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Spannungsschutzvorrichtung für Trägerfrequenz-Fernsprechsysteme Die
Erfindung betrifft eine Spannungsschutzvorrichtung für Trägerfrequenz-Fernsprechsysteme
mit hohen Frequenzen und breiten Frequenzbändern.
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Es sind Spannungsschutzvorrichtungen mit zwei mit entgegengesetzten
Durchlaßrichtungen geschalteten, als Spannungsbegrenzer wirksamen Zenerdioden bekannt.
Solche Spannungsschutzvorrichtungen dienen dazu, hohe, z. B. infolge Blitzeinschlag,
Induktionsstößen von Energienetzen oder Netzen für elektrische Bahnen u. dgl. auftretende
Spannungsscheitel auf einen für die Übertragungsapparatur sicheren Wert herabzumindern,
der bei einer Transistorapparatur in der Größenordnung von einigen Volt liegt.
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Gegebenenfalls kann der Spannungsschutzvorrichtung eine bekannte Kohlenblock-
oder Gaspatronensicherung vorangehen, welche eintreffende, außerordentlich hohe
Spannungsscheitel auf einen niedrigen Wert herabsetzt, z. B. auf einige hundert
oder einige zehn Volt.
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Die geschilderte Vorrichtung ergibt einen ausreichenden Schutz der
Apparatur, aber es hat sich dabei gezeigt, daß bei Verwendung von hohen Trägerfrequenzen,
z. B. von 100 kHz und mehr, und von gegebenenfalls breiten Frequenzbändern, was
bei Trägerfrequenz-Fernsprechsystemenmit einer großen Anzahl von Kanälen der Fall
ist, die übertragungsgüte der Trägerfrequenz-Fernsprechsignale ungünstig beeinffußt
wird.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, bei der unter Aufrechterhaltung eines ausreichenden Schutzes der
Apparatur der ungünstige Einfluß auf die Qualität der übertragenen Signale weitgehendst
unterdrückt wird.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Zenerdioden in zwei parallelgeschaltete Zweige eingefügt sind, die je in Reihe
mit jeder dieser Zenerdioden eine übliche Diode enthalten, deren Durchlaßrichtung
gleich der Durchlaßrichtung der in Reihe liegenden Zenerdiode ist, wobei in jedem
der parallelgeschalteten Zweige der Verbindungspunkt der Zenerdiode und der in Reihe
liegenden üblichen Diode über einen Reihenwiderstand an eine Vorspannungsquelle
gelegt ist, die eine Sperrspannung für die übliche Diode liefert.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend an Hand der Figuren
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Trägerfrequenz-Fernsprechleitungsverstärker mit
einer bekannten Spannungsschutzvorrichtung, während F i g. 2 eine Spannungsschutzvorrichtung
nach der Erfindung zeigt.
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F i g. 1 zeigt in einem Blockschema einen Leitungsverstärker 1 eines
Fernsprech-Trägerfrequenzsystems mit Transistorbestückung, welches System zur übertragung
von Trägerfrequenz-Fernsprechsignalen in dem Bereich von 12 bis 552 kHz eingerichtet
ist. Dabei werden die Trägerfrequenz-Fernsprechsignale über ein Eingangsaderpaar
2, 3 und einen Eingangstransformator 4 dem transistorisierten Leitungsverstärker
1 zugeführt, der über einen Ausgangstransformator 5 an ein Ausgangsaderpaar 6, 7
angeschlossen ist.
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Zum Schutz des Leitungsverstärkers vor hohen Spitzenspannungen, welche
über das Aderpaar 2, 3 den Leitungsverstärker 1 erreichen können, ist zwischen dem
Aderpaar 2, 3 eine Spannungsschutzvorrichtung angebracht, die mit zwei in Reihe
geschalteten
Zenerdioden 8, 9 versehen ist, deren Stromdurchlaßrichtungen
einander entgegengesetzt sind und denen eine Kohlenblocksicherung vorangeht, die
durch zwei in Reihe geschaltete Kohlenblöcke 10, 11 gebildet wird, deren Verbindungspunkt
geerdet ist. Zwischen der Kohlenblocksicherung 10, 11 und den Zenerdioden 8, 9 ist
ein Widerstandsabschwächer 12 angeordnet, der durch Reihenwiderstände 13, 14, 15,
16 und einen Querwiderstand 17 gebildet wird und der dazu vorgesehen ist, beim Durchschlag
der Zenerdiode 8,9 den Zenerdiodenstrom zu begrenzen. Der Widerstandsabschwächer
12, der z. B. einen Dämpfungsfaktor von 1 db hat, ist an die Leitungsimpedanz angepaßt
und verursacht infolgedessen keine Störung der Leitungsimpedanz.
