFETS，例如可使用增强型MOSFET，虽然也可用耗尽型MOSFETS，特别是线性地方是重要的。耗尽型MOSFET开关例子在上述我们的正在审理中的的英国专利申请No91147173中描述过的。用在开关电路中的电阻可用MOSFES提供，例如在NMOS逻辑中，将它们的栅极和和漏极连接起来。此外，该控制晶体管和用于开关晶体管基极和栅极并在一起形成电压分压器的电阻可按CMOS逻辑方式连接的FETs的互补的n-沟道和p-沟道对来提供。
对于该串联开关电路最好不包括电阻性元件同开关晶体管串联，这样一种装置将降低电压降或沿电路线路的扦入损耗，此外，降低该装置设计在集成电路中所需要使用的硅面积，由此降低了成本。
通常分路开关电路将包括连在线间的三端双向可控硅开关。该开关的栅极将通过一对背对背齐纳二极管连到一条线路上，因此一个比该齐纳击穿电压大的过压将产生施加到该可控硅开关的栅极的一个电流脉冲，并使该可控硅开关工作。此外，该可控硅开关的栅极可连接到窗电路，这样，在该窗电路中流动的电流将也操纵该三端双向可控硅开关。如用串联开关电路，在分路开关电路中将提供一低通泸波器，以便用振铃信号阻止该分路电阻的麻烦的跳动。该分路开关电路可一同直接或通过其它元件连接线路。例如，这些线路可以一同通过一有区别的终端连接起来，例如，通过一二极管和一背对背齐纳二极管，因此该终端的电阻是非线性的，而且极性是相依的。
该窗电路可通过任意方式连接到该开关电路。例如，可用器体方式，它们可以借助光电耦合器连接。用其它的器体方式可以是直流耦合到该窗电路，例如，在窗电路中从电阻两端的电压降上来操纵它们的电压。
最好装置的所有元件都根据线路中的电流或从它们之间的电压降来取它们的功率，因此不需要单独的电流干线。
十分可能的情况是，生产的若干装置，其每一个具有不同的直流操纵电压窗，因此，它们能在沿一条长通道的不同点上被连接起来，以便将该通道分成若干段，从而便于确定一个故障。
现在参照附图作为例子描述按本发明的两种装置：
图1是表示根据本发明装置主要元件的方块图；
图2是图1中表示的一种装置形式的电路图；
图3是表示在一振铃信号期间图2所示装置线电压和窗电路输出电压；以及
图4是装置第二种形式的电路图。
参照附图，一种用于电话线路的维护终端单元1包括一对设置在一通讯通道的每条线路内的串联开关电路2，每一串联开关电路由一窗电路3进行控制。该窗电路3还控制一过载电压分路开关电路4，它分流负载两端的任何的过载电压。在一交流电路中，可能提供一个接地点，在该情况下，这种电压过载电路可以用来将过载电压分流到地。
为在该线路上进行一种维护测试，这种测试可以是例行的或者可以是由于某个用户的抱怨引起，产生将+80～100V的直流电压加到线间，于是，该分路开关电路4闭合并同线连在一起。这就使一个环路复原试验完成，其中能测量全线的电阻。一旦去掉所加电压，该分路开关电路将打开。施加-80～100V电压于线间，将导致串联开关2打开，由此将使用户和线隔离。在该电压去掉后，串联开关电路将保持打开约20秒的时间，这使线-线和线-地电阻能够进行判断。
图2表示形成MTU的电气电路。
每一个串联开关电路2和2′包括三个互补达林顿结构的晶体管T1，T2和T3，在二极管电路BR1内的有关线路中是串联连接的，并构成一个开关晶体管。该达林顿三线聚点的基极端安装在由电阻R1和过载电流控制晶体管T4构成的一个电位分压器中，该分压器跨越该达林顿三线聚点，而该控制晶体管T4的基极本身安装在由电阻R2和T3构成的一个电位分压器中，同样它也跨越该达林顿三线聚点开关晶体管。这种电路将保护系统免受触点或环线中的过载电流(如下所述)，当线上的电压从零增加时，所有晶体管将断开，直到该电路两端的电压超过二极管电桥上的压降加上用于开关晶体管的单个pn结电压降为止。然后开关晶体管将导通，以允许电流流通，而控制晶体管T4保持截止。如果线中的电流增加，则控制晶体管T4的基极由于R3两端的电压降而将增加，直到遭到一过载电流时，晶体管T4导通为止。这将导至该开关晶体管基极-发射极短路，以及该开关管截止，由此有阻塞电流在线路中流动。在该状态下，漏电流将取决于R1，R2和R3的值，它们一般在50KΩ～1MΩ的范围内。100ПF电容C1同电阻R3并联连接，以阻止晶体管T1导通。这将防止当该系统第一次接通时，由于线上电感和电容的瞬时电流引起开关电路的跳动。此外，齐纳二极管Z1接晶体管T1两端以便保护该开关电路2免受超过该晶体管工作电压的电压例如，感性尖峰信号引起的大电压。
