DE2409901B2 - Schaltungsanordnung zum ueberlastungsschutz von spannungsempfindlichen einrichtungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz von spannungsempfindlichen Einrichtungen unter Verwendung von Mitteln zum Überspannungsschutz und einer dazu parallel angeordneten Induktivität.

Eine derartige Schaltungsanordnung is£ bereits bekannt (DL-PS 99 064). Aufgabe der bekannten Anordnung ist es, Fernsehrundfunkempfänger gegen atmosphärische Entladungen zu schützen. Die eingangsseitig vorgesehenen Indukvität ist als Impedanzwandler zur Wellenwiderstandsanpassung zwischen Antenne und Empfängereingang ausgebildet, dessen sekundiirseitige Wicklung den unteren Frequenzanteil von Störimpulser. sperren soll. Eine im Querzweig nachgeschaltete Funkenstrecke soll die oberen Frequenzanteile begrenzen. Parallel zur Funkenstrecke ist über einen Längskondensator zur gleichspannungsfreien Ankopplung eine Schutzdiodenschaltung vorgesehen.

Auf Übertragungsstrecken, die durch Gewitter und/oder Starkstrom beeinflußt sind, sind Spannungsbegrenzungsmittel erforderlich, deren Art durch die Höhe der noch zulässigen Überspannungen und von der Art der zu übertragenden Signale bestimmt ist. Bei der Auswahl muß berücksichtigt werden, inwieweit die zu übertragenden Signale durch in den Übertragungsweg einzuschaltende Begrenzungsmittel verändert bzw. gedämpft werden dürfen. In der Regel müssen bei Wechselstromübertragungen die Begrenzungsmittei so ausgewählt und gestaltet werden, daß für das Nachrichten-Übertragungsfrequenzband die Schutzeinrichtungen nur eine möglichst geringe Dämpfung aufweisen, und daß die Begrenzungsmittel für nicht im Übertragungsbereich liegende Störfrequenzen eine hohe Sperrdämpfung aufweisen.

Es ist bekannt, daß Überspannungsableiter beim Ansprechen sehr steile Spannungssprünge verursachen, deren Frequenzspektrum auch sehr hohe energiereiche Frequenzen enthält, die über Schutzschaltungen an die zu schützenden Einrichtungen gelangen. In Übertragungssystemen für höhere Frequenzlagen bedeutet somit das Ansprechen von Überspannungsableitern eine hohe Belastung der zu schützenden Einrichtungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zahl der starken Belastungsfälle für die zu schützenden Einrichtungen durch Verringerung der Zahl der Ansprechvorgänge der Überspannungsableiter herabzusetzen. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die in Kabeln bei Gewittertätigkeit auftretenden "'!berspannungen in der Regel abgeflacht sind, d. h. daß ihr Hauptenergieinhalt bei tieferen Frequenzen liegt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß die Ansprechhäufigkeit von auf Nachrichtenübertragungsstrecken im Querzeig der Leitungen angeordneten Überspannungsableitern durch Parallelschalten je einer Ableitdrossel mit möglichst kleiner Induktivität und geringem ohmschen Widerstand verringert ist und daß im Längszweig zwischen Überspannungsableiter und der zu schützenden Einrichtung kapazitätsbehaftete Schaltmittel vorgesehen sind, die eine Kapazität solcher Größe aufweisen, daß eine unzulässige Vergrößerung der Dämpfung der zu übertragenden Signalfrequenzen vermieden ist.

Durch geeignete Bemessung der Ableitdrossel wird eine starke Dämpfung der nicht im Übertragungsbereich liegenden Energieanteile der durch Starkstrombeeinflussung oder Gewittertätigkeit verursachten Überspannungen erreicht. Die an der Ableitdrossel entstehende Restspannung ist so klein, daß ein parallelgeschalteter Überspannungsableiter nicht mehr ansprechen kann. Die Verminderung der Ansprechhäufigkeit ist umso größer, je kleiner die Induktivität der Ableitdrossel gewählt wird, d. h. je niederohmiger der Kurzschluß ist, den sie für abgeflachte Überspannungs-

