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Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung
insbesondereßfür Fernmelde-oder Fernsprechanlagen zum Schutz von an zweiadrigen
Signal-bzw.Sprechadern angeschlossenen Einrichtungen wie elektronische Koppelkontakte,
Sende-und Empfangseinrichtungen, usw. gegen Überspannungen, wobei aus Halbleitern
gebildete steuerbare Ableitstrecken mit jeweils zwei Anschlüssen verwendet werden,
deren Leitfähigkeit unterhalb einer bestimmten Schwellenspannung gering und oberhalb
dieser hoch ist.
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Elektronische Einrichtungen, die an Signal-oder Sprechadern angeschlossen
sind, wie beispielsweise elektronische Koppelpunkte, Sende-und Empfangseinrichtungen
für MFV-(Mehrfrequenzverfahren-) Wahl usw.
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können durch auf den Leitungen auftretende Störspannungen beschädigt
werden, besonders wenn diese Einrichtungen aus integrierten Schaltungen aufgebaut
sind.
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Die Störspannungen können sowohl symmetrisch auf den beiden Adern
auftreten, wobei diese auf der durch einen Übertrager von der zu schützenden Einrichtung
(beispielsweise Koppelpunkt) getrennten Anschlußleitung durch Ruf strom, ummernschaltimpulse,
Bremdspannungsbeeinflussung, Blitzschlag usw. erzeugt werden, als auch unsymmetrisch
durch euf nur eine Ader eingestreut durch parasitäre Effekte und Streukapazitäten
gebildet werden.
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Bestehen die zu schützenden Einrichtungen aus integrierten Schaltungen,
so können diese nur geringe Signalspannungen in der Größenordnung von wenigen Volt
verarbeiten. Uberspannungsspitzen, welche diesen Wert überschreiten, habe dagegen
bereits einen Durchbruch der Halbleitersperrschichten der integrierten Schaltungen
und damit deren Zerstörung zur Folge.
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Die Forderungen, die an eine Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung
zu stellen sind, sind mit einfachen Bausteinen wie Dioden und Zenerdioden nicht
ohne weiteres zu erfüllen, da bei normalen Signalspannungen eine möglichst geringer
Ableitstrom und damit eine niedrige Einfügungsdämpfung gefordert wird, andererseits
bei berschreiten der zulässigen Signalspannung ein ausreichender Ableitstrom zum
Abflachen der Störspannungen erzielt werden soll.
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Eine derartige Schaltungsanordnung wird bereits in der DE-OS 26 54
419 beschrieben. Dabei wird von einer steuerbaren Halbleiterstrecke ausgegangen,
die über ihre Steuerelektrode von einer Reihenschaltung mehrerer Dioden, deren eines
Ende mit der Steuerelektrode und deren anderes Ende mit einem der beiden Anschlüsse
der Halbleiterstrecke verbunden ist, oberhalb der Summenschleusenspannung der Dioden
in den leitenden Zustand steuerbar ist.
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Dem Anspruch 5 lassen sich auch Hinweise entnehmen, durch welche Maßnahmen
ein sehr scharfer Knick der Spannungsbegrenzung erzielt werden kann. Es werden
jedoch
keine Angaben darüber gemacht, wie die in der Zeichnung dargestellten Schutzschaltungen
an den Signal-oder Sprechadern anzuschließen sind. Außerdem geht aus der Beschreibung
auch nicht hervor, ob die dort erwähnten Schutzschaltungen auch zur Ableitung von
unsymmetrischen Störspannungen geeignet sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine-Schaltungsanordnung
anzugeben, welche die beschriebenen Forderungen erfüllt und auch zur Ableitung von
unsymmetrischen Störspannungen geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß -vier gleichartige
Ableitstrecken vorhanden sind, welche jeweils antiparallel paarweise mit dem einen
Anschluß je an einer Signal-oder Sprechader angeschlossen sind, während der andere
Anschluß aller Ableitstrecken an einem gemeinsamen Punkt zusammengefaßt ist.
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Der gleichartige Aufbau aller Ableitstrecken hat den Vorteil, daR
nur steuerbare Halbleiter (Transistoren) gleicher Dotierung verwendet werden, wodurch
die Ausbildung der Schaltungsanordnung als integrierte Schaltung auf einem gemeinsamen
Substrat erleichtert wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert,
welches in der Zeichnung dargestellt ist.
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Es zeigt: Fig.1 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung,
Fig.2 die Schaltungsanordnung einer Ableitstrecke und Fig.3.den Anschluß der Schaltungsanordnung
zur Spannungsbegrenzung an den Sprechadern einer Fernsprechvermittlungsanlage.
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Die in Fig.2 gezeigte Ableitstrecke wird aus den steuerbaren Halbleitern
(Transistoren) T1 und T2 gebildet, welche in Form einer bekannten Emitterfolgerschaltung
auch Darlington-Schaltung genannt miteinander verbunden sind. Die Kollektoren der
beiden Transistoren mit der Dotierung NPh sind mit dem Anschluß 1 der Ableitstrecke
A verbunden. Der Emitter des Transistor T2, dessen Basis am Emitter des Transistors
T1 angeschlossen ist,liegt am Anschluß 2 der Ableitstrecke A. Weiterhin ist mit
den Anschlüssen 1 und 2 der Ableitstrecke A eine Reihenschaltung bestehend aus den
Dioden G1 bis G3 und dem Widerstand R verbunden und zwar derart, daß die Stromrichtung
der Dioden derjenigen der beiden Transistoren (T1,T2) entspricht. Zwischen den Dioden
G2 und G3 befindet sich ein Abgriff mit Verbindung zur Basis (Ba) des Transistors
TI.