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Wenn in der geschilderten Vorrichtung dem Leitungsverstärker 1 über
das Eingangsaderpaar 2, 3 Trägerfrequenz-Fernsprechsignale zugeführt werden, deren
Maximalpegel 3 V beträgt, der somit unterhalb der Durchschlagspannung der Kohlenblocksicherung
10,11 von 500 V. und unterhalb der Zenerspannung von 9 V liegt, so bilden unter
diesen Bedingungen die Kohlenblocksicherung 10, 11 und die Zenerdiöde 8, 9 eine
sehr hohe Impedanz. Die Trägerfrequenz-Fernsprechsignale erreichen den Leitungsverstärker
1 ohne Schwächung durch die Kohlenblocksicherung 10, 11 und die Zenerdiode 8, 9,
welcher Verstärker die Trägerfrequenz-Fernsprechsignale nach Verstärkung zur weiteren
Verarbeitung dem Ausgangsaderpaar 6, 7 zuführt.
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Die Wirkungsweise der Spannungssicherungsvorrichtung für eintreffende
hohe Spannungsscheitel ist ganz verschieden. Wenn z. B. ein hoher Spannungsscheitel
nach etwaiger vorhergehender Begrenzung in der Kohlenblocksicherung 10, 11 die in
Reihe geschaltete Zenerdiode 8, 9 mit einer Spannungsamplitude erreicht, die größer
ist als die Zenerspannung, so sind die in Reihe geschalteten Zenerdioden 8, 9 in
der Zenerrichtung durchlässig, wodurch der hohe Spannungsscheitel auf die Zenerspannung
begrenzt wird. Auf diese Weise werden sowohl positive als auch negative Spannungsscheitel
auf die Amplitude der Zenerspannung von 9 V herabgesetzt, die der Leitungsverstärker
1 mit Transistorbestückung mit Sicherheit aushalten kann.
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Die geschilderte bekannte Spannungssicherungsvorrichtung ergibt eine
zweckdienliche Apparatursicherung, aber es hat sich dabei gezeigt, daß die übertragungsqualität
der übertragenen Fernsprechsignale insbesondere bei den höheren Trägerfrequenzen
ungünstig beeinflußt wird, was, wie vorstehend gesagt, den in der Figur gestrichelt
- dargestellten Zenerdiodenkapazitäten 18, 19 zuzuschreiben ist, die in Abhängigkeit
von der Momentanamplitude der Trägerfrequenz-Fernsprechsignale in hohem Maße variieren,
z. B. zwischen 200 und 600 pF. Diese sich mit der Signalamplitude ändernden Zenerdiodenkapazitäten
18, 19 führen nämlich in die übertragenen Signale - nichtlineare Verzerrungen ein,
z. B. Harmonische, Intermodulationsprodukte u. dgl., die in Richtung der hohen Trägerfrequenzen
zunehmen. Es wurde z. B. bei einem Meßsignal von 387 mV (1 mV auf 150 .Ohm) und
bei einer Frequenz von 180 kHz mit einem ausgewählten Zenerdiodenpaar guter Qualität
eine 2. Harmonische (360 kHz) und eine 3. Harmonische (540 kHz) mit Stärken von
- 68 db bzw. - 84 db gemessen. welche Stärken der Verzerrungsprodukte noch gerade
oberhalb der für den Verstärker 1 gültigen Verzerrungsanforderungen liegen.
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Unter Aufrechterhaltung einer ausreichenden Apparatursicherung werden
. bei der Vorrichtung nach der Erfindung nach F i g. 2 die vorstehend beschriebenen
Signalverzerrungen weitgehend herabgemindert.
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Zu diesem Zweck sind in, der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung
nach der Erfindung die Zenerdioden 8, 9 in zwei Parallelzweige eingefügt, wobei
in jedem dieser beiden Zweige in Reihe mit jeder dieser Zenerdioden 8, 9 eine übliche
Diode 20, 21 vorgesehen ist, deren Durchlaßrichtung gleich der Zenerdurchlaßrichtung
der in Reihe geschalteten Zenerdioden 8, 9 ist, während in jedem der Parallelzweige
der Verbindungspunkt der Zenerdioden 8, 9 und .der damit in Reihe liegenden üblichen
Diode 20 bzw. 21 über einen Reihenwiderstand 22, 23 mit einer Vorspannungsquelle
24 verbunden ist, die eine Sperrspannung für die üblichen Dioden 20, 21 liefert.
Die Sperrspannung ist dabei derart eingestellt, daß bei Signalübertragung mit einer
Maximalsignalspannung von z. B. 3 V sowohl die Dioden 20, 21 als auch die Zenerdioden
8, 9 gesperrt sind; es hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, die Sperrspannung
annähernd gleich der Hälfte der Zenerspannung von 9 V zu wählen, so daß sie in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel 5 V beträgt.
