JP2934502B2 - アース平衡のすぐれた過電圧過電流保護回路 - Google Patents

アース平衡のすぐれた過電圧過電流保護回路

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、アナログ信号とディジタル信号を双方向に
伝送する二線式線路に接続されるようになっている交換
端末用の過電圧過電流保護回路に関するものである。端
末回路は二線式接続を四線式接続、五線式接続、もしく
はそれ以上の高次の接続形式に変換することができるも
のであって、主に送受信装置のインピーダンスを線路の
インピーダンスと整合させる働きをする。保護回路はIS
DN回路網のＵインターフェイスに設けることができる
が、この場合にはいわゆる回路網端末を形成する。過電
圧過電流保護回路は、ISDN回路網のＲインターフェイ
ス、Ｓインターフェイス、Ｔインターフェイスに設けら
れる交換端末回路にも実装することができる。本発明に
よる保護回路は従来の電話回路網の局側または加入者側
の交換端末回路に設けることもできる。
背景技術 二線式接続から四線式接続に変換することができる回
路網端末は本出願人による米国特許明細書US−Ａ−4,53
9,443に開示されている。
交換端末回路は通常電話交換機の線路端末内に設置さ
れ、二線式線路に接続するために２個の入力端子を持っ
ている。端末回路は多くの要求を完全に満たすことがで
きなければならない。例えば、回路の入力端子は基準電
位、通常はアースに対して平衡がとれてなければならな
い。さもないといわゆる継電流が線路上に生ずるからで
ある。更に、交換端末回路は高い反射減衰量を示さなけ
ればならない。一般の周波数帯域内では、すなわち音声
周波数帯域またはディジタル信号のビット周波数帯域で
は、実効減衰歪と基礎減衰量は小さくなければならな
い。もうひとつの要求は、加入者側または電話交換機側
などにおける送受信機間では、いわゆるループ減衰量が
小さくなければならないということである。
回路網端末の場合、端末は回路の入力端子も通じて電
源に接続することができなければならない。この電源は
線路の他端にある加入者装置に電流を供給する。この電
流は、電話方法の一部となっており、線路に信号を送る
目的に通常使われる。
既知の加入者用回路網端末は約300Hzから約3.5kHzの
周波数範囲で音声信号を送信するように考えられてお
り、かつ、知られているように直流信号を送信するよう
に考えられている。しかしながら、加入者線路を音声周
波数よりもはるかに高い周波数で送られるディジタル信
号の送信に使うときに問題が起きる。ディジタル信号は
音声信号よりも減衰量がはるかに大きいので、ディジタ
ル信号を送るには高い電力レベルが必要である。このた
めに、より良好なアース平衡が要求されることになる。
過電圧過電流保護回路の目的は、過電圧や過電流が生
じた場合に、端末回路または回路網端末の出力側に接続
された高価な装置を保護することである。過電圧過電流
が生ずるのは例えば、加入者線路に雷電圧が乗った場
合、電磁界と干渉した場合、たとえば交流220Vの電力ケ
ーブルと線路とが思わぬ接触をした場合などである。こ
うしたことが起こるのは、例えば、火災とか、不注意と
か、あるいは線路と電力ケーブルとが不適当に近接設置
されているために荒天や動物などの影響で両者が電気的
に接触するようになったことによるものである。
過電圧過電流保護回路は、前述の端末回路の電気的特
性に影響してはいけない。
したがって、線路がアースされる、あるいは短絡され
たときに、装置が損傷されないように、装置に流れる電
流を制限することが必要である。線路に接続されている
ディジタル交換機の動作電圧は通常5Vであるから、最大
約5Vの電圧でこわれないように設計されている。雷が線
路に発生させる過電圧は例えば1500ボルトにもなりう
る。
今日のシステムでは、主な保護手段として、大きなグ
