DE2844007B2

DE2844007B2 - Leitungsverstärker mit einer Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz

Info

Publication number: DE2844007B2
Application number: DE19782844007
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Peter 8000 München Bartenstein; Erwin Dipl.-Ing. 8014 Neubiberg Popp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-10-09
Filing date: 1978-10-09
Publication date: 1981-05-07
Also published as: DE2844007C3; DE2844007A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitungsverstärker, insbesondere für TF- oder HF-Übertragungseinrichtungen, mit einer Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz, die wenigstens eine parallel zum Übertragungsweg liegende Schutzschaltung enthält.

Ein derartiger Leitungsverstärker ist bereits aus der DE-PS 12 76 742 bekannt

Der Überspannungsschutz von TF-Streckenverstärkern besteht in der Regel aus einem vorgeschalteten Grobschutz aus Überspannungsableitern relativ hoher Belastungsfähigkeit und einem nachgeschaltetem Feinschutz aus Halbleiterelementen relativ geringer Belastungsfähigkeit

Bei TF-Verstärkern hoher oberer Grenzfrequenz kann die Überlastungsgrenze der Ausgangstransistoren sehr gering sein. Bei Ausgangstransistoren dieser Art ist sowohl die zu den Transistoren weitergeleitete Überspannung als auch das Spannungszeitintegral, d. h. die Energie des Überspannungsimpulses zu begrenzen.

Die Restspannung der vorgeschalteten Überspannungsableiter kann etwa 30mal höher als für die Transistoren zulässig sein, so daß der Feinschutz aus Halbleiterelementen hoch wirksam sein muß. Die Begrenzungäschaltung muß ferner sehr schnell ansprechen, da auch bei steilen Spannungssprüngen, wie sie vom Überspannungsableiter erzeugt werden, die vorgegebenen Spannungsgrenzen nicht überschritten werden dürfen.

Die an den Feinschutz gestellten Anforderungen können normalerweise nur durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Feinschutzglieder über Längszwischenglieder erreicht werden.

Besondere Schwierigkeiten können sich dann ergeben, wenn die für die zu schützenden Transistoren zulässige Spannung nur wenig über der Nutzsignalspannung liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Ansprechschwelle der Überspannungsschutzeinrichtung nur wenig über dem Nutzspannungspegel liegt und nach Ansprechen der Überspannungsschutzeinrichtung während des Beeinflussungsvorgangs die Restspanrung 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 Übertragungseigenschaften des Leitungsverstärkers sollen möglichst nicht beeinflußt werden.

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.

Durch diese Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise ein besonders wirksamer Schutz bei langen Impulsspannungen.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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 MaBe gegenseitig ergänzen.

Die Erfindung wird anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erliutert

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Energiebegrenzung bei einem TF- oder H F-Leitungsverstärker, der seinerseits nicht näher dargestellt ist. Diese Schaltungsanordnung dient dazu, Überlastungen, die z.B. durch Blitzimpuls hervorgerufen werden, sowohl in ihrer Amplitude als auch in ihrer Energie zu begrenzen.

Der gasgefüllte Überspannungsableiter 6, der durch weitere Überspannungsableiter 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 Überspannungsableiter 6 folgt der Übertrager 72. Der mit dem Kondensator 95 verbundene Fußpunkt der Sekundärwicklung des Übertragers 72 Tührt zum Fernspeisezweig F des für Gleichstromreihenspeisung eingerichteten Verstärkers.

Der Übertrager 72 dient zur Spannungsbegrenzung und ist so bemessen, daß er im Überspannungsfall in die Sättigung gesteuert wird.

Zwischen der Primärwicklung des Übertragers 72 und der Sekundärwicklung des zu Anpassungszwecken vorgesehenen Übertragers 71 liegen die Schutrschaltungen 1... 4 parallel zum Signalübertragungsweg. Der gemeinsame Fußpunkt der Schutzschaltungen 1 ... 4 liegt beim Übertrager 71 am gemeinsamen Fußpunkt der beiden Wicklungen und beim Übertrager 72 an einem Anschluß der Primärwicklung, der über einen zur Erhöhung der Nebensprechdämpfung vorgesehenen Kondensator 94 mit dem Fußpunkt der Sekundärwicklung verbunden ist.

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. 3 und 4 ist in der einen Ader des *o 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 zwi- *5 sehen den Schutzschaltungen 3 und 4 und dem Übertrager 72 der Kondensator 5 eingefügt.

Der Kondensator 5 und die Drossel 73 dienen jeweils zur weiteren Verbesserung der Energiebegrenzung.

An den gemeinsamen Fußpunkt der Schutzschaltungen ist eine Vorspannungsquelle angeschlossen, die die Vorspannung U_v liefert. An diese Vorspannung U_v\st ein aus den Widerständen 81 ... 83 bestehender Spannungsteiler angeschlossen, an dessen Abgriffen die Vorspannung U,u für die Schutzschaltungen 1 und 2 und die Vorspannung £/„3,4 für die Schutzschaltungen 3 und 4 zur Verfügung stehen.

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. 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 Überspannungsbegrenzung für beide Spannungspolaritäten gewährleistet ist

Die Dioden 11 und 21 sind durch die Vorspannung Uru über den Widerstand 91 bzw. 92 in Sperrichtung vorgespannt

Infolge der Serienschaltung der Z-Diode mit der Schaltdiode ist die Parallelkapazität der parallel zum Übertragungsweg liegenden Z-Diodenschaltung 1 bzw. 2 jeweils so gering, daß die Klirr- bzw. Ütertragungseigenschaften des Verstärkers durch Einfügen der Schutzschaltung nicht merklich verschlechtert werden.

