专利名称：能耐受暂态事件的接口电路的制作方法
技术领域：
本发明属于在信息传输线与电信设施之间连通信息信号的接口设备的领域。更具体地说，本发明涉及接口设备，该设备能忍受诸如雷击、输电线的短暂交扰等不经常发生但在电气上却是引人注目的暂态事件对信息传输线的影响而采用的各种配置方式。
电话工业是头一个为传输线提供保护使其免受不时发生在其上的暂态事件(如电压脉冲和电流浪涌)的破坏的行业。概括地说，这类暂态事件是电能或电磁猝发性的事件，是我们不希望有的又是不能逐一加以预测的现象。任何这类暂态事件的发生给通信站的设备、传输线或中心站的设施带来的影响的范围可从在通信信号中产生轻微的噪音直至毁坏机械设备。在电话总局电话交换机的场合，象电话线路和中继线之类的传输设施个个是经由接口电路实际连接到电话交换设备上的。对接口电路的基本要求是，能在传输线和有关设备之间让所希望传输的通信信号通过，同时保护通信设备免受任何可能产生破坏作用的电压或电流的侵袭。这个基本要求在许多这样一些应用场合中是相当复杂的;例如在还需要提供或终止使传输线工作或监控传输线的激励电流的接口电路就是这样。
用效率高、具商业竞争性的装置来满足这些要求，这是从电话业刚萌芽的时候起历来不变的科研和开发设计的研究焦点。但随着近十几年来以电气上脆弱的半导体为主要材料的电信传输终端和电话交换转接设施的出现，上述要求变得更迫切了。举例说，较牢固的步进制电话总局、纵横制电话总局或机电式键控系统，过去一般是借助于较庞大的变压器与电话线路接口的。大部分变压器都必须满足这样的要求，即变压器的磁芯必须大得足以承载与直流线电流有关的磁通而不致使磁芯饱和。因此留给变压器绕组和绕组绝缘部分的空间多得足以承受超过一万伏的电压。虽然按现在的标准，变压器和绕组借感应是能配合在量上达到不能容许程度的瞬态能量的，但当时的机电式电话交换机一般总是极其结实的，而这样做其实是没有多大实际意义的。这与一般现代的脉码调制时分多路复用(PCMTDM)电话交换系统对接口的要求成了一个显明的对比。对接口的这些要求过去是用一种解决接口问题的新方法加以满足的，例如，V.V.科斯基在一九七八年七月二十五日颁发的美国专利4，103，112中提出的题为“带微分回路电流检测和补偿的电话线路电路”就是一个例子。科斯基的电路采用了一种取消直流回路电流磁通的精密装置，大大减小了变压器磁芯的体积。磁芯的体积变小了就能限制借感应耦合到变压器绕组的瞬时能量。如此耦合的任何能量其量是较适中的，其中大部分可通过方便而花费不大的装置引到地中。举例说，硅二极管就是这种装置的一个例子;可以把额定峰值电流为2-3安培的硅二极管配置在脉冲限制电路中，连接在变压器与其后的线路之间。
变压器磁芯的体积和绕组变小了，绕组绝缘的厚度也就需要(相对于庞大的变压器来说减少。这样，较小的这些绕组就能在出故障之前承受只有几千伏的电压脉冲。因此目前营业中的某些电话公司提出建议任何与电话线路或中继线耦合的电话设施或设备必须配备有一些旨在吸收瞬间突然产生的极大能量在其到达变压器的任何绕组之前的大部分能量的保护装置，而且认为这种作法是必不可少的。
在电话总局的情况下，保护装置通常选用气体放电管。如美国麻州01803柏林顿市基德仪器有限公司1982年出版的《过电压保护试验手册》中所述的那样，气体放电管是体现了在空气中的各电极之间经过精巧的安排的自由闪终现象的一种质地结实而可靠的器件。目前可买到的气体放电管，其精密预定的击穿电压特性约在一百伏至几千伏的范围。击穿电压特性取决于设在充有一种或一种以上带适当压力的气体的外壳中设计成预定的形状和间距的诸电极。
