DE2251177A1

DE2251177A1 - Uebertragungseinrichtung mit signalstossunterdrueckung

Info

Publication number: DE2251177A1
Application number: DE2251177A
Authority: DE
Inventors: Jun John Davis Harnden; Francois Didier Martzloff; N Y Schenectady; Dante Michael Tasca
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-10-21
Filing date: 1972-10-19
Publication date: 1973-04-26
Also published as: AU455401B2; FR2156877A1; NL7214175A; JPS4850282A; AU4758772A; GB1385258A; US3711794A; IT969688B

Description

2251177 Dr. Horst Schüler _l8. Oktober 1972

Patentanwalt WK/pl

6 Frankfurt/Main 1
Niddastr. 52

22O7-RD-4645

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y., U.S.A.

übertragungseinrichtung mit Signalstoßunterdrückung

Die Erfindung betrifft Leitungssysteme für die Übertragung elektrischer Signale von einem Punkt zu einem anderen Punkt eines Systems und insbesondere auf die als "Verbinder" bezeichneten Teile solcher Leitungen.

Es werden üblicherweise Verbindungsteile (connectors) benutzt zur gegenseitigen Verbindung von elektrischen Einrichtungen oder Geräten, beispielsweise für die Verbindung einer Quelle für ein elektrisches Signal mit einer Auswertereinrichtung, beispielsweise in Form einer Meßeinrichtung oder einer Sichtanzeigeeinrichtung. - Diese Auswertereinrichtung kann Elemente enthalten.

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welche empfindlich sind gegenüber Spannungen oder Spannungsstößen, die eine vorgegebene Grenze übersteigen, und die Elemente unterliegen einer möglichen Beschädigung durch diese Stöße· Es ist üblich, in solchen Systemen vorzugsweise in oder in der Nachbarschaft des Verbinders Filterelemente vorzusehen zur Begrenzung der Spannungsamplituden für den Eingang der Auswertereinrichtung. Solche Filter werden allgemein als Trennfilter be-* zeichnet und enthalten üblicherweise diskrete Elemente, welche an die Leiter einer übertragungsleitung gekoppelt sind, um die notwendige Dämpfung von Spannungsstößen mit niedriger oder hoher Frequenz und von Rauschsignalen zu erhalten. Solche vorbekannten Einrichtungen zur Unterdrückung von Stößen besitzen eine Reihe von Nachteilen. Durch sie wird eine beträchtliche Kapazität und Induktivität in das System der übertragungsleitung eingeführt, welche die Arbeitsweise des Systems nachteilig beeinflussen. Durch Kapazität und Induktivität wird das Hochfrequenz·* verhalten verschlechtert. Mit anderen Worten wird durch die in das System gekoppelten diskreten Elemente eine beträchtliche Dämpfung in das System der übertragungsleitung eingeführt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Element für eine übertragungsleitung vorzusehen, welches eine Unterdrükkung von Signalstößen ergibt ohne Einführung einer bedeutungsvollen Reiheninduktivität oder Nebenschlußkapazität oder einer Signalabschwächung in den übertragungsweg des Elementes·

In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein allgemein zylindrischer Außenleiter und ein Innenleiter vorgesehen, der sich im Abstand zum Außenleiter im Inneren desselben befindet. Es ist ein Teil vorgesehen mit einem äußeren Umfangsteil, das in Kontakt mit dem Außenleiter steht und einem inneren Umfangsteil, das in Kontakt mit dem Innenleiter steht. Das Teil besteht aus einem Metalloxyd-Varistormaterial mit einem Alpha-Wert oberhalb 10 im Stromdichtebereich zwischen 10 - 10 Ampere pro cm . Der Abstand der umfangsmäßigen Teile des Teils ist dabei so

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eingestellt, daß eine hohe Impedanz für eine zwischen den umfangsmäßigen Teilen zugeführte normale Spannung vorhanden ist. Demgemäß ergibt sich bei Zuführung von fortschreitend über der normalen Spannung liegenden Spannungen zwischen den umfangsmäßigen Teilen eine sich schnell verringernde Impedanz des toroidförmigen Teils gemäß dem Alpha-Wert des Materials und dadurch wird die Spannungsänderung zwischen den umfangsmäßigen Teilen dieses toroidförmigen Teils begrenzt.

Ein besseres Verständnis weiterer Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Signalübertragungssysteme zur Erläuterung der Anwendung der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Schnitt des Verbindungsteils des Übertragungssystems von Fig. 1 mit einer Ausführungsform der vorlie- [ genden Erfindung.

Fig. 3 enthält eine Kurvendarstellung der Spannungs-Stromkurve eines bestimmten aktiven Elementes für die Unterdrückung von Spannungsstößen in einem Verbinder gern* Fig. 2, dargestellt in doppelt-logarithmischen Koordinaten.

Fig. 4 zeigt eine Vorderansicht teilweise im Schnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 enthält eine Rückansicht der Ausführungsform nach Fig.

Fig. 6 zeigt eine Vorderansicht teilweise im Schnitt für eine , weitere Ausführungsform.

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Fig. 7 ist eine Endansicht der Aus gangs form nach Fig. 6.

Fig. 8 enthält eine Kurvendarstellung in doppelt-logaHthmischen Koordinaten für die Spannungs-Stromkennlinie eines Stoßunterdrückungselementes des Verbinders der Fig. 6 und 7.

Fig. 9 zeigt eine Reihe von Kurven in doppelt-logarithmischen Koordinaten für die Impedanz-Frequenz-Kennlinie für die Verbinder gem. den Fig. 2 und 6 und die Impedanz-Frequenz-Kennlinie eines konventionellen Verbindungsteils, welcher nicht ein erfindungsgemäßes Stoßunterdrückungselement enthält.

Fig. 10 zeigt eine Vorderansicht teilweise im Schnitt für eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 11 enthält eine Schnittansicht einer weiteren Ausführung»·· form der Erfindung mit mehreren inneren Leitern.

