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Elektronische Sicherung.
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Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung, die insbesondere
zum Schutz von monolithischen Bausteinen eines Fernsprech-Vermittlungs systems gegen
Störspannungen, z.B. gegen atmosphärische Störungen wie Auswirkungen von Blitzen
und gegen Kurzschlüsse mit dem Starkstromnetz von 220/380 Volt, entwickelt wurde.
Die Erfindung eignet sich aber darüberhinaus schlechthin zum Schutz von empfindlichen,
an Leitungen angeschlossenen Schaltungsanordnungen gegen auf den Leitungen auftretende
hohe Störspannungen bzw. dadurch bewirkte Störströme beliebiger Polarität.
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Die Erfingung geht von einer jeweils durch einen Zweipol gebildeten
elektronischen Sicherung einer an einer oder an mehreren Leitungsadern angeschlossenen,
tTutzsignale bzw. Nutzströme von erster Polarität sendenden und/oder empfangenden
Schaltungsanordnung gegen Zerstörung der Schaltungsanordnung durch hohe Störs?an-
nungen,
die z.B. durch BlitzeR in den Leitungsadern autreten,aus.Eine solche als W'oerstromsicherung
dienende, aus einem Haupttransistor und einem den Haupttransistor steuernden Steuertransistor
gebildete Sicherung ist z.B. in der DE-OS 20 27 310 beschrieben.
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Diese Sicherung schützt nur vor einen Grenzwert überschreitenden Überströmen
bzw. zJberspannungen der einen Polarität, es sei denn man fügt sie gemäß der dortigen
Fig. 4 in die Diagonale einer Diodenbrücke ein, welche die Überströme bzw. Überspannungen
beider Poalritäten zunächst gleichrichtet.
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Die Spannungsfestigkeit der durch jeweils eine Diode gebildeten Diodeneinheiten
dieser Diodenbrucke begrenzt aber die Anwendung dieser Überstromsicherung betrachtlich,
,obei jede einzelne der Diodeneinheiten die maximale Amplitude der Störspannung,ebenso
wie die Überstromsicherung selbst,voll aushalten muß. Falls man alle Diodeneinheiten
jeweils durch eine für sich bekannte Serienschaltung von Einzeldioden aufbauen würde,
statt wie dort gezeigt nur jeweils aus einer einzigen Diode, um höhere Spannungsfestigkeiten
zu erreichen, müßten viele,nämlich jeweils in allen vier Zweigen der Diodenbrücke,
solche Serienschaltungen von Einzeldioden angebracht werden, was also einen oft
unangenehm hohen Aufwand erfordern würde.
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Störspannungen beider Polaritäten treten aber recht häufig auf, besonders
auf langen Teilnehmerleitungen zwischen einem Fernsprech-Vermittlungsamt und einer
oft mehrere Kilometer entferten Teilnehmerstation, besonders wenn diese Teilnehmerleitung
nicht abgeschirmt ist oder gar als Freileitung über freistehende Masten verlegt
ist. Aber auch ein länger andauernder Kurzschluß einer Leitungsader, z.3. mit 380
V, soll oft unschädlich für die betreffende, zu sichernde
Schaltungsanordnung
sein.
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Sinne ähnliche, durch einen Zweipol gebildete Sicherung mit Diodenbrücke
und Überstromsicherungseienheit-Zweipol ist in Siemens, Baut. Inf. 6 (1968) H. 4,
S. 106-108, insbesondere 3ild 1 angegeben.
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Bekannt ist auch die in Fig. 1 der vorliegenden Schrift gezeigte elektronische
Sicherung S mit mäßige (z.B. 50 Volt),oder hohe (z.3. 10 Kilovolt ) aber kurzzeitige
Störspannungen begrenzender Diodenbrücke DB und mit langandauernde mittlere Störspannungen
(z.B. 380 Volt) bzw. Störströme begrenzenden Längswiderständen LW, vgl. z.B. auch
die beiden nicht vorveröffentlichten DE-OS 28 23 441, Fig. 2, Sicherung SS und 23
28 418, Fig. 2, Sicherung SS, sowie die vowveröffentlichte DE-AS 25 55 157, Fig.
1 u. Sp. 3, Z. 13-16, Diodenbrücke D1, D2, D3, D4 und Längswiderstände R9, RIO,
sowie die in mancher Hinsicht ähnlichen Sicherungen in DE-OS 24 33 329, insbes.