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Eine am Anschluß 1 der Ableitstrecke A anliegende positive Spannung
bewirkt keine Veränderung des hochohmigen Zustandes der Ableitstrecke A, solange
sie innerhalb der Summenschleusenspannne der Dioden D1,D2 und der Steuerstrecke
gebildet aus V Transistoren T1 ,T2 bleibt. Unter Schleusenspannung einer Diode oder
eines Transistors wird
diejenige Spannung an der Diode bzw. an der
Basis-Emitter-Strecke des Transistors verstanden, bei welcher die Diode bzw. der
Transistor leitend wird.
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Dies ist bei Silizium-Halbleitern bei einer Spanriung von etwa 0,5
Volt am PN-0bergang der Fall.
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Bei dem in Fig.2 gezeigten Schaltungsbeispisl beträgt die Summenschleusenspannung
bei vier PN-tibergängen ca. 2 Volt, d.h. unterhalb dieses Wertes bleiben die Transistoren
T1 und T2 gesperrt und oberhalb dieser Spannung werden beide in den leitenden Zustand
versetzt. Eine derartige Konfiguration ist demnach geeignet für Signalspannungen
unterhalb von 2 Volt.
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Durch die Anordnung einer entsprechenden Anzahl Dioden zwischen dem
Anschluß 1 der Ableitstrecke A und der Basis Ba des Transistors T1 läßt sich die
Schaltungsanordnung fiir beliebige Signalspannungen auslegen.
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Die Reihenschaltung der Diode G3 und des Widerstandes R dient zur
Erzeugung eines Nebenschlusses für die Transistoren T1 und T2 im Anlaufstrombereich
der Dioden G1 und G2, wodurch bei Spannungen unterhalb der Summenschleusenspannung
die Transistoren T1 und T2 mit Sicherheit gesperrt sind.
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Wenn auch bereits mit einem einzelnen Transistor anstelle der Darlington-Schaltung
der gleiche Schutzeffekt erzielt wird, so gewährleistet die letztere Anordnung jedoch
die Abführung einer wesentlich höheren Störleistung.
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Bei einer derartigen Ableitstrecke beträgt der Ableitstrom unterhalb
der Summenschleusenspannung nur wenige Mikroampere, während im leitenden Zustand
kurzzeitige Ströme in der Größenordnung von über einem Ampere abgeleitet werden
können.
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In Fig.1 wird eine aus vier Ableitstrecken gebildete Schaltungsanordnung
zur Spannungsbegrenzung gezeigt.
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Hierbei sind mit dem einen Anschluß jeweils zwei Ableitstrecen A mit
entgegengesetzter Polarität an je einer der beiden Signal-oder Sprechadern a und
b angeschlossen, während der zweite Anschluß aller vier Ableitstrecken A1 bis A4
an einem Punkt M zusammengefaßt ist..
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Steht nun zwischen den Adern a und b eine positive Spannung, so wird
diese über die Ableitstrecken Al und A4 kurzgeschlossen, bei einer negativen Spannung
werden die Ableitstrecken A2 und A3 aktiviert.
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Wird der gemeinsame Punkt M mit der Betriebserde verbunden, so werden
auch unsymmetrische Störspannungen auf den Adern a und b nach Erde abgeleitet, wobei
dann jeweils u.U. nur eine Ableitstrecke leitend wird.
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Die Verwendung der Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung zum
Scnutz eines Koppelfeldes K, welches aus elektronischen Koppelpunkten gebildet wird,
wird in Fig.3 gezeigt. Die Ein-und Ausgänge des Koppelfeldes KF sind dabei mit Obertragern
Ue abgeschlossen, um die auf den kschluß-und Verbindungsleitungen liegenden Speisespannungen
vom Koppelfeld KF fernzuhalten. Es
sei angenommen, daß mit den
Eingängen oder Zeilen die Anschlußleitungen, dargestellt durch den übertrager Uel
in der eilr.ehmeranschlußschaltung, und mit den Ausgängen oder Spalten die Verbindungsleitungen,
dargestellt durch den Ubertrager Ue2 in der Leitungsübertragung, verbunden sind.
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Die aus den Ableitstrecken A1 bis A4 gebildeten Schaltungsanordnungen
zur Spannungsbegrenzung B sind sowohl eingangsseitig (B1) als auch'ausgangsseitig
(B2) mit den Sprechadern a und b des Koppelfeldes : verbunden. Der Punkt M ist in
beiden Fällen an Erde angeschlossen. Auf diese Weise ist das Koppelfeld KF gegen
Störspannungen geschützt, die sowohl auf den hnschluß-als auch von den Verbindungsleitungen
erzeugt werden. Auch werden unsymmetrische Störspannungen, die zwischen den Übertragern
Ue1 und Ue2 auftreten, ebenfalls abgeleitet.
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wegen ihres einfachen Aufbaus und der Verwendung gleichartiger Anordnungen
für jede Ableitstrecke ist die Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung auf einem
Halbleiter-Chip leicht unterzubringen, zumal die Verlustleistung wegen des nur kurzzeitigen
Auftretens von Störspannungen gering ist.