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impulse darstellt. Bei durch Überschläge in den angeschlossenen Übertragungsleitungen hervorgerufenen Spannungssprüngen entstehen auch an den Ableitdrosseln höhere Spannungen, die das Ansprechen der vorgeschalteten Überspannungsableiter nicht ver- s hindern. Die im Längszweig angeordnete Kapazität, die in Reihe mit dem Eingangswiderstand der zu ichützenden Einrichtung der Ableitdrossel in Querzweig parallel geschaltet ist, wird so bemessen, daß die durch die zu schützende Einrichtung fließende Ladungsmenge möglichst klein ist ohne die Dämpfung des Signalfre quenzbandes unzulässig zu vergrößern.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird im Längszweig eine steuerbare Kapazität verwendet, deren Wert beim Auftreten von Überspannungen abnimmt. Di? Kapazität wird aus einer Serienschaltung von zwei gegenpolig geschalteten Dioden gebildet, die für das Übertragungsfrequenzband bei ungestörtem Betrieb der Übertragungsstrecke einen niederohmigen Widerstand darstellt. Die Dioden können eine steuerbare Sperrschichtkapazität aufweisen, so daß bei Überspannung jeweils die in Sperrichtung gepolte Diode einen sehr kleinen Kapazitätswert annimmt.

Der Erfindung wird nachstehend anhand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert.

In Fig.] ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung für eine Übertragungseinrichtung, die im Hochfrequenzbereich arbeitet, im Prinzip dargestellt. Eine zu schützende Einrichtung E ist an eine Blitz- und Beeinflussungsspannung ausgesetzte Leitung angeschlossen. Im Querzweig der Leitung sind als Schutzelemente ein Überspannungsableiter A und eine Ableitdrossel L in Parallelschaltung angeordnet. Im Längszweig der Leitung ist zwischen der Ableitdrossel L und einem mit Re bezeichneten Innenwiderstand der zu schützenden Einrichtung E ein Kondensator C eingeschaltet. Der Innenwiderstand der Leitung ist mit R_L bezeichnet. Ein an der Leitung entstehender Überspannungsimpuls treibt einen Beeinflussungsstrom über die Ableitdrossel L und die parallel dazu liegende Serienschaltung, bestehend aus dem Kondensator Cund der zu schützenden Einrichtung E Die Kombination aus Ableitdrossel L und Überspannungsableiter A verhindert das häufige Ansprechen des Öberspannungsableiters und erhöht damit die Lebensdauer zu schützender Halbleiterelemente. Die dann noch durch die zu schützende Einrichtung fließende Ladungsmenge ist umso kleiner, je kleiner die Kapazität des Kondensators C bemessen ist. Die Schutzschaltung kann mit billigen Bauelementen verwirklicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im Querzweig zu den Übertragungsleitungen außer der Kapazität des Überspannungsablei ters A keine weiteren Kapazitäten erforderlich sind, die ein Übertragungsband sehr hoher Frequenz ungünstig beeinflussen könnten.

In Fig.2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die feste Längskapazität durch eine von Dioden Di, D2 gebildete spannungsabhängige Kapazität ersetzt ist, die beim Auftreten von Überspannungen sehr kleine Werte annimmt. Bei ungestörter Übertragung weisen die Dioden D1, D 2 ihren höchsten Kapazitätswert auf. Sie bilden in Verbindung mit einer Ableitdrossel Li einen Hochpaß, der für das zu übertragende Frequenzband niederohmig ist. Beim Auftreten eines Überspannungsimpulses wird je nach Polarität der Überspannung eine Diode in Durchlaßrichtung gesteuert, die andere dagegen in Sperrichtung vorgespannt. Die in Sperrichtung auftretende Vorspannung vermindert die Kapazität der entsprechenden Diode sehr stark, so daß die auf die zu schützende Einrichtung E durchdringende Restenergie, die durch die Ladung der verminderten Kapazität bestimmt ist, nur noch sehr klein ist. Es muß jedoch berücksichtigt werden, daß die Sperrspannung der Dioden Di, D2 der Restspannung des Überspannungsabieiters A entspricht. Die Schutzwirkung der Dioden D 1, D 2 ist umso besser, je größer das Verhältnis der Kapazitätswerte der Dioden im Betriebszustand zu dem im Sperrzustand ist.

