用於檢測電路保護元件的狀態的電路裝置和方法

2023-08-07 21:09:06 2

專利名稱：用於檢測電路保護元件的狀態的電路裝置和方法
用於檢測電路保護元件的狀態的電路裝置和方法本發明尤其涉及一種具有保護元件的電路裝置，該保護元件的 歐姆電阻與通過保護元件的電流流通有關。在一個電壓範圍中，通 過保護元件的電流流通和保護元件上的電壓同步變化。而在另一個 電壓範圍中，電流流通和電壓彼此間相互反向地變化。換言之，保 護元件具有一種特性曲線，該特性曲線在一個電壓範圍中具有正的 微分電阻，而在另一個電壓範圍中具有負的微分電阻。這種保護元件的實例是PTC電阻(正溫度係數(Positive Temperature Coefficient))。例如與用戶連接電路中的晶閘管一起使用這種保護元件用於保 護電路，藉助所述晶閘管將用戶的終端設備連接到電信網上，尤其 是連接到電路交換電信網上。如果例如也將用戶連接電路用作檢查 電路用於檢查用戶線路或用戶終端設備，那麼保護元件可能由於其 非線性特性曲線而使測量失真，尤其是當不是準確知道保護元件的 當前運行狀態時。在技術的其他領域中也出現類似的問題。本發明的任務是說明 一種用於檢測保護元件的狀態的簡單構造 的電路裝置。尤其是電路裝置在保護元件對該電路裝置進行保護的 許多互相不同的幹擾情況下應該實現可靠的檢測。尤其當由於許多 大的容差而使狀態檢測變得困難時，電路裝置應該繼續實現可靠的 檢測。此外，還應說明一種用於檢測電路保護元件的狀態的方法。通過具有在權利要求1中所說明的單元的電路裝置來解決涉及 電路裝置的任務。在從屬權利要求中說明了改進方案。在本發明的電路裝置中，確定保護元件、例如PTC電阻(正溫 度係數)、即所謂冷導體的微分電阻或微分電阻的符號。由此可以 作出關於保護元件的狀態的可靠陳述。如果保護元件的微分電阻是 正的，則該保護元件(例如PTC)是低歐姆的。相反如果微分電阻 是負的，則該保護元件是高歐姆的。在這種實施方式中不需要確定 微分電阻的準確的值。由此本方法相對於檢測容差是穩健的，尤其 相對於測量容差是穩健的。此外，該實施方式還相對於同樣影響保 護元件的電阻值的溫度波動是穩健的。此外，相對於其額定電阻值
在給定的電流和給定的溫度情況下強烈地圍繞一平均值、例如在大於+10%至小於-10%的範圍中、尤其是在+15%至-15%的範圍中波動 的保護元件，本方法也是穩健的。除了保護元件之外，本發明電路裝置還包含至少一個檢測單 元，該檢測單元檢測保護元件上的至少一個電位或流經保護元件的 電流。電路裝置此外還包含至少一個預定單元，該預定單元執行保 護元件上的至少一次電位改變或流經保護元件的電流的改變。電路 裝置也包含分析單元，該分析單元在輸入側與檢測單元的輸出端相 連接，並且該分析單元與檢測單元的輸出信號或輸出數據有關地、 並且與至少一次利用預定單元所促使的改變有關地生成說明保護元 件上的電壓和電流的同步性或反向性的輸出信號或輸出數據。如果 僅以大於1%的容差來執行電流檢測或電壓檢測，則電路裝置也能夠 實現對狀態的可靠檢測。例如在測量電流情況下絕對容差大於1毫 安或大於2毫安。例如同樣以大於1%的或甚至大於2%的容差來執 行電流或電壓的預先給定。在預先給定電壓情況下絕對容差例如位 於直至2伏的範圍中。在15攝氏度至25攝氏度的範圍中或甚至在 25攝氏度至80攝氏度的範圍中的環境溫度波動也不影響電路裝置的 檢測可靠性。本發明電路裝置尤其能夠也在用戶連接上的外部電壓的情況下 從用戶連接電路出發來執行電流測量，以便可以評價外部電壓源的 電流承載能力和從而其對於人員的危險性。如果保護元件是高歐姆 的，因為源提供了位於保護元件的所謂翻轉電流(Kippstrom)之上 的電流，則保護元件可能把藉助連接埠或連接電路可測量的電流 降低多個數量級。