BESCHERMINGSKETEN EN TELECOMMUNICATIE-LIJNKETEN
WAARIN DEZE WORDT GEBRUIKT
De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een beschermingsketen die onderling verbonden eerste (serie/shunt) en tweede (shunt/serie) impedanties omvat welke respektievelijk aan eerste en tweede ketens toegevoegd zijn, waarbij deze tweede impe dantie een niet-lineaire meervoudige-toestandkarakteristiek met AAN en AF toestanden heeft en deze impedanties het vermogen in deze tweede keten beperken als abnormaal hoge signalen in deze eerste keten opgewekt worden.
Een dergelijke beschermingsketen is reeds bekend uit het Franse oktrooi nr. 2 382 787. Daarin is de eerste impedantie een serieweerstand verbonden tussen een telecommuni-
<EMI ID=1.1>
bovengenoemde eerste en tweede ketens vormen, en de tweede impedantie is een shuntimpedantie gevormd door een Zener diode
<EMI ID=2.1>
en de telecommunicatieketen aan zijn ene uiteinde en een referentiespanning aan zijn andere uiteinde.
Een dergelijke lijn kan een bron zijn van abnormale signalen, bijvoorbeeld deze voortgebracht door een blikseminslag op de lijn, en de serieweerstand en de shunt Zener diode dienen zodanig gekozen te worden dat ze de tweede keten,
d.w.z. de belasting,tegen dergelijke abnormale signalen beschermen, en echter geen invloed hebben op normale signalen. Meer
<EMI ID=3.1>
hij een relatief hoge spanningsval veroorzaakt en het vermogenverbruikin de Zener diode beperkt als er abnormale signalen optreden.
Typische waarden voor deze serieweerstand en voor de Zenerspanning van de shunt diode zijn respektievelijk 24 ohms en
150 Volts.
Wanneer de hierboven vermelde telecommunicatieketen een telefoonabonnee-lijnketen is, kan deze keten eveneens een signaalbron vormen daar ze in staat moet zijn normale signalen toe te voeren aan de lijn die dan de belasting vormt, bijvoorbeeld microfoonstroom die toegevoerd wordt via voedingsweerstanden die een relatief lage gelijkstroomwaarde hebben teneinde daarin de spanningsval te beperken, en belstroom gevormd door een wisselstroomsignaal gesuperponeerd op een gelijkstroom signaal. Typische waarden voor elk van de voedingsweerstanden en de piekwaarde van het belsignaal zijn respektievelijk
50 ohms en 200 Volts. Omdat ook in dit geval de beschermingsketen zonder invloed moet zijn voor deze normale signalen, moet zijn serie-weerstand ver beneden de lage waarde van deze
<EMI ID=4.1>
diode veel groter zijn dan de piekamplitude van het belsignaal. In een dergelijk geval is de bovenvermelde waarde van 24 ohms werke lijk geen echt geschikte keuze omdat hij nog steeds veel
te hoog is voor een voedingsweerstand van 50 ohms.
Een doelstelling van deze uitvinding bestaat erin
een beschermingsketen van bovenvermeld type te verschaffen, maar die een juistere keuze mogelijk maakt voor deze serie-weerstand die betrekkelijk hoog moet zijn voor abnormale signalen en betrekkelijk laag voor normale signalen.
Volgens de uitvinding wordt deze doelstelling bereikt doordat deze eerste impedantie een tweetoestand spanning/ stroom karakteristiek met AF en AAN toestanden heeft en naar zijn AAN toestand schakelt nadat deze tweede impedantie bij het optreden van deze abnormale signalen in zijn AAN toestand werd gebracht.
Een ander kenmerk van deze beschermingsketen is dat deze eerste impedantie een weerstand met positieve tempera-tuurcoëfficient is en bij verwarming tot een voorafbepaalde waarde in zijn AAN toestand wordt gebracht.
Nog een ander kenmerk van deze beschermingsketen is dat deze weerstand in zijn AF en AAN toestanden respektievelijk relatief lage en hoge waarden heeft, terwijl deze tweede impedantie in zijn AF en AAN toestanden respektievelijk hoge
<EMI ID=5.1>
Hoewel de eerste en tweede impedanties respektievelijk in serie en in shunt zullen zijn als ze in een gewone telefoonlijnketen gebruikt worden, zal de bovenvermelde wisselwerking tussen deze twee impedanties vanzelfsprekend dezelfde blijven in een duale keten waarin spanningen en stromen verwisseld zijn. Daarin zou de spanningsbron die de serie-impedantie voedt en de belastingsimpedantie in parallel over de shuntimpedantie vervangen worden door een stroombron met een parallel admittantie die overeenkomt met de eerste impedantie en door een belastingsadmittantie gevoed doorheen een serieadmittantie die overeenkomt met de tweede impedantie.
Omdat met een spanningsbron de serieweerstand en
de shuntimpedantie normalerwijze respektievelijk betrekkelijk lage en hoge waarden hebben, is de beschermingsketen zonder invloed op normale signalen die zowel door de eerste als door de tweede ketens toegevoerd worden. Anderzijds beperkt deze beschermingsketen zowel het vermogen toegevoerd aan de tweede keten als het vermogen verbruikt in de shuntimpedantie als er door de eerste keten abnormale signalen voortgebracht worden. Inderdaad, dergelijke abnormale signalen schakelen de serieweerstand van zijn AF-toestand, waarin hij een betrekkelijk kleine waarde heeft, naar zijn AAN-toestand waarin hij een betrekkelijk hoge waarde heeft nadat de shuntimpedantie van zijn AF-toestand met relatief hoge impedantie naar zijn AANtoestand met relatief lage impedantie werd gebracht.
