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Leitungsverstärker mit einer Schaltungsanordnung zum
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Ubersnannuns s chutz Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitungsverstärker,
insbesondere für TF- oder HF-Ubertragungseinrichtungen, mit einer Schaltungsanordnung
zum Uberspannungsschutz, die wenigstens eine parallel zum Ubertragungsweg liegende
Schutzschaltung enthält.
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Ein derartiger Leitungsverstärker ist bereits aus der DE-PS 1 276
742 bekannt.
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Der Überspannungsschutz von TF-Streckenverstärkern besteht in der
Regel aus einem vorgeschalteten Grobschutz aus Uberspannungsableitern relativ hoher
Belastungsfähigkeit und einem nachgeschaltetem Feinschutz aus Halbleiterelementen
relativ geringer Belastungsfähigkeit.
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Bei TF-Verstärkern hoher oberer Grenzfrequenz kann die Uberlastungsgrenze
der Ausgangstransistoren sehr gering sein. Bei Ausgangstransistoren dieser Art ist
sowohl die
zu den Transistoren weitergeleitete Uberspannung als
auch das Spannungszeitintegral, d.h. die Energie des Überspannungsimpulses zu begrenzen.
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Die Restspannung der vorgeschalteten Uberspannungsablei ter kann etwa
30mal hoher als für die Transistoren zulässig sein, so daß der Feinschutz aus Halbleiterelementen
hoc + irksam sein muß. Die Begrenzungsschaltung muß ferner sehr schnell ansprechen,
da auch bei steilen Spannungssprüngen, wie sie vom Uberspannungsableiter erzeugt
werden, die vorgegebenen Spannungsgrenzen nicht überschritten werden dürfen.
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Die an den Feinschutz gestellten Anforderungen können normalerweise
nur durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Feinschutzglieder über Längszwischenglieder
erreicht werden.
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Besondere Schwierigkeiten können sich dann ergeben, wenn die für die
zu schützenden Transistoren zulässige Spannung nur wenig über der Nutzsignalspannung
liegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art derart auszubilden, daß die Ansprechschwelle der Uberspannungsschutzeinrichtung
nur wenig über dem Nutzspannungspegel liegt und nach Ansprechen der Überspannungsschutzeinrichtung
während des Beeinflussungsvorgangs die Restspannung unter die Signalspannung absinkt.
Insbesondere sollen auch steile Überspannungsflanken auf hinreichend kleine. Spannungen
begrenzt werden. Nach dem Ansprechen soll die Schutzeinrichtung sicher löschen und
die Ubertragungseigenschaften des Leitungsverstärkers sollen möglichst nicht beeinflußt
werden.
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Gemäß der Erfindung wird der Leitungsverstärker zur Lösung dieser
Aufgabe derart ausgebildet, daß die Schutzschaltung oder wenigstens eine der Schutzschaltungen
eine parallel zum Signalübertragungsweg liegende Serienschaltung aus einer Diode
und der Anoden-Kathoden-Strecke eines Thyristors enthält, und daß dem Thyristor
eine Serienschaltung aus einem Widerstand und einer Z-Diode parallel geschaltet
ist und daß die Steuerelektrode des Thyristors mit dem Verbindungspunkt zwischen
Widerstand und Z-Diode verbunden ist und daß die Diode durch eine Vorspannung in
Sperrichtung vorgespannt ist.
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Durch diese Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise ein besonders
wirksamer Schutz bei langen Impulsspannungen.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Sieht man zusätzlich wenigstens eine weitere Schutzschaltung, bestehend
aus einer Z-Diode und einer dazu mit entgegengesetzter Polung in Serie geschaltete
Diode parallel zum Übertragungsweg vor, so ergibt sich der besondere Vorteil, daß
sich die Schutzschaltungen hinsichtlich Belastbarkeit und schnellem Ansprechen in
besonderem Maße gegenseitig ergänzen.
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Die Erfindung wird anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Energiebegrenzung bei
einem TF- oder HF-Leitungsverstärker, der seinerseits nicht näher dargestellt ist.
