集成進(jìn)帶有雷電沖擊檢測器的住宅網(wǎng)關(guān)的三極避雷器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電子設(shè)備1，其由連接至干線型電網(wǎng)的供電單元10供電并且用于連接至具有兩個導(dǎo)電元件6、7的傳輸線5、3，并連接至終端9以在線路5、3和終端9之間傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備包括：·經(jīng)由隔離變壓器8連接至線路的前端組件20；·連接至設(shè)備1的電接地15的各種附加組件8、30、C1、C2、C5；·放電組件11(諸如三極放電器)，其連接至線路的導(dǎo)體元件6、7并且在線路5、3遭受雷擊引起電壓浪涌的情況下變得導(dǎo)電，從而通過建立從線路到電接地15的電流來消除浪涌以便保護(hù)位于這一保護(hù)下游的諸組件(諸如變壓器8或前端組件20)；以及·介于放電組件11和電接地15之間的電容性和/或電阻性類型分壓組件C4，其用以與供電單元和/或一個或多個附加組件協(xié)作來構(gòu)成分壓電橋，藉此在雷電情況下施加在該設(shè)備的電接地15上的電壓小于線路的導(dǎo)體元件6、7所經(jīng)受的浪涌，從而也對附加組件8、30、C1、C2、C5提供保護(hù)。
【專利說明】集成進(jìn)帶有雷電沖擊檢測器的住宅網(wǎng)關(guān)的三極避雷器[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電子設(shè)備，其配備有用于提供對抗雷電引起的電壓浪涌的保護(hù)的
>J-U ρ?α裝直。
[0002]發(fā)明背景
[0003]“家用網(wǎng)關(guān)”或“調(diào)制解調(diào)器”類型的電子設(shè)備，或者更一般地用于在電話線和任何種類的終端(諸如，計算機(jī))之間傳送數(shù)據(jù)的電子設(shè)備需要對抗可能發(fā)生在電話線的導(dǎo)體元件處的雷電沖擊的保護(hù)。
[0004]在這種環(huán)境中，ITU-T推薦Κ21定義了表示雷電沖擊的參考波形。這些波形是針對所謂的“Κ21正常電平”波具有1.5千伏(kV)的最大共模幅值的脈沖，或針對所謂的“K21增強(qiáng)電平”波具有6.0kV的最大共模幅值的脈沖。
[0005]設(shè)計對抗雷電的保護(hù)因而在于提供使設(shè)備能夠經(jīng)受那些波形中的一個或另一個而不被損壞的裝置。
[0006]在實踐中，在被設(shè)計成安裝在家中的網(wǎng)關(guān)的環(huán)境中對抗雷電的此類保護(hù)設(shè)計被復(fù)雜化了。
[0007]為了有效，對抗雷電的保護(hù)需要網(wǎng)關(guān)連接至大地接地。遺憾地是，不可能確保最終用戶將設(shè)備以有效 方式連接至大地接地。此外，用戶的大地接地質(zhì)量構(gòu)成了也無法提前確定的附加的未知數(shù)。
[0008]家庭網(wǎng)關(guān)由干線(mains)單元供電，干線單元自身連接至230伏特(V)型或IlOV型電網(wǎng)，并且它還連接至通常包括兩個導(dǎo)體元件的數(shù)字用戶線路(DSL)。
[0009]網(wǎng)關(guān)具體包括被稱作模擬前端(AFE)組件的內(nèi)部組件，其耦合到DSL線并且需要對抗雷電的保護(hù)。
[0010]當(dāng)網(wǎng)關(guān)未連接至大地接地或者當(dāng)其連接差且雷電沖擊發(fā)生時，則設(shè)備的電接地可升高到與DSL線的導(dǎo)體元件基本相同的電勢，即，接近浪涌電壓的電勢(對于K21增強(qiáng)電平波形而言該電勢是6.0kV)。
[0011]在此情形中，連接至電接地的網(wǎng)關(guān)的其它組件經(jīng)受約等于6.0kV的電勢。這尤其應(yīng)用在此類網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)端口的組件中。
[0012]目前，以太網(wǎng)端口的組件被設(shè)計成耐受最大共模幅值為1.5kV(K21正常電平)的脈沖。因此，在雷電情況下施加在電接地上的6.0kV浪涌電壓雖然允許網(wǎng)關(guān)的前端組件受保護(hù)，但是如果網(wǎng)關(guān)沒有連接至大地接地也會導(dǎo)致以太網(wǎng)端口受損。
[0013]發(fā)明目的