Een inrichting die bijzonder geschikt is om als de bovenvermelde eerste impedantie gebruikt te worden is de weerstand met Positieve Temperatuur Coëfficiënt bekend uit het artikel "PolySwitch PTC devices - a new low -
resistance conductive polymer-based PTC device for overcurrent protection" door F.A. Doljack, gepubliceerd in de Proceedings van de 31ste Electronic Components Conference 1981, A tlanta, VSA, 11-13 mei (New York, IEEE 1981), blz. 313-319 (PolySwitch is een handelsmerk van Raychem Corporation).
Volgens dit artikel werd een dergelijke PTC inrichting reeds gebruikt als een serie eerste impedantie in een beschermingsketen die bovendien een shunt tweede impedantie omvat gevormd door twee dioden die met welbepaalde referentie-
<EMI ID=6.1>
spanning van de keten tot deze referentie-spanningen te beperken. Indien een dergelijke keten echter aan hogere spanningen moet weerstaan, bijvoorbeeld aan het hierbovenvermeld belsignaal, is het noodzakelijk de dioden te verbinden met aangepaste referentie-spanningen die normalerwijze niet in een telecommunicatieschakeling beschikbaar zijn.
Andere kenmerken van de onderhavige beschermingsketen zijn dat zij een andere eerste impedantie omvat die opgesteld
is om warmte van deze eerste impedantie te ontvangen en die
via deze tweede keten gekoppeld is met besturingsmiddelen
welke een vaste-toestandsschakelaar omvatten,die deze eerste impedantie koppelt met deze besturingsmiddelen die op deze andere eerste impedantie in de AAN-toestand reageren door deze schakelaar in werking te stellen teneinde de verbinding tussen deze tweede keten en deze eerste impedantie te verbreken.
De huidige uitvinding heeft eveneens betrekking op
een telecommunicatielijnketen gekoppeld met een tweedraadstelecommunicatielijn via beschermingsmiddelen.
Een dergelijke telecommunicatielijnketen is reeds bekend, bijvoorbeeld eveneens uit het bovenvermelde Franse oktrooi.
Een kenmerk van de onderhavige telecommunicatielijnketen is dat zij vaste toestandsschakelaars omvat waarmee zij gekoppeld is met beschermingsketens die deel uitmaken van deze beschermingsmiddelen, waarbij deze schakelaars en beschermingsketens uitgevoerd zijn zoals hierboven beschreven.
Aldus voorkomen deze beschermingsketens dat deze schakelaars door zeer hoge vermogenpieken aangetast worden.
De hierboven vermelde en andere doeleinden en kenmerken van de uitvinding zullen duidelijker worden en de uitvinding zelf zal het best begrepen worden aan de hand van de hiernavolgende beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld en
van de bijbehorende tekeningen waarin :
Fig. 1 een telecommunicatielijnketen met toegevoegde beschermingsketens, beide volgens de uitvinding voorstelt; en Fig. 2 op een verwrongen schaal de spanning/stroom karakteristiek van de overgangsspanningsonderdrukkers TVS1 en TVS2 van Fig. 1 toont.
De in Fig. 1 getoonde beschermingsketens PC1 en PC2 maken deel uit van een beschermingseenheid PD, die tussen een telecommunicatie-abonneelijn SL en een numeriek schakelnetwerk
(niet getoond) gekoppeld is, in serie met een abonnee-lijntussenketen die twee geintegreerde ketens SLIC1 en SLIC2 omvat en met een eindbesturingselement TCE dat gemeenschappelijk
is aan een aantal van deze tussenketens. PC1 en PC2 zijn respektievelijk met de geleiders a en b van SL verbonden.
De lijnketen SLIC1, SLIC2 en het eindbesturingselement TCE zijn van het type getoond en beschreven op blz. 221-224 van het artikel "ITT 1240. Digital exchange application to the local network" door M. Van Brussel en anderen, Electrical Communication, Volume 56, nr 2/3, 1982, blz. 218-234.
De keten SLIC1 omvat vier paren vaste-toestandsschakelaars Sll, S12; S21, S22; S31, S32; en S41, S42 van hettype beschreven in de Zwitserse oktrooiaanvrage 2153/82-0, twee 50 ohm voedingsweerstanden Rl en R2 en vier dioden Dl tot D4 en
<EMI ID=7.1>
met gelijknamige klemmen van PD, SLIC2 en een testketen TC
<EMI ID=8.1>
via Sll, Rl en S21 in serie en is LT2 verbonden met LT4 via S12, R2 en S22 in serie. De verbindingspunten van Sll en
<EMI ID=9.1>
testketen TC respektievelijk via de schakelaars S31 en S32 verbonden, en de verbindingspunten van Rl en S21 en van R2 en S22 zijn met de klemmen RTl en RT2 van een belketen RC die deel uitmaakt van SLIC2 respektievelijk via de schakelaars S41 en S42 verbonden. De uiteinden van de weerstanden Rl en R2 zijn respektievelijk verbonden met de sensorklemmen ST11, ST12 en ST21, ST22 van SLIC2, die in staat is om de stroom af tetasten die doorheen Rl en R2 vloeit en om in samenwerking met TCE en in functie van de afgetaste stroom passende maatregelen te nemen. De besturingsklemmen van de schakelaarsparen Sll,
S12; S21, S22; S31, S32 en S41, S42 zijn verbonden met respektievelijk besturingsklemmen CT1, CT2, CT3 en CT4 van SLIC2 die, in samenwerking met TCE, in staat is om het even welk van deze schakelaarsparen te openen of te sluiten. De lijnklemmen LT3 en LT4 van SLIC2 zijn respektievelijk geaard via de klampeerdioden Dl en D2 en respektievelijk verbonden met -VI, bijvoorbeeld -48V, via de klampeerdioden D3 en D4.