Fig. 12 ist eine Endansicht der Ausfuhrungsform nach Fig. 11.

Fig. 13 zeigt Kurven der elektrischen Kennlinien für 3 Metalloxyd-Varistormaterialien, welche für die Verbinder gem. der Erfindung geeignet sind.

Das übertragungssystem nach Fig. 1 enthält eine Quelle 11 für elektrische Signale, eine Auswerteeinnchtung oder Belastung und eine übertragungsleitung 13, die mit einem Verbinder 14 zwischen die Quelle und die Last zur Lieferung elektrischer Signale zur letzteren verbunden ist. Die Quelle 11 kann beispielsweise dargestellt sein durch eine Antenne, welche ein elektrisches Hochfrequenzsignal empfängt. Die übertragungsleitung 13 kann ei** ne koaxiale übertragungsleitung sein mit einem Außenleiter und einem konzentrisch angeordneten Innenleiter. Der Verbinder 14 ist

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eine Einrichtung aus zwei Elementen/ wobei ein Element 15 mit dem Anschlußende der übertragungsleitung 13 und das andere Element 16 mit den Eingangsanschlüssen der Last 12 verbunden sind. Die Verbinderanordnung 14 enthält das Steckerteil 15 und das Sockelteil 16, -welche voneinander getrennt werden können zur Erleichterung der Herstellung und Unterbrechung der Verbindungen in dem System. Die Last 12 kann eine Schaltung sein einschl. gegenüber Spannungsstößen empfindlicher Transistorelemente. Das System 10 kann in Umgebungsbedingungen angeordnet sein bei Anwesenheit von Störsignalen mit großer Spannungsamplitude oberhalb der Spannungsamplitude, mit der die spannungsempfindlichen Einrichtungen noch sicher betrieben werden könren. In einer solchen Umgebung kann die Quelle 11 solche Spannungsstöße aufnehmen und sie zu der Last oder dem Verbraucher 12 weiterleiten mit einer daraus folgenden Beschädigung oder Zerstörung der spannungsempfindlichen Elemente. Es ist daher in höchstem Maße erwünscht, irgendwo auf dem übertragungsweg Schutzeinrichtungen zur Ausfilterung oder Vernichtung der Stöße elektrischer Energie vorzusehen, welche an die Last weitergegeben werden.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform mit einem Verbinderelement 2o und dem Verbinderelement 16 der Fig. 1 darg'estel It. - Das Verbinderelement 20 enthält einen allgemein zylindrischen Außenleiter 21 oder eine Hülse, die an einem Ende 22 mit Gewinde versehen ist zum Eingriff mit entsprechenden Gewindezügen im Chassis der Auswerteeinrichtung 12. Das andere Ende des Außenleiters 21 ist mit einem Paar von Vorsprüngen 22 ausgestattet, die· zum Ein- ι griff mit Riegeln auf einem zusammenpassenden Teil entsprechend dem Element 15 von Fig. 1 eingerichtet sind. Ebenso ist ein länglicher Innenleiter 25 vorgesehen, der im Innern des zylindri- J sehen Außenle'i ters 21 angeordnet ist und dessen Längsachse kon- \ zentrisch zur Achse des Außenleiters ist. Ein Ende des längli- j

i chen Innenleiters enthält eine Vielzahl von Fingern 26, welche j

eine öffnung definieren, in die ein entsprechender Innenleiter ι

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eines zugehörigen Verbinderteils (nicht gezeigt) eingeführt werden kann. Das andere Ende 27 des Innenleiters 25 ist mit einem Anschluß der Auswerteeinrichtung verbunden. Der Innenleiter 25 ist im Abstand gehalten und im Innern des Außenleiters 21 angeordnet mit Hilfe eines isolierenden Einsatzteils 28, das beispielsweise aus einem Material wie Teflon hergestellt sein kann. Das Einsatzstuck 28 ist konventionell und dient dazu, den Innenleiter 25 in seiner Lage konzentrisch bezüglich des Auflenleiters 21 zu halten. Es bestimmt die charakteristische Impedanz des Verbinders. Auf dem Ansatz 29 des Innenleiters 25 ist ein toroidförmiges Teil 35 eingefügt mit einem umfangsmäßigen äußeren Teil 31 und einem umfangsmäßigen inneren Teil 32 und ebenfalls einem Paar entgegengesetzter Seiten 34 und 35. Vorzugsweise ist der umfangsmäßige Außenteil 31 mit einem leitenden Überzug 35 ausgestattet, der mit dem Teil 30 fest verbunden ist, und in ähnlicher Weise ist der innere Umfangsteil mit einem daran befestigten leitenden Überzug 36 versehen. Das toroidförmige Teil 31 wird in den Verbinder so eingeführt, daß die innere umfangsmäßige zylindrische Oberfläche desselben in leitendem Eingriff _: mit der äußeren zylindrischen Oberfläche der Schulter 29 kommt ί und die äußere zylindrische Oberfläche des toroidförmigen Teils ; 30 in leitenden Kontakt mit der inneren zylindrischen Oberfläche j des äußeren Leiters 21 kommt. Das toroidförmige Teil 30 wird in seiner axialen Lage gehalten mit Hilfe eines krefsringförmi-

gen Ansatzes AO, der am inneren Teil des äußeren Leiters 21 aus- _; gebildet ist und in Eingriff mit der ebenen Seite 34 des toroidförmigen Teils kommt, und außerdem mit Hilfe des Tefloneinsatzteils 28, welcher in Eingriff mit der gegenüberliegenden ebenen Seite 33 des toroidförmigen Teils ist. Das toroidfdrmige Teil 33 besteht aus einem Metalloxyd-Varistormaterial mit einem Alpha-Wert oberhalb 10 im Stromdichtebereich zwischen 10 - 10 Ampere: pro cm . Der Abstand zwischen den leitenden umfangsmäßigen Tei- ' len 35 und 36 des toroidförmigen Teils ist so eingestellt, daß eine hohe Impedanz gegenüber einer normalen zugeführten Span- ;