在电话行业中可靠性较差但价线最便宜且应用极广的保护装置是周知的碳块。实践证明，碳块是保护生命财产免受能浪作用于传输线所产生的危害极其有效的器件。就对脆弱的电子设备的保护作用而论，虽然碳块在开始时工作特性可靠，但经过反复几次故障之后，可以预料其工作性能是不可预料的。尽管如此，它仍然是保护象用户的电话机等廉价设备可加以选用的器件。
直至最近，一般键控式电话系统在传统上不外是一群配置在一起共用若干连接到电话总局的电话线路的电话机。在这种配置方式下，碳块的保护作用历来都能令人满意地满足大部分营业中各电话公司的要求。可是现在极为流行用户自己拥有的由计算机控制的如固体电路键控式的电话装置。这些更新颖的键控装置虽然一般也在用户处采用碳块保护器，但往往更易遭暂态事件所引到的灾难性的破坏。
在变压器将信号耦合到各中继线的塞尖和塞环(CO)引出线与固态电路键控式之类的电话装置之间的中继线接口电路中就发现过易遭暂态事件破坏的情况。在这些更新颖的键控式装置中，接口变压器的体积进一步减小了，目的是降低生产成本。由于变压器铁心的体积减小了，绕组的绝缘就可以少一些，从而使击穿电压在一千伏左右。从理论上讲，在假定碳块保护确实满足验收标准的情况下，这样做应该足以解决问题。但实际上，这是不足以在各个情况下给每一个装置提供足够的保护。
造成对电子设备的保护程度不足的一个因素看来是由于碳块保护设备的实际安装条件和配置情况变化较大再加上在不同的用户处线路和中继线的引入线有各种各样所致。电话设备通常是由电话技工安装就位的。电话技工是会面临各种各样的实际安装情况的，有时候会遇到找不到易于够得着的接地位置的情况。此外，电话技工可能不知道感抗潜在的有害效应，而与碳块保护装置连接的长距离敷设的细接地导线是会伴随有这种感抗的。在某些情况下，长距离敷设接地线不可避免地会有没有装上接地棒的情况。不难理解，除了这种装置接口电路中变压器绕组绝缘之外，几乎没有或再也没有任何东西能阻止瞬态脉冲能历时5或10微秒的前沿破坏在电气上脆弱的电话设备。即使发现保护作用可能不灵的情况，大多数营业中的电话公司也不愿意承担现场复杂的非标准保护装置工程的费用。因此用户在安装自己拥有的设备时就得承担这笔费用或承担将来总有一天肯定会给其新的电话装置带来重大损失的风险。
本发明的目的是提供一种能减少电信设备易受与传输线有关的电气暂态事件的破坏的可能性的配置。
本发明的另一个目的是提供一种将通信信号耦合到电话线路与电话设备之间的线路接口电路，从而有效地减少电话设备易受与传输线有关的电气暂态事件的破坏的可能性。
本发明提供一种与一电气线路组合使用的过电压装置，其中该电气线路包括一绝缘材料板，绝缘材料板具有第一表面和第二表面，至少其中一个表面装有电气线路的导线。导线彼此间隔一预定量的距离。电气线路可根据来自一接地的电源的激励电流工作以终止一传输通路。过电压装置有一个壁横切介于第一和第二表面之间的绝缘材料板，并界定着在该两表面之间所形成的一个孔口。第一导线装在第一表面上，且包括第一终止边缘，环绕着该孔口，并与孔口相隔一段距离。第二导线装在第二表面和装置壁上，并凸出壁外伸到第二终止边缘。第二终止边缘与第一终止边缘间隔一段小于预定量的距离。
本发明的一个例子是在电话用户处供通话用的电话系统装置，通话是通过至少一个传输线进行的，传输线有塞尖引线和塞环引线伸到在电话用户处的用户引入线。该装置包括装在电话用户屋中的电话系统设备，电话系统设备中则包括一具有耐压特性有限的直流隔离器的接口电路，用以将交流信息信号耦合到传输线的塞尖导线和塞环导线上。过电压故障器连接在任何合适的接地导电元件与塞尖和塞环导线之间。供电装置连接到与当地供电站连接的电源引线和地面接地体，用以提供激励电流使电话系统设备工作。直流隔离器装在一个电气绝缘材料板上，固定靠在其中的一个表面上。电气绝缘材料有第一和第二表面和一对孔口，各孔口以横切介于第一和第二表面之间的周边壁的该绝缘材料为界。第一表面上装有一个带接地终止边缘的接地导线。其中一个和另一个接地终止边缘分别环绕着塞尖终止边缘部分和塞环终止边缘部分，并分别与该部分相距一段距离，该距离的特点在于能承受小于所述耐压值的击穿电压。塞尖和塞环导线各自装在第二表面上，且分别经由各自的孔口对的一个孔口连接到塞尖和塞环终止边缘部分上。