De aftastklemmen ST31 en ST32 zullen later beschouwd worden.
De belketen RC, die deel uitmaakt van de keten SLIC2, is verbonden met een besturingsbus LSCB die werkt op lage snelheid en is ingericht om in samenwerking met TCE aan de klem RTl een belspanning RV te verbinden bestaande uit een gelijkspanning -V2 waarop een wisselspanning AV gesuperponeerd is. Bijvoorbeeld V2 = 60 Volts en AV = 90 Volts RMS zodat RV een negatieve piekwaarde heeft die gelijk is aan ongeveer -190 Volts. Door een passende besturing van de schakelaars kunnen grond en deze belspanning aan de geleiders a en b van abonneelijn SL gelegd worden via respektievelijk S41, Sll en S42, S12, terwijl de andere schakelaars dan open blijven.
De testketen TC is ingericht om, eveneens in samenwerking met TCE, testsignalen met de lijn SL of met SLIC2
door een besturing van de schakelaars te verbinden.
Het eindbesturingselement TCE omvat een microprocessor MP, een geheugen MEM en een eindtussenketen Tl die met SLIC2 via een verbinding C en met het bovenvermeld numeriek schakelnetwerk (niet getoond) verbonden is. MP, MEM en Tl hebben
alle toegang tot de besturingsbus HSCB en MP heeft bovendien toegang tot de be dieningsbus LSCB die werkt op lage sne lhe id .
Elk van de beschermingsketens PC1, PC2, die deel uitmaken van de beschermingseenheid PD, omvat een ingangsbeschermingselement in de vorm van een gasbuis GTl, GT2 die in shunt, d.w.z. tussen grond en een lijngeleider a, b, verbonden is en gevolgd is door een serie-weerstand met positieve temperatuurscoëfficient PTCR1, PTCR2 en door een overgangsspanningsonderdrukker TVS1, TVS2 die een shuntweg naar grond verschaft voor uitgangsklem LT1, LT2. Een andere weerstand met positieve temperatuurscoëfficient PTCR3 die zowel met PTCR1 als met
PTCR2 verbonden is zal later beschreven worden.
Het doel van GTl en GT2 bestaat erin de spanning tussen elke lijngeleider a, b en grond tot bijvoorbeeld ongeveer 1000 Volts te beperken, terwijl het doel van PTCR1, PTCR2, TVS1, TVS2 erin bestaat het vermogen geleverd aan SLIC1, SLIC2 verder te beperken. Meer in het bijzonder beschermt de beschermingsketen SLIC1 en SLIC2 tegen een overspanning van + Vm en tegen een continu stroom Im. Vm is een weinig groter genomen dan de som van de bovenvermelde belspanning RV en een longitudinale spanning bijvoorbeeld 20 Volts, en Im is bijvoor-
<EMI ID=10.1>
Typische waarden zijn Vm = 250 Volts en Im = 150 mA. Elke beschermingsketen beperkt aldus het vermogenverbruik in de schakelaars door de spanning en de continu stroom tot respektievelijk Vm en Im te beperken. SLIC2 is door de dioden
Dl tot D4 beschermd tegen een overspanning hoger dan O Volts
en lager dan -48 Volts.
Elk van de weerstanden met positieve temperatuurs coëfficient PTCRl en PTCR2 is bekend onder de handelsnaam PolySwitch en wordt vervaardigd door Raychem Corporation.
Deze weerstanden zijn bijvoorbeeld beschreven in het bovenvermelde artikel door F. Doljack en uit dit artikel volgt dat elk van deze veranderlijke weerstanden PTCRl , PTCR2 een grote plotselinge weerstandsverandering ondergaat als een overstroom haar boven een welbepaald temperatuursniveau verwarmt. De normale weerstand verhoogt van meerdere orden van grootte als hij geschakeld wordt. Deze verhoging beperkt de stroom tot een waarde die ongeveer gelijk is aan Im en verwezenlijkt een kleine aanhoudende zelf-verwarming die de veranderlijke weerstand
in de hoge weerstandstoestand vergrendelt. De veranderlijke weerstand zal naar zijn rusttoestand terugkeren als de stroom die er doorheen vloeit onderbroken wordt en hij onder zijn schakeltemperatuur kan afkoelen.
De weerstanden met positieve temperatuurscoëfficient PTCRl en PTCR2 werden ontworpen om gedurende een korte tijdsperiode aan een hoge spanning en stroom te weerstaan.
Elke overgangsspanningsonderdrukken TVS1, TVS2 is
van het type vervaardigd door de SGS-ATES Group of Companiés. Hij heeft een spanning/stroom karakteristiek die in Fig. 2
op een verwrongen maar niettemin representatieve schaal
getoond is en vertoont in het eerste en derde kwadrant een AFtoestand, een Zener toestand ZR en een AAN-toestand. De spanning VON is de AAN-toestandspanning bij een vasthoudstroom IH; VZ is de Zenerspanning; VB is de omkipspanning; IOFF is de AF-toestandstroom en ION is de omkipstroom. Wanneer de onderdrukker in de AF-toestand is, waarbij een spanning kleiner dan VB tussen zijn klemmen aanwezig is, gedraagt hij zich als een virtueel open keten met een uiterst hoge weerstand. Wanneer een spanning tussen VZ en VB aan de onderdrukker wordt gelegd en als daarin een stroom kleiner dan IH vloeit, is de onderdrukker in de Zenertoestand. Tenslotte wordt de onderdrukker in de AAN-toestand gebracht als daaraan een spanning hoger dan VB gelegd wordt en daarin een stroom vloeit die ten minste gelijk is aan ION.
