电话机防雷性能分析

电话机防雷性能分析

逯引章　殷显庆

　　【摘　要】　文章简要分析了雷电对各类电话机的不同影响，并着重对电子开关控制免提的电话机有关防雷性能方面的不足之处进行了分析。
【关键词】　电话机　防雷　性能

Performance Analysis of Lightning Protection on Telephone Set

　　【Abstract】　The paper briefly introduces various influence of lighting to telephone set,emphatically analyzes insufficient performance of lightning protection on speakerphone with electronic switch control.
【Keywords】　Telephone set,Lightning protection,Performance

1　前言
随着电子技术的发展，电子元器件集成化程度的不断提高，通信电子设备逐步趋于小型化。由此使得元器件的供电电压降低，传送的信息电流降低，对于各种暂 态过电压的承受能力降低。于是雷电对通信电子设备的影响越来越大。为此，人们对大型通信系统、有线电视网及计算机网络系统等采取了有效的防雷电措施，使通 信主设备的防雷击能力大大提高。但对一些通信用户终端设备(如电话机、微机等)的防雷及消雷状况还没引起足够的重视。
目前，我国电话机产品的质量由国家质量监督抽查和进网质量管理两方面进行控制。但还没有制定出一部完善的电话机防雷击性能标准，电话机的可靠性还存在 许多问题。从电话机的发展趋势看，免提电话机已逐步用电子开关取代机械开关来进行摘、挂机控制。电子开关比机械开关方便、可靠性高、寿命长，且在电话免提 通话转手柄通话时，可自动转换，不需要二次按免提键。这些优点使电话机使用起来特别方便，但这也使该类电话机的内部电路与外线不能有效地断开，造成该电话 机的防雷击能力降低。1997年7月份我厂一输电线路遭受雷击，烧坏了部分家用电器，同时，安装在邻近输电线路的电话交接箱感应了高电压，感应雷电沿电话 线路串入3幢住宅楼内的电话机上，这3幢楼共装有81部电话机，其中的52部电话机被雷击而烧坏元器件，这52部电话机均为电子开关控制的电话机(共有4 种不同型号)，而由机械开关控制的其余29部电话机则安然无恙。

2　电话机防雷性能分析
　　(1).不带免提功能的电话机中，叉簧接点将外线与电话机内部控制及通话电路有效地断开，只将外线与振铃回路相连。 而传统的拨号盘电话机的振铃回路多采用的是极化电磁铃与一隔直电容相串联，抗击瞬间高电压的能力较强，这里不再详述。普通的电子电话机的振铃回路由一隔直 电容与振铃电路串联组成，如图1所示。从图2可以看出，振铃电路内部能有效地抗击瞬间雷电压。电路中：隔直电容C₁、限流电阻R₁、滤波电容C₄及保护稳压二极管构成保护电路，它可将瞬间的雷击电压幅值迅速减小，从而有效地保护电路中的元器件。

图1

图2

　　(2).机械开关控制免提的电话机中，由叉簧接点或免提机械开关将电话机内部的控制和通话电路与电话线路断开，如图3所示。实际上此电路是在图1所示的普通电话机的基础上增加了免提开关K、叉簧转换开关H₂和免提通话电路。电话机在待机状态下，开关K和H₁的接点断开，这样雷击电压不会进入电话机内部电路，而振铃回路从图2可看出能承受瞬间高电压。为此，雷电对这种电话机的影响较小。

图3

　　(3).电子开关控制免提的电话机中，其叉簧接点只将手柄通话电路与拨号电路等断开，而将免提通话电路经拨号电路、极性保护电路后与电话线相连。如图4所示。

图4

　　从图4中可以看出，一旦从电话线上感应有高电压，这个高电压就会进入电话机的极性保护电路、拨号电路及免提通话 电路中，会对电路中的元器件产生很大的冲击。为了便于分析，图5画出了电子开关控制免提的电话机原理图。图中省略了部分电路，只画出了与雷击信号相关联的 部分。
从图5可看出：此电话机主要由极性保护电路、拨号电路、手柄通话电路、免提通话电路、电子开关电路和振铃电路组成。拨号电路主要由启动电路、脉冲发号电路、音频发号电路、电源、静噪反相器、拨号集成电路等组成。启动电路由R₁、V₁、R₃组成。脉冲发号电路由V₂、V₃、R₅组成。音频发号电路主要由V₄、R₇、R₈组成。电源由R₄、C、D₇、R₉组成，R₄是在挂机后给拨号集成电路芯片内的号码存储器提供维持号码不丢失的电源。反相器由R₁₀、R₁₁、V₅、R₁₂组成。二极管D₅、D₆、D₇为隔离二极管。电子开关电路主要由双稳态触发器D₅₀₁、开关H－F及其外围电路组成。H₁及H₂为叉簧的两组接点。电路中，各电阻均标出了实际电路中的阻值。