S. 2, Abs. 3 und 4, sowie DE-OS 26 46 171, Fig. 1. Die in Fig. 1 der vorliegenden
Schrit gezeigte Diodenbrücke DB stellt einen Sechspol dar und begrenzt, zumindest
kurzzeitig, die Störspannungen auf Höchstwerte, welche durch die Vorspannungen +,-
der Diodenbrücke DB festgelegt werden. Weil diese Diodenbrücke ein durch die Vorspannungen
+,- von außen gesteuerter Sechspol ist, sind Serienschaltungen allein von mehreren
solcher Diodenbrücken zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit der Sicherung wenig sinnvoll.
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Die Längswiderstände LW schützen vor allen bei langandauerndem Kurzschluß
insbesondere gegen Starkstromleitungen. Sie müssen daher einen relativ hohen ohmschen
Widerstandsweet aufweisen. Beträgt der höchste zuläs-
sige Tutzstrom,
der durch diese Längswiderstände langandauernd fließen darf, z.B. 100 m4, dann muß,
bei 500 Volt niederohmig eingekoppelter Störsnannung, der Widerstandswert mindestens
5 Xiloohm betragen, und zwar bei einer zulässigen, unangenehm hohen Verlustleistung
von mindestens 50 tqatt. Je höher die andauernd anliegende Störspannung ist und
je höher der zulässige jtutzstrom durch den Längswiderstand LOT ist, umso höher
muß sogar die zulässige Verlustleistung dieses Längswiderstandes LW sein. Ein solcher
Schutz gegen langandauernde mittlere Störspannungen ist daher insbesondere nicht
mittels Längswiderstanden LW erreichbar, die zusammen mit der zu sichernden Schaltungsanordnung
Sch - z.B. einem Verstärker und/oder einer Stromquelle zur Rufstrom- und Schleifenstromeinspeisung
über die Teilnehmerleitung TL in die angeschlossene Teilnehmerstation TS - auf einem
gemeinsamen Substrat in integrierter Technik hergestellt sind. Diese Längswiderstände
LW stellen zwar jeweils in die Leitungsadern a, b eingefügte, Ströme begrenzende
Zweipole dar, die als Zweipole nicht von außen zustäzllch gesteuert werden müssen,
um sozusagen als Überstromsicherung dienen zu können. Man kann daher mehrere solche
Längswiderstandszweipole LW ohne Schwierigkeit untereinander auch in Serie schalten,
um die Stromfestigkeit bzw. Spannungsfestigkeit dar Sicherung S zu erhöhen. Eine
Stromversorgung oder Steuerung von Zweipole mittels schwebenden statt geerdeten
Quellen ist also zwar vorteilhafterweise unnötig; aber auch dann werden jene hohen
verlustleistungen erforderlich, die in vielen Fällen nicht nehr zugelassen werden
können. In vielen Fällen stört auch der hohe Widerstandswert solcher Längswiderstände
LW alleine schon deshalD, weil auch die Nutzströme, z .3. ein Schleifengleichstrom
oder ein Rufstrom oder ein mit Informations-
signalen modulierter
Schleifenstrom, ebenfalls hohle Verluste in diesen Längswiderständen LW erleidet.
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Insbesondere bei einem Vermittlungssystem stört zudem häufig, daß
der 'ifiderstandslrert der Längswiderstände LW in Serie zum ohmschen Eigenwiderstand
der Leitungsadern a, b liegt, wodurch die zulässige Toleranz für die Länge bzw.
für diesen Eigenwiderstand der Leitungsadern a, b unangenehm stark verringert wird,
weil in solchen Systemen häufig der maximale effektive Längswiderstandswert, z.3.
wegen Verlusten der Nutzströme oder wegen Verlusten der Schleifen-und Ruf ströme,
einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten soll.
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Die Erfindung hat jedoch die Aufgabe, eine möglichst große Toleranz
für die Leitungsaderlänge zuzulassen, wobei die Verlustleistungen In der Sicherung
auch bei langandauernden mittleren Spannungen beliebiger Polareitet gering sein
sollen, sogar so gering, daß grundsätzlich die Möglichkeit besteht, die gesicherte
Schaltungsanordnung zusammen mit der Sicherung in integrierter Technik auf' einem
gemeinsamen Substrat herzustellen. Die Sicherung soll trotzdem die Schaltungsanordnung
auch gegen liurzdauernde, sehr hohe Spannungen beliebiger Polarität schützen. Die
Sicherung soll außerdem, soweit keine besonderen entgegenstehenden Gegenmaßnahmen
gewählt werden, zulassen, daß nach dem Verschwinden der Störspannungen bzw. Störströme
unbehindert sofort der normale Betrieb der Schaltungsanordnung fortgesetzt werden
kann, ohne die Sicherung auswechseln oder reaktivieren zu müssen; -insbesondere
in einem Fernsprech-Vermittlungsamt wird dadurch der Aufwand zur laufenden Betreuung
des Amtes hinsichtlich Personalstunden und hinsichtlich Material
für
neue Sicherungen vermindert, im Vergleich z.3.