[0014]本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得有可能為此類設(shè)備的諸組件提供對抗雷電沖擊對此類設(shè)備所連接的線路的影響的有效保護(hù)，包括當(dāng)該設(shè)備未被連接至大地接地時。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]為了實現(xiàn)此目標(biāo)，本發(fā)明提供由連接至干線型電網(wǎng)的供電單元供電的電子設(shè)備，并且該電子設(shè)備連接至具有兩個導(dǎo)電元件的傳輸線路和終端以在該線路和該終端之間傳送數(shù)據(jù)，該設(shè)備包括:
[0016].經(jīng)由隔離變壓器連接至線路的前端組件；
[0017].連接至該設(shè)備的電接地的各種附加組件；
[0018].諸如三極放電器的放電組件，其連接至線路的導(dǎo)體元件并且在線路遭受雷擊引起電壓浪涌的情況下變得導(dǎo)電，從而通過建立從線路到電接地的電流來消除浪涌以便保護(hù)位于這一保護(hù)下游的諸組件(諸如變壓器或前端組件)；以及
[0019].介于放電組件和電接地之間的電容性和/或電阻性類型分壓組件，其用以與供電單元和/或一個或多個附加組件協(xié)作來構(gòu)成分壓電橋，藉此在雷電情況下施加在該設(shè)備的電接地上的電壓小于線路的導(dǎo)體元件所經(jīng)受的浪涌，從而也對附加組件提供保護(hù)。
[0020]因此，當(dāng)發(fā)生雷電沖擊時，下游組件受三極放電器的保護(hù)。當(dāng)該電子設(shè)備連接至大地接地時，電流放電至大地接地。否則，分壓組件與供電單元和/或附加組件協(xié)作來構(gòu)成分壓電橋，該分壓電橋用于限制施加在電接地上的電壓以及因此而施加在暴露于雷電的該設(shè)備附加組件的各端子(因為它們連接至該設(shè)備的電接地)上的電壓。
[0021]附圖簡述
[0022]參考附圖中的各幅圖，其中:
[0023]圖1是本發(fā)明的家庭網(wǎng)關(guān)的電路圖；
[0024]圖2a和2b是相對于本發(fā)明網(wǎng)關(guān)的電路公共點C的電容性等效電路圖；
[0025]圖3是大地接地未連接至網(wǎng)關(guān)時相對于本發(fā)明網(wǎng)關(guān)的電路公共點C的電容性等效電路圖；以及
[0026]圖4是進(jìn)一步包括光電二極管和兩個電流傳感器的本發(fā)明的家庭網(wǎng)關(guān)的電路圖。
[0027]發(fā)明詳細(xì)描述
[0028]本發(fā)明所基于的理念是通過添加分壓組件來監(jiān)視雷電沖擊情況下裝備的電接地所經(jīng)受的電壓電平，但不會損害標(biāo)稱操作中該裝備的性能。該分壓組件用于首先加權(quán)在電話線和裝備的電接地間的能量分配，以及其次加權(quán)在裝備的電接地和大地接地間的能量分配。
[0029]具體而言，提供連接至分壓電橋中電接地的公共點，該分壓電橋具有在其端部的三極放電器的大地接地電極以及供電單元和以太網(wǎng)連接的電接口組件。電接地隨后經(jīng)受的電勢對應(yīng)于由雷電除以特定因數(shù)而生成的浪涌電壓。
[0030]如圖1中所示，本發(fā)明的家庭網(wǎng)關(guān)I包括本發(fā)明的電路2，該電路經(jīng)由DSL線3和電話插孔4連接至電話線5。DSL線3具有輸送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的兩個導(dǎo)體元件6和7。
[0031]家庭網(wǎng)關(guān)I還經(jīng)由以太網(wǎng)線16連接至與該家庭網(wǎng)關(guān)I協(xié)作的解碼器單元9。
[0032]為了將網(wǎng)關(guān)I與電話線5和以太網(wǎng)線16隔離并提供與電話線5和以太網(wǎng)線16的通信同時濾除干擾噪聲，網(wǎng)關(guān)I包括:
[0033].隔離變壓器8和電容器Cla及Clb ；以及
[0034].隔離變壓器30和電容器C2。
[0035]同樣，為了將解碼器單元9與以太網(wǎng)線16隔離并提供與以太網(wǎng)線16的通信，解碼器單元9具有隔離變壓器33和電容器C3。
[0036]家庭網(wǎng)關(guān)I的電路2由干線單元10供電，干線單元自身連接至230V型或IIOV型電網(wǎng)。供電電纜21將干線單元10連接至網(wǎng)關(guān)I。供電電纜具有載運電源電壓(在此示例中為12V)的電源導(dǎo)體元件22和輸送OV電壓的參考導(dǎo)體元件23。