在本发明的一个实例中，举了一个电话用户处的电话系统装置，该装置能通过具有延伸到在电话用户处的用户引入线的塞尖和塞环引线的传输线进行通话。该装置包括装在电话用户屋中的电话系统设备，电话系统设备中则包括一具有耐压特性有限的直流隔离器的接口电路，用以将交流信息信号耦合到传输线的塞尖导线及塞环导线上。过电压故障器连接在任何合适的接地导电元件与塞尖和塞环导线之间。供电装置连接到与当地供电站连接的电源引线和地面接地体，用以提供激励电流使电话系统设备工作。直流隔离器和地面接地体以及塞尖及塞环电气导线都固定在支撑它们用的绝缘材料板的表面上。接地和塞尖及塞环电导体个个都具有周边边缘，各周边边缘与任何另一个周边边缘间隔一段第一预定值的距离。接地导体连接到地面的接地体，塞尖和塞环导体则连接在直流隔离器与传输通路的各塞尖和塞环引线之间。接地导体包括第一终止边缘部分，塞尖和塞环导体则个个包括第二终止边缘部分。各第二终止边缘部分与绝缘材料板的表面毗邻配置，各第二终止边缘部分与一第一终止边缘部分间隔一段第二预定值的距离，该第二预定值小于上述第一预定值。
下面参照
一个实例性的实施例。附图中图1是一个按一般具有传输线和一个保护设备的配置方式配置的用户电话系统的示意图，该传输线偶尔会受暂态事件现象的侵袭;
图2是本发明应用于图1的用户电话系统中的线路接口电路的方框原理图;
图3是图3线路接口电路中保护装置的平面图，该平面图结合图1中的保护装置和电话系统的电源一齐画出;
图4则是保护装置沿图3的A-A线截取的剖面图。
图1中，可以看到一个普通的用户屋中有一个电话系统10，很可能就所谓键控式的电话系统。电线杆支撑着的传输线6通过用户引入线6a连接到电话系统10上。保护装置8通过导线8a在用户引入线6a附近连接在传输线6与公用自来水管9之间。导线8a很有可能是由一条所谓电灯线形成的。导线8a的长度最好比用户引入线6a与电话系统10之间的距离短，但这并不是电话安装人员唯一实用的配置方式。如图1所示的那样，传输线6有时是会遭遇暂态电气事件的，在此情况下为雷雨，这在图中是以一般雷雨过程的下雨(在5r处)、闪电和打雷(在5b处)表示出来的。在这种事件中，非同寻常的能量脉冲从受雷击处沿传输线6传送出去。如果没有保护装置8，到达用户引入线6a的一些能量脉冲大有可能大得足以将电话系统10毁掉。但如果保护装置8不能正确起作用或者如果导线8a过长，通往地面接地体的最短电气距离可能会通过电话系统10。此外即使导线8a只是电感太大了些，电话系统10也有可能在几个微秒的时间内蒙受超过容许值的电压，但就连这样短短的一个过电压持续时间也会给现代的电子键控式电话系统带来严重的损害。
图2中的接口电路包括一连接在塞尖和塞环端子6t和6r与直流隔离器之间的监视电路，在本实例中，直流隔离器是个小型变压器12。监视电路11包括监控检测线路(图中未示出)用以检测传输线6是否为远程的电话设施(图中未示出)所占用，这在正常呼叫的部分过程中是会出现这种情况的。监视电路11还包括监视控制线路(图中未示出)，这是用来从电话系统10引发呼叫过程的仪器。监视电路11还包括磁通控制线路(图中未示出)，这个线路通过磁通控制引线14起作用，用以保持小型变压器12的磁芯中基本上没有与直流有关的磁通。监视线路通过在15处所示的监视控制和检测引线接入电话系统10中。监视电路11中的塞尖和塞环绕组(图中未示出)经由引线16t和16r与塞尖和塞环引线6t和6r耦合，并与监视线路耦合。