由於可以可靠地確定保護元件是高歐姆的，所以 可以向上校正所測量的電流值，使得關於外部電壓源的危險性的可 靠陳述是可能的。因此只有當用於保護人員的特別措施實際上是必 要時才來安排所述特別措施。僅還極其罕見地或不再出現所謂的"故 障報警"。在本發明電路裝置的一種改進方案中，電路裝置包含線路、或 線路用的連接單元，所述線路具有多於50米或多於500米長度。電 路裝置尤其是包含電信網的用戶終端設備也連接在其上的線路。連 接單元例如尤其是插頭、插座、焊接插銷、或接線柱連接的一部分。例如在與電流供應網的並行鋪設的線路接觸時，用戶連接線路由於 其長度而遭受外部電壓影響。在本發明電路裝置的下一改進方案中，檢測單元包含線路驅動 器、或線路驅動器的一部分。線路驅動器尤其是包含推輓輸出級或能夠實現大於10的電壓放大。線路驅動器具有微小的輸出電阻，該 輸出電阻尤其是小於100歐姆，和因此能夠實現到線路上的損耗少的連接。在電路裝置的另一種改進方案中，預定單元也包含線路驅動 器、或線路驅動器的一部分。通過這種措施多重地使用線路驅動器， 使得電路裝置的花費是微小的。在下一改進方案中，預定單元促使至少兩次變化。雖然一次變 化足以檢測保護元件的狀態，但是在兩次變化的情況下，有在適當 地選擇預先給定時提高檢測精度的可能性。例如選擇兩個具有互相 不同的符號的直流電壓。同樣可以饋入具有不同符號的電流。但是也可以採用交流電壓或交流電流來代替直流電壓或直流電流。在此 情況下，例如可以藉助乘法器，以簡單的方式方法確定在電流和電 壓之間的相位並從而確定微分電阻的符號。在電路裝置的下一改進方案中，電路裝置包含-電壓檢測單元，畫電流檢測單元，和畫電壓預定單元。在這種電路裝置中，可以使用用戶電路中的特別多的已經存在 的單元用於檢測保護元件的狀態。此外，除了確定微分電阻的符號 之外，也可以確定微分電阻的值，以便因此提高檢測可靠性。在下一改進方案中，電壓檢測單元檢測在保護元件的端子上相 對接地的電壓。通過這種措施不必檢測保護元件本身上的電壓。此 外，可以檢測微分電阻或微分電阻的符號，而不必知道線路驅動器 的共模電壓。在本發明電路裝置的另一改進方案中，保護元件是PTC電阻、 所謂的聚合開關(Polyswitch)、或具有開始時所述特性曲線的其它 保護元件。所述保護元件具有大大依賴於溫度的電阻，使得對於保 護元件的運行狀態的可靠檢測提出了特別高的要求。
在下一改進方案中，電路裝置包含控制單元，該控制單元在輸 出側與預定單元和分析單元相連接，並且從而控制所述預定單元和 分析單元的工作方式。控制單元例如包含執行在存儲器中所存儲的 程序指令的處理器。相反，在一種替代方案中，控制電路不包含處 理機。此外，本發明涉及用於尤其是利用本發明電路裝置或其改進方 案來檢測保護元件的狀態的方法。因此上述的技術作用也適用於這 些方法。可以以簡單的方式和以高檢測可靠性來執行所述方法。以下藉助附圖來闡述本發明的實施例，其中圖l展示了用戶連接電路裝置；圖2展示了 PTC的特性曲線；和圖3展示了用於確定PTC狀態的方法步驟。

圖1展示了一種用戶連接電路裝置(Teilnehmeranschluss國 Schaltungsanordnung) 10,該用戶連接電路裝置IO在垂直的虛線12 的右邊包含也稱為SLIC (用戶線路接口電路)的網絡側連接電路 14。通向用戶TlnA的電話18的雙線線路位於虛線14的左邊。雙線線路包含例如分別具有超過1 km長度的線20和線22。在 幹擾情況下，導致外部電壓Uf接通到線20上。生成外部電壓Uf的 外部電壓源例如是交流電壓源或直流電壓源。外部電壓源具有內阻 Ri。