ロー放電管、すなわち冷陰極管が、加入者線路の各線と
電話交換機の入力側のアースとの間に接続されている。
これらの放電管は動作が遅くて、応答時間は約1msかか
る。雷パルスの最大電圧は約10マイクロ秒後に現われ
る。更にグロー放電管がトリガされる瞬間は時間的に異
なるので、線路の二線間を横断する残留電圧が生ずる。
過電圧過電流保護回路内では決して火災が起きてはな
らない。第１図に示した既知の過電圧過電流保護回路の
場合、２個の巻線型抵抗器によって過電圧が制限され
る。もし過電圧が長期間高電圧のものであったならば、
これらの抵抗器が真赤になって火を吹く危険性が生ず
る。これらの巻線抵抗器は、過電圧保護回路が端末回路
のアース平衡に影響を与えないように、お互いに整合す
る、すなわち対になっていなければならない。高い過電
圧に耐えることができるためには、抵抗器のいわゆる部
品公称電圧、すなわち電圧に対する耐久性が高くなけれ
ばならない。更に、高電力に耐えるために、抵抗器は物
理的に大きくなければならない。
従来の保護回路には線路変成器も含まれている。変成
器を流れる電流が大きいと、過電圧過電流保護回路が実
装されている回路基板の銅箔が燃え始めるおそれがあ
る。
電流制限保護器として温度依存性抵抗器、いわゆるPT
C抵抗器を使うことが知られている。しかし、これらの
抵抗器の欠点は、部品の公称電圧が限られているため
に、部品に高電圧が加わった場合、部品内に電気的な火
花が生じやすいということである。これらのPTC抵抗器
の配置にも気をつけなければならない。もしTPC抵抗器
を流れる電流が大きければ、抵抗器は溶け始めて、溶解
した材料が下層の銅箔基板又はカードを発火させやす
い。PTC抵抗器が高電流高電圧下におかれると、抵抗器
母体の中に温度勾配が生じる結果、割れ易くなる。する
と、もはや保護機能は存在しなくなる。
過電圧から保護する手段としてツェナーダイオードを
使うことも知られている。この種のツェナーダイオード
は最も急峻な特性を持ったものでなければならない。し
かしそのために動的な問題が生ずる。というのは、多く
の高調波（倍音）、高調波歪、および混変調歪が発生し
て、これらが信号伝送の品質に悪影響を与えるからであ
る。
アース平衡の要求はなかでも重要であり、保護回路内
での異常電圧は最大60デシベルにも達することがある。
線路インピーダンスが約600オームの場合、このことは
線路電圧保護回路のアース対称回路における抵抗値相互
の誤差がせいぜい0.1オームしか許容できないことを意
味する。したがって線路の運用がきわどくなる。
発明の要約 本発明の目的はアース平衡のすぐれた過電圧過電流保
護回路を提供することであり、かつこの保護回路が小さ
くて安価な部品から構成することができて、交換端末回
路または回路網端末内で効果的に使うことができるとこ
ろである。
本発明の他の目的は、既に述べた型の保護回路であっ
て、変成器の一次巻線が直接加入者線路の入力端子に接
続され、巻線型の電流制限抵抗器を中間に直列接続する
必要がないものを提供することである。
さらに具体的に述べると、この変成器は端末回路の一
部を構成している、すなわち端末回路の線路変成器であ
る。
線路上で発生した過電圧パルスが線路から保護すべき
装置に伝達される際に、変成器効果によって期間を短く
するために、保護回路では端末回路の線路変成器を積極
的に利用すべきである。変成器の二次側に伝達されるパ
ルスエネルギーは変成器効果によってこのように減衰す
るので、過電圧過電流保護回路の二次側では小さい部品
を使うことが可能になる。
反射減衰量、実効減衰歪、基礎減衰量およびループ減
衰量は、音声周波数帯域とデータビット伝送に使われる
周波数帯域の両範囲内で著しく小さくすることができ
る。部品相互の配置関係はきびしくない。保護回路に含
まれるツェナーダイオードはいずれも急峻な特性を示す
必要がない。
過電圧と過電流は保護回路内の異なる部品において段