Diese Schaltungsanordnung dient dazu, Uberlastungen, die z.3. durch Blitzimpuls
hervorgerufen werden, sowohl in ihrer
Amplitude als auch in ihrer
Energie zu begrenzen.
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Der gasgeflillte Uberspannungsableiter 6, der durch weitere Uberspannungsableiter
ergänzt sein kann, ist auf der einen Seite unmittelbar an den Innenleiter a, auf
der anderen Seite über den Kondensator 95 an den Außenleiter b des Kabels angeschlossen.
Auf den Uberspannungsableiter 6 folgt der Ubertrager 72. Der mit dem Kondensator
95 verbundene Fußpunkt der Sekundärwicklung des Ubertragers 72 führt zum Fernspeisezweig
F des für Gleichstromreihenspeisung eingerichteten Verstärkers.
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Der Ubertrager 72 dient zur Spannungsbegrenzungund ist so bemessen,
daß er im Uberspannungsfall in die Sättigung gesteuert wird.
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Zwischen der Primärwicklung des Übertragers 72 und der Sekundärwicklung
des zu Anpassungszwecken vorgesehenen Cbertragers 71 liegen die Schutzschaltungen
1 ... 4 parallel zum Signalübertragungsweg. Der gemeinsame FuB-punkt der Schutzschaltungen
1 ... 4 liegt beim ¢bertrager 71 am gemeinsamen Fußpunkt der beiden Wicklungen und
beim Ubertrager 72 an einem Anschluß der Primärwicklung, der über einen zur Erhöhung
der Nebensprechdämpfung vorgesehenen Kondensator 94 mit dem Fußpunkt der Sekundärwicklung
verbunden ist.
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Die Schutzschaltungen 1 und 2 sowie die Schaltungen 3 und 4 sind jeweils
unmittelbar parallel geschaltet. Zwischen den beiden Paaren von Schutzschaltungen
1 und 2 bzw.
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3 und 4 ist in der einen Ader des Signalübertragungsweges eine Impedanz
eingefügt. Diese Impedanz ist durch eine Drossel 73 mit Ferrit-Abgleichkern gebildet,
kann Jedoch z.B. ein ohmscher Widerstand sein. Außerdem ist in der genannten Ader
des Signalübertragungsweges
zwischen den Schutzschaltungen 3 und
4 und dem Ubertrager 72 der Kondensator 5 eingefügt.
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Der Kondensator 5 und die Drossel 73 dienen jeweils zur weiteren Verbesserung
der Energiebegrenzung.
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An den gemeinsamen Fußpunkt der Schutzschaltungen ist eine Vorspannungsquelle
angeschlossen, die die Vorspannung Uv liefert. An diese Vorspannung Uv ist ein aus
den Widersiänden 81 ... 83 bestehender Spannungsteiler angeschlossen, an dessen
Abgriffen die Vorspannung Uv1 2 für die Schutzschaltungen 1 und 2 und die Vorspannung
Uv3,4 für die Schutzschaltungen 3 und 4 zur VerfU-gung stehen.
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Die Schutzschaltung 1, die parallel zum Übertragungsweg angeordnet
ist, besteht aus der Z-Diode 12 und der dazu in Reihe liegenden sehr schnellen Schaltdiode
11. Die weitere Schutzschaltung 2 besteht aus einer Serienschaltung, aus der Z-Diode
22 und der Schaltdiode 21.
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Die beiden Dioden sind dabei so gepolt, daß bei der einen Schutzschaltung
1 die Anoden der Dioden 11 und 12, bei der anderen Schutzschaltung 2 die Kathoden
der Dioden 21 und 22 miteinander verbunden sind. Daher ist die Schutzschaltung 2
der ersten Schutzschaltung 1 mit umgekehrter Polarität parallel geschaltet, so daß
eine Uberspannungsbegrenzung für beide Spannungspolaritäten gewährleistet ist.
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Die Dioden 11 und 21 sind durch die Vorspannung Uv1,2 über den Widerstand
91 bzw. 92 in Sperrichtung vorgespannt.
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Infolge der Serienschaltung der Z-Diode mit der Schaltdiode ist die
Parallelkapazität der parallel zum Uber-
tragungsweg liegenden Z-Diodenschaltung
1 bzw. 2 Jeweils so gering, daß die Klirr- bzw. Ubertragungseigenschaften des Verstärkers
durch Einfügen der Schutzschaltung nicht merklich verschlechtert werden.