Deze verandering voorgesteld door een punt-streep lijn tussen VB, ION en VON, IH komt overeen met
een onstabiele overgangstoestand. In de AAN-toestand vertoont de onderdrukker een zeer lage weerstand zolang de houdstroom
IH behouden blijft. De spanning over de onderdrukker
wordt dan VON die bijna gelijk nul is. Als de beschikbare stroom kleiner wordt dan de houdstroom IH, schakelt de onderdrukker automatisch naar de Zenertoestand of naar de AF-toestand over naargelang de stroom die in de onderdrukker vloeit respektievelijk kleiner of groter dan IOFF is.
De overgangsspanningsonderdrukkers TVS1 en TVS2 werden ontworpen om gedurende een korte tijdsperiode aan een hoge stroom en een groot vermogenverbruik te weerstaan.
Tenslotte bevat de beschermingseenheid PD eveneens een derde weerstand met positieve temperatuurscoëfficient PTCR3, die als overstroomsensor gebruikt wordt,bijvoorbeeld in het geval een hoge spanning continu aan SL gelegd wordt. Te dien einde werden PTCR1, PTCR2 en PTCR3 zodanig opgesteld dat PTCR3 in staat is warmte te ontvangen van PTCR1 en PTCR2 zodat als minstens één van deze door een overstroom wordt verwarmd een groot deel van deze warmte ontvangen wordt door PTCR3 die naar zijn hoge weerstandstoestand geschakeld wordt als zijn temperatuur boven een voorafbepaald niveau stijgt. Deze verandering van weerstandswaarde wordt op ST31 en ST32 afgetast door SLIC2
<EMI ID=11.1> alarm te geven of om eventueel de schakelaars Sll, S12 te openen.
De werking van de hierboven beschouwde schakeling wordt hierna beschreven zonder rekening te houden met GTl en
GT2 die, indien aanwezig, de spanning tussen elke lijngeleider
a, b en grond tot ongeveer 1000 Volts beperken. Elke beschermingsketen beperkt de uitgangsspanning tot Vm = VB, bijvoorbeeld 250 Volts, en de continu uitgangsstroom tot Im, bijvoorbeeld 150 mA, waarbij Im kleiner is dan IH. Er wordt verondersteld dat een ingangsspanning met een piekwaarde V
aan de beschermingseenheid PD, meer in het bijzonder tussen lijnge leider a en grond, ge legd wordt. Voorbeelden van een
<EMI ID=12.1>
duizende Volts maar van een zeer korte duur en een verstoringsspanning van een merkelijk lange duur.
In hetgeen volgt wordt enkel de beschermingsketen
PC1 beschouwd, daar de werking van PC2 gelijk is aan deze van PC1. Ook wordt enkel een positieve spanning V beschouwd vermits de uitleg dezelfde is voor een negatieve V.
Bij het aanleggen van de ingangsspanning V aan de ingangsklem a, is de schakelaar Sll ofwel open, waardoor hij
<EMI ID=13.1>
In het laatste geval kan enkel één van de schakelaars S21, S31 en S41 zich in de gesloten toestand bevinden waarin hij de beschermingsketen PC1 met SLIC1, TC of RC verbindt. Als TVS1
de eerste tak verbonden met klem LT1 genoemd wordt, omvat
de tweede tak verbonden met LT1 :
- Sll, Rl, S21 en LT3 die tussen grond en -VI geklampeerd is; of
- Sll, S31 en een testspanning in TC; of
- Sll, Rl, S41 en grond. In het geval ingangsklem b beschouwd wordt bevat de tweede tak S12, R2, S42, AV-V2, grond.
Eerst zal het geval beschouwd worden waarin het ingangssignaal V een zodanig korte duur heeft dat PCTR1 in zijn lage weerstandstoestand blijft.
Als in dit eerste geval de piekamplitude van V zo
<EMI ID=14.1>
omkipspanning VB van TVS1 en de stroom doorheen TVS1 hoger
is dan ION, dan wordt TVS1 in zijn AAN-toestand gebracht waarin VLTl nagenoeg gelijk is aan nul en hij blijft in deze toestand gedurende een korte tijdsinterval. De spanning V-VLTl doorheen PTCR1 is dan nagenoeg gelijk aan V en de stroom doorheen PTCR1 en TVS1 is betrekkelijk hoog doordat beide in hun toestand van lage impedantie zijn. PTCR1 werd daarom ontworpen om aan een dergelijke hoge spanning V en stroom van korte duur te weerstaan, en TVS1 werd eveneens ontworpen om aan deze hoge stroom van korte duur te weerstaan. De stroom die dan in de schakelaars vloeit, indien Sll en één van S21, S31, S41 gesloten zijn, is betrekkelijk klein gezien VLTl nagenoeg gelijk is aan nul.
De schakelaars werden ontworpen om aan de hoge stroom te weerstaan die er eventueel doorheen kan vloeien vooraleer TVS1
in zijn toestand van lage impedantie is.
Als in het hierboven beschouwde eerste geval
het ingangssignaal V zodanig is dat VTL1 kleiner is dan VB van TVS1, dan blijft TVS1 in de AAN-toestand of wordt hij in de Zenertoestand gebracht afhankelijk van de waarde van V.
De maximumwaarde van VLTl is dus gelijk aan VZ, die ongeveer gelijk is aan VB, en de schakelaars werden zodanig ontworpen
dat zij aan de stroom van korte duur kunnen weerstaan die er doorheen vloeit in het geval Sll en één van S21, S31, S41 gesloten zijn. Er dient opgemerkt dat de dioden Dl tot D4 de spanning aan de ingang van SLIC2 beperken.