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mit Schmelzsicherungen, wobei überdies die Aus fallzeiten der Schaltungsanordnung
verringert sind.
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Die Erfindung geht also von der eingangs sowie im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 genannten elektronischen Sicherung aus. Die Aufgabe der Erfindung
wird dadurch gelöst, daß bei der Schaltungsanordnung in die Leitungsader oder in
die Leitungsadern in deren Längsrichtung jeweils eine Serienschaltung einerseits
eines für die Nutzströme der ersten Polarität und damit auch für diesen Strömen
evtl. aufgeprägte Nutzsignale durchlässigen Diodeneinheit-Zweipols'der bei Störströmen
entgegengesetzter zweiter Polarität und damit bei Störspannungen der zweiten Polarität
sperrt, und andererseits eines für die Nutzströme durchlässigen Überstromsicherung-Zweipols
der für Ströme der ersten Polarität, deren 3etrag einen ersten Grenzwert überschreitet,
und daher für Störspannungen der ersten Polarität, deren Betrag einen entsprechenden
Grenzwert überschreitet, zumindest weitgehend undurchlässig ist, eingefügt ist.
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Die verwendete Diodeneinheit stellt also enen Zwei pol dar, der in
der Regel eine Diodencharakteristik hat und der für die Nutzströme der ersten Polarität
durchlässig, aber für Störströme, nämlich der anderen, zweiten Polarität, zumindest
weitgehend undurchlässig ist.
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Die verwendete Überstromsicherung stellt hingegen einen Zweipol dar,
der für die Nutzströme der ersten Polarität durchlässig ist, solange der Wert dieser
Ströme einer als ein - durch entsprechende konstruktive
Maßnahmen
wählbarer - Grenzwert ist. 3ei Stromwerten von Strömen erster Polarität, die größer
als der gewählte Grenzwert sind, ist dieser Zweipol, zumindest weitgehend, undurchlässig.
Dabei ist der Grenzwert seber größer als der größte Wert des Nutzstrcmes zu wählen,
so daß die Überstromsicherung für die XTutzströme stets durchlässig ist, solange
kein störend großer Störstron bzw. Störspannung überlagert ist. Für Ströme der zweiten
Polarität darf diese Überstromsicherung in der Regel beliebig, also durchlässig
oder auch undurchlässig sein.
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Es zeigte sich, daß die Serienschaltung des Diodeneinheit-Zweipols
und des Überstromsicherung-Zweipols der Erfindung unschwer einen viel kleineren
Jiderstandswert für die Nutzströme aufweist, als die bekannten Längswiderstände
Llf, die für die Nutzströme unangenehmeff:feise den gleichen Widerstandswert wie
für die Störspannungen bzw. für die dadurch bewirkten Störströme aufweisen.
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Dabei trennt einerseits die Diodeneinheit die Schaltungsanordnung
von der Leitungsader ab, wenn diese Leitungsader zu hohe Störspannungen der zweiten
Polarität aufweist - sobald also diese den Nutzströmen überlagerten Störspannungen
eine Änderung der Polarität des Stromes bewirken. Andererseits trennt die Überstromsicherung
die Schaltungsanordnung von der Leitungsader ab, wann diese Leitungsader zu hohe
Störspannungen der ersten Polarität aufweist - sobald also diese den Nutzströmen
überlagerten Störspannungen den Wert des Stromes der ersten Po-Polarität so erhöhen
daß dieser Wert größer als der gewählte Grenzwert ist7 Nicht nur die Diodeneinheit,
auch die dazu in Serie geschaltete Überstromsicherung bildet bei der Erfindung jeweils
einen Zweipol, der also nicht von außen über
einen dritten Anschluß
elektrisch gesteuert werden muß.