波狀線24、 26表明在圖1中的雙線線路的大大縮短的圖示。線 20連接到連接電路14的端子28上。線22連接到端子30上。端子 28和30例如是插接連接的插座或插頭。可替代地採用接線柱連接或 焊接連接。連接電路14包含-兩個PTC電阻50、 52,-兩個線路驅動器54、 56，- 一個分析單元58，- 一個控制單元60,和- 一個分析單元58。下面藉助圖2詳細闡述PTC電阻50、 52的特性曲線。線路驅動 器54和56例如是具有兩個輸出端的推輓輸出級的組成部分，在所 述輸出端之間生成電壓差Udiff。從線路驅動器54的驅動器輸出端相
對接地M施加有驅動器電壓Utr。例如藉助處理器來提供分析單元58和控制單元60的功能，其中 分析單元或控制單元也包含模/數轉換器或數/模轉換器。在闡述在圖 3中所示的方法步驟時，分析單元58和控制單元60的功能也變得清 楚。連接61從端子28引向分支Vl。導電連接62從分支VI引向PTC 電阻50的一個端子。連接64從PTC電阻50的另一個端子引向線路 驅動器54的輸出端。此外，連接72從端子30引向PTC電阻52的 一個端子。連接74從PTC電阻52的另一個端子引向線路驅動器56 的輸出端。包含分支V2的連接66引向線路驅動器54的輸入端。連 接76引向線路驅動器56的輸入端。導電連接80從分支VI引向分析單元58的一個輸入端。連接80 用於傳輸相對接地M所測量的測量電壓Um。線路驅動器54包含測量電阻81用於電流測量，通過該測量電阻 81藉助兩個測量連接82、 84量取測量電壓，通過測量電阻81的已 知電阻值R將該測量電壓換算成測量電流Im。將測量電阻81既用 於對PTC電阻50的狀態的下述檢測，也用於另外的測量和檢查目 的。連接86從控制單元60的一個輸出端引向分支V2。在PTC電阻 50的微分電阻的下述檢測的範圍內，連接86用來預先給定電壓。連 接88用於輸出通過分析單元58的結果信號或結果數據。連接61至 88例如是印刷電路板上的印製導線。在藉助圖1所示的電路裝置中，存在接通到連接64或74上的相 對接地M接通的晶閘管。晶閘管的控制輸入端通過分別一個二極體 要麼與正的工作電壓相連接、要麼與負的工作電壓相連接。在另外 的實施例中，例如在外部電壓源和連接電路14中的PTC電阻50之 間執4亍電流測量。電壓Ur位於PTC電阻50上。電話18是被由線路驅動器54、 56輸出的電壓差Udiff所驅動的負載。在線路驅動器54或56的輸出 端上相對接地M的共模分量(Gleichtaktanteil)的電壓，對於在負 載上的正常運行是微不足道的。例如如果線路驅動器54、 56藉助於 電壓供應運行，其中該電壓供應的電壓與所連接的負載有關地遭受
很大的波動，則該電壓的準確值可能是未知的。在電池支持的供電 中，還添加了由於電池連續放電的時間依賴性。對於線路驅動器54適用以下的電壓方程式Utr = U (直流)+Udiff/2， 其中，U (直流)是線路驅動器54相對接地M所測量的共模分量的 電壓。而在推輓輸出級中，對於線路驅動器56適用以下的電壓方程式Utr = U (直流)-Udiff/2。對於在圖1中所示的連接電路14，為PTC電阻50的歐姆電阻 得出以下的方程式R ( PTC ) = ( Um - Utr ) /I 。利用上面所說明的電壓方程式，為線路驅動器54的電壓Utr得出R(PTC) = (Um —U (直流)-Udiff/2) /I 。 因此如果U (直流)是未知的，則不能確定電阻50的歐姆電阻 R (PTC)。但是如果藉助線路驅動器54輸出兩個不同的電壓，對 於所述電壓測量兩個不同的電壓和兩個不同的電流，則可以確定 PTC電阻50的微分歐姆電阻。