Wenn es erforderlich ist, die Kapazität der Dioden im Betriebszustand zu linearisieren, dann kann eine kleine Sperrspannungsquelle LJ vorgesehen werden, die mit einem Pol über einen Widerstand R am Verbindungspunkt der beiden Dioden D 1, D 2 angeschlossen ist und deren anderer Pol mit der anderen Leitung verbunden ist. Außerdem ist dann eine zweite Ableitdrossel L 2 erforderlich, die am Ausgang der Diodenschaltung im Querzweig der Leitungen angeordnet ist. Die genannten zusätzlichen Schaltmittel sind in der F i g. 2 gestrichelt dargestellt.

Die Auswahl der Dioden ist so vorzunehmen, daß die geforderten Übertragungseigenschaften der Schutzschaltung realisiert werden können. Hohe Kapazitäten von Dioden im vorspannungslosen Zustand erhält man durch Verwendung von Gleichrichterdioden, die zum Beispiel in Brückenschaltung angeordnet sind. Gleichrichter-Brückenschaltungen entsprechen zwei parallelen Diodenzweigen aus zwei mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschalteten Dioden. Ohne großen Aufwand lassen sich durch geeignete Auswahl Kapazitätswerte zwischen 5 pF und 200 pF erreichen. Es lassen sich auch Thyristoren verwenden, die als Vierschichtdioden aufgebaut sind und deren Schichtenfolge einer Serienschaltung aus zwei verschieden gepolten Dioden entspricht. Ungezündete Thyristoren zeigen ohne Vorspannung eine Kapazität bis über 1000 pF, die ebenfalls mit zunehmender Vorspannung abnimmt.

Müssen besonders empfindliche Halbleiterelemente vor Überlastung geschützt werden, so können gemäß einer in Fig.3 dargestellten weiteren Abwandlung der Schutzschaltung nach F i g. 1 bzw. 2 den Dioden D1 und D2 schnellschaltende Dioden Sl, S2 geringer Kapazität im Querzweig in Antiparallelschaltung nachgeschaltet werden. Für die Dioden 51, S 2 ist nur eine geringe Belastungsfähigkeit erforderlich. Alle übrigen Schaltelemente entsprechen unverändert denen der F i g. 2.

In F i g. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schutzschaltung dargestellt, in der die für den Beeinflussungsfall erforderliche kleine Kapazität im Längszweig durch Verwendung von Dioden möglichst kleiner Kapazität erzielt wird. Die F i g. 4 entspricht mit Ausnahme der Polung einer Spannungsquelle U 2 der F i g. 2 einschließlich der gestrichelt dargestellten Schaltungsteile. Die Dioden DZ und D4 kleiner Kapazität sind so ausgewählt, daß ihre Sperrspannung der Restspannung des vorgeschalteten Überspannungsabieiters A entspricht. Es lassen sich somit effektive Sperrkapazitäten von erheblich unter 10 pF erreichen. Ist die zu schützende Einrichtung £nur in einer Polarität auf Überspannungen bzw. Überströme empfindlich, so brauchen nur die in der empfindlichen Polarität auftretenden Überspannungen oder Überströme gesperrt zu werden. Das kann dadurch geschehen, daß in Abwandlung der Schaltung nach F i g. 4 nur Dioden in Sperrichtung zu der kritischen Stromrichtung verwen-

det werden. Bei Verwendung von Dioden mit äußerst geringer Kapazität ist die Bedingung für die möglichst ungedämpfte Übertragung des hochfrequenten Signalbandes in der Regel nicht erfüllt. Die Sperrwirkung der Dioden D3 und DA wird im Betriebsfall dadurch aufgehoben, daß die Spannungsquelle öl einen Vorstrom Id in Durchlaßrichtung der Dioden liefert. Der Vorstrom Id muß mindestens so groß sein wie die Spitzenströme des ungedämpft durchzulassenden Signals. Für die Signalfrequenzen ergibt sich dann ein sehr geringer Durchlaßwiderstand. Beim Auftreten von Überspannungsimpulsen wird der durch die zu schützende Einrichtung E fließende Beeinflussungsstrom von der Größe des Vorstromes Id und dem durch die wirksame Längskapazität der Diodenanordnung fließenden Strom bedingt. Die gesamte Längskapazität wird durch die Steuerwirkung der im Beeinflussungsfall anliegenden Sperrspannung kleingehalten. Der Vorstrom Id besitzt die Größenordnung des Signalstromes. Beeinflussungsströme in dieser Größe sind als ungefährlich zu betrachten.