Uit het bovenstaande volgt dat in het beschouwde eerste geval PTCR1 geen beschermingsfunctie heeft, doordat
hij in zijn lage weerstandstoestand blijft, en in staat moet zijn om te weerstaan zowel aan de relatief hoge stroom van
korte duur die er doorheen kan vloeien als aan de betrekkelijk hoge spanning van korte duur die er aangelegd kan worden.
TVS1 beperkt VLTl tot ongeveer VB maar is niet beschermd door PCTR1 en de schakelaars dienen in staat te zijn te weerstaan aan de stroom van korte duur die er doorheen vloeit vooraleer
<EMI ID=15.1>
Ten tweede zal nu het geval beschouwd worden waarin V een zodanige grootte en duur heeft dat PTCRl in zijn toestand van hoge impedantie geschakeld zal worden en daarin zal blijven zolang V duurt. In een eerste subgeval van dit tweede geval wordt verondersteld dat V zodanig is dat de spanning over TVS1 groter is dan VB en dat de stro om die
er doorheen vloeit groter is dan ION, zodat TVS1 in zijn AANtoestand gebracht wordt waarin het een zeer lage impedantie
<EMI ID=16.1>
in TVS1. Nadat TVS1 voldoende verwarmd werd schakelt hij
naar zijn toestand van hoge weerstand, zoals reeds verondersteld. Als gevolg hiervan vermindert de stroom die er doorheen vloeit en die doorheen TVS1 vloeit merkelijk. De stroom Im doorheen PTCRl is voldoende om hem in zijn toestand van hoge weerstand
te houden, zoals werd verondersteld. De stroom doorheen TVS1 blijft steeds boven IH of daalt onder IH. In het eerste
geval blijft TVS1 in de AAN-toestand, terwijl hij in het tweede geval naar de Zenertoestand schakelt als gevolg waarvan de stroom doorheen PTCRl slechts een weinig vermindert zodat hij
in de toestand van hoge weerstand blijft. Hieruit volgt dat
<EMI ID=17.1>
nagenoeg gelijk is aan VZ, zodat de spanning over PTCRl dan gelijk is aan V-VZ.
Uit hetgeen voorafgaat volgt dat er tussen PTCRl en TVS1 een nauwe samenwerking bestaat. Inderdaad, zodra TVS1 in zijn AAN-toestand werd gebracht, doordat PTCRl in zijn toestand van lage weerstand is, beperkt PTCRl de stroom doorheen TVS1 als gevolg waarvan de spanning over TVS1 tot VZ beperkt wordt.
Aldus wordt het vermogenverbruik in TVS1 beperkt en wordt de spanning over PTCR1 beperkt tot V-VZ, waarbij PTCR1 ontworpen
is om aan een dergelijke continu spanning te weerstaan.
Indien in het hierboven beschouwde eerste subgeval Sll open is, worden de schakelaar vanzelfsprekend niet beïnvloed, maar als Sll en ofwel S21, S31 of S41 gesloten zijn wordt de stroom doorheen deze schakelaars beperkt doordat VLTl nagenoeg gelijk is aan VZ. Zoals hierboven reeds vermeld zijn de schakelaars in staat aan deze stroom te weerstaan.
In een tweede subgeval van het hierboven beschouwde tweede geval wordt verondersteld dat V zodanig is dat TVS1 in zijn AF-toestand blijft. Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn als een spanning lager dan VB continu aan een lijngeleider
a of b gelegd wordt. Indien Sll en S21, S31 of S41 gesloten zijn en PTCR1 naar zijn toestand van hoge weerstand geschakeld wordt, zoals werd verondersteld, wordt de stroom doorheen de schakelaars beperkt tot Im. Maar wanneer de impedantie van de tweede tak klein is vergeleken met deze van PTCR1 in de toestand van hoge weerstand, is V bijna volledig over PTCR1.
Om daarin het vermogenverbruik te beperken en om de schake laars
in de tweede tak te beschermen kan schakelaar Sll geopend worden. Dit kan op de volgende wijze gebeuren.
Het vermogen verbruikt in PTCR1 verwarmt deze en een groot deel van deze warmte wordt naar PTCR3 overgedragen. Wanneer de temperatuur van PTCR3 een voldoende waarde bereik t schakelt hij naar zijn toestand van hoge weerstand. Deze weerstandsverandering wordt waargenomen door SLIC2 die in samenwerking met TCE dan Sll opent.
Hoewel de principes van de uitvinding hierboven zijn beschreven aan de hand van bepaalde uitvoeringsvormen en wijzigingen daarvan, is het duidelijk dat de beschrijving slechts bij wijze van voorbeeld is gegeven en de uitvinding niet daartoe is beperkt.
PROTECTION CHAIN AND TELECOMMUNICATION LINE CHAIN
WHAT IT IS USED FOR
The present invention relates to a protection circuit comprising interconnected first (series / shunt) and second (shunt / series) impedances added to first and second chains, respectively, said second impedance having a nonlinear multi-state characteristic with ON and AF has states and these impedances limit the power in this second chain when abnormally high signals are generated in this first chain.
Such a protection circuit is already known from French patent no. 2 382 787. In it, the first impedance is a series resistance connected between a telecommunications
<EMI ID = 1.1>
the above first and second circuits form, and the second impedance is a shunt impedance formed by a Zener diode
<EMI ID = 2.1>
and the telecommunication circuit at one end and a reference voltage at its other end.
Such a line can be a source of abnormal signals, for example those generated by a lightning strike to the line, and the series resistance and the shunt Zener diode should be chosen to be the second chain,
i.e., protect the load from such abnormal signals, but do not affect normal signals. Lake
<EMI ID = 3.1>
it causes a relatively high voltage drop and limits the power consumption in the Zener diode when abnormal signals occur.