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nung zwischen den umfangsmäßigen Teilen vorhanden ist. Wenn daher zwischen den umfangsmäßigen Teilen Spannungen zugeführt werden, die progressiv oberhalb einer vorgegebenen normalen Spannung liegen, dann bietet das toroidförmige Teil 30 eine sich progressiv und schnell vermindernde Impedanz gemäß dem Alpha-Wert seines Materials und begrenzt damit die Spannungsänderung, zwischen den leitenden umfangsmäßigen Teilen 35 und 36 und damit zwischen dem inneren und äußeren Leiter des Verbinders 20»

Das toroidförmige Teil 30 besteht aus einem Metalloxyd-Varistormaterial, wie es beispielsweise im kanadischen Patent 831 691 beschrieben ist. Dieses besitzt eine nicht-lineare Strom-Spannungskennlinie. Das in diesem kanadischen Patent beschriebene Material besteht aus feinen Teilchen aus Zinkoxyd mit gewissen Zusätzen, welche gepreßt und bei hohen Temperaturen gesintert wurden, um einen zusammengesetzten Körper aus dem Material zu erhalten· Die Stromspannungskennlinie des zusammengesetzten Köprers ist durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

(D

Dabei ist V die über einem Paar gegenüberliegender Oberflä-

chen oder Ebenen angelegte Spannung,

I der Strom, welcher zwischen den Oberflächen fließt, C eine Konstante, welche eine Funktion der räumlichen Abmessungen des Körpers und seiner Zusammensetzung und des bei seiner Herstellung verwendeten Verfahrens ist,

cC ist eine Konstante für einen gegebenen Stromstärkebereich und ist ein Maß der Nicht-Linearitat der Strom-Spannungslinie des Körpers*

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Wenn in der Gleichung (1) V verwendet wird, um die Spannung zwischen gegenüberstehenden Ebenen eines Materials mit der Volumeneinheit oder mit anderen Worten einen Spannungsgradienten zu bezeichnen, dann wird der Stromfluß durch die Volumeneinheit des Materials bei dem Spannungsgradienten zur Stromdichte. Bei Metal loxyd-Varistormaterial ist der Alpha-Wert relativ niedrig, d. h. kleiner als 10, für kleine Stromdichten, beispielsweise in der Umgebung von 1 Mikroampere pro cm . In dem Stromdichtebereich von 10 - 10 Ampere pro cm ist der Alpha-Wert hoch, d. h. er ist wesentlich größer als 10 und relativ konstant* In dem Stromdichtebereich, welcher fortschreitend oberhalb 10 Ampere pro cm liegt, vermindert sich der Alpha-Wert fortschreitend. Wenn die Strom-Spannungs-Kennlinie in doppelt-logarithmischen Koordinaten aufgetragen wird, dann ist Alpha dargestellt durch den Kehrwert der Neigung der Kurve, wobei die Stromdichte auf der Abszisse dargestellt ist und der Spannungsgradient durch die Ordinate der Kurve dargestellt ist. Für einen mittleren Bereich der Stromdichten zwischen io" - 10 Ampere pro cm ist der Kehrwert der Kurvenneigung relativ konstant. For Stromdichten unterhalb dieses Bereiches vermindert sich der Kehrwert der Neigung der Kurve progressiv. Ebenso vermindert sich für Stromdichten oberhalb dieses Bereiches der Kehrwert der Neigung der Kurve progressiv.

Die Spannungsdifferenz-Stromdichte-Kennlinien der drei Arten von Materialien in doppelt-logarithmischen Koordinaten sind in Fig. 13 enthalten. Die Kurven 105 und 106 entsprechen Materialien für hohe Spannungsgradienten und die Kurve 107 bezeichnet ein Material mit geringem Spannungsgradienten oder Spannungsdifferenz. Für alle Kurven im Stromdichtebereich von 10 - 10 Ampere pro cm ist der Alpha-Wert groß und ist wesentlich größer als 10 und relativ konstant. Für Stromdichten, die fortschreitend größer sind als 10 Ampere pro cm vermindert sich der Alpha-Wert progressiv. Für Stromdichten, die fortschreitend kleiner

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Ampere

-3 2 sind als 10 /pro cm vermindert sich der Alpha-Wert ebenfalls progressiv.

Da das Meta 11oxyd-Varistormaterial ein keramisches Material darstellt, können seine Oberflächen auf ähnliche Weise wie andere keramische Materialien metallisiert werden, um elektrische Verbindungen zu dieser Oberfläche zu unterstützen. Beispielsweise kann eine Silber-Glas-Fritte des Typs Ou Pont Nr. 7713, hergestellt von der Ou Pont-Chemical Company of Wilmington, Delaware, verwendet werden. Solches Material wird als Aufschlämmung in einem Siebdruckarbeitsgang aufgebracht und bei etwa 550 ⁰C gebrannt, um einen leitenden überzug auf der Oberfläche zu erhalten. Andere Verfahren, wie Elektroplattieren oder Metallspritzen können ebenfalls verwendet werden.