[0037]具有各自連接至DSL線3的相應(yīng)導(dǎo)體元件6或7的兩個相位電極12和13以及經(jīng)由網(wǎng)關(guān)的串聯(lián)電容器C4連接至電接地15的接地電極14的三極放電器11用于保護(hù)耦合到DSL線3的電組件(20、8)以及還有連接至電接地15的附加組件(30、C1、C2、C5)兩者不受電話線5上發(fā)生的雷電沖擊影響。
[0038]還可以看到在大地接地18和參考導(dǎo)體元件23之間的干線單元處的電容器C5的電容性耦合。
[0039]電容器Cla、Clb> C2> C3> C4和C5形成用于在電話線15上發(fā)生雷電沖擊且網(wǎng)關(guān)I未連接至大地接地18時對施加在電接地15上的電壓分壓的電橋。
[0040]針對每一電組件有可能定義耐受電壓Vmax，其是可施加到該組件的端子而不損害它的最大電壓。
[0041]對于包括本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)I的類型的應(yīng)用而言，可選擇呈現(xiàn)如下定義的最大電壓的組件:
[0042].電容器Cla和Clb，其尺寸是針對K21增強(qiáng)電平波形而確定的，即呈現(xiàn)大于6.0kV的耐受電壓Vmax ；
[0043]變壓器8，其具有約等于K21正常電平波形的最大幅值(即，6.0kV)的耐受電壓Vmax ；
[0044].電容器C2和C3，其具有略高于K21正常電平波形的最大幅值(即，約2.0kV)的電壓Vmax ；以及
[0045]用于以太網(wǎng)連接的隔離變壓器30和33，其具有接近8.0kV的耐受電壓Vmax。
[0046]選擇電容器C4的電容從而當(dāng)發(fā)生雷電沖擊引起最大浪涌電壓(即，針對網(wǎng)關(guān)I浪涌電壓等于K21增強(qiáng)電平波形的最大幅值)時對施加在電接地15上的電壓分壓以使得跨電組件各端子的電壓保持低于它們各自的耐受電壓Vmax是尤其有利的。
[0047]為了優(yōu)化對C4的選擇，優(yōu)選知曉要連接至網(wǎng)關(guān)I的裝備的件數(shù)。然而，用戶通?？蛇x擇要連接至網(wǎng)關(guān)的裝備的件數(shù)。在最多被連接裝備的件數(shù)(例如，等于網(wǎng)關(guān)上呈現(xiàn)的以太網(wǎng)端口數(shù))的假設(shè)下，否則在最尋常被連接裝備的件數(shù)(實際上為一或兩件裝備)的基礎(chǔ)上執(zhí)行對C4尺寸的確定。
[0048]為了解說本發(fā)明，為Cla、Clb、C2、C3和C5選以下值:
[0049].Cla = 45 皮法(pf)；
[0050].Cla = 45pf ；
[0051].C2 = I 納法(nF)；
[0052].C3 = InF ；以及
[0053].C5 = InF。
[0054]圖2a示出當(dāng)沒有裝備通過以太網(wǎng)連接連接至網(wǎng)關(guān)I (這可應(yīng)用于適于僅在無線連接上傳送數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān))時如在在電接地15的電勢上的公共點C處可見的分壓電橋。
[0055]為了優(yōu)化此情形中的分壓電橋，選擇C4S910pf，從而使發(fā)生雷電沖擊且網(wǎng)關(guān)未連接至大地接地時有可能在點C處獲得等于由雷電生成的浪涌電壓的一半的電壓。
[0056]因此，盡管DSL線的變壓器8具有6.0kV的耐受電壓Vmax，有可能使網(wǎng)關(guān)經(jīng)受
12.0kV的浪涌電壓。[0057]圖2b示出當(dāng)單件裝備(在此示例中是解碼器單元9)通過以太網(wǎng)連接連接至網(wǎng)關(guān)I時如在點C處可見的分壓電橋?？梢詻Q定保留C4 = 910pf，否則為有單件裝備連接至其的網(wǎng)關(guān)優(yōu)化此值以減小電接地處的電壓浪涌從而使其保持小于C2和C3的耐受電壓Vmax。
[0058]有利地，有可能選擇組件C2和C3，二者均呈現(xiàn)大于它們通常的耐受電壓Vmax(約
2.0kV)的耐受電壓Vmax (例如，6kV)。由于在雷電沖擊情況下跨C2各端子的電壓和跨C3各端子的電壓基本相等，故而隨后優(yōu)選為這兩個組件選擇相等的耐受電壓Vmax。這用于提高由網(wǎng)關(guān)和解碼器單元構(gòu)成的系統(tǒng)對抗雷電沖擊的穩(wěn)健性，同時確定每件裝備的單個組件的尺寸。決定增加組件C2自身的耐受電壓相比于增加C2和C3組件對的耐受電壓而言事實上較不利，然而這有可能確保網(wǎng)關(guān)本身是穩(wěn)健的。