Typical values for this series resistance and for the Zener voltage of the shunt diode are 24 ohms and
150 Volts.
When the above-mentioned telecommunication circuit is a telephone subscriber line chain, this chain can also form a signal source since it must be able to supply normal signals to the line which then forms the load, for example, microphone current supplied through power resistors having a relatively low DC value in order to limit the voltage drop therein, and bubble current formed by an alternating current signal superimposed on a direct current signal. Typical values for each of the power resistors and the peak value of the ring signal are, respectively
50 ohms and 200 Volts. Since also in this case the protection circuit must be without influence for these normal signals, its series resistance must be far below the low value of this
<EMI ID = 4.1>
diode are much larger than the peak amplitude of the ring signal. In such a case, the above-mentioned value of 24 ohms is really not a really suitable choice because it is still a lot
is too high for a 50 ohms supply resistance.
An object of this invention is there
provide a protection circuit of the above-mentioned type, but which allows for a more correct choice for this series resistance which should be relatively high for abnormal signals and relatively low for normal signals.
According to the invention, this object is achieved in that this first impedance has a two-state voltage / current characteristic with AF and ON states and switches to its ON state after this second impedance has been brought into its ON state when these abnormal signals occur.
Another feature of this protection circuit is that this first impedance is a positive temperature coefficient resistor and is brought to its ON state upon heating to a predetermined value.
Yet another characteristic of this protection circuit is that this resistance in its AF and ON states has relatively low and high values, respectively, while this second impedance in its AF and ON states, respectively, has high values.
<EMI ID = 5.1>
While the first and second impedances will be in series and in shunt, respectively, when used in a regular telephone line chain, the above-mentioned interaction between these two impedances will of course remain the same in a dual chain in which voltages and currents are interchanged. In it, the voltage source feeding the series impedance and the load impedance in parallel across the shunt impedance would be replaced by a current source with a parallel admittance corresponding to the first impedance and a load admittance fed through a series admittance corresponding to the second impedance.
Because with a voltage source the series resistance and
the shunt impedance normally has relatively low and high values, respectively, the protection circuit is without influence on normal signals supplied by both the first and second chains. On the other hand, this protection circuit limits both the power supplied to the second chain and the power consumed in the shunt impedance when abnormal signals are generated by the first chain. Indeed, such abnormal signals switch the series resistance from its AF state, in which it has a relatively small value, to its ON state, in which it has a relatively high value, after the shunt impedance of its relatively high impedance AF state to its ON state with relatively low impedance was brought.
A device which is particularly suitable for use as the above-mentioned first impedance is the positive temperature coefficient resistance known from the article "PolySwitch PTC devices - a new low -
resistance conductive polymer-based PTC device for overcurrent protection "by FA Doljack, published in the Proceedings of the 31st Electronic Components Conference 1981, A tlanta, USA, May 11-13 (New York, IEEE 1981), pp. 313-319 ( PolySwitch is a trademark of Raychem Corporation).
According to this article, such a PTC device has already been used as a series of first impedance in a protection circuit which additionally comprises a shunt second impedance formed by two diodes with specific reference
<EMI ID = 6.1>
voltage of the chain to these reference voltages. However, if such a circuit is to withstand higher voltages, for example, to the above-mentioned ring signal, it is necessary to connect the diodes to matched reference voltages that are not normally available in a telecommunication circuit.
Other features of the present protection chain are that it includes another first impedance that is arranged
is to receive heat from this first impedance and that
is coupled to control means via this second chain
comprising a solid state switch that couples this first impedance to these control means responsive to this other first impedance in the ON state by operating this switch to break the connection between this second circuit and this first impedance.
The present invention also relates to
a telecommunication line chain coupled to a two-wire telecommunication line via protective equipment.
Such a telecommunication line chain is already known, for example also from the aforementioned French patent.
A feature of the present telecommunication line chain is that it includes solid state switches coupled with protective chains that are part of these protective means, these switches and protective chains being configured as described above.
Thus, these protection circuits prevent these switches from being affected by very high power peaks.
The above-mentioned and other objects and features of the invention will become more apparent and the invention itself will be best understood by reference to the following description of an exemplary embodiment and
of the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 represents a telecommunication line chain with added protection chains, both according to the invention; and FIG. 2 on a warped scale the voltage / current characteristic of the transient voltage suppressors TVS1 and TVS2 of FIG. 1 shows.
The one shown in FIG. 1, protection circuits PC1 and PC2 are part of a protection unit PD, which is between a telecommunication subscriber line SL and a numerical switching network
(not shown) coupled in series with a subscriber line intermediate circuit comprising two integrated circuits SLIC1 and SLIC2 and with a terminal control TCE which is common
to some of these intermediate chains. PC1 and PC2 are connected to the conductors a and b of SL, respectively.
The line chain SLIC1, SLIC2 and the terminal control TCE are of the type shown and described on pages 221-224 of the article "ITT 1240. Digital exchange application to the local network" by M. Van Brussel et al., Electrical Communication, Volume 56 , No. 2/3, 1982, pp. 218-234.
