DE3135515C2

DE3135515C2 -

Info

Publication number: DE3135515C2
Application number: DE19813135515
Authority: DE
Inventors: Roland Schaffhausen Ch Kueng
Original assignee: Zellweger Uster AG
Current assignee: Zellweger Uster AG
Priority date: 1980-11-14
Filing date: 1981-09-08
Publication date: 1988-06-09
Also published as: CH654149A5; FR2494515B1; GB2089173B; BE891001A; NL8104420A; DE3135515A1; FR2494515A1; GB2089173A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von elektrischen Geräten gegen Überspannungen, bestehend aus mindestens einem Grobschutzmittel, einem durch ein Filter gebildeten frequenzselektiven Verzögerungsglied und mindestens einem Feinschutzmittel.

In der DE-OS 29 12 415 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben, welche dazu bestimmt ist, als Schutzschaltung zwischen das jeweilige elektrische Gerät und das Netz geschaltet zu werden. Als frequenzselektives Glied ist bei der bekannten Schutzschaltung ein Tiefpaßfilter vorgesehen.

Bei diesem Anwendungsfall bereitet es keine Probleme, die zu einem frequenzselektiven Glied in Form eines Tiefpaßfilters gehörende Kapazität weitgehend beliebig zu dimensionieren, da durch die Verwendung einer Kapazität in dieser Schaltungs anordnung die Funktion des elektrischen Geräts nicht beein trächtigt wird.

Ferner besitzen die von der bekannten Schutzschaltung zu beseitigenden, bzw. vom Gerät abzuhaltenden Störspannungen Steilheiten, wie sie im Normalbetrieb beim zu schützenden Gerät nicht vorkommen. Dies bedeutet, daß man die bekannte Schutzschaltung speziell im Hinblick auf die zu erwartenden Störungen dimensionieren kann, ohne dabei gleichzeitig die Funktion des Geräts in Frage zu stellen.

Demgegenüber sind Hochfrequenzsende- oder Empfangsgeräte Störungen ganz besonderer Art ausgesetzt, welche unter Umständen sogar zu einer Zerstörung des betreffenden Geräts führen können.

Vor allem starke elektromagnetische Impulse, insbesondere solche, welche anläßlich von Nuklearexplosionen im Raum ent stehen, können noch in einem beträchtlichen Abstand vom Explosionszentrum, beispielsweise noch in Hunderten von Kilometern, für elektronische Geräte zerstörend wirken. Seit diese Effekte bekannt sind, wurde auch eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen, um solche schädliche Einflüsse abzuwehren. Sehr ausgiebig sind diese Probleme in dem Buch "EMP Radiation and Protective Techniques, a Wiley-Intersience Publication, John Wiley and Sons, New York, 1976" behandelt.

Wenn auch beispielsweise durch fachgerechte metallische Abschirmung für viele Geräte bereits ein weitgehender Schutz möglich ist, so besteht für bestimmte Gattungen von elektronischen Geräten, insbesondere Nachrichtengeräte wie Sender und Empfänger, ein bisher nur unzureichend gelöstes Problem. Sowohl ein Sender als auch ein Empfänger, beispielsweise für den Kurzwellenbereich, ist betriebsmäßig an eine Antenne oder Antennenanlage, beziehungsweise an eine Antennenzuleitung angeschlossen. Es ist offensichtlich, daß über diese im Außenraum angeordnete Antenne, beziehungsweise Antennenanlage oder Antennenzuleitung, von der Antenne oder der Zuleitung aufgenommene Impulsenergie aus dem Außenraum unmittelbar in das betreffende Gerät hineingeführt wird, so gut es im übrigen auch selbst abgeschirmt sein mag. Mindestens ein Teil der Impulsenergie liegt frequenzmäßig im Arbeitsbereich des betreffenden Senders oder Empfängers und erreicht dessen Schaltelemente über die üblichen, im Arbeitsbereich ja durch lässigen Eingangsfilter des Empfängers, beziehungsweise Aus gangsfilter des Senders.

Da der Zeitpunkt einer allfälligen Nuklearexplosion nicht voraussehbar ist, können solche Geräte auch nicht durch vorsorgliches Abschalten von der Antenne geschützt werden. Sie müssen vielmehr in der Regel dauernd einsatzbereit sein. Während des Ablaufs einer Nuklearexplosion wird zwar keine Betriebsbereitschaft verlangt, da während dieser Zeitspanne die Signalübertragungsverhältnisse ohnehin gestört sind. Unmittelbar nach Abklingen der Nuklearexplosion sollten aber die betreffenden Geräte ihre normale Funktionstüchtigkeit und -bereitschaft aufweisen.

Sowohl bei Empfängern als auch bei Sendern sind die Nutz signalpegel um viele Größenordnungen kleiner als die möglicher weise auftretenden Pegel der genannten nuklearen Störimpulse. Beispielsweise werden Empfänger dimensioniert für Empfangs signale in der Größenordnung von etwa einem Volt abwärts und militärische Kurzwellensender sind beispielsweise ausgelegt für eine Leistung bis zu einigen Kilowatt, so daß sich an üblichen Antennenimpedanzen Spannungspegel bis etwa 100 Volt ergeben.