[0059]有利地，有可能因此提供網(wǎng)關(guān)I和大地接地18之間的連接。在此類情況下，當(dāng)發(fā)生雷電沖擊時電流直接放電到大地接地18且電接地15不經(jīng)受任何浪涌電壓。
[0060]可使用兩種不同的布局來實現(xiàn)這一連接:
[0061]“兩導(dǎo)體”布局，其在于在干線單元10處將參考導(dǎo)體元件23連接至大地接地18 ；或者
[0062]“三導(dǎo)體”布局，其在于將第三導(dǎo)體元件24添加到供電電纜21(如圖1中點線繪出的第三元件)以將大地接地18引到網(wǎng)關(guān)I。
[0063]在兩導(dǎo)體布局中，如果家庭網(wǎng)絡(luò)不具有大地接地(這非常普遍)，則在沒有大地接地的情況下電配置減小到上述情況。
[0064]在三導(dǎo)體布局中，第三導(dǎo)體元件24和參考導(dǎo)體元件23間的接近度引起帶有寄生電容器C6的寄生電容性耦合。
[0065]圖3示出當(dāng)解碼器單元9通過以太網(wǎng)連接連接至網(wǎng)關(guān)I時，以及當(dāng)使用三導(dǎo)體布局提供到大地接地的連接但該裝置不具有大地接地連接時如在點C處可見的分壓電橋。在確定分壓電橋的尺寸時，考慮電容器C6的貢獻(xiàn)是重要的。有利地，甚至有可能確定電橋的尺寸使得電容器C4被電容器C6取代，從而使得有可能節(jié)省電容器的成本。
[0066]選擇電容器C4的電容為等于910pf，但是本發(fā)明當(dāng)然允許使用有不同電容(優(yōu)選在200pf到2nf的范圍內(nèi))的電容器C4。具體而言，當(dāng)準(zhǔn)備使網(wǎng)關(guān)連接至多件裝備(裝備的件數(shù)越多，電容值越大)時，期望優(yōu)化此值。
[0067]此外，雖然本發(fā)明用電容器C4解說，但是有可能用多個電阻性組件或電容性組件或電容性組件及電阻性組件兩者來替代此電容器。
[0068]此外，本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)被提供有使其能夠?qū)υ谄涫褂闷谙奁陂g所遭受的雷電沖擊數(shù)目進(jìn)行計數(shù)和存儲的裝置。
[0069]當(dāng)其作用于網(wǎng)關(guān)時此信息隨后可被售后服務(wù)、話務(wù)員或任何其它方使用，或者一旦它已經(jīng)遭受到被認(rèn)為過多的雷電沖擊數(shù)目時甚至為了作為預(yù)防性措施而改變它。
[0070]圖4示出了靠近放電器11安裝的光電二極管40，即在有可能檢測由于電話線5被雷電擊中時而發(fā)生的流經(jīng)放電器11的電流所產(chǎn)生的發(fā)光弧的網(wǎng)關(guān)I的區(qū)域內(nèi)。
[0071]光電二極管40檢測雷電沖擊并且向具有存儲器42的處理器41傳遞指示已經(jīng)發(fā)生沖擊的信息。此后，技術(shù)人員或者通過開啟網(wǎng)關(guān)I或者通過向其連接特殊連接器而讀取此信息。
[0072]還有可能向網(wǎng)關(guān)I提供電流傳感器43，用于檢測當(dāng)發(fā)生雷電沖擊時正在放電的電流，或者用于測量電流，并且尤其適合用于對雷電沖擊計數(shù)。在圖4中示出了此類電流傳感器43。該傳感器43包括:電流變壓器44，使其初級繞組與電容器C4串聯(lián)連接以在其次級繞組中創(chuàng)建該電流的鏡像(image);以及采集裝置45，其使得電流能夠變換成電壓并且隨后使得電壓能夠被測量。當(dāng)然，電流傳感器可以最好是使用不同技術(shù)(例如，霍爾效應(yīng))的傳感器。
[0073]當(dāng)使用兩導(dǎo)體布局提供對大地接地的連接時，向網(wǎng)關(guān)提供兩個電流傳感器43和46是有利的，一個傳感器46測量當(dāng)網(wǎng)關(guān)I連接至大地接地時放電至大地接地的電流I1，而另一個傳感器43用于測量電流I2以測量由電接地15放電的電流。通過比較測量值I1和I2，有可能推斷出隨后可存儲在存儲器42中的特定量的信息。因此，在本發(fā)明的特定實施例中:
[0074]?如果I1 ^ O安培(A)且I2 #0A，則可推斷出電網(wǎng)不具有大地接地連接并且I2被用于對雷電沖擊計數(shù)以及用于估計沖擊的電平；
[0075]?如果I1古OA且I2~0A，則可推斷出電網(wǎng)具有大地接地連接并且I1被用于對雷電沖擊計數(shù)以及用于估計沖擊的電平；以及