图5

　　若在电话线路上感应有雷击高电压，而电话机输入端没有加装高电压保护器件或器件的保护性能较差时，高电压会经D₁～D₄组成的极性转换电路，使A点的电位迅速升高。由于电源支路中R₄的阻值很大为20MΩ，且电容C具有充电特性，提供给拨号集成电路D₁₀₁V端的电源电压变化不大，另外，经电阻R₃加至D₁₀₁的启动端的电压也不会上升太大。为此，电路中的拨号集成电路及三极管V₁等较为安全。电子开关电路部分，由于开关H-F的接点断开，从而有效地将雷击电压进行了隔离，触发器D₅₀₁等也较为安全。从电路中看出，A点的高电压经脉冲开关管V₂的e－c极加到其后面的各支路中，由于有I_b2=I_c3,雷击电流大部分流过V₂的e－c极；另外由于R₅的阻值为10kΩ，而V₄支路中，R₈的阻值只有82Ω，该支路中的阻抗较小，故支路中的绝大部分电压加至V₄的c－e极上。流过三极管V₂的e－c极的电流大于流过V₄的c－e极的电流，流过V₄的c－e极的电流大于流过V₃的c－e极的电流。另外，R₁₃、D₈支路的阻抗相对其它支路要小，雷击电压会使发光二极管D₈导通而发光。由于加至V₂、V₄和V₃上的电压很高，很有可能超过三极管的耐压，导致V₂的e－c极击穿，V₄的c－e极击穿，有时也会击穿V₃的c－e极。此时，电话机面板上的通话指示灯LED亮，由于脉冲拨号开关管V₂和音频拨号放大管V₄损坏，有时脉冲拨号放大管V₃也会损坏，电话机处于常摘机状态，但无法实现拨号。无论使用免提开关挂机还是用手柄挂机均无法将电话挂断。更换V₂、V₄及V₃管后，电话机恢复正常。被烧坏的52部电话中，有一部分电话只有V₂和V₄管被烧坏，另有一部分电话除V₂和V₄管被烧坏外，还将V₃管烧坏。另外，在这4种被烧电话机中，有3种电话的脉冲开关管V₂采用了复合管的方式，从图6所示的复合管连接图中可看出，流过T₁管的电流远大于流过T₂管的电流，且T₁管上承受的电压也大于T₂管上的电压。为此，T₁管要击穿，在T₁管击穿后，T₂管的e－c极间被短路，从而保护了T₂管。在实际当中也是如此。

图6

　　分析这4种电话机输入端口的过压保护性能时发现，有2种电话机采用了压敏电阻来防雷保安的，另2种电话机则采用 半导体防雷放电管来保护电路的。虽然，压敏电阻具有响应速度快的优点，但它属于电压限幅型，它动作时两端的电压有多大，要看它吸收多大的过电流。压敏电阻 的过流值与其瞬间内阻的乘积形成残压。残压不能超过被保护电路中器件的允许耐压，否则，不能保护器件。半导体放电管虽能较好地将雷击电压短路，但其本身的 动作速度较慢。
若电话机具有免提功能，只要是电话机处于摘机状态，从前面的图中可以看出，电话线路和电话机内部控制及通话电路完全接通。若在电话机的保护元件选择不合适的情况下，会烧坏前面分析到的几个管子。

3　解决的方法
3.1　按照标准规定，通信电缆、线路的敷设应远离高、低压输电线路，这样能使高、低压电源、雷击电压串入通信线路的危险性降为最小。另外，需将通信电缆的屏蔽层可靠接地，并合理安装电话交接箱、分线箱，使其接地良好。
3.2　加强通信机房的防雷工作
保证通信机房的电源地、保护地及防雷地的等电位。配线架应满容量配装保安器，保安器应采用压敏电阻与热敏电阻并联的方法来提高泄流能力。
3.3　电话机电路防雷性能的加强
(1).选择具有响应速度快、残压小、通流量大、抗雷击能力强的压敏电阻。并将压敏电阻与热敏电阻配合使用，使回路中的电流很快减小。
图7为加装保护元件，提高了防雷性能后的电话机简图。图中：C为高压释放电容；PTC为热敏电阻；R_L1、R_L2为启动电压270V的压敏电阻;R_L3为启动电压130V的压敏电阻;R₁为限流电阻。

图7

　　(2).采用两级或多级压敏电阻来抗击外来高电压，在选择压敏电阻的动作电压时，不能选的过低(不能低于铃流电压的2倍)，否则，铃流会使压敏电阻启动导通，而使交换机误认为“取机”而停送铃流，使电话机的铃响一下后即停。
(3).选用耐高压、大电流的高品质三极管，以便对一些重要的、易损坏的元器件和芯片进行重点的保护。

作者单位：青海桥头发电厂