Die nicht-lineare Kennlinie des Materials ergibt sich aus Masseneffekt erschei nungen (bulk phenomenon) und ist zweiseitig gerichtet. Die Ansprechgeschwindigkeit des Materials für steile Vorderflanken von Spannungswellen ist sehr groß. Demgemäß erfolgt die spannungsbegrenzende Wirkung des Materials praktisch augenblicklich. Die Wärmeerzeugung geschieht dabei in dem gesamten Mat erialkörper und tritt nicht in bestimmten Bereichen desselben auf, wie dies beispielsweise bei Halbleitereinrichtungen mit Übergangsbereich der Fall ist. Demgemäß besitzt das Material eine gute Wärmeabsorptionsfähigkeit, da die Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie im gesamten Materialvolumen erfolgt. Die spezifische Wärme des Materials beträgt 0,12 Kalorien pro C pro Gramm. Auch aus diesem Grunde ist daher die Wärmeabsorptionsfähigkeit des Materials vorteilhaft für ein Material zur Absorption von Stoßwellen. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials beträgt etwa die Hälfte der Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumdioxyd. Daher kann jegliche in dem Material , erzeugte Wärme schnell aus dem Material weggeleitet werden in angemessene angebrachte Wärmesenken.

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j Das Material besitzt neben den erwünschten vorbeschriebenen elek frischen und thermischen Eigenschaften noch in höchstem Maße er* wünschte mechanische Eigenschaften. Das Material besitzt eine ! feine Kornstruktur, es kann leicht maschinell bearbeitet werden zur Herstellung einer glatten Oberfläche und kann in jede er- | wünschte Form mit ausgezeichneter Druckfestigkeit verformt werden. Das Material kann leicht bei seinem Herstellungsprozess geformt werden. Demgemäß kann für die erwünschten Zwecke das Ma- ! terial leicht in beiiebige Abmessungen und Gestaltungen geformt werden. :

Das toroidfÖrmige Teil 30 wird daher auf die erwünschten Ab- i messungen geformt entweder durch formgebende Verfahren oder durch spanabhebende Bearbeitung aus einem größeren Material stück und es werden dann Elektroden oder leitende Überzüge gemäß der obigen Beschreibung aufgebracht. Die Elektroden besitzen eine sol- j ehe Größe und einen solchen Abstand untereinander, daß sich die erwünschte Spannungs-Strom-Kennlinie ergibt. Ein Verbinder der Konstruktion nach Fig. 2 zur Verwendung mit einer Leitung mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ohm besaß ein toroidförmiges Teil 30 mit einem Außendurchmesser (Oberfläche 31) von 7 mm, einem Innendurchmesser (Oberfläche 32)von 2,5 mm und einem Abstand zwischen den gegenüberliegenden Seitenteilen 33 und 34 von 2,5 mm und wurde in ein System gemäß Fig.1 mit einer Verbraucherimpedanz von 50 Ohm eingefügt. Eine Spannungs-Strom-Kennlinie gemäß Kurve 41 der Fig. 3 wurde erhalten bei Abtragung der Spannung zwischen dem inneren und äußeren Teil des toroidförmigen Teils 30 längs der Ordinate und dem Stromftuß zwischen diesen Teilen längs der Abszisse. Gemäß der Kurve der Flg. 3 fließt bei einem Signal mit einer Amplitude von 70 Volt ein Strom von 1 Mikroampere.

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Bei diesem Wert der Stromstärke ist der effektive Alphawert des | Verbinders beträchtlich kleiner als 10; tatsächlich ergibt sich

ein Alpha-Wert von etwa 4. Mit der Zuführung von Signalen mit '

größerer Amplitude erhöht sich die Stromstärke und entsprechend ',

erhöht sich der Alpha-Wert des Materials in diesem Strombereich. :

Wenn infolge der Zuführung von einer Spannung von etwa 120 Volt j

zwischen den Elektroden an den Umfangsteilen des toroidförmigen j

Teils eine Stromstärke von 10~ Ampere fließt, dann beträgt der j Alpha-Wert des Materials etwa 15. Ein kontinuierliches Signal !

mit dieser Signalstärke würde in dem toroidförmigen Teil eine _]

Leistung von etwa 0,12 Watt erzeugen. Diese Leistung kann leicht !

durch das Material zur Hülse oder dem Außenleiter 21 geleitet > und abgestrahlt werden. Auftretende Signale mit höherer Spannung

wurden im wesentlichen begrenzt auf Werte unterhalb 200 Volt, ,

da die Kennlinie bei ihrem Verlauf zu höheren Stromstärken nur !

einen geringfügigen Spannungsanstieg aufweist. Bei der Betrach- ,

tung der Kurve 41 ist es wichtig zu beachten, daß bei Signalen .

von 70 V oder darunter die Verlustleistung in dem Verbinder kleiner ist als 70 Mikrowatt und dies stellt eine sehr geringe Ver- ' lustleistung für den Ruhezustand dar. Wenn jedoch .Spannungsstöße j mit einem Wert von 150 V auftreten, steigt die Verlustleistung I auf 1,5 Watt an, wobei eine niedrige Impedanz der Quelle für die-j se Stöße vorausgesetzt ist. Diese Verlustleistung würde in dem ! toroidfÖrmigen Teil entstehen und zum Außenleiter 21 abgeleitet und dort abgegeben werden. Sogar Stromstöße oberhalb etwa 200 j Volt werden praktisch auf den 200-Volt-Bereich der Kennlinie des · toroidförmigen Teils begrenzt; eine Ausnahme hierzu bilden hoch- ι stens Stromstöße mit sehr hoher Leistung, welche über ein langes i Zeitintervall auftreten und eine Quelle mit vernachlässigbarer Impedanz besitzen.