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Daher entfällt bei der Erfindung die Schwierigkeit, diese 3estandteile
durch SteuerquelÄen mittels solchen Potentialen an dritten Anschlüssen steuern zu
müssen, deren öhe stark von der jeweiligen Amplitude und Polarität der Störspannung
abhängt. Alle diese nestandteile der erfindungsgemäßen Sicherung werden bereits
durch die durch sie fließenden Nutz- und Störströme selbsttätig gesteuert, so daß
ele zusätzliche elektrische Steuerung über einen dritten Anschluß entfallen kann.
Dieses Entfallen einer zusätzlichen elektrischen Steuerung erleichtert auch, die
ganze Sicherung zusammen mit der Schaltungsanordnung auf rinem gemeinsamen Substrat
in integrierter Technik anzubringen, weil die Schwierigkeiten der Steuerung, besonders
weil die Anbringung von Potential trennenden Trennkondensatoren oder die Anbringung
schnell wirkender, Potentiale werschiebender Anpassungsschaltungen,entfallen.
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Die Erfindung gestattet darüberhinaus, nicht nur eine einzige Diode,
oder nur eine einzige diodenähnlich wirende Schaltung, als Diodeneinheit anzubringen.
Die Diodeneinheit kann auch die Serienschaltung einer Vielzahl von Gliedern,nämlich
von solchen Dioden bzw. diodenähnlich wirkenden Schaltungen enthalten. Je mehr solche
Glieder die Erfindung enthält, gegen umso höhere Störspannungen der zweiten Polarität
wird die Schaltungsanordnung geschützt. Durch Erhöhung der Anzahl dieser Glieder
kann man also den Schutz vor solchen Spannungen der zweiten Polarität nahezu beliebig
erhöhen Dabei ge nügt im Gegensatz zu B DE-OS 20 27 9109 Fig 4 eine weitere einzige
Diode hinzuzufügen, um die Spannungsfestigkeit der Diodeneinheit um den betrag der
Spannungsfestigkeit dieser einzelnen Diode zu erhöhen.
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Die Erfindung gestattet In 2hnliciler Weise auch, den Überstromsicherungs-Zweipol
für sich durch die Serienschal-tung einer Vielzahl von jeweils für sich schon eine
Überstromsicherung darstellenden einzelnen Gliedern zu bilden. Dabei kann jedes
dieser einzelnen Glieder den gleichen Grenzwert aufweisen, so daß alle diese einzelnen
Glieder und damit der gesamte Überstromsicherungs-Zweipol für die ITutzströme bis
zum gleichen Grenzwert gut durchlässig sind, so daß aber alle diese einzelnen Glieder
und damit der gesamte Überstromsicherungs-Zweipol für zu hohe Störströme der ersten
Polarität nahezu oder ganz undurchlässig sind. Je höher daher die Anzahl dieser
einzelnen Glieder ist, gegen umso höhere Störspannungen der ersten Polarität wird
also die Schaltungsanordnung geschützt. Durch Erhöhung der Anzahl dieser einzelnen
Glieder innerhalb des Überstromsichungs-Zweipole kann man also den Schutz vor solchen
Spannungen der ersten Polarität nahezu beliebig erhöhen, also ähnlich wie bei der
Diodeneinheit.
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Die Erfindung gestattet also, trotz der vergleichsweise geringen Verlustleistungen
innerhalb der Sicherung für die Nutzströme, einen wirksamen Schutz der Scha1-tungsanordnung
gegen weitgehend beliebig hohe Spannungen beliebiger Polarität. Dabei ist grundsätzlich
sogar eine Herstellung auf gemeinsamem Substrat in integrierter Technik möglich,
wodurch der Aufwand insbesondere bei der Montage eines Vermittlungsamtes besonders
gering wird.
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Die Erfindung ist auch nicht auf eine bestimmte Schaltungsanordnung
beschränkt. Es kann sich hier um einen Verstärkereingang, Verstärkerausgang, eine
Stromquelle, z.B. Konstantstromquelle, um eine elektronische 2-Draht/ 4-Draht-Gabelschaltung,
um einen Kodierer bzw. Dekodierer,
um eine Kippschaltung, usw.,oder
auch um eine Kombination mehrerer oder aller solcher Anordnungen zu einer gemeinsam
gebildeten, an die Leitungsader angeschlossene Schaltungsanordnung handeln, die
gegen Störspannungen beliebiger Polarität auf der Leitungsader dadurch geschützt
wird, daß die erfindungsgemäß vorgesehene Sicherung die zu schützende Schaltungsanordnung
bei Bedarf selbsttätig von der betreffenden, die Störspannung aufweisenden Leitungsader
abtrennt. Die Erfindung läßt zu, daß zusätzlich weitere, für sich nicht-erfindungsgemäße,
also andersartige Sicherungen angebracht werden, die z.B. eine Ableitung der mit
den Störspannungen verbundenen Ladungen von der abgetrennten oder noch nicht abgetrennten
Leitungsader, z.3. zu Masse oder zu einer Funkenstrecke, bewirken.