Besitzen die Dioden D3 und D4 nur eine geringe Sperrspannung, so können sie im Sonderfall selbst das durch die Anordnung zu schützende Element sein. Die Dioden können z. B. einen Hochfrequenzschalter darstellen, der bei eingeschaltetem Voirstrom Id durchgeschaltet ist und sich bei fehlendem Vorstrom im geöffneten Zustand befindet. Die Sperrkapazität der Diode ist dabei ein Maß für die Sperrwirkung des Hochfrequenzschalters.

In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die zu schützende Einrichtung aus zwei im Längszweig angeordneten als Hochfrequenzschalter für eine Empfangseinrichtung F arbeitenden Schaltdioden 5dl und Sd 2, die nur eine geringe

ίο Sperrspannung aufweisen, bestehen. Der Vorstrom Id zum Schließen der Diodenschalter wird aus einer Spannungsquelle L/3 geliefert. Durch Verwendung weiterer Dioden D5 und D6, die mit den Schaltdioden 5dl, Sd2 gleichpolig in Reihe geschaltet sind und eine ausreichend hohe Sperrspannung aufweisen, ist es bei ungeschmälerter Schutzwirkung möglich, die Schaltdioden für ihre Schaltfunktionen optimal auszuwählen. Für alle Schaltelemente, die unverändert geblieben sind, wurden die Bezugszeichen beibehalten. Die Schaltungsanordnung nach F i g. 5 stellt wegen der äußerst geringen Gesamtkapazität im Längszweig für das Empfangsgerät eine besonders wirksame Schutzschaltung vor allem für solche Überspannungen dar, die unterhalb der Durchbruchspannung der Schaltdioden Sd 1 und Sd 2 liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche.

1. Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz von spannungsempfindlichen !Einrichtungen unter s Verwendung von Mitteln zum Überspannungsschutz und einer dazu parallel angeordneten Induktivität, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechhäufigkeit von auf Nachrichtenübertragungsstrecken im Querzweig der Leitungen angeordneten ι ο Überspannungsableitern (A) durch Parallelschalten je einer Ableitdrossel (L, L\) mit möglichst kleiner Induktivität und geringem ohmschen Widerstand verringert ist und daß im Längszweig zwischen Überspannungsableiter (A) und der zu schützenden Einrichtung (E, Empfangseinrichtung F) kapazitätsbehaftete Schaltmittel (C, DX bis D6, 5dl, Sd2) vorgesehen sind, die eine Kapazität solcher Größe aufweisen, daß eine unzulässige Vergrößerung der Dämpfung der zu übertragenden Signalfrequenzen vermieden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität aus einer Serienschaltung von zwei gegenpolig geschalteten Dioden (DX, D2\ D3, D4) besteht, die für das Übertragungsfrequenzband bei ungestörtem Betrieb der Übertragungsstrecke einen niederohmigen Widerstand darstellt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (Di, D 2; D3, D 4) eine steuerbare Sperrschichtkapazität aufweisen, die beim Auftreten einer Überspannung einen sehr kleinen Wert annimmt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwisehen größter und kleinster Sperrschichtkapazität groß ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung der Dioden eine sehr kleine Kapazität darstellt und daß die Dioden (D3 bis D6; Sd X, Sd2) unter Verwendung eines öffnenden Vorstromes (\d) für Nachrichtensignalspannungen niederohmig sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (Dl bis D 6 zur Linearisierung ihrer Sperrschichtkapazität eine kleine sperrende Vorspannung erhalten.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannung der Dioden (DX bis D6; SdX, Sd2) mindestens gleich der Restspannung der Überspannungsableiter ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität aus in Brückenschaltung angeordneten Dioden besteht.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Kapazität Thyristoren eingesetzt sind, deren Zündelektrode nicht beschaltet ist.