The circuit SLIC1 includes four pairs of solid state switches S11, S12; S21, S22; S31, S32; and S41, S42 of the type described in Swiss patent application 2153 / 82-0, two 50 ohm supply resistors R1 and R2 and four diodes D1 to D4 and
<EMI ID = 7.1>
with terminals of the same name from PD, SLIC2 and a test chain TC
<EMI ID = 8.1>
via S11, R1 and S21 in series and LT2 is connected to LT4 via S12, R2 and S22 in series. The connection points of Sll and
<EMI ID = 9.1>
test circuit TC are connected via switches S31 and S32, respectively, and the connection points of R1 and S21 and of R2 and S22 are connected to terminals RT1 and RT2 of a bell circuit RC which is part of SLIC2 and via switches S41 and S42, respectively. The ends of the resistors R1 and R2 are respectively connected to the sensor terminals ST11, ST12 and ST21, ST22 of SLIC2, which is capable of sensing the current flowing through R1 and R2 and in conjunction with TCE and in function of the take scanned flow appropriate measures. The control terminals of the switch pairs Sll,
S12; S21, S22; S31, S32 and S41, S42 are connected to control terminals CT1, CT2, CT3 and CT4 of SLIC2 which, in conjunction with TCE, is able to open or close any of these switch pairs. The line terminals LT3 and LT4 of SLIC2 are earthed via the clamping diodes D1 and D2, respectively, and are connected to -VI, for example -48V, via the clamping diodes D3 and D4.
The scanning terminals ST31 and ST32 will be considered later.
The calling circuit RC, which is part of the circuit SLIC2, is connected to a control bus LSCB which operates at low speed and is arranged to connect, in cooperation with TCE, a ring voltage RV consisting of a direct voltage -V2 on which an alternating voltage AV is superimposed. For example, V2 = 60 Volts and AV = 90 Volts RMS so that RV has a negative peak value equal to approximately -190 Volts. By appropriate control of the switches, ground and this ring voltage can be applied to the conductors a and b of subscriber line SL via S41, S11 and S42, S12, respectively, while the other switches then remain open.
The test chain TC is designed, also in collaboration with TCE, to test signals with the line SL or with SLIC2
by connecting a controller of the switches.
The terminal control element TCE comprises a microprocessor MP, a memory MEM and a terminal intermediate circuit T1 connected to SLIC2 via a link C and to the above-mentioned numerical switching network (not shown). MP, MEM and Tl
all access to the control bus HSCB and MP additionally has access to the control bus LSCB which operates at low speed.
Each of the protection circuits PC1, PC2, which are part of the protection unit PD, comprises an input protection element in the form of a gas tube GT1, GT2 connected in shunt, ie between ground and a line conductor a, b, and followed by a series resistance with positive temperature coefficient PTCR1, PTCR2 and by a transient voltage suppressor TVS1, TVS2 providing a shunt path to ground for output terminal LT1, LT2. Another resistance with positive temperature coefficient PTCR3 that with both PTCR1 and
PTCR2 is connected will be described later.
The purpose of GT1 and GT2 is to limit the voltage between each line conductor a, b and ground to about 1000 Volts, for example, while the purpose of PTCR1, PTCR2, TVS1, TVS2 is to further limit the power supplied to SLIC1, SLIC2. More specifically, the protection circuits SLIC1 and SLIC2 protect against an overvoltage of + Vm and against a continuous current Im. Vm is taken a little greater than the sum of the above-mentioned bubble voltage RV and a longitudinal voltage, for example 20 Volts, and Im is, for example,
<EMI ID = 10.1>
Typical values are Vm = 250 Volts and Im = 150 mA. Each protection circuit thus limits the power consumption in the switches by limiting the voltage and the continuous current to Vm and Im, respectively. SLIC2 is through the diodes
Dl to D4 protected against a span higher than O Volts
and below -48 Volts.
Each of the positive temperature coefficient resistors PTCR1 and PTCR2 is known under the trade name PolySwitch and is manufactured by Raychem Corporation.
These resistors are described, for example, in the above-mentioned article by F. Doljack and from this article it follows that each of these variable resistors PTCR1, PTCR2 undergoes a large sudden change in resistance when an overcurrent heats it above a specified temperature level. The normal resistance increases by several orders of magnitude when switched. This increase limits the current to a value approximately equal to Im and accomplishes a small sustained self-heating effect that changes the resistance
locks in the high resistance state. The variable resistance will return to its quiescent state if the current flowing through it is interrupted and it can cool below its switching temperature.
The positive temperature coefficient resistors PTCR1 and PTCR2 are designed to withstand high voltage and current for a short period of time.
Any transient voltage suppressing TVS1, TVS2 is
of the type manufactured by the SGS-ATES Group of Companiés. It has a voltage / current characteristic shown in Fig. 2
on a distorted but nevertheless representative scale
is shown and shows in the first and third quadrant an AF state, a Zener state ZR and an ON state. The voltage VON is the ON state voltage at a holding current IH; VZ is the Zener voltage; VB is the reverse voltage; IOFF is the AF state current and ION is the tipping current. When the suppressor is in the AF state, with a voltage less than VB present between its terminals, it behaves like a virtual open circuit with an extremely high resistance. When a voltage between VZ and VB is applied to the suppressor and if a current less than 1H flows therein, the suppressor is in the Zener state. Finally, the suppressor is brought into the ON state when a voltage higher than VB is applied to it and a current flows therein at least equal to ION.
This change represented by a dot-dash line between VB, ION and VON, IH corresponds to
an unstable transition state. In the ON state, the suppressor exhibits a very low resistance as long as the holding current
IH is preserved. The voltage across the suppressor
then becomes VON which is almost equal to zero. If the available current becomes less than the holding current IH, the suppressor automatically switches to the Zener state or to the AF state depending on whether the current flowing into the suppressor is less or greater than IOFF, respectively.
The transient voltage suppressors TVS1 and TVS2 are designed to withstand high current and high power consumption for a short period of time.
Finally, the protection unit PD also contains a third resistor with positive temperature coefficient PTCR3, which is used as an overcurrent sensor, for example in case a high voltage is continuously applied to SL. To this end, PTCR1, PTCR2 and PTCR3 were arranged so that PTCR3 is able to receive heat from PTCR1 and PTCR2 so that if at least one of these is heated by an overcurrent, a large portion of this heat is received by PTCR3 which is switched to its high resistance state becomes when its temperature rises above a predetermined level. This change of resistance value is sensed on ST31 and ST32 by SLIC2
<EMI ID = 11.1> to give an alarm or to open the switches Sll, S12 if necessary.