從兩個電壓和兩個電流的導數中得出 微分電阻Rdiff (PTC):Rdiff (PTC) = AU/AI= ( Ul - U2 ) / (II - 12 )。 在實施例中將電壓Ul選得大於電壓U2。在第一次測量時，對 於PTC電阻50上的電壓Ul適用 Ul -Uml-Utrl。在第二次測量時，對於PTC電阻50上的電壓U2適用 U2 = Um2_Utr2。利用上面所說明的公式，對於微分電阻Rdiff (PTC)適用 Rdiff ( PTC ) = ( Uml — Utrl — Um2 + Utr2 ) / (II — 12 )， 其中，Il是電流I、即流經電阻50的電流的的在第一次測量時所檢 測的電流流通，而12是在第二次測量時所檢測的電流流通。 通過採用Utr的上面所說明的方程式得出Rdiff (PTC) = (Uml-Um2 — Udiffl/2 + Udiff2/2)/( 11 — 12)。
該結果與電壓U (直流)無關。電壓Udiffl和Udiff2是已知的， 因為藉助控制單元60將相應的輸入電壓施加到線路驅動器54、 56 的輸入端上。具有線路驅動器54和56的推輓輸出級的電壓放大A 例如等於60。在此情況下，為了生成例如-10伏的微分電壓Udiffl, 在線路驅動器54、 56的輸入端上施加-0.166伏的電壓差。為了生成 第二次測量用的例如+10伏的電壓Udiff2，將+0.166伏的電壓作為差 值施加在線路驅動器54、 56的輸入端之間。因此Rdiff (PTC)的結 果與電壓U(直流)無關，並且也與電壓Utr無關。在另一個實施例中，也對一用戶電路按照剛才所確定的方法實 施微分電阻Rdiff (PTC)，在該用戶電路中不採用推挽級，而是採 用簡單的末級放大級，使得缺少線路驅動器56，參見圖1中虛線所 示的示圖。在一個其它的實施例中只確定Rdiff (PTC)的符號，其中，不 必檢測測量電壓Um。這是可能的，因為電阻R (PTC)通常顯著大 於外部電壓源的內阻Ri，例如至少大10倍，或至少大100倍。這是 如此，因為PTC電阻50隻有在高電流時和因此在Ri的低值時才變 成高歐姆的。在該實施例中，例如在正的方向上改變電壓Udiff 。 由此PTC電阻50上的電壓在負的方向上變化。如果PTC電阻50是 低歐姆的，則電流也在負的方向上變化。如果PTC電阻50相反是高 歐姆的，則由於PTC電阻50的負微分電阻，電流在正的方向上變化。在具有對測量電壓Um的檢測、或不具有對測量電壓Um的檢測 的其它實施例中，不預先給定電壓Udiffl，使得電壓Udiffl的值等 於0伏。圖2在坐標系89中展示了在熱平衡中PTC電阻50的特性曲線。 在坐標系89的x軸90上，繪出PTC電阻50上的電壓Ur,例如在 -150伏至+150伏範圍中。在坐標系89的y軸92上，示出了通過PTC 電阻50的電流I，例如在-100毫安至+100毫安範圍中。PTC電阻的 特性曲線94具有以下的曲線走向-在-150伏至例如-10伏的電壓範圍Bl中，電流I具有負符號， 並且在數值方面隨著電壓下降首先緩慢地和然後迅速地上升，-在例如-10伏至+10伏的電壓範圍B2中，相反電流I隨著電壓 U增加而線性地上升，