除了电流过载控制晶体管T4之外，一增强型测试控制FETT3连接在该开关晶体管基极和发射极之间。FETT5的栅极端连接到窗电路，因此，该开关电路能够远距离接通和断开。
分路开关电路4包括三端双向可控硅开关TR1，它被连接在触点和环线之间，而其栅极端通过一对背对背齐纳二极管Z5和Z6以及栅流限制电阻R17连接到端线。为一个过电压超过齐纳二极管Z5和Z6的击穿电压时，一个电流脉冲将传送到该三端双向可控硅开关TR1的栅极，结果端线和环线短路。一个增强型FETT14也连接在开关TR1和端线之间，以允许远距离切换分路开关电路4。二极管D5对FETT14提供反向击穿保护。
窗电路包括一个电压电平检测器齐纳二极管Z4和一个电流电平检测电路6，它们同一二极管电桥BR2串联连接，BR2本身连接在端线和环线之间，当且仅当齐纳二极管Z4两端的电压为75V，相应线间电压为80V时，该齐纳二极管Z4将允许电流通过该窗电路，而在与端线到环路电压超过100V相关联的电流上，电流电平检测电路6将终止电流通过该窗电路。电流电平检测电路6基本上同串联开关电路2和2′的工作原理相同。互补达林顿对晶体管T7和T8构成开关晶体管，其基极端要装在由1MΩ电阻R11和控制晶体管T9构成的电位分压器中，而T9的基极端本身安装在由一对1MΩ电阻R12和R13构成的一个电压分压器中。当T7两端电压超过-pn结压降时，电流将流通，直到R13两端的电压高到使晶体管T9导通为止，于是晶体管T8的基极-发射极端短路，以及该达林顿对断开。
三个光隔离器OPTO1-3的输入端相连接和电压电平检测器齐纳二极管Z4以及电流电平检测电路6和它们的输出端相串联，它们的输出端连接到串联和分路开关电路上。隔离器OPTO1和OPTO2彼此串联并连接到一系列开关电路，并同连接到分路开关电路4的OPTO3光隔离器并联。光隔离器OPTO3的输入端同隔离器OPTO1和OPTO2的相反极性连接，因此该串联和分路开关电路将用施加不同极性的电压进行操纵。二极管D3和D4乃是用来阻止光隔离器中的LEDS，由于施加了一个大的反向电压而造成反向击穿。
当一具有正确极性的80-100V之间的直流信号施加到该线路时，约10mA电流将通过光隔离器OPTO1和OPTO2的LED输入端。每一个光隔离器的输入端通过由电阻R5和电容C3构成的一个低通RC泸波器，该电容器C3将阻止开关电路的寄生触发，并且对连接在测试控制FETT5的栅-源极间的电容器C2充电。二极管D1允许电流从OPTO1流入该电容器，但换方向流动是不允许的，因此，电容器C1的放电也是由连接在FETT5的栅-源极间的电阻R4进行控制的。
这样，一旦电容器C2已足够充电到超过测试控制FETT5的栅极电压，串联开关电路打开，从而与用户断开，并且当去掉操纵直流信号后将维持打开，直到电容器C2已经通过电阻R4放电为止。
如果施加的直流信号的极性反向，一个10mA电流将流通光隔离器OPTO3的LED，该输出电压通过由电阻R14，R15，R16，C7和C8构成的一低通RC泸波器加到FETT14的栅极，这将使FET导通并控制三端双向可控硅开关有效地使两线短路，同时允许系统的环路复原试验。
该装置甚至可以使用在故障是由于用户设备短路的场合。在这种情况下，在交换机施加的任何电压都降至沿线，因此，不可能将所要求的操纵电压施加到该窗电路。但是，如果所施加的电压降到低3.6V，则每一个串联开关的开关晶体管两端引起的电压降将不能充分维持开关闭合，这样故障能够加以局部化。