階的に減らされるので、部品の公称電圧は低くなり、安
価な標準部品の使用が可能になる。
本発明の特徴は、１個のバリスタと２個のPTC抵抗器
とを、線路変成器の一次巻線と共に、アース平衡回路に
使うことにある。
図面の簡単な説明 以下図面と共に本発明を詳細に説明する。第１図は従
来の過電圧過電流保護回路を示す。第２図は本発明によ
る過電圧過電流保護回路を示す。第３図は第２図に示し
た過電圧過電流回路に雷パルスが加わったときの、出力
電圧の推移を示す。
発明の最適実施例 第１図に従来の過電圧過電流保護回路を示す。この回
路は既知の端末回路、または回路網端末に実装され、端
末回路の入力端子a,bで加入者線路の二線に接続されて
いる。この場合、線路端末回路は４個の出力端子T1,T2,
T3,T4を有する。送信装置（図示せず）が端子T1とT2の
間に接続され、受信装置（図示せず）が端子T3とT4の間
に接続されている。第１図には本発明上重要な部品だけ
を示してある。端末回路としての機能を果たすためには
残りの部品が必要であるが、図示してない。
線路変成器LT1の一次巻線は２つの巻線部分L1,L2から
成り、両者の間に中心点コンデンサＣが直列接続されて
いる。一次巻線の一端と入力端子ａとの間には電流制限
抵抗器Raが、他端と入力端子ｂとの間には第２の電流制
限抵抗器Rbが直列接続されている。電圧源Ｅは抵抗器R1
とR2を介して中心点コンデンサＣをまたいで接続されて
いる。電圧源Ｅの陽極はアースされている。ツェナーダ
イオードZ1,Z2,Z3,Z4が−48Vの基準電圧源とアース間
に、およびL1−Ｃ−L2の直列結合体の両端との間に、図
示の如く接続されている。電圧源Ｅは加入者装置に直流
電流を供給するのに用いられる。一次側の回路はアース
に関して対象である。電流制限抵抗器Ra,Rbは大きな巻
線型抵抗器から成る。ツェナーダイオードZ1〜Z4は過電
圧をアースに短絡させる過電圧保護器として働く。変成
器LT1は二次巻線L3を有し、L3と並列にコンデンサC1が
接続されている。ツェナーダイオードZ5〜Z8は送受信装
置の過電圧保護器として働く。
第１図に示した回路は前述のような欠点を有するが、
これらの欠点は本質的に抵抗器RaとRbが存在することに
起因している。
第２図に本発明による過電圧および過電流保護回路を
示す。第２図に示した回路部品で第１図の回路と対応す
るものには同じ参照符号をつけてある。この回路の線路
変成器LT2の一次巻線は２つの巻線部分L1,L2から成り、
二次巻線は２つの巻線部分L3,L4から成っている。
一次側の回路は第１図と同様に直列結合体L1−Ｃ−L2
が直列接続されている。しかし重要な違いは、この直列
結合体の両端が入力端子a,bに直接接続されていて、第
１図で途中に直列接続されていた電流制限抵抗器Ra,Rb
がないことである。その代わりに、PTC抵抗器PTC1,PTC2
を介して中心点コンデンサＣと並列に接続されているバ
リスタV1によって、電流が制限される。一方のPTC抵抗
器はバリスタの一端と中心点コンデンサの一端との間に
接続され、他方のPTC抵抗器はバリスタV1の他端と中心
点コンデンサの他端との間に接続されている。抵抗器Ra
1とRa2は電流制限器として働くが、後で詳細に説明する
ように、これらの抵抗器は第１図に示した電流制限抵抗
器RaとRbと比べて、体積も抵抗値もはるかに小さい。抵
抗器Ra1はバリスタの一端と電圧源Ｅの一方の極との間
に直列に接続され、抵抗器Ra2はバリスタの他端と電圧
源Ｅの他方の極、この場合陽極、との間に直列に接続さ
れている。この陽極はアースされている。
バリスタV1は金属酸化物タイプのものであり、電圧／
電流特性が対称の電圧依存性抵抗器である。電圧が定格
電圧、すなわち公称電圧を越えると、急に抵抗値が減少
する。この種のバリスタの応答時間は25ナノ秒より短
い。
PTC抵抗器は冷導体とも呼ばれ、温度が上がると抵抗
値が上がる温度依存性の半導体抵抗器である。基準温度