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Die Nutzströme können, wie bereits ersrahnt, jeweils verschieden sein.
Es kann z.B. ein konstanter Gleichstrom oder ein mit Wechselstrom modulierter Gleichstrom
sein.
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Es kann auch ein reiner Wechselstrom sein, z.B. eine bipolare Rechteck-Rufstrom-Impulsfolge,
also von teils erster, teils zweiter Polarität, eines Fernsprech-Vermittlungssystems.
Wenn der tTutzstrom ein mit Informationsignalen modulierter Strom ist, dessen informationssignale
der Schaltungsanordnung über die betreffende Leitungsader bzw. über betreffende
Leitungsadern zugeleitet werden und/oder dessen Informationssignale von der Schaltungsanordnung
über die betreffende(n) Leitungsader(n) abgegeben werden, dann kann die Modulatiosart
grundsätzlich beliebig sein. So können analoge oder digitale Informationssignale
vorliegen, die z.B. mittels Amplituden-requenz-, Phasenmodulation oder sonstiger
Modulation übertragen werden.
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Falls die - bei 3edarf modulierten - Nutzströme zu keiner Zeit die
zweite Polarität, sondern stets nur die erste Polarität aufweisen, dann kann die
Diodeneinheit, evtl. auch die Überstromsicherung, bereits für kleine Ströme der
zweiten Polarität undurchlässig gemacht werden, z.B. dadurch, daß gemäß Anspruch
2 der Diodeneinheit-Zweipol durch einen eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisenden
Transistor oder durch mehrere unter sich in Reihe liegende eine hohe Spannungsfestigkeit
aufweisende Transistoren, deren eigene 3asen jeweils mit deren eigenem Emitter verbunden
sind, gebilde wird.
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Falls hingegen der lTutzstrom zum Teil die erste Polartät,zu einem
anderen Teil aper die zweite Polarität aufweist, kann man die Diodeneinheit modifizieren,
nämlich ähnlich wie eine Überstromsicherung für Ströme zweiter Polarität aufbauen,
z .3. dadurch, daß gemaß Anspruch 4 der Diodeneinheit-Zweipol und der Überstromsicherungs-Zweipole
auch für Nutzströme der zweiten Polarität und damit auch für diesen Strömen evtl.
aufgeprägte Nutzsignale durchlässig ist und daß der Diodeneinheit-Zweipol für Ströme
der zweiten Polarität, deren Betrag einen zweiten Grenzwert überschreitet, und damit
für Störscannungen der zweiten Polarität, deren Betrag einen entsprechenden Grenzwert
überschreitet, undurchlässig ist.
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Den Überstromsicherungs-Zweipol kann man dabei z.. mittels einer zwischen
seinen Eingang und Ausgang parallel angebrachten, zur Nutzströme der zweiten Polarität
durchlässigen Diode oder Diodenkaskade für Ströme der zweiten Polarität niederohmig
durchlässig machen, wenn dieser Zweipol nicht schon von Haus aus dafür durchlässig
ist. 7n gleichartiger weise kann man auch den modifizierten Diodeneinheit-Zweipol
für Nutzströme der ersten Polarität niederohmig dadurch durcillässig macnen, indem
man eine Diode oder eine Diodenkaskade parallel schaltet, wodurch der Zweipol weiterhin
ein Zweipole bleibt.
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Statt einzelnen Dioden kann man jeweils auch eine Diodenersatz-Schaltung
gemäß DE-OS 23 48 892 oder 23 48 254, welche ein besonders gutes Verhältnis von
Sperrwiderstand zu Durchlaßwiderstand bei außerordentlich geringem Platzbedarf auf
einer Substratoberfläche in integrierter Technik aufweist, verwenden.
