DE2409901C3 - Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz 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 ist bereits

bekannt (DL-PS 99064). 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 sekundärseitige Wicklung den unteren Frequenzanteil von Störimpulsen 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 Begrenzungsmittel 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 Überspannungen in der Regel abgeflacht sind, d. h. daß ihr Hauptenergieinhalt bei tieferen Frequenzen Hegt.

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 Abiciidfosse! gewählt wird, d. h. je niederohiTiiger der Kurzschluß ist den sie für abgeflachte Überspannungs-

impulse darstellt Bei durch Oberschläge 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 schützenden Einrichtung der Ableitdrossel im Querzweig parallel geschaltet ist, wird so bemessen, daß die durch die zu schützende Einrichtung fließende Ladungsmenge ίο möglichst klein ist ohne die Dämpfung des Signalfrequenzbandes unzulässig zu vergrößern.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird im Längszweig eine steuerbare Kapazität verwendet deren Wert beim Auftreten von Überspannungen abnimmt Die 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 Fig. 1 bis 5 näher erläutert

In F i g. 1 ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung für eine Übertragungseinrichtung, die im Hochfrequenzbereich arbeitet, im Prinzip dargestellt Ein-· 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 Rl 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 Uberspannungsableiters 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 so Bauelementen verwirklicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im Querzweig zu den Übertragungsleitungen außer der Kapazität des Überspannungsableiter 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 Dl, D 2 gebildete spannungsabhängige Kapazität ersetzt ist, die beim Auftreten von Überspannungen sehr kleine Werte annimmt Bei ungestörter Übertragung weisen die Dioden D1, D 2 ihren höchster Kapazitätswert auf. Sie bilden in Verbindung mit einer Ableitdrossel L 1 einen Hochpaß, der für das zu übertragende Frequenzband niederohmig ist Beim Auftreten eines Überspannungsimpulses wird je nach Polarität der Überspannung cine 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 Einiichtung £ 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 D1, D 2 der Restspannung des Überspannungsabieiters A entspricht Die Schutzwirkung der Dioden D1, 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 U vorgesehen werden, die mit einem Po; über einen Widerstand R am Verbindungspunkt der beiden Dioden D1, 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 ober 1000 pF, die ebenfalls mit zunehmender Vorspannung abnimmt

Müssen besonders empfindliche Halbleiterelemente vor Überlastung geschützt werden, so können gemäß einer in F i g. 3 dargestellten weiteren Abwandlung der Schutzschaltung nach F i g. 1 bzw. 2 den Dioden D1 und D 2 schnellschaltende Dioden 51, 52 geringer Kapazität im Querzweig in Antiparallelschaltung nachgeschaltet werden. Für die Dioden 51, 52 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 U2 der Fig.2 einschließlich der gestrichelt dargestellten Schaltungsteile. Die Dioden D 3 und D 4 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 D 4 wird im Betriebsfall dadurch aufgehoben, daß die Spannungsquelle U2 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. Eleim Auftreten von Überspannungsimpulsen wird der durch die zu schützende Einrichtung £ fließende Beeinflussungsstrom von der Größe des Vorstromes IcI und dem durch die wirksame Längskapazität der Diodenanordnung fließenden Strom bedingt Die gesamte Längskapazität wird durch die Steuerwirkung der im Beeinflussungsfall anliegenden Sperrspannung kleimgehalten. Der Vorstrom /(/besitzt die Größenordnung des Signalstromes. Beeinflussungsströme in dieser Größe sind als ungefährlich zu betrachten.

Besitzen die Dioden D 3 und D 4 nur eine geringe Sperrspannung, so können sie irn Sonderfall selbst das durch die Anordnung zu schützende Element sein. Die Dioden können z.B. einen Hochfrequenzschalter darstellen, der bei eingeschaltetem Vorstrom 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 Fig.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 Sd 1 und Sd2, die nur eine geringe

ίο Sperrspannung aufweisen, bestehen. Der Vorstrom Id zum Schließen der Diodenschalter wird aus einer Spannungsquelle U 3 geliefert Durch Verwendung weiterer Dioden DS und D 6, die mit den Schaltdioden Sd 1, Sd 2 gleichpolig in Reihe geschaltet sind und eine

ij 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 Fig.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 Sy 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 Überspanmingsableitern (A) durch Paraiielschalten je einer Ableitdrossel (L, Li) mit möglichst kleiner Induktivität und geringem ohmschen Widerstand verringert ist und daß im Längszweig zwischen Überspannungsableiter (A) und der zu schüttenden Einrichtung (E, Empfangseinrichtung F) kapazitätsbehaftete Schaltmittel (C, Di bis D 6, SdI, 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 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität aus einer Serienschaltung von zwei gegenpolig geschalteten Dioden (DX, D 2; D 3, D A) besteht, die für das Übertragungsfrequenzband bei ungestörtem Betrieb der Übertragungsstrecke einen niederohmigen Widerstand darstellt .

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D X, D 2; D 3, 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; SdX, Sd2) unter Verwendung eines öffnenden Vorstromes (Id) 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 D 6; SdX, Sd 2) mindestens gleich der so Restspannung der Überspannungsableiter ist.

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

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Kapazität Thyristoren eingesetzt sind, deren Zündelektrode nicht beschaltet ist