混合电路13经由引线17a、17b和17c连接到小型变压器12带中间抽头的次级绕组(图中未示出)上，并连接到电话系统10的发送引线18和接收引线19上，用以提供与传输线6的连接的2线制或4线制的转换。本发明在29处的过电压保护装置个个连接在塞尖引线6t或塞尖引线6r与地面接地体25之间，接地体25是经由图3所示的供电装置20提供的。
图3中，可以看到塞尖和塞环引线6t和6r系终止在绝缘材料板30上用焊料38覆盖住的焊盘36处。绝缘材料30通常是由纤维增强塑料结构形成，且如电路板制造工艺中所周知的那样，是装有铜引线的。既然是这样，为简单举例说明起见，绝缘材料30只示出了电路板结构装有如前面结合图2进行论述的一个或一个以上线路接口电路的一小部分。电路板30的表面34d由绝缘材料组成，这个绝缘材料可以是板材本身或者是在制造过程中加上的焊料掩模材料覆盖层。焊料掩模材料本身是个绝缘体。如图所示，塞尖和塞环引线6t和6r也连接到保护设备8上，在本实例中，保护设备8是个碳块。诸碳块经由导线8a连接到在9处表示的水管地面接地体。在本实例中，可以看到导线8a具有与它相连接，可测出的一些电感。供电装置20经由引线24接到电压一般为115伏、频率为60赫的公用电源上，以便给包括图2所示的线路电路在内的电话系统10提供激励电流。与公用电源相连接的地面接地体经由引线25连接到供电装置20上，再从供电装置20经由接地导线26连接到电话系统10。各引线24和25通常会有一些可测出的电感，如图中的22所示。但在许多装置中，此引线电感比导线8a的有关电感小得多。在这些装置中，通过引线26和25提供的供电装置地面接地体是任何横贯传输线6的极高电位优先选取的放电通路。为保护电话系统10，各线路接口电路都设有耦合通路40，该通路与任何连接到电话系统10的传输线相连接。
下面参照图3和图4一起，进一步论述过电压耦合通路的结构和工作情况。电路板30包括上面形成有许多铜导线的上表面和下表面，导线的各不同部分以周边边缘47为界，且编以例如36、37、41和43的编号。印刷电路板30的孔壁镀铜，形成“镀通孔”结构37，塞尖导线6t即焊入该结构中。镀通孔结构37包括一焊盘区36，焊盘区36的一部分覆盖有一层焊料38。在制造的过程中，将焊料38用例如波峰焊接工艺焊到电路板30的下部分，在流体状态下，焊料借毛细管作用沿镀通孔中的引线上升，将引线6t焊牢就位。事先在电路板各不同部位以预定的图形敷设的焊料掩蔽绝缘材料34防止了焊料与电路板30的所有铜表面接触。在40处设有过电压耦合通路29，该通路有一个镀通孔，镀通孔中可以敷设也可以不敷设导线。既然如此，为便于举例说明起见，过电压耦合通路是以其中没有导线的形式示出，与该通路的连接则用导线46t进行。过电压耦合通路包括在电路板30的上下两边在41处的环形焊盘区。在上边，环形焊盘区周围环绕有接地导体43，接地导体43横贯电路板材料表面，在42处与焊盘区相距大约0.5与0.6毫米之间的一段距离。在图3中，这个距离用“X”表示，即为终止边缘41t与43t之间可测定的距离。相比之下，在电路板的下表面，在39处可以看到，焊盘区与另一条导线50的间距较大。在本实例中，下焊盘区41与导线50的间距约为所述预定距离的两倍，这个预定距离为导体间距的最小值，例如，46t与46r的间距即是。
由于导体43是通过供电装置20接地的，因而可能会损坏变压器12中绕组的绝缘的电位的巡游能量脉冲就会因焊盘41与接地导体43之间空气通路的电离而实质上减小了。当然焊盘区41与导体43之间的间距可稍加改动，以期达到所要求的目的的最优化状态。但我们发现，上面所例举的这种结构在200次为时几微秒的反复导游时间的试验中能以恒定而且可重复的特性起作用。一般说来，经过几微秒的时间之后，碳块结构通常就变得足以形成足够的接地导电通路。