Fig. 9 zeigt Kurven in doppelt-logarithmischen Koordinaten für die Impedanz als Funktion der Frequenz für die verschiedensten Verbinder. Die Kurve 45 entspricht der Impedanz eines konventionellen Verbinders beispielsweise gem. Fig. 2 in Abhängigkeit

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von der Frequenz bei Abwesenheit von StoßunterdrückungsteiIen , wie beispielsweise dem Teil 30. Die Kurve 46 zeigt die Impedanz-Kennlinie des Verbinders 20 nach Fig. 2 mit dem Stoßunterdrükkungsteil mit den vorstehend angegebenen Abmessungen und Eigenschaften. Da das Meta 11oxyd-Varistormaterίa I eine relativ hohe dielektrische Konstante besitzt (etwa 1800), erhöht das toroidförmige Teil 30 die Kapazität an dem Punkt, an dem es in den Verbinder 20 eingefügt ist. Demgemäß ist die Kurve 46 nach links verschoben und praktisch parallel zur Kurve 45. 0. h. die Impedanz des Verbinders 20 ist kleiner im Hinblick auf die Tatsache, daß seine Kapazität erhöht ist. Ein gewisses Ausmaß von Reiheninduktivität wird ebenfalls in den Verbinder eingeführt durch das Einsetzen des toroidförmigen Teils 30. Demgemäß herrschen bei höheren FrequenzenjResonanzeffekte vor und in dem bestimmten Beispiel des oben beschriebenen Verbinders 20 liegt die Resonanzspitze bei etwa 100 Megahertz. Anstelle eines geradlinigen Verlaufs besitzt die Kurve 46 eine allmählich größer werdende negative Neigung, welche ihren Maximalwert bei 100 Megahertz erreicht. Wenn der Verbinder 20 mit einer 50 Ohm-ubertragungsIeitung verbunden wird, fur die er ausgelegt ist, und ■ mit einer Impedanz von 50 Ohm abgeschlossen wird, erhält man die Kurve 47. Die Kurve 47 stellt im wesentlichen das Verhalten der Parallelschaltung der Abschlußimpedanz von 50 Ohm mit der Impe- ' danz des Verbinders 20 gemäß Kurve 46 dar.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 ist gerichtet auf die Verbesserung der Impedanz-Frequenz-Kennlinie des Verbinders der Fig. 2, wobei diese verbesserte Form trotzdem den erwünschten Schutz gegen Stöße bieten soll. Der Verbinder nach Fig. 4 ist im wesentliehen gleichgeartet dem Verbinder nach Fig. 2 mit der Ausnahme, I daß.sein toroidförmiges Teil 51 mit Elektroden an einer Seite ! ausgestattet ist. Dadurch wird die im Nebenschluß zwischen dem inneren und äußeren Leiter des Verbinders 50 in der Umgebung des toroidförmigen Teils 51 erscheinende Kapazität wesentlich ver-

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mindert. Der Verbinder 50 enthält ein äußeres Hülsenteil 52 und ein InnenleiterteiI 53. Ein toroidförmiges Teil 51 aus Metalloxyd-Varistormaterial ist an einer Seite 55 mit einem inneren lei-* tenden Ring 56 und einem äußeren leitenden f?ing 57 ausgestattet. Das AußenleiterteiI 52 ist mit einer kreisförmigen Erhebung 58 versehen. 0er Innenleiter ist ebenfalls mit einer zylindrischen Erhebung oder Ansatz 59 versehen. Das toroidförmige Teil 51 ist an der Bewegung in einer Richtung längs der Achse des Verbinders : behindert durch die Ansätze 58 und 59. Es ist an einer Bewegung in der anderen Richtung längs der Achse des Verbinders gehindert :

durch das isolierende Teil 60, welches außerdem den Innenleiter 53 in seiner Lage gegenüber dem Außenleiter 52 hält. Der Außen- ! ring 57 liegt an der Schulter 58 an und der Innenring 56 liegt _: an dem Ansatz 59 an dem Innenleiter. In dem Verbinder nach den Fig. 4 und 5 besitzen die benachbarten Kanten der konzentrischen ^! ringförmigen Leiter 56 und 57 ein Mindestmaß an Querschnitt^ lache j Da jedoch der Stromfluß zwischen diesen Kanten in der Nähe der ; Oberfläche des Metal Ioxyd-Varistorkörpers 51 erfolgt, ist die j Kapazität in diesem ebenen Bereich im Verbinder wesentlich ver- ' mindert und dadurch wird die Impedanz-Frequenzkennlinie des Verbinders beträchtlich verbessert und gleichzeitig ergibt sich der erwünschte Schutz vor dem Erscheinen von Spannungsstößen an den Ausgangsanschlüssen des Verbinders.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Verbinders 65 gemäß der Erfindung zwecks bet rächt I icher Verminderung der Kapazität, welche in den Verbinder durch den Metalloxyd-Varistorkörper eingebracht wird. In dem Verbinder 50 nach den Fig. 4 und 5 ist der Stromfluß zwischen den Ringleitern 56 und 57 ungleichmäßig, wenn nicht enge Toleranzen bezüglich des Abstandes zwischen den benachbarten Kanten der Ringleiter 56 und 57 eingehalten werden. Dadurch ergibt sich jedoch eine schlechte Ausnutzung des Metalloxyd-Varistormaterials. D. h. bestimmte Abschnitte des Raums zwischen den Leitern werden wesentlich mehr Strom führen als andere Abschnitte. Dies wird leicht verständlich durch