陽在例如+10伏至+150伏的範圍B3中，電流I隨著電壓U增加 而從高的電流值(所謂的翻轉電流)下降到低的正電流值，其中該 下降首先是迅速的，然後越來越緩慢。圖3展示了用於確定PTC電阻50的狀態而執行的方法步驟。本 方法開始於方法步驟100。時間上在方法步驟100之後，在方法步驟102中，通過控制單元 在線路驅動器54的輸入端上施加電壓Uel，以便生成必要的電壓 Udiffl。在接著的方法步驟104中，藉助分析單元58檢測電壓Uml 和電流Iml。在接著的方法步驟106中，藉助控制單元60在線路驅動器54 的輸入端上施加電壓Ue2，以便生成電壓Udiff2。在還施加的電壓 Ue2的情況下，藉助分析單元58來檢測測量電壓Um2和測量電流 Im2。在方法步驟110中，隨後通過分析單元58按照上面所說明的公 式確定微分電阻Rdiff (PTC)的符號。在方法步驟112中，通過分 析單元58確定符號是否是正的。如果情況如此，則在直接緊跟方法 步驟112的方法步驟114中註明，PTC電阻50位於線性範圍B2中、 即位於低歐姆的範圍中。例如具有值0的數據被存儲。可替代地在 分析單元58的輸出線路88上輸出具有例如O伏的小電壓值的信號。相反，如果在方法步驟112中確定符號是負的，則方法步驟116 直接跟隨在方法步驟112之後，在所述方法步驟116中註明，PTC 電阻位於範圍B3中、即位於高歐姆的範圍中。例如存儲具有值l的 數據，或在輸出線路88上輸出具有例如5伏電壓值的高電壓值的信 號。在方法步驟114以及在方法步驟116之後跟隨著方法步驟118， 在該方法步驟118中，從連接電路14出發在雙線線路上或在用戶 TlnA的電話18上執行其它測量。在此考慮在方法步驟114中或在方 法步驟116中所存儲的值。在執行測量之後，在方法步驟120中結束 本方法。可替代地也在確定微分電阻之前或在確定微分電阻的符號 之前，執行其它測量。在一個替代的實施例中，此外在方法步驟110中，藉助上面所說 明的公式確定微分電阻Rdiff (PTC)的值。在此情況下，在方法步
驟114和116中，附加地存儲微分電阻Rdiff (PTC)的所確定的值。 在不具有對測量電壓Uml或Um2的檢測的另 一個實施例中，按 照上面所說明的方法確定Rdiff (PTC)的符號。
在替代的實施例中，不改變通過PTC電阻50的電壓，而是改變 流經該PTC電阻50的電流。
本發明例如可以被用在電路交換電信網的交換站中，例如在西 門子股份公司的型號EWSD (電子數字交換系統)的交換站中。尤 其是在語音和IVD部件中(基於數據的綜合語音(Integrated Voice over Data)，即通過一線路對模擬語音信號和數字數據的同時傳 輸)，由連接埠本身執行線路測量，使得不再需要附加的設備。 另外的應用實例是西門子股份公司的型號FastLink (快速鏈路)或 型號HiX的部件。
權利要求
1. 用於檢測電路保護元件(50)的狀態的電路裝置(10), 具有保護元件(50)，所述保護元件(50)的電阻如此依賴於保護元件(50)上的電壓，使得電流流通和電壓在一個電壓範圍(B2) 中互相同步地變化，並且電流流通和電壓在另一電壓範圍(B1, B3) 中互相反向地變化，具有至少一個檢測單元(80， 82, 84 )，所述檢測單元(80， 82， 84)檢測保護元件(50)上的至少一個電位或電壓、或流經所述保 護元件(50)的電流，具有至少一個預定單元(60, 86)，所述預定單元(60， 86)執 行保護元件(50)上的至少一次電位變化或電壓變化、或通過保護 元件(50)的電流的變化，和具有分析單元(58)，所述分析單元(58)在輸入側與所述檢 測單元(80, 82， 84)的輸出端相連接，並且所述分析單元(58)與 檢測單元(80)的輸出信號或輸出數據有關地並且與至少一個利用 預定單元(60， 86)所促使的變化有關地生成說明保護元件(50) 上的電壓和電流的同步性或反向性的輸出信號或輸出數據。
2. 按權利要求1的電路裝置(10)，其特徵在於，線路或線路用 的連接單元(28, 30 )，所述線路具有多於50米和多於500米的長 度，尤其是電信網的用戶終端設備(18)也連接到其上的線路。