[0076].如果I1古OA且 I2古0A,則可推斷出電網(wǎng)具有質(zhì)量差的大地接地連接并且I1和I2被用于對雷電沖擊計數(shù)，用于估計沖擊的電平，以及用于估計對大地接地的連接的質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1.一種電子設(shè)備(I)，其由連接至干線型電網(wǎng)的供電單元(10)供電并且用于連接至具有兩個導(dǎo)電元件(6、7)的傳輸線(5、3)，并連接至終端(9)以在線路(5、3)和終端(9)之間傳送數(shù)據(jù)，所述設(shè)備包括: ?經(jīng)由隔離變壓器(8)連接至所述線路的前端組件(20)； ?連接至所述設(shè)備⑴的電接地(15)的各種附加組件(8、30、CpCyCS)； ?諸如三極氣體放電器的放電組件(11)，其連接至所述線路的導(dǎo)體元件(6、7)并且在線路(5、3)遭受雷擊引起電壓浪涌的情況下變得導(dǎo)電，從而通過建立從所述線路到電接地(15)的電流來消除所述浪涌以便保護(hù)位于這一保護(hù)下游的組件，諸如所述變壓器(8)或所述前端組件(20);以及 ?介于放電組件(11)和電接地(15)之間的電容性和/或電阻性類型分壓組件(C4),其用以與供電單元(10)和/或一個或多個附加組件協(xié)作來構(gòu)成分壓電橋，藉此在雷電情況下施加在所述設(shè)備的所 述電接地(15)上的電壓小于所述線路的導(dǎo)體元件(6、7)所經(jīng)受的浪涌，從而也對附加組件(8、30、CpCyC5)提供保護(hù)。
2.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備，其特征在于，所述放電組件(11)是具有兩個相位電極(12、13)和大地接地電極(14)的三極氣體放電器，每一相電極(12、13)連接至傳輸線(5、3)的相應(yīng)導(dǎo)體元件(6、7)而所述大地接地電極(14)連接至分壓電容器(C4)。
3.如權(quán)利要求2所述的電子設(shè)備，其特征在于，所述分壓組件(C4)具有在OnF到2nF范圍內(nèi)的電容。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的電子設(shè)備，其特征在于，通過將供電單元(10)連接至所述電子設(shè)備的供電電纜(21)的專用導(dǎo)體連接至所述電網(wǎng)的大地接地。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的電子設(shè)備，其特征在于，還包括用于對雷電沖擊計數(shù)的計數(shù)器裝置(40、41、43、46)。
6.如權(quán)利要求2至5所述的電子設(shè)備，其特征在于，所述計數(shù)器裝置包括檢測雷擊期間由放電器(11)產(chǎn)生的發(fā)光弧的光電二極管(40)。
7.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的電子設(shè)備，其特征在于，所述計數(shù)器裝置包括電流傳感器(43、46)。
8.如權(quán)利要求5所述的電子設(shè)備，其特征在于，所述電子設(shè)備(I)還包括用于將電流放電至大地接地(18)的線路，并且其中所述計數(shù)器裝置包括兩個電流傳感器(43、46)，第一電流傳感器(43)與所述分壓組件(C4)串聯(lián)連接而第二電流傳感器(46)被布置用以測量放電線中流向大地接地的電流。
9.如權(quán)利要求5至8中任一項所述的電子設(shè)備，其特征在于，還包括用于對由電流檢測器(43、46)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的存儲器組件(42)。
10.一種系統(tǒng)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的電子設(shè)備以及終端(9)，所述終端通過傳輸線(16)連接至所述設(shè)備并且包括附加組件(C3),所述系統(tǒng)的特征在于，確定來自所述電子設(shè)備的附加組件的組件(C2)和來自所述終端的附加組件的組件(C3)的尺寸以耐受相同的預(yù)定電壓浪涌電平。
【文檔編號】H02H9/04GK103988383SQ201280060180
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月12日
【發(fā)明者】N·丹吉-凱耶 申請人:薩基姆寬帶聯(lián)合股份公司