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Betrachtung der Strom-Spannungskennlinie des Materials. Es sei angenommen, daß fur zwei Sektoren des Metalloxyd-Varistormaterials zwischen den Ringleitern der Fig. 4 und S der Abstand zwischen dem inneren und äußeren konzentrischen Ring verschieden ist. Für einen Sektor besteht dann eine Spannungsstromkurve nach Fig. 3. Für den anderen Sektor, für den der Abstand kleiner ist, wird ebenfalls eine Spannungsstromkurve bestehen, die im wesentliche identisch ist der Spannungsstromkurve des ersten Sektors. Sie wird jedoch längs der Ordinate des Koordinatensystems gegenüber der Kurve des ersten Sektors nach unten verschoben sein. Demgemäß wird bei Anliegen einer vorgegebenen Spannung zwischen den äußeren und inneren Ringleitern 56 und 57 der Sektor mit dem kleineren Abstand beträchtlich größere Stromstärken in einem Bereich führen, in dem die Kurven relativ flach verlaufen; eine durch den gegebenen Spannungspunkt und parallel zur Abszisse gezogene Linie wäre nahezu parallel zu den Kurven. Um eine gleichmäßige Stromverteilung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die verminderte Kapazität beizubehalten, besitzen die äußeren und inneren Ringleiter Formen gemäß den Fig. 6 und 7, In den Fig. 6 und 7 sind identische Elemente in gleicher Welse bezeichnet wie in den Fig. 4 und 5. Oer innere Ringleiter 66 ist mit vier Vorsprüngen 67, 68, 69 und 70 ausgestattet, die im gleichen Abstand j um den Ringleiter herum angeordnet sind. Die Kanten der Vorsprün-, ge besitzen jeweils die gleiche Länge, sie besitzen gleichen Ab- ' stand von der Mittelachse des Verbinders und enden in geraden Kanten. Die innere Kante des äußeren Leiters 75 1st mit 4 geraden Kanten 76, 77, 78 und 79 ausgestattet, die jeweils parallel zu einer geraden Kante eines entsprechenden Vorsprungs sind und gleichen Abstand von der Mittelachse des Verbinders besitzen. Demgemäß ist eine Ring leiteranordnung geschaffen, In der über jedem der vier Quadranten oder Sektoren des Metalloxyd-Varistorkörpers ein identischer Abstand zwischen dem Inneren und Süßeren Ringleiter 66 und 75 vorhanden ist.

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Es wurde eine Verbinderanordnung gemäß Fig. 6 und 7 aufgebaut unter Verwendung eines Plättchens aus MetalLoxyd-Varistormate- j rial mit einem Spannungsgradienten von 220 Volt pro mm bei einer ; Stromdichte von einem Milliampere pro cm .Der Verbinder wurde : mit abschließenden geraden Kanten der Vorsprünge am inneren leitenden Ring mit einer Länge von 1 mm ausgestattet* Zwischen einer geraden Kante eines Vorsprungs und einer entsprechenden geraden Kante eines äußeren leitenden Ringes wurde ein Abstand von 1 mm vorgesehen. Oie Spannungs-Stromkennlinie des Verbinders ist in der Kurve 80 der Fig. 8 dargestellt. In dieser Fig. 8 ist die Spannung zwischen dem inneren Leiter 53 und dem äußeren Leiter ; 52 längs der Ordinate abgetragen und der Strömftuß durch das j toroidförmige Teil 54 ist längs der Abszisse einesdoppelt-logarithmischen Koordinatensystems aufgetragen. Für Signalstärken von 100 Volt oder weniger beträgt der Stromfluß durch das toroidförmige Teil b4 weniger als 0,01 Mikroampere. Mit dem Ansteigen < der Spannung und der Energie des Signals erhöht sich die Strom-

stärke und bei einer Spannung von 400 Volt über dem toroidför- j migen Teil fließt ein Strom von 1 Mikroampere. Für Spannungen '

von mehr als 400 Volt über dem toroidförmigen Teil erhöht sich ; die Stromstärke schnell bei geringfügigem Spannungsanstieg. Bei ! einer Spannung von 600 Volt über dem toroidförmigen Teil fließt eine Stromstärke von 0,01 Amperedurch das Teil, Der Alphawert i für die Kurve 80 im Bereich von 1 Mikroampere - 0,01 Ampere liegt; in der Größenordnung von 20. Es ist demgemäß .leicht ersichtlich, , daß die am Ausgang des Verbinders erscheinende Spannung praktisch' auf einen niedrigen Wert beschränkt wird, sogar für Signalstöße ι mit beträchtlicher Leistung und Energieinhalte Wenn der Abstand einer der 4 Abstandsstrecken zwischen dem inneren Ringleiter 46 j und dem äußeren Ringleiter 75 um 10 % kleiner ist als die ande- ' ren Abstände bei einer Kreuzmusteranordnung der inneren leiten- | den Ringe des toroidförmigen Teils, dann wird das Varistormate- j rial in diesem Quadranten 90 % des gesamten Stromflusses überneh-' men. i

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Ferner ist angenommen, daß das Material in dem Strom-Kennlinienbereich betrieben wird, in dem der Alpha-Wert in der Größenordnung 20 liegt. Es ist zu beachten, daß eine Abweichung beispielsweise von 10 X im Abstand einer der Abstandsstrecken nicht wesentlich die Gesamtkapazitat des inneren Ringleiters und des äußeren Ringleiters beeinflußt. Wenn jedoch die Abstandsstrecken nicht innerhalb enger Toleranzen den gleichen Abstand besitzen, dann ist der Vorteil einer solchen Anordnung bezüglich der Gleichmäßigkeit der Stromstärke nicht verwirklichbar. Vorstehend wurden vier Abstandsstrecken gezeigt. Es können jedoch auch andere Elektrodenformen verwendet werden, bei denen zwei Abstandsstrecken oder drei Ab- ' Standsstrecken oder eine größere Zahl als 4 Abstandsstrecken verwendet werden können. Wenn jedoch eine größere Zahl von Abstands- ; strecken verwendet werden, ist zu beachten, daß nur bei genauer Dimensionierung aller Abstandsstrecken die Gleichförmigkeit des Stromflusses in dem Metalloxyd-Varistorteil erreichbar ist. Bei einer größeren Zahl von Abstandsstrecken müssen der innere Ringleiter 66 und der äußere Ringleiter 75 mit kleineren Toleranzen gestaltet werden als bei einer kleineren Zahl von Abstandsstrek- j ken. Bei einer großen Zahl von Abstandsstrecken wird das Problem !

der Einhaltung enger Toleranzen der Abstandsstrecken zur Erzie- ^: lung eines gleichmäßigen Stromflusses genauso schwierig wie bei den konzentrischen Ringleitern gemäß den Fig. 4 und 5. '

Die Impedanz-Frequenz-Kennlinie eines Verbinders nach den Fig. 6 ,

und 7 ist in Kurve 81 der Fig. 9 dargestellt. Da die Kapazität j

des Verbinders der Fig. 6 und 7 wesentlich vermindert wurde ge* j

genüber der Kapazität der Verbinder nach Fig. 4 und 5 wurde der I

praktisch horizontale Verlauf der Impedanz-Frequenzkurve weiter j

ausgedehnt bis in die Nähe von 100 Megahertz. ι

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Verbinders ahn- j lieh den Anordnungen nach Fig. 4 und 6. In den Fig. 6 und 7 sind i die identisehen Elemente in gleicher Weise bezeichnet wie in der .