と呼ばれる所定の温度になると抵抗値が急に大きくな
る。正の温度係数が非常に大きいので、PTC（positive
temperature coefficient）抵抗器と呼ばれる。
一次側の回路は次のように作動する。加入者線路に雷
のパルスが加わった場合、コンデンサＣは充電を始める
ので、コンデンサ両端の電圧が上る。コンデンサの電圧
がバリスタの公称電圧を越えると、バリスタV1が導通状
態になり始めるので、バリスタを流れる電流が急増す
る。その結果一次巻線を流れる電流が急増して、ついに
変成器のコアが飽和する。以後は実際にこれ以上はエネ
ルギーが変成器の二次側に伝達されなくなる。バリスタ
を流れる電流が増えるので、抵抗器Ra1とRa2が吸収すべ
き電流は第１図の回路に比べればはるかに少くなる。し
たがって抵抗器Ra1とRa2は体積も抵抗値も第１図の回路
に比べて、はるかに小さくすることができる。
バリスタV1が導通を開始すると、電流は温度依存性抵
抗器PTC1とPTC2にも流れる。その結果、これらの温度が
上昇してやがて基準温度に達し、抵抗器の抵抗値が急増
する。そのために抵抗器PTC1,PTC2のスイッチング時間
が短くなる。
前述のように、バリスタが導通状態になると、一次巻
線を流れる電流が加速的に増加する。変成器LT2のコア
が飽和する迄、電流の増加が続く。コアが飽和した以後
は、これ以上エネルギーは変成器の二次側に伝達されな
い。飽和の瞬間迄に二次側に供給された電圧は二段階で
減らされる。一部は変成器の二次巻線に並列に接続され
ているバリスタV2によって、一部は端子T1,T2に接続さ
れている送信装置を保護するためのツェナーダイオード
Z5,Z6によって、更に一部は端子T3,T4に接続されている
受信装置を保護するためのツェナーダイオードZ7,Z8に
よってそれが行われる。例えば、バリスタV2の公称電圧
が60Vならば、60Vより高い電圧はすべてバリスタV2によ
り吸収される。したがって、ツェナーダイオードZ5〜Z8
は60Vより低い電圧だけを吸収すればよい。第１図の例
では、ツェナーダイオードZ5〜Z8は60Vより高い電圧も
すべて吸収することが必要であるから、ツェナーダイオ
ードの特性がすぐれていることが要求される。特に低電
流の領域、すなわちツェナーダイオードが非導通の状態
から導通状態への遷移領域においてそうである。本発明
の過電圧保護回路の場合、ツェナーダイオードの抵抗値
の動的傾斜が急である必要性は低い。
第３図は一次側の端子a,bに800マイクロ秒の間1500V
の雷パルスが加わった場合の、ツェナーダイオードZ5,Z
6の両端の電圧を示したものである。10マイクロ秒の間
に雷パルスは０ボルトから1500ボルトに立上る。第３図
ではＹ軸は電圧をボルトで、Χ軸は時間をマイクロ秒で
表わしてある。雷パルスは時間ｔ＝０で始まる。バリス
タV1に加わる電圧が90ボルトに達すると、バリスタV1が
完全に導通状態になり、それに呼応して、バリスタV2に
加わる電圧が17ボルトに達すると、バリスタV2が導通状
態になる。コンデンサC1は3.9nFであり、コンデンサC2
は6.8nFである。第３図によれば、変成器のコアはわず
か50マイクロ秒後に飽和し、二次側の電圧は約6.2ボル
トから落ち始めて、約1.8ボルトで落ちつく。これが150
マイクロ秒後に達成されている。アース電位との平衡は
申し分ない。
過電圧が変成器の一次側から二次側へ伝達されるのに
要する時間は、変成器効果のせいで約50マイクロ秒に縮
まるので、パルスエネルギーＪ＝AVt（Ｊ＝ジュールで
表わしたエネルギー、Ａ＝電流、Ｖ＝二次側の電圧、ｔ
＝時間）は小さい。その結果回路部品は寸法の小さいも
のを使用することができる。
PTC抵抗器PTC1,PTC2は短い横パルスが線路上に起きた
ときに高抵抗に切替わることができないので、パルスエ
ネルギーの大部分がL1−PTC1−V1−PTC2−L2を通って再