The operation of the circuit considered above is described below without regard to GT1 and
GT2 which, if any, is the voltage between each line conductor
a, b and ground to approximately 1000 Volts. Each protection circuit limits the output voltage to Vm = VB, for example, 250 Volts, and the continuous output current to Im, for example, 150 mA, where Im is less than IH. An input voltage with a peak value V is assumed
is placed on the protection unit PD, more particularly between line conductor a and ground. Examples of one
<EMI ID = 12.1>
thousands of Volts but of a very short duration and a disturbance voltage of a remarkably long duration.
In what follows, only the protection chain
PC1, since the operation of PC2 is the same as that of PC1. Also, only a positive voltage V is considered since the explanation is the same for a negative V.
When applying the input voltage V to the input terminal a, the switch S11 is either open, so that it
<EMI ID = 13.1>
In the latter case, only one of the switches S21, S31 and S41 can be in the closed state connecting the protection circuit PC1 to SLIC1, TC or RC. As TVS1
the first branch connected to terminal LT1 is included
the second branch connected to LT1:
S11, R1, S21 and LT3 sandwiched between ground and -VI; or
- S11, S31 and a test voltage in TC; or
- Sll, Rl, S41 and ground. In case input terminal b is considered, the second branch contains S12, R2, S42, AV-V2, ground.
First, the case will be considered in which the input signal V has such a short duration that PCTR1 remains in its low resistance state.
If in the first case the peak amplitude of V is so
<EMI ID = 14.1>
reverse voltage VB of TVS1 and the current through TVS1 higher
is then ION, TVS1 is brought into its ON state in which VLT1 is substantially zero and it remains in this state for a short time interval. The voltage V-VLT1 through PTCR1 is then substantially equal to V and the current through PTCR1 and TVS1 is relatively high in that both are in low impedance state. PTCR1 was therefore designed to withstand such high voltage V and short-lived current, and TVS1 was also designed to withstand this high short-lived current. The current then flowing into the switches when S11 and one of S21, S31, S41 are closed is relatively small since VLT1 is substantially zero.
The switches are designed to withstand the high current that may flow through them before TVS1
is in its low impedance state.
As in the first case considered above
the input signal V is such that VTL1 is less than VB of TVS1, then TVS1 remains in the ON state or is brought into the Zener state depending on the value of V.
Thus, the maximum value of VLT1 is equal to VZ, which is approximately equal to VB, and the switches are designed so
that they can withstand the current of short duration flowing through it in case S11 and one of S21, S31, S41 are closed. It should be noted that diodes D1 to D4 limit the voltage at the input of SLIC2.
From the above it follows that in the first case considered PTCR1 has no protection function, because
it remains in its low resistance state, and must be able to withstand both the relatively high current of
short duration that can flow through it as to the relatively high short duration voltage that can be applied.
TVS1 limits VLT1 to about VB but is not protected by PCTR1 and the switches must be able to withstand the short-duration current flowing through them before
<EMI ID = 15.1>
Second, it will now be considered the case where V is of such magnitude and duration that PTCR1 will be switched in its high impedance state and remain there for as long as V lasts. In a first sub-case of this second case, it is assumed that V is such that the voltage across TVS1 is greater than VB and that the straw around that
flows through it is greater than ION, so that TVS1 is brought into its ON state in which it has a very low impedance
<EMI ID = 16.1>
in TVS1. After TVS1 has been sufficiently heated, it switches
to its state of high resistance, as already assumed. As a result, the current flowing through and flowing through TVS1 noticeably decreases. The current Im through PTCRl is sufficient to keep it in its high resistance state
to keep, as was supposed. The current through TVS1 always remains above IH or falls below IH. In the first
case, TVS1 remains in the ON state, while in the second it switches to the Zener state, as a result of which the current through PTCRl only slightly decreases so that it
remains in the high resistance state. It follows from this
<EMI ID = 17.1>
is substantially equal to VZ, so that the voltage across PTCR1 is then equal to V-VZ.
From the foregoing it follows that there is close cooperation between PTCRl and TVS1. Indeed, once TVS1 was turned ON, because PTCR1 is in its low resistance state, PTCR1 limits the current through TVS1, thereby limiting the voltage across TVS1 to VZ.
Thus, the power consumption in TVS1 is limited and the voltage across PTCR1 is limited to V-VZ, where PTCR1 is designed
is to withstand such continuous stress.
If S11 is open in the first sub-case considered above, the switch is obviously not affected, but if S11 and either S21, S31 or S41 are closed, the current through these switches is limited by VLT1 being substantially equal to VZ. As mentioned above, the switches are able to withstand this current.
In a second sub-case of the second case considered above, it is assumed that V is such that TVS1 remains in its AF state. This can be the case, for example, if a voltage lower than VB is continuous on a line conductor
a or b is placed. If S11 and S21, S31 or S41 are closed and PTCR1 is switched to its high resistance state, as assumed, the current through the switches is limited to Im. But when the impedance of the second branch is small compared to that of PTCR1 in the high resistance state, V is almost completely over PTCR1.
In order to limit the power consumption and around the switch
in the second branch to protect switch Sll can be opened. This can be done in the following manner.
The power consumed in PTCR1 heats it and much of this heat is transferred to PTCR3. When the temperature of PTCR3 reaches a sufficient value t it switches to its high resistance state. This resistance change is observed by SLIC2 which opens in collaboration with TCE then Sll.
Although the principles of the invention have been described above with reference to certain embodiments and modifications thereof, it is clear that the description is given by way of example only and the invention is not limited thereto.