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Der Zweck der Z-Diodenschutzschaltung ist, ein möglichst schnelles
Ansprechen und Begrenzen der Uberspannungen bei schnellen Spannungssprüngen in der
Anstiegsphase der Uberspannungsimpulse zu erreichen. Da eine Z-Diode, deren Anschlußdrähte
kurz sind, in wenigen Nanosekunden schon leitend wird, wird die Funktion des schnellen
Ansprechens zweckmäßigerweise von einer derartigen Z-Diode erfüllt. Zusätzlich ist
es zweckmäßig, daß auch die Schaltdioden 11, 21 eine ähnlich kurze Reaktionszeit
besitzen.
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Die Z-Diodenbegrenzerschaltungen 1 und 2 werden bei langen Impuls
spannungen durch die beiden stark belastbaren Begrenzungsschaltungen 3 und 4 entlastet.
Diese nachfolgenden Begrenzungsschaltungen 3 und 4 bestehen Jeweils aus einem als
elektronischer Schalter dienenden Thyristor 32 bzw. 41, dessen Anoden-Kathoden-Strecke
zur Verkleinerung der parallel zum Ubertragungsweg liegenden Kapazität mit einer
Schaltdiode 31 bzw. 41 in Serie geschaltet ist. Thyristor und Dioden sind jeweils
mit gleicher Polung in Serie geschaltet. Beide Schutzschaltungen 3 und 4 sind mit
einander entgegengesetzter Polung parallel geschaltet. Die Diode 31 bzw. 41 ist
jeweils mittels der Vorspannung Um3,4 in Sperrichtung vorgespannt.
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Die Thyristorschaltung 3 bzw. 4 ist daher so ausgebildet, daß das
Ubertragungsverhalten des Verstärkers nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere steigt
das Klirren des Verstärkers nicht an. Dies wird u.a. erreicht
1)
durch Verkleinerung der Parallelkapazität zum Uber tragungsweg, d.h. durch Serienschaltung
einer Schaltdiode 31 bzw. 41 zum Thyristor, 2) durch Vorspannen des Thyristors 32
bzw. 42 und der Schaltdiode 31, 41 in Sperrichtung, so daß die Parallelkapazität
sowohl verkleinert als auch linearisiert wird.
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Der Thyristor 32, 42 wird jeweils huber eine Z-Diode 33 bzw. 43, die
mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist, angesteuert bzw. gezündet.
Diese Z-Diode 33 bzw. 43 ist jeweils mit ihrer Anode an die Steuerelektrode und
mit ihrer Kathode an die Anode des zugehörigen Thyristors 32 bzw. 42 angeschlossen.
Zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors 32 bzw. 42 liegt Jeweils
ein Widerstand 34 bzw. 44.
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Da die Z-Dioden eine sehr geringe Reaktionszeit besitzen, werden die
Thyristoren 32, 42 besonders schnell gezündet.
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Die Zenerspannung der Z-Diode bestimmt jeweils die Ansprechspannung
des Thyristors 32 bzw. 42. Die Zenerspannung der Z-Dioden 33 und 43 ist kleiner
als die Zenerspannung der Z-Dioden 11 und 21 in den vorgeschalteten Schutzschaltungen
1 und 2, da,andernfalls die den Thyristoren 32 und 42 parallel liegende Z-Diode
12 bzw.
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22 das Zünden des Thyristors 32, 42 verhindern könnte.
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Die zur Verminderung der Parallelkapazität Jeweils zum Thyristor 32,
42 in Serie geschaltete Schaltdiode 31, 41 ist zweckmäßigerweise sowohl in der Belastbarkeit
als auch in der Ansprechzeit dem Thyristor 32 bzw. 42 angepaßt. Bei der Auswahl
des Thyristors 32 bzw. 42 ist zu beachten, daß der Zündverzug, d.h. die Ansprechzeit
des Thyristors 32 bzw. 42 so gering wie möglich sein soll. Die Belastbarkeit des
Thyristors 32 bzw. 42 ist
den im Überlastungsfall zu erwartenden
nberströmen anzupassen.