び線路に導かれ、そこでエネルギーが吸収される。
雷パルスの最初の段階の間、特に変成器のコアが飽和
するまでの最初の約50マイクロ秒の間に、エネルギーは
変成器コアとコンデンサに蓄えられる。それからバリス
タV1が導通したとき、すなわち短絡したときに、すべて
のエネルギーはL1,L2を経て再び線路に戻される。
PTC1とPTC2が完全にスイッチングして高抵抗になる
と、抵抗器が過電圧を吸収する。抵抗器が吸収する必要
がある熱エネルギーＰ＝V2/Rは非常に小さくなってい
る。ＲはPTC抵抗器の抵抗値で、今や非常に大きいから
である。
例えば220Vの交流のような過電圧が長時間線路に加わ
った場合には、中心点コンデンサＣのインピーダンス1/
ωＣが非常に低くなって、すべての電流がL1−Ｃ−L2を
流れるであろう。ここでω＝２πｆであって、ｆは交流
電圧の周波数を意味する。この場合の典型的な合計電流
は約70mAである。枝路Ra1,V1,Ra2は短絡され、一次巻線
側の銅の抵抗がすべての電力を熱として吸収するだろ
う。熱エネルギーはこの場合約0.5ワットくらいであ
る。
バリスタV1の公称電圧は、電源電圧Ｅで導通を開始す
るほど低くてはいけない。いいかえれば、公称電圧は電
源電圧Ｅに合わせるべきである。
本発明による過電流過電圧保護回路がアース平衡を改
良するということは、第１図の実施例の電流制限抵抗器
RaとRbが本発明の保護回路には見られないという事実か
ら明らかである。低周波信号の場合のアース平衡はRa1
とRa2により決定されるが、ある程度PTC1とPTC2によっ
ても影響される。中心点コンデンサＣがPTC1とPTC2を短
絡し始めるようなわずかに高い周波数の信号の場合に
は、アース平衡は線路変成器の一次巻線の銅の抵抗値に
より決定される。V1,Ra1,Ra2はもはや平衡には影響しな
い。高周波の場合には、アース平衡はL1とL3間の変換因
子と、L2とL3間の変換因子、それらに加えて一次巻線L
1,L2中の銅の抵抗値とによって決定される。これに対
し、第１図の既知の回路では、抵抗器RaとRbがすべての
周波数でアース平衡に影響する。
本発明の過電圧過電流保護回路は反射減衰量を改善す
る効果がある。なぜならば本発明の回路は第１図の既知
の回路に見られる抵抗器RaとRbを含まないからである。
RaとRbで電力が消費されないから、線路のインピーダン
ス整合も改良される。雑音と高調波歪の因子が共に少く
なる。線路に信号を送るための電力を送信側で減らすこ
とができる。
混合損失歪における減衰量と基礎減衰量も本発明の過
電流過電圧保護回路により小さくなる。なぜならば、本
発明の回路では第１図に示した既知の保護回路に見られ
るRaとRbがないので、線路変成器LT2の一次側のLC回路
における電力損失が減るからである。
本発明による保護回路は第１図の既知の保護回路と比
較して、ループ減衰量も減る。なぜならば、線路変成器
LT2の二次側の平衡回路網がRaとRbに対応する必要がな
いからである。この結果、いわゆる送信機と受信機間の
混話の減衰量が大きくなる。
過電圧パルスが発生したとき、本発明の回路が実装さ
れている回路基板の電位は変わらない。第１図の構成で
は、過電圧はツェナーダイオードZ2とZ4を通って基板上
で減衰するので、基板の電位が上がるために、部品が発
火する危険性が生ずる。
本発明の過電圧過電流保護回路が、端末回路または、
ISDN回路網のR,S,Tインターフェイスの回路網端末で使
われるときには、第２図に示した回路にある電圧源Ｅは
除かれる。電圧源Ｅが必要でない従来の電話網の加入者
側で使われるときも同様である。
以上説明した本発明の実施例は、請求の範囲内で多く