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Fig. 4. Eine Mindestmenge an Metalloxyd-Varistormaterial wird verwendet, um die durch den Verbinder eingebrachte Kapazität zu verringern und die Kennlinie des Verbinders bei hohen Frequenzen zu verbessern. In dieser Ausführungsform wird ein toroidförmiges keramisches Substrat vorgesehen, welches aus einem Material mit geringer dielektrisqher Konstante hergestellt ist, beispielsweise Aluminiumdioxyd, die beträchtlich niedriger ist als die dielek- » irische Konstante des Metaltoxyd-Varistormaterials. Ein toroidförmiges Plättchen 86 aus Metalloxyd-Varistormaterial wird fest mit dem toroidförmigen Substrat mittels eines geeigneten Bindemittels verbunden, beispielsweise mit Epoxyharz. Gemäß den Fig. 4 und 5 sind konzentrische Ringleiter vorgesehen. In sonstiger Hinsicht ist der Verbinder der Fig. 10 identisch dem Verbinder nach Fig. 4. Ein Kreuzmuster der leitenden Ringe gemäß den Fig. 6 und 7 könnte selbstverständlich auch auf das Plättchen 86 angewendet werden. Der Vorteil eines toroidförmigen Teils, in dem die Hauptmasse des Teils aus einem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante besteht, liegt darin, daß die Kapazität beträchtlich verringert wird und dadurch das Hochfreqüenzverhalten des Verbinders weiter verbessert wird, wobei gleichzeitig die Stoßschutzeigenschaften|der Einrichtung beibehalten bleiben. Es ist zu beachten, daß die Wärmeableitungseigenschaften des toroidförmigen Teils aus Metalioxyd-Varistormaterial verringert werden, wenn eine kleinere Menge dieses Materials für das toroidförmige Teil verwendet wird. Obwohl das zusammengesetzte toroi eiförmige Teil die am Ausgang des Verbinders erscheinende Spannung verringern wird, wird es nicht soviel Energie aufnehmen können, wie ein größerer Körper aus Metaltoxyd-Varistormaterial,

Die Fig. 11 und 12 zeigen einen Verbinder 90, bei dem eine Vielzahl innerer Leiter vorgesehen ist. Der Verbinder enthält eine äußere Hülse 91 und ein Paar länglicher innerer Leiter 92 und 93; eine kreisförmige MetalIplatte 94 ist mit einem Paar öffnungen und 96 ausgestattet. Die Metallplatte 94 ist in der äußeren Hülse

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gehaltert. Ein Paar toroidförmiger Teile 97 und 98 aus Metaltoxyd-Varistormaterial sind vorgesehen. Jedes dieser toroidförmigen Teile 97 und 98 besitzt eine äußere metallisierte Umfangsflache und eine innere metallisierte umfangsmäßige Fläche. Die äußeren Umfangsflachen beider toroidförmiger Teile 97 und 98 sind so bemessen, daß sie eng in eine entsprechende öffnung in der Platte 94 passen. Die innere Oberfläche jedes der Metalloxyd-Varistorteile 97 und 98 ist so bemessen, daß sie einen der länglichen inneren Leiter 92 und 93 aufnehmen kann. Das Plattenteil 94 kann an seinem Platz in dem Verbinder eingelötet werden oder kann in richtiger Weise in seiner Lage befestigt werden mit Hilfe der Isolatorteile 102 und 101. Ein Isolationsteil 10t ist fn Kontakt mit einer der gegenüberstehenden Seiten der Platte 94 und der andere isolationsteil 102 ist in Kontakt mit der anderen gegenüberstehenden Seite der Platte. Das Material der Platte 94 wird so gewählt, daß es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten

ähnlich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas besitzt. Daher sind viele der für die Herstellung von Verbindungen Glas-zu- j Metall verwendeten Materialien, welche Ausdehnungskoeffizienten, j vergleichbar mit den Koeffizienten für Glas besitzen, für die j Verwendung in dem Verbinder geeignet. Beispielsweise können die Platte 94 und die Leiter 92 und 93 aus Molybdän oder den verschiedensten Metallegierungen von Eisen, Nickel und Kobalt hergestellt werden, welche einen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich oder gleich dem Ausdehnungskoeffizienten von Glas besitzen. Sei der Anordnung nach den Fig. 11 und 12 erzeugen die toroidförmigen Teile aus Metalloxyd-Varistormaterial einen Schutz für Spannungsstöße, welche zwischen jeden der Längsleiter und dem äußeren Leiter und selbstverständlich auch zwischen den Längs* leitern selbst auftreten können. Es können leicht Verbinder mit mehr als zwei inneren Leitern geschaffen werden, gemäß der Ausführungsform der Fig. 11 und 12.