Der Zweck der Z-Diodenschutzschaltung ist ein möglichst schnelles Ansprechen und Begrenzen der Überspannungen bei schnellen Spannungssprüngen in der Anstiegsphase der Überspannungsimpulse 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.

Die Z-Diodenbegrenzerschaltungen 1 und 2 werden bei langen Impulsspannungen durch die beiden stark belastbaren Begrenzungsschaltungen 3 und 4 entlasiet 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 Übertragungsweg liegenden Kapazitäten mit einer Schaltdiode 3t 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 {Λ3.4 in Sperrichtung vorgespannt.

Die Thyristorschaltung 3 bzw. 4 ist daher so ausgebildet, daß das Übertragungsverhalten des Verstärkers nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere steigt das Klirren des Verstärkers nicht an. Dies wird u. a. erreicht

1) durch Verkleinerung der Parallelkapazität zum Übertragungsweg, 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.

Der Thyristor 32, 42 wird jeweils über 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.

Da die Z-Dioden eine sehr geringe Reaktionszeit besitzen, werden die Thyristoren 32, 42 besonders schnell gezündet

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 ^ie den Thyristoren 32 und 42 parallel liegende Z-Diode 12 bzw. 22 das Zünden des Thyristors 32, 42 verhindern könnte.

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 Oberströmen anzupassen.

Nach dem Zünden des Thyristors 32 bzw. 42 sinkt die Überspannung auf die Brennspannung des Thyristors 32 bzw. 42 bzw. 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.

Wegen der geringen Begrenzungsspannungen ist der Energieumsatz im Thyristor 32, 42 gering, so daß eine hohe Überlastungssicherheit gegeben ist.

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 Übergangsimpulses 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 Überspannungsimpulses 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.

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 bei maximaler Nutzsignal-Aussteuerung des Thyristors 32 bzw. 42 wird durch Parallelschalten des Kondensators 35 bzw. 4.5 parallel zum Thyristor 32 bzw. 42 erreicht. Der Parallelkondensator verschlechtert die ÜbeH-arnngseigenschaften des Verstärkers nicht, da in Serie zum Thyristor 32 bzw. 42 die Schaltdiode 31, 41 liegt, die wegen ihrer Vorspannung eine sehr geringe

ίο 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 Nutzspannung

to abhängt.

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

2(i möglichst induktivitätsarm und wird mit möglichst kurzen Drähten angeschlossen.

Der Thyristor 32 bzw. 42 schließt im Überspannungsfall den Übertragungsweg möglichst niederohmig kurz und wird nach dem Ende der Beeinflussung wieder hochohmig, so daß die Nutzsignalübertragung ungestört möglich ist.

Das Löschverhalten wird günstig beeinflußt, wenn die Vorspannung U₁ 3.4. wie in der Figur dargestellt, nicht an der Diode 31 bzw. 41 selbst, sondern an der

J» Steuerelektrode des zugehörigen Thyristors 32 bzw. 42 angelegt wird. Die Vorspannung U_v 34 ist daher über die Widerstände 93 und 94 an die Steuerelektroden geführt. Die Vorspannung U_x u bzw. U, 3.4 ist jeweils kleiner als die Zenerspannung der in der betreffenden Schutzschal-

'"' tung enthaltenen Z-Diode.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leitungsverstärker, insbesondere für TF- oder HF-Übertragungseinrichtungen, mit einer Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz, die wenigstens eine parallel zum Übertragungsweg liegende Schutzschaltung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung oder wenigstens eine der Schutzschaltungen (1 bis 4) eine ι ο parallel zum Signalübertragungsweg liegende Serienschaltung aus einer Diode (31, 41) und der Anoden-Kathoden-Strecke eines Thyristors (32, 43) enthält, und daß dem Thyristor (32, 42) eine Serienschaltung aus einem Widerstand (34, 44) und ι5 einer Z-Diode (33,43) parallel geschaltet ist und daß die Steuerelektrode des Thyristors (32, 42) mit dem Verbindungspunkt zwischen Widerstand (34,44) und Z-Diode (33, 43) verbunden ist und daß die Diode (31, 41) durch eine Vorspannung (U_v3A) in Sperrichtung vorgespannt ist.

2. Leitungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt zwischen Widerstand (34, 44) und Z-Diode (33, 43) an eine Vorspannungsquelle (U_n 81... 83) angeschlossen ist.

3. Leitungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors (32, 42) ein Kondensator (35, 45) parallel geschaltet ist.

4. Leitungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Schutzschaltung (1, 2), bestehend aus einer Z-Diode (12,22) und einer dazu mit entgegengesetzter Polung in Serie geschaltete Diode (11, 21) parallel zum Übertragungsweg geschaltet ist und daß die Diode (11, 21) in Sperrichtung vorgespannt ist.

5. Leitungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltungen (1... 4) unmittelbar parallel geschaltet sind.

6. Leitungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalübertragungsweg zwischen wenigstens einer Z-Dioden-Schutzschaltung (1, 2) und wenigstens einer Thyristor-Schutzschaltung (3, 4) eine Impedanz (Drossel 73) angeordnet ist.

7. Leitungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Schutzschaltungen (1... 4) ein Kondensator (5) vorgeschaltet ist.

8. Leitungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß leitungsseitig wenigstens ein Überspannungsableiter (6) vorgesehen ist.

9. Leitungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schutzschaltungen (1... 4) und der Leitung, insbesondere zwischen den Schutzschaltungen und dem leitungsseitigen Überspannungsableiter (6), ein Übertrager (72) vorgesehen ist, der im Überspannungsfall gesättigt ist.