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ür den Überstromsicherungs-Zweipol sind an sich ebenfalls viele Herstellungs-
bzw. Aufbaumöglichkeiten wählbar. Wegen seiner vergleichsweise kleinen Verluste
für die Nutzströme erwies sich besonders ein Aufbau günstig, der neben einem die
eigentliche Schaltstrecke darstellenden Haupttransistor noch mindestens einen weiteren,
den Haupttransistor steuernden Steuertransistor enthält. Günstig erwies sich z.B.
ein Aufbau, bei dem gemäß Anspruch 3 der Überstromsicherungs-Zweipol durch einen
Haupttransistor oder durch mehrere unter sich in Reihe liegende Haupttransistoren,
die jeweils von einem eigenen Steuertransistor abhängig von den Leitungsader-Stromwerten
in den leitenden oder in den sperrenden Zustand gesteuert werden, gebildet wird.
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Man kann eine besonders hohe Spannungsfestigkeit eines monolithischen
Bausteins, der sowohl die Schaltwngsanordnung aus s auch die Sicherung enthält,
erreichen, wenn gemäß Anspruch 5 die Sicherung neben der Schaltungsanordnung auf
einem Isolierkörper als gemeinsamem Substrat in integrierter Technik angebracht
ist. In diesem Falle ist also der Baustein z.. in der.sogenannten SOS-Technik oder
Silizium-auf-Isolatortechnik hergestellt, wobei als Isolierkörper z.3. Saphier oder
Spinell verwendet is-c, vgl. z.B. auch DE-OS 26 43 931.
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Die hohe Spannungsfestigkeit ist insbesondere dadurch
erreichbar,
daß auf diesem Isolierkörper nebeneinander mehrere, gegenseitig isolierte epitaktische
t-talbleiterkörper angebracht sind, wobei die einzelnen, untereinander in Serie
geschalteten Diodeneinheitsglieder, sowie die einzelnen, untereinander ebenfalls
in Serie geschalteten ÜDerstromsicherungs-Glieder sogar jeweils für sich auf einem
eigenen Halbleiterkörper angebracht werden können.Da die einzelnen Halbleiterkörper
untereinander nicht leitend verbunden sind, können alle Halbleiterkörper auf stark
unterschiedlichen Potentialen liegen. Daher kann auf engstem Raume auf dem Isolierkörper
eine außergewähnlich hohe Spannungsfestigkeit der in den sperrenden Zustand gesteuerte
Glieder trotz der integrierten Technik erreicht werden.
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Die Erfindung und Weiterbildungen davon werden insbesondere anhand
der Figuren 2 bis 7 weiter erläutert, wobei Fig. 1 bereits oben erläutert wurde
und einen bekannten Stand der Technik zeigt, sowie Fig. 2 und 3 schematisch zwei
Weiterbildungsvarianten der Erfindung, Fig. 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele für
einen Diodenein7eit-Zweipol, der nur für Ströme der ersten Polarität durchlässig
ist, und Fig. 6 und 7 zwei Ausführungsbeispiele für einen Überstromsicherungs-Ztreipol
zeigen, der für Nutzströme In1P der ersten Polarität und für Ströme der zweiten
Polartät gut durchlässig ist, aber für Ströme der ersten Polarität, die einen bestimmten
Grenzwert überschreiten, weitgehend undurchlassig ist.
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Die in Fig. 2 gezeigte Weiterbildungsvariante der Brfindung.zeigt
zwei elektronische Sicherungen Sa, Sb, welche zwischen die zweiadrigen a, Teilnehmerleitungen
TL einer Fernsprech-Teilnehmerstation TS und einer gegen hohe Störspannungen beider
Polaritäten zu schützenden Schaltungsanordnung Sch, z.B. einer dort auf einem Mololithen
in integrierter Technik hergestellten Schleifen- und Rufstromeinspeiseeinheit mit
abgehendem Verstärker insbesondere gemäß der nicht vorveröffentlichen DE-OS 28 31
105, Fig. 1, eingefügt sind.
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Die Sicherungen enthalten jeweils die in Längsrichtung der Adern eingefügten
Serienschaltungen von Zweipolen DE, US, welche die gegen hohe Störspannungen der
ersten Polarität schützende Überstromsicherungs-Zweipole US und die gegen hohe Störstannungen
der zweiten Polarität schützende Diodeneinheit-Zweipole DE darstellen. Die Störspannungen
stellen z.B. Kurzschlüsse einzelner oder aller Adern a, b der Teilnehmerleitung
TL gegen Starkstromleitungen, also z.B. gegen 220/380 Volt dar, oder z.B. Blitzfolgen,
die in die Teilnehmerleitung TL induzierte Störspannungsspitzen darstellen. Es kann
sich aber auch um andere Störspannungen handeln, z.B.