权利要求
1.一种接口电路，用以将通信信号耦合在传输通路的导线与终端设施之间，并用以将可能与沿该传输通路发生的电气暂态事件有关的某些电能从所述传输通路导线耦合到一接地体上，其特征在于，该接口电路包括多个电气元件；多个电气导线，各电气导线以一周边边缘为界，该诸周边边缘彼此间隔预定距离，某些所述导线将接口电路的诸电气元件以可工作的配置方式边接起来，使所述通信信号可加以耦合；一电气绝缘材料板，具有第一和第二表面以及为横切第一和第二表面之间的一个壁所界定的孔，所述多个电气元件和多个电气导线被固定到至少其中一个表面上；第一和第二电气导线分别用以连接到传输通路的导线和连接到接地体上，所述第一导线装在第一表面上，围绕着所述孔，且与该孔间隔一段距离，所述第二导线装在所述壁上，从所述孔伸出，且在该处与所述第一导线相隔预定距离。
2.一种电气线路用的过电压装置，该电气线路包括一电气绝缘材料板，该板具有第一和第二表面，至少其中一个表面装有电气线路的多个导线，各导线彼此间隔至少一预定距离，该电气线路能根据来自与一接地体连接的供电装置的激励电流工作，以终止一传输通路，该过电压装置包括一壁，横切绝缘板第一和第二表面之间的绝缘材料，并界定着其间的一个孔，第一导线装在第一表面上，且具有第一终止边缘围绕着所述孔，且与所述孔间隔一段距离;且第二导线装在第二表面和所述壁上，且从该壁伸到与第一终止边缘的间隔距离小于预定距离的第二终止边缘。
3.如权利要求2所述的过电压装置，其特征在于，所述壁呈环形，所述第一终止边缘界定着围绕所述孔且与所述孔间隔一段距离的第一环形壁，所述第二终止边缘则界定着在第一环形壁中的第二环形壁，且与第一终止边缘均匀间隔一段距离。
4.一种装在电话用户住处的电话系统装置用以借助于至少一个传输线进行通话，该传输线具有一直延伸到电话用户居屋引入线的塞尖和塞环引线，其特征在于，该电话系统装置包括一电话系统设备，装在电话用户居屋，且包括一接口电路，该电路具有用以将交流信息信号与传输线的塞尖和塞环导线耦合的耐压特性有限的直流隔离器;过电压保护装置，连接在与接地体连接的适当导电元件与塞尖和塞环导线之间;供电装置，连接到电源引线和与本地供电设施连接的接地体，用以提供使电话系统设备工作的激励电流;一电气绝缘材料板，包括第一和第二表面以及一对孔，各孔为横切第一和第二表面之间的绝缘材料所界定，上述直流隔离器固定靠在其中一个表面上;塞尖和塞环终止边缘部分，装在各孔壁和第一表面上;一接地电气导线，装在第一表面上，且包括若干接地终止边缘，其中一个和另一个接地终止边缘分别围绕着塞尖终止边缘部分和塞环终止边缘部分，且与该部分间隔一段距离，该距离的击穿电压值小于上述耐压值;塞尖和塞环电气导线，各个装在第二表面上，且通过相应的成对孔中的孔连接到塞尖和塞环终止边缘部分。
5.如权利要求4所述的电话系统装置，其特征在于，所述壁呈环形，且各塞尖和塞环终止边缘部分界定着与附近接地终止边缘均匀间隔一段距离的环形壁。
全文摘要
一种接口电路，用以将通信信号耦合在传输通路的一个导线与一键控电话系统之间，并用以提供保护，使保护对象免受与沿传输通路发生的电气暂态事件有关的电能的侵袭。该接口电路可以将来自传输通路的某些暂态电能耦合到地面的接地体，它包括多个电气元件和多个固定到一绝缘材料的第一或第二表面上的电导体。其中之一的第一和第二电导体经由该孔口连接到各自的其中之一的第一和第二边缘部分。各终止边缘部分彼此间隔一段小于预定值的距离。
文档编号H05K1/11GK1045675SQ90100870
公开日1990年9月26日 申请日期1990年2月19日 优先权日1989年3月15日
发明者罗伯特·塞缪尔·摩利, 爱德华·查尔斯·卡鲁 申请人:北方电信有限公司