3. 按權利要求1或2的電路裝置(10)，其特徵在於，所述檢測 單元(81， 82， 84)包含執行線路的電壓放大的線路驅動器(54)或 線路驅動器(54)的一部分，尤其是根據推挽原理工作的線路驅動 器(54， 56)。
4. 按以上權利要求之一的電路裝置(10)，其特徵在於，所述預 定單元(60， 86)包含執行線路的電壓放大的線路驅動器(54)或 線路驅動器(54)的一部分，尤其是根據推挽原理工作的線路驅動 器(54， 56)。
5. 按以上權利要求之一的電路裝置(10),其特徵在於，所述預 定單元(60, 86)執4亍檢測用的至少兩次變化。
6. 按以上權利要求之一的電路裝置(10)，其特徵在於，所述檢 測單元包含檢測保護元件(50)上的電位或電壓的電壓檢測單元(80)，所述檢測單元包含檢測流經保護元件(50)的電流(I)的電流 檢測單元(81， 82， 84)，所述預定單元是或包含電壓預定單元(60， 86)，所述電壓預定 單元(60， 86)預先給定至少一個電壓或電位，這導致保護元件(50) 上的電位變化，並且所述分析單元(56)在輸入側與電壓檢測單元(80)的輸出 端以及與電流檢測單元(82， 84)的輸出端相連接，並且在保護元件(50)上的兩個不同的電壓或電位情況下，所述 分析單元(56)與電壓檢測單元(80)的輸出信號或輸出數據有關 地並且與電流檢測單元(82， 84)的輸出信號或輸出數據有關地生 成一輸出信號或輸出數據，該輸出信號或輸出數據僅說明保護元件 (50)的微分電阻(Rdiff)的符號，或不僅說明微分電阻(Rdiff) 的符號而且說明微分電阻(Rdiff)的數值。
7. 按以上權利要求之一的電路裝置(10)，其特徵在於，所述電 壓檢測單元(80)檢測在保護元件(50)的端子上相對接地的電壓。
8. 按以上權利要求之一的電路裝置(10)，其特徵在於，所述保 護元件(50)是PTC電阻或安全元件，其包含用碳充填的聚合物。
9. 按以上權利要求之一的電路裝置(10)，其特徵在於，控制單 元(60)，所述控制單元(60)在輸出側與預定單元(86)和分析 單元(58)相連接。
10. 用於尤其是利用按以上權利要求之一的電路裝置(10)來檢 測保護元件(50)的狀態的方法，具有以下步驟在保護元件(50)上的第一電壓情況下檢測流經保護元件(50) 的第一電流，在預先給定的方向上改變保護元件(50)上的電壓(106)， 在所改變的電壓情況下檢測流經保護元件(50)的第二電流 (108),從所檢測的第 一 電流和所檢測的第二電流中確定在電壓之後電 流已改變的方向(110)。
11. 用於尤其是利用按權利要求1至9之一的電路裝置(10)檢 測保護元件(50)的狀態的方法，具有以下步驟在通過保護元件(50)的第一電流情況下檢測保護元件(50)上 的第一電壓，在預先給定的方向上改變通過保護元件(50)的電流， 在改變的電流情況下檢測保護元件(50)上的第二電壓， 從所檢測的第 一 電壓和從所檢測的第二電壓中確定在改變電流之後電壓已改變的方向。
12.按權利要求11或12的方法，其特徵在於以下步驟自動生成說明電流變化或電壓變化的方向的信號或數據(112至116)。
全文摘要
本發明尤其闡述了一種包含保護元件(50)的電路裝置(10)。藉助檢測單元(80，82，84)和預定單元(60，86)以及分析單元(58)以簡單而可靠的方式和方法來確定保護元件(50)的狀態。
文檔編號H02H3/04GK101124706SQ200580048516
公開日2008年2月13日 申請日期2005年11月28日 優先權日2004年12月22日
發明者B·西本 申請人:諾基亞西門子通信有限責任兩合公司