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Claims

Patentansprüche

Übertragungsleitungsabschnitt, dadurch gekennzeichne t_f daß er umfaßt: einen allgemein zylindrischen Außenleiter (22), einen Innenleiter (25) im Abstand zu dem Außenleiter, ein Teil (30), das mit einem umfangsmäßigen äußeren Teil (31) in Kontakt mit dem Außenleiter (22) und mit einem umfangsmäßigen inneren Teil (32) in Kontakt mit dem Innenleiter (25) steht, wobei dieses Teil (30) aus einem Metalloxyd-Varistormaterial gebildet ist mit einem Alpha-Wert oberhalb 10 im Stromdichte-

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bereich von 10 - 10 Ampere pro cm und der Abstand zwischen den umfangsmäßigen Teilen (31, 32) so eingestellt ist, daß bei Anliegen normaler Spannung zwischen diesen umfangsmäßigen Teilen (31, 32) eine hohe Impedanz vorhanden ist und bei Anlie- ; gen von Spannungen, die fortschreitend oberhalb der Normal- j spannung liegen, das Teil (30) eine sich schnell verringern- ! de Impedanz besitzt gemäß dem Alpha-Wert des Materials des . j Teils und eine Begrenzung der Spannungsänderung zwischen den I umfangsmäßigen Teilen vorhanden ist. , j
2. Übertragungsleitungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennze i chnet, daß der äußere und der innere umfangsmäßige Teil (31, 32) zylindrisch sind.
3. Übertragungsleitungsabschnitt nach Anspruch 1i dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (30) allgemein toroidförmig ist.
4. Übertragungsleitungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (22) konzentrisch zum Innenleiter (25) 1st.

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5. übertragungsieitungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß der Innenleiter (25) länglich ist.
6. übertragungsleitungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (30) den länglichen Innenleiter (25) in einem Abstand zum Außenleiter (22) hält.
7. Übertragungsleitungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (30, 51) mit einer | Seitenfläche (55) ausgestattet ist, welche im wesentlichen eben ist, wobei ein innerer leitender Ring (56) und ein äußerer leitender Ring (57) konzentrisch auf dieser Seitenfläche (55) angeordnet sind und der innere leitende Ring (56) in leitendem Kontakt mit dem Innenleiter (53) steht und der äußere leitende Ring (57) in leitenden Kontakt mit dem Außenleiter (52) steht, wobei die einander benachbarten Kanten der Ringe einen gleichmäßigen Abstand auf der Seitenfläche (55) aufweisen.
8. Übertragungsleitungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das Teil (51) mit einer im wesentlichen ebenen Seitenfläche versehen ist sowie mit einem inneren leitenden Ring (66) und einem äußeren leitenden Ring (75), die konzentrisch auf dieser Seitenfläche angeordnet sind, wobei der innere leitende Ring (66) in leitendem Kontakt mit dem Innenleiter (53) ist und der äußere leitende Ring (75) in leitendem Kontakt mit dem Außenleiter (52) ist, der innere leitende Ring (66) eine Vielzahl von Vorsprüngen (67 - 70) besitzt, die jeweils radial nach außen verlaufen und in einer geraden Kante enden und der äußere leitende Ring (75) eine Vielzahl gerader Kanten (76 - 79) an seiner Innenkante besitzt, wobei die geraden Kanten des äußeren leitenden Ringes parallel und in gleichem Abstand zu entsprechenden geraden Kanten des inneren leitenden Ringes sind.

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9. übertragungsleitungsabschnitt nach Anspruch 8, dadurch! gekennzeichnet, daß 4 Vorsprünge (67 -> 70) in j gleichmäßigem Abstand um den Umfang des inneren leitenden Ringes (66) vorhanden sind. I
10. übertragungsleitungsabschnitt; dadurch gekennz e i c h η e t, daß ,er umfaßt; > einen allgemein zylindrischen Außenleiter (91), ein Paar In- j nenleiter (92, 93) in diesem Außenleiter und im Abstand von ' demselben, ein Paar toroidförmiger Teile (97, 98), die je- j weils einen umfangsmäßigen äußeren Teil im Kontakt mit dem ; Außenleiter und einen umfangsmäßigen inneren Teil im Kontakt j mit einem der Innenleiter (92, 93) besitzen, wobei diese Tei- ; Ie (97, 98) aus einem Metalloxyd-Varistormaterial bestehen !

mit einem Alpha-Wert oberhalb 10 im Stromdichtebereich von

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10 - 10 Ampere pro cm , der Abstand zwischen dan umfangs- !

mäßigen Teilen jedes dieser Teile (97, 98) so eingestellt ist, daß zwischen den umfangsmäßigen Teilen eine hohe Impedanz vorhanden ist, wenn normale Spannungen zwischen den umfangsmäßigen Teilen anliegen und eine fortschreitend sich verringernde Impedanz durch dieses Teil vorhanden ist, wenn fortschreitend oberhalb der normalen Spannung liegende Spannung liegende Spannungen über diesem anliegen.
11. übertragungsleitungsabschnitt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

ein allgemein zylindrischer Außenleiter (52), ein Innenlei-, ter (53) im Innern und im Abstand zu diesem Außenleiter ein Halterungsteil (85) aus isolierendem Material mit einem zylindrischen äußeren Teil und einem zylindrischen inneren Teil und einem Paar gegenüberliegender Hauptflächen, eine mit einer dieser Flächen fest verbundene Schicht (86) aus Metalloxyd-Varistormaterial, wobei ein äußerer Umfangsteil der Schicht (86) leitend mit dem Außenleiter (52) und ein innerer

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Umfangsteil der Schicht leitend mit dem Innenleiter (53) verbunden sind,

die Schicht (86) aus einem Metalloxyd-Varistormaterial besteht mit einem Alpha-Wert oberhalb 10 im Stromdichtebereich von 10 - 10 Ampere pro cm , wobei der Abstand dieser Um-* fangsteile so eingestellt ist, daß bef Anliegen von normalen Spannungen zwischen diesen Teilen eine hohe Impedanz zwischen diesen vorhanden ist und bei fortschreitend oberhalb der normalen Spannung liegenden Spannungen eine schnell sich verringernde Impedanz der Schicht vorhanden Ist gtniO de» Alpha-Wert des Materials und dadurch die änderung der

J Spannung zwischen den Umfangstellen begrenzbar ist.

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