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um Entladungen von elektrostatisch stark aufgeladenen Teilnehmern,
welche als steile Stoßwellen über solche Adern a, b zur empfindlichen Schaltungsanordnung
laufen.
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Sind hohe Störspannungen vorhanden, dann trennt selbsttätig, je nach
deren Polarität, entweder der Zweipol DE oder der Zweipol US die Schaltungsanordnung
Sch von der die Störspannung aufweisenden Teilnehmerleitungs-Ader a bzw. b, so daß
danach ein oder höchstens ein kleiner Störstrom durch die Schaltungsanordnung Sch
fließt. Falls die Störspannung eine Sinus-Wechselspannung ist, z.3. 380 Volt-Netzspannung,
dann trennen während der einen Halbwelle jeweils der eine Zweipol DE und während
der anderen Halbwelle jeweils der Zweipol US.
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Dadurch wird oft nicht nur die Schaltungsanordnung selbst vor Überhitzung
bzw. Zerstörung geschützt, sondern auch weitere, außerhalb von Sch angebrachte el
elektronische, in Fig. 2 nicht mehr gezeigte Einheiten, die leitend mit der Schaltungsanordnung
Sch verbunden sind.
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Solche Sicherungen scnützen also oft auch vor weiteren Folgeschäden.
Zusätzlich können neben der erfindungsgemäßen Sicherung noch weitere Sicherungen
angebracht werden, z.33. solche, die die durch die Erfindung aogetrennten Teilnehmerleitungen
2L gegen Masse entladen, also in die Adern a,b z.B.eingefügte Zweipole, Ulerpole
oder Sechspole, z.B. gem DE-OS 24 33 329, darstellen.
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Die Zweipole DE, US der Erfindung niissen aber nicht unbedingt zwischen
die zu schützende Schaltungsanordnung Sch und die Teilnehmerleitung TL eingefügt
sein. Oft kann wenigstens ein 'Teil der Zweipole, vgl. die Diodeneinheiten-Zweipole
DEa, DEb in Fig. , sogar im Innern der Schaltungsanordnung Sch angebracht werden,
wenn nämlich die dann nicht Geschützten Teile der Schaltungsanordnung Sch, vgl.
die Konstantstromquellen und eine beliebige Quereinheit EX in der Schaltungsanordnung
Sch von Fig. 3, für sich bereits ausreichend spannungsfest bzw. stromfest bez. der
betreffenden Polarität der Störspannung ist.
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Bei den die Störspannung aufweisenden Adern a, b muß es sich nicht
unbedingt um Teilnehmerleitungs-Adern handeln.
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Auch bei der Schaltungsanordnung Sch muß es sich nicht unbedingt um
eine Einheit eines Vermittlungssystems handeln. Die Erfindung kann zum Schutz beliebiger
Schaltungsanordnungen vor Störspannungen handeln, die auf beliebigen, Nutzströme
leitenden Leitungen auftreten.
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Falls die Schaltungsanordnung au einer Monolithen angebracht ist,
ist vorteilhafterweise grundsätzlich auch
die Anbringung der Sicherung
auf dem gleichen Monolithen möglich, insbesondere weil die Sicherung aus in Längsrichtung
eingefügten Zweipolen besteht, die nicht von außen über einen dritten Anschluß in
ihren sperrenden Zustand gesteuert werden müssen. Vor allem ist dann die Spannungsfestigkeit
der gesperrten Sicherung besonders hoch, wann die Sicherung, z.B. zusammen mit geschützten
Teilen der Schaltungsanordnung, in Halbleiterinseln auf einen Isolierkörper,z.B.
Saphier, als Substrat in integrierter Technik aufgebracht wird, wie oben bereits
angegeben wurde.
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Die Diodeneinheits-Zweipole DE können, wie bereits weitgehend erläutert,
für sich auch durch eine Serienschaltung von einzelnen Gliedern gebildet werden,
vor allem um die Spannungsfestigkeit der beim Abtrennen sperrenden Zweipole zu erhöhen.
Fig. 4 zeigt Dioden als solche in Serie geschaltete Glieder und Fig. 5 als Dioden
ausgenutzte, zwischen Basis und Emitter kurzgeschlossene Hochspannungstransistoren
als solche in Serie geschaltete Glieder, die für Nutzströme In1P der ersten Polarität
leitend und, in diesen besonderem Ausführungsbeispiel, für alle Ströme der zweiten
Polarität wenigstens weitgehend sperrend sind.