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Nach dem Zünden des Thyristors 32 bzw. 42 sinkt die Überspannung auf
die Brennspannung des Thyristors 32 bzw. 42 bzw.
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auf ca. 1 V ab. Die gesamte Restspannung an der Serienschaltung des
Thyristors 32 bzw. 42 und der Schaltdiode 31 bzw. 41 bewegt sich dann in der Größenordnung
von 2 V. Da bei diesen geringen Begrenzungsspannungen die nachfolgende Z-Diodenbegrenzungsschaltung
1 bzw. 2 stromlos wird, wird diese entlastet und der gesamte überstrom fließt über
die Thyristorschaltung 3 bzw. 4 ab.
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Wegen der geringen Begrenzungsspannungen ist der Energieumsatz im
Thyristor 32, 42 gering, so daß eine hohe Uberlastungssicherheit gegeben ist.
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Das Zusammenwirken der Z-Diodenschaltung mit der Thyristorschaltung
ergibt eine besonders wirksame Begrenzung der zu den aktiven Elementen des Verstärkers
weitergeleiteten Restenergie. Während der Anstiegsphasen des Ubergangsimpulses ist
in erster Linie die Z-Diodenschutzschaltung 1 bzw. 2 wegen ihrer Schnelligkeit wirksam.
Nach dem Zünden des Thyristors 33 bzw. 43 wird die Hauptenergie des Uberspannungsimpulses
über die Thyristorschaltung 3 bzw. 4 abgeleitet. Die Z-Diodenschutzschaltung 1 bzw.
2 ist also nur bis zum Zünden des Thyristors 32 bzw. 42 wirksam.
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Außerdem ist sichergestellt, daß der stromführende Thyristor beim
Ausklingen des Impulses löscht. Die Löscheigenschaften des Thyristors 32 bzw. 42
werden von der maximalen Amplitude der anliegenden Nutzwechselspannung bestimmt.
Das Löschen des Thyristors 32 bzw. 42 Nutzsignalbei maximaler/Aussteuerung des Thyristors
32 bzw. 42
wird durch Parallelschalten des Kondensators 35 bzw.
45 parallel zum Thyristor 32 bzw. 42 erreicht. Der Parallelkondensator verschlechtert
die Ubertragungseigenschaften des Verstärkers nicht, da in Serie zum Thyristor 32
bzw.
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42 die Schaltdiode 31, 41 liegt, die wegen ihrer Vorspannung eine
sehr geringe Kapazität besitzt. Die Größe der Löschkapazität bzw. Kapazität des
Kondensators 35, 45 wird zweckmäßigerweise für Jeden speziellen Fall einzeln festgelegt,
da diese sowohl von den Eigenschaften des Thyristors 32 bzw. 42 als auch von der
maximalen N tzspannung abhängt.
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In Verbindung mit der Diode 31, 41 erhöht der Löschkondensator 35,
45 in vorteilhafter Weise die Reaktionsgeschwindigkeit der Gesamtanordnung. Der
Löschkondensator 35 bzw. 45 ist zweckmäßigerweise möglichst induktivitätsarm und
wird mit möglichst kurzen Drähten angeschlossen.
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Der Thyristor 32 bzw. 42 schließt im Uberspannungsfall den Ubertragungsweg
möglichst niederohmig kurz und wird nach dem Ende der Beeinflussung wieder hochohmig,
so daß die Nutzsignalübertragung ungestört möglich ist.
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Das Löschverhalten wird günstig beeinflußt, wenn die Vorspannung Uv
wie in der Figur dargestellt, nicht an der Diode 31 bzw. 41 selbst, sondern an der
Steuerelektrode des zugehörigen Thyristors 32 bzw. 42 angelegt wird. Die Vorspannung
Uv3,4 ist daher über die Widerstände 93 und 94 an die Steuerelektroden geführt.
Die Vorspannung Uv1,2 bzw. Um3,4 ist Jeweils kleiner als die Zenerspannung der in
der betreffenden Schutzschaltung enthaltenen Z-Diode 9 Patentansprüche 1 Figur