如图3所示，由于在线上的振铃信号，可以阻止分路和串联开关电路的寄生触发，图3a表示当一振铃信号被传送时，在端线和环线上出现的电压。该信号包括叠加在-48V电池电压上的，频率为20Hz的RMS幅度为80V(峰-峰为226V)的一个正弦振铃信号。虽然线上的瞬时电压对于所放震的时间间隔超过测试电压，但在振铃信号前沿，当线上的电压介于80和100V之间时，在窗电路3中才产生瞬时电流。图3b表示对光隔离器的输入(线1)。它由约1.7ms宽的脉冲串组成并在每个振铃周期出现。从光隔离器的输出(打开结束)表示为线2。当LED电流上升到约5mA时，该输出开始上升。该脉冲串容易在串联开关电路中借助于由C3和R5构成的RC泸波器以及在分路开关电路中借助于由C7，C8，R14，R15和R16构成的泸波器加以滤除。通常这些泸波器，将具有至少50Hz的截止点，但不大于500Hz。
图4表示另一种装置方式，其中窗电路直接耦合到串联开关电路。串联开关电路2和2′为图2所示大致相同，并且结合电流电平检测电路6和齐纳二极管Z4，用于确定操纵开关的电压窗。
串联开关电路2包括一个P沟道增强型FET41而开关电路2′包括一个n-沟道增强型FET42作为测试控制元件。
窗电路包括提供FETs41和42栅极电压的一对电阻44和47。电容器9和10同电阻44和47并联，以便泸除任何短的寄生信号，并因此在一旦收到正确的测试电压将立即充电，而在直流操纵信号终止之后将使FETs41和42保持打开一段时间。控制二极管乃是用来提供防止影响该两个FETs41和42的反向系统电压。
当收到一个测试电压信号时，电流将流通窗电路3，并将提高电阻44和47两端的电压，为采取FET41的栅极更负于其源极时，同时FET42的栅极更正于其源极时，结果将打开开关电路2和2′。
一个类似的辅助的反极性窗电路也可提供来控制一个分路开关电路。

Claims (9)

1.一个能连接到一通讯通道中的开关装置，包括一对线，其间的终端设备，该设备包括：
(i)一对串联开关电路，其中之每一个能串联连接在一条线中，并当在与其相关的线路中遭遇电流过载时打开以及/或
(ii)一个或多个连接在该线间的或连接在一线-地间的，或连接在两线-地间的分路开关电路，并当在与其相关的线路中遭遇电压过载时闭合
其中，每一个开关电路能用沿该通道传送的一个测试信号远距离操纵；
其特征在于每一个串联开关电路包括一开关晶体管，该晶体管的基极或栅极电压由一电流过载控制元件控制，当该开关电路遭遇电流过载时，该电流过载控制元件接通，因此使该开关晶体管截止。
2.按权利要求1的一种开关装置，其特征在于，该电流过载控制元件是一个晶体管，其基极或栅极端安装在缚住串联开关电路的一个电位器中，因此，其基极-发射极或栅极-源极电压随线路中的电流增加。
3.按权利要求1的一种开关装置，其特征在于，每个串联开关电路包括一测试控制元件，该控制元件也控制该开关晶体管的基极或栅极电压，响应于该测试信号，该测试控制元件接通。
4.按权利要求1的一种开关装置，其特征在于，包括连接在线间的一直流电压窗检测器电路，且仅当线间电压处于一预定范围时将允许电流流过它，流过窗检测器电路的电流操纵该开关电路。
5.按权利要求1的一种开关装置，其特征在于，当由测试信号操纵时，分路开关电路通过专用终端连接线路。
6.按权利要求1的一种开关装置，其特征在于，分路开关电路包括连接在线间的三线双向可控硅开关。
7.按权利要求4的一种开关装置，其特征在于，窗检测器电路通过一光电耦合器耦合到该开关电路上。
8.按权利要求1的一种开关装置，其特征在于，每个串联开关电路包括连接到测试控制晶体管一个输入端的电容器，该电容器在用直流信号操纵该开关电路期间进行充电，并且对于终止操纵直流信号期间使该开关电路保持打开。
9.按权利要求1-8任一权利要求的一种开关装置阵列，其特征在于接在一通讯通道中，以便将该通道分成若干段，以用于确定故障，每个装置具有一个不同的直流电压操纵窗，此窗来自该装置或彼此间的装置。
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