の変形を施すことが可能である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−87959（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−211823（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−17664（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭38−19320（ＪＰ，Ｙ１) 特表 昭59−500544（ＪＰ，Ａ) 米国特許4539443（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02H 9/00 - 9/04 H04M 19/00 H04M 11/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つの入力端子（a,b）といくつかの出力
    端子（T1〜T4）とを有する端末回路または回路網端末用
    の過電圧過電流保護回路であって、前記２つの入力端子
    は二線式線路に接続されるようになっており、前記出力
    端子は前記過電圧過電流保護回路により保護される装置
    に接続されるようになっており、前記端末回路は前記線
    路上でディジタル及びアナログ信号を双方向伝送するよ
    うになっている、前記過電圧過電流保護回路において、 一次巻線（L1,L2）と二次巻線（L3,L4）とコアとを有す
    る線路変成器（LT2）であって、前記一次巻線が２つの
    巻線部分（L1,L2）を有する、前記線路変成器と、 前記線路変成器（LT2）の一次側に配置されて、コンデ
    ンサ（Ｃ）と２つの電流制限抵抗器（Ra1,Ra2）とを含
    む第１のアース対称保護回路であって、前記コンデンサ
    （Ｃ）が前記２つの巻線部分（L1,L2）の間に直列に接
    続されて、前記２つの入力端子（a,b）の間に接続され
    た直列結合体を形成する、前記第１のアース対称保護回
    路と、 前記線路変成器（LT2）の二次側に配置されて、前記出
    力端子に加わる電圧を制限するためのツェナーダイオー
    ド（Z5〜Z8）を含む第２のアース対称保護回路と、 を含み、 前記第１のアース対称保護回路が、バリスタ（V1）と２
    つの温度依存性半導体抵抗器（PTC1,PTC2）とを含み、
    前記２つの温度依存性半導体抵抗器の内の一方は前記バ
    リスタ（V1）の一端と前記コンデンサ（Ｃ）の一端との
    間に直列に接続され、他方は前記バリスタ（V1）の他端
    と前記コンデンサ（Ｃ）の他端との間に直列に接続され
    ていることと、 前記直列結合体が、途中に直列抵抗器を介さずに、前記
    ２つの入力端子（a,b）の間に直接接続されていること
    と、 を特徴とする過電圧過電流保護回路。
  2. 【請求項２】前記第２のアース対称保護回路が、前記二
    次巻線（L3,L4）の出力端子の間に並列に接続されてい
    る第２のバリスタ（V2）を含むことを特徴とする請求項
    １に記載の過電圧過電流保護回路。
  3. 【請求項３】前記一方の電流制限抵抗器（Ra1）は、第
    １の端子がアースに接続されて、第２の端子が前記第１
    のバリスタ（V1）の前記一端に接続されており、前記他
    方の電流制限抵抗器（Ra2）は、第１の端子がアースに
    接続されて、第２の端子が前記第１のバリスタ（V1）の
    前記他端に接続されていることを特徴とする請求項２に
    記載の過電圧過電流保護回路。
  4. 【請求項４】既知の方法で線路に電流を供給するための
    電圧源（Ｅ）が、前記２つの電流制御抵抗器（Ra1,Ra
    2）の前記第１の端子同士の間に直列に接続されてお
    り、前記電圧源（Ｅ）の一方の極がアースに接続されて
    いることを特徴とする請求項３に記載の過電圧過電流保
    護回路。
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