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Die Überstromsicherungs-Zweipole US können, wie ebenfalls weitgehend
erläutert, für sich ebenfalls durch eine Serienschaltung von einzelnen Gliedern
gebildet werden, vor allem um die Spannungsfestigkeit der beim Abtrennen sperrenden
Zweipole zu erhöhen. Fig. 6 zeigt eine Variante und Fig. 7 eine zweite für Nutströme
besonders verlustarme Variante von in Serie geschalteten einzelnen Gliedern, die
jeweils den bei Überströmen die eigentliche Abtrennung bewirkenden Haupttransistor
HT,und einen den Haupttransistor HT steuernden Steuertransistor ST enthalten, vgl.
auch DE-OS 20 27 310, Fig. 2 und
Siemens Baut.-Inf. 6 (19O8) H.
4, S. 106 bis 108, insbesondere Bild 1 und 3. Diese Überstromsicherungsglieder und
damit der ganze Zweipol US ist für Nutzströme In1P der ersten Polarität gut, für
einen Grenzwert überschreitende Ströme der ersten Polarität aber schlecht leitend
oder nichtleitend, also wenigstens weitgehend nichtleitend.
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In den Figuren 6 und 7 sind noch Dioden DR eingezeichnet, die den
Zweipol US bzw. seine einzelnen Glieder für Ströme der zweiten Polarität gut leitend
überbrücken.
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Solche Überbrückungen enthaltende Zweipole sind also nur für Uberströme
der ersten Polarität, deren Werte den betreffenden Grenzwert überschreiten, wenigstens
weitgehend nichtleitend, für alle anderen Ströme aber gut leitend.
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Falls die Nutzströme selbst beide Polaritäten aufweisen können, z.3.
weil es sich um bipolare Rufströme für die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Teilnehmerstationen
TS handelt, dann sollte der verwendete Überstromsicherungszweipol für die Nutzströme
beider Polaritäten gut leitend sein und daher z.3. als die uberbrückungen DR aufweisende
Zweipole US aufgebaut sein.
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In diesem Falle sollte auch der Aufbau des Diodeneinheit-Zweipols
DE modifiziert werden: dieser sollte nämlich ebenfalls für die Nutzströme zweiter
Polarität gut leitend sein und nur für überströmte der zweiten Polarität, deren
Wert einen bestimmten Grenzwert überschreitet, schlecht bzw. nicht mehr leitend
sein. In diesem modifizierten Fall sollte also die Diodeneinheit wie eine Überstromsicherung
aufgebaut sein, die für die Nutzströme beider Polaritäten gut durchlässig ist, aber
für jene überströmte der zweiten Polarität
- zumindest weitgehend
- undurchlässig sein. In diesem modifizierten Fall kann also die Diodeneinheit DE
z.B.
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einen Aufbau ähnlich wie jene die Überbrücken DR aufweisenden Zweipole
US in Fig. 6 und 7 aufweisen, mit dem Unterschied, daß in der Diodeneinheit entweder
alle p-Schichten durch n-Schichten und alle n-Schichten durch p-Schichten ersetzt
sind, oder daß z.B., ohne Änderung der Schichtendotierung oder des aufbaus des Zweipole,
der Nutzstrom In1P der ersten Polarität zwar in dem Überstromsicherungs-Zweipol
US die in Fig. 6 und 7 gezeigte Richtung hat, daß aber in dem z.3. völlig gleich
wie in Fig. 6 und 7 aufgebauten Diodeneinheits-Zweipol DE der Nutzstrom In1P der
ersten Polarität die entgegengesetzte Richtung hat, also entgegengesetzt zu der
in den Fig. 6 und 7 gezeigten Richtung. Diese modifizierte Sicherung ist in diesem
zuletzt genannten Fall für Nutzströme beider Polaritäten gtit leitend, solange deren
Werte jeweils unter dem für beide Polaritäten gleich großen Grenzwert liegen. Der
Fachmann ist aber aufgrund seines Fachwissens fähig, Im modifizierten Fall bei Bedarf
auch unterschiedliche Grenzwerte für die zwei Polaritäten zu wählen und den Aufbau
bzw. die Dimensionierung der verwendeten Zweipole entsprechend zu wählen.
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Alle in den Figuren S bis 7 gezeigten Zweipole gehen übrigens nach
den Verschwinden der Störspannung auf der Leitungsader selbsttätig sofort wieder
vom sterrenden in ihren leitenden Zustand ube.. Es ist daher unnötig, nach dem Abtrennen
die Sicherungen auszuwechseln.
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5 Patentansprüche 7 Figuren