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Wie bei der Vorrichtung nach F i g.1 wird beim Auftreten eines Spannungsscheitels,
der die Zenerspannung überschreitet, in der Spannungssicherungsvorrichtung dieser
Spannungsscheitel auf den sicheren Wert der Zenerspannung begrenzt, die in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel 9 V beträgt. Wenn z. B. an der Ader 2 des Aderpaares 2, 3 eine
positive Spannungsspitze mit einer die Zenerspannung überschreitenden Amplitude
auftritt, so wird der Zweig 21, 9 für Strom durchlässig, da die Gesamtspannung,
die den Zweig 21, 9 für Strom durchlässig machen kann, gleich der Summe der Teilspannungen
ist, die zum Leitendmachen der Diode 21 und der damit in Reihe geschalteten Zenerdiode
9 erforderlich sind welche Teilspannungen gleich der Sperrspannung bzw. der Zenerspannung
abzüglich der Sperrspannung sind, wodurch bei einer Gesamtspannung gleich der Zenerspannung
die Spannungsbegrenzung wirksam wird. Bei der angegebenen Polarität der Spannungsspitze
ist der Zweig 8, 20 gesperrt.
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Umgekehrt wird bei einer negativen Spannungsspitze mit einer die Zenerspannung
überschreitenden Amplitude an der Ader 2 des Aderpaares 2, 3 der Zweig 21, 9 gesperrt
und der Zweig 20, 8 leitend, wobei diese Spannungsspitze wieder auf die Zenerspannung
begrenzt wird.
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Als Spannungssicherungsvorrichtung ergibt die veranschaulichte Vorrichtung
eine zweckdienliche Apparatursicherung und verringert in hohem Maße eine störende
Beeinflussung der Signalqualität durch die Zenerdiodenkapazitäten 18, 19.
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In dieser Vorrichtung sind die sich mit der Spannung ändernden Zenerdiodenkapazitäten
18, 19 von der Größenordnung von j500 pF über die bedeutend. geringere Kapazität
26, 27 der Reihendioden 20, 21 von z. B. 1 pF zwischen die Adern 2, 3 eingeschaltet,
so daß die Gesamtkapazität im Aderpaar 2, 3 auf den Wert der bedeutend geringeren
Reihendiodenkapazitäten 26, 27 herabgesetzt ist, welche bei diesem geringen Wert
praktisch keine Verzerrungen
mehr hervorrufen. Auch der Einfluß
der Zenerdiodenkapazitäten 18, 19 auf das Signal über den Weg der Reihenwiderstände
22, 23, welche diese Zenerdiodenkapazitäten 18, 19 über die Vorspannungsquelle 24
mit der Mittenanzapfung 25 der Primärwicklung des Eingangstransformators 4 verbinden,
wird weitgehend herabgesetzt, da .diese Reihenwiderstände 22, 23 wesentlich größer
sind als die Impedanz der Zenerdiodenkapazitäten 18, 19 bei den höheren Signalfrequenzen,
z. B. einen Faktor 50 größer. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben .diese
Reihenwiderstände 22, 23 einen Wert von 30 kOhm. Auf diese Weise wird durch die
Maßnahme nach der Erfindung eine zweckdienliche Entkopplung der Zenerdiodenkapazitäten
18, 19 in dem durch das Aderpaar 2, 3 gebildeten Signalweg erzielt.
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Außer einer zweckdienlichen Apparatursicherung ergibt die Vorrichtung
nach der Erfindung eine erhebliche Verringerung des Einflusses der Zenerdiodenkapazitäten
auf die Qualität der übertragenen Signale, welcher Einfluß im Vergleich zu dem bei
der bekannten Vorrichtung nach F i g. 1 auf einen sehr kleinen Bruchteil herabgesetzt
wird. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ergaben Messungen, daß bei dem vorstehend
erwähnten Meßsignal von 387 mV mit einer Frequenz von 180 kHz die durch Verzerrung
hervorgerufenen 2. und 3. Harmonischen dieser Meßsignalspannung nicht mehr nachweisbar
waren. Jedenfalls sind diese Verzerrungsprodukte, die bei der bekannten Vorrichtung
nach F i g.1 noch eine Stärke von -68 db bzw. -84 db aufweisen, in der Vorrichtung
nach der Erfindung auf Stärken von weniger als -110 .db herabgesetzt.
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Bei einer in der Praxis ausführlich erprobten Vorrichtung des dargestellten
Typs werden die wichtigsten Daten, die vorstehend bereits teilweise erwähnt wurden,
nachstehend vollständigkeitshalber zusammengefaßt: Zenerdioden 8, 9 . . . . . .
. . . . . . . . OAZ 207 Reihenwiderstände 22, 23 ...... 30 kOhm Reihendioden
20, 21 . . . . . . . . . . . 0A5
Sperrspannung ................ 5 V