Demgegenüber treten bei nuklearen elektromagnetischen Impulsen Feldstärken in der Größenordnung von 100 Kilovolt pro Meter und induzierte Ströme von 250 Ampere pro Meter auf. Die hierdurch zu erwartenden Störpegel liegen daher um viele Größenordnungen höher als die genannten Nutz- oder Signalpegel, für welche diese Geräte normalerweise dimensioniert sind.

Eine Eigenart der nuklearen, elektromagnetischen Impulse liegt ferner in ihrer außerordentlich hohen Flankensteilheit. So wird beispielsweise in einer Anstiegszeit von etwa 10 bis 50 Nanosekunden der Maximalwert eines solchen Impulses erreicht. Die Abklingzeit des Impulses liegt dabei in einer Größenordnung von etwa 1 Mikrosekunde.

Das Frequenzspektrum eines nuklearen elektromagnetischen Impulses erstreckt sich über einen Bereich von unter einem Megahertz bis über 100 Megahertz hinaus, wobei in einem Bereich von etwa 100 Kilohertz bis 100 Megahertz der größte Teil der Energie auftritt.

Betrachtet man beispielsweise als zu schützendes elektronisches Gerät einen militärischen Kurzwellensender oder Kurz wellenempfänger, so muß dieser beispielsweise für einen Frequenzbereich von 10 Megahertz bis 15 Megahertz ausgelegt sein.

Man erkennt also, daß der Arbeitsbereich dieses Gerätes inmitten des Spektrums des nuklearen elektromagnetischen Impulses liegt, so daß trotz allfälliger ausreichender Abschirm maßnahmen beim Gerätegehäuse über die Anschlußklemmen von der Sendeantenne beziehungsweise Empfangsantenne die elektro magnetische Impulsenergie ungehindert in das Gerät eindringen kann, da der Durchlaßbereich der eingangsseitigen Empfangsfilter beziehungsweise der ausgangsseitigen Sendefilter im Spektralbereich des elektromagnetischen Impulses liegen. Mindestens innerhalb des Arbeitsbereiches des zu schützenden Geräts, im angenommenen Fall 10 bis 15 Megahertz, muß daher mit dem Eintritt zerstörend wirkender Störenergie gerechnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, die einen zuverlässigen Schutz gegen starke elektromagnetische Impulse, insbesondere nuklearelektromagnetische Impulse, gewährleistet, und bei der sich durch die Schutzmittel keinerlei störende Verluste ergeben und gleichzeitig die Forderung nach einem rationellen und kostengünstigen Aufbau der Vorrichtung erfüllt wird.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die Anwendung zum Schutz von Hochfrequenzsende- oder Empfangsgeräten gegen Zerstörung durch starke elektromagnetische Impulse, deren Anstiegszeiten im Bereich der Nutzsignal-Anstiegszeiten liegen, wobei in der Filterstruktur vorgesehene Kapazitäten unter Berücksichtigung des im Nutzbetrieb auftretenden Sig nalverlusts dimensioniert sind.

Aufgrund dieser Ausbildung wird bei geringstem Aufwand ein äußerst zuverlässiger Schutz von hochempfindlichen Hochfrequenzsende- oder Empfangsgeräten vor ganz speziellen Störungen, nämlich vor der Einwirkung starker elektromagnetischer Impulse, deren Störspannungssteilheit praktisch gleich der Signalsteilheit der Nutzsignale ist, gewährleistet. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei unter anderem, daß überhaupt die Verwendung von Kapazitäten in Betracht gezogen wird und diese Kapazitäten dann so dimensioniert werden, daß der aus der Schutzelementkapazität resultierende Störeffekt nutzbringend eliminiert werden kann.

Zur wirksamen Begrenzung der Zufuhr gefährlich hoher Impulsenergie werden erfindungsgemäß zwei unterschiedliche Abwehrmaßnahmen kombiniert. Als erste Maßnahme ist vorgesehen, die insgesamt von der Antenne, der Antennenanlage oder Antennen leitung aufgenommene Störimpulsenergie frequenzmäßig in verschiedene Anteile aufzuteilen und dafür zu sorgen, daß nur derjenige Störimpulsenergieanteil des breitbandigen Störimpulses, welcher im tatsächlichen Arbeitsbereich des zu schützenden Geräts, oder welcher sogar nur in einem Teilbereich dieses Arbeitsbereiches liegt, dem zu schützenden Gerät zugeführt wird, während außerhalb des genannten Bereichs oder Teilbereichs liegende Störenergieanteile reflektiert werden. Als zweite Maßnahme ergibt sich eine zeitliche Verzögerung des dem Gerät zugeführten Impulsenergieanteils, um eine optimale Zündfolge oder Ansprechfolge von Grobüberspannungsschutz und Feinüberspannungsschutz sicherzustellen.

Im Falle der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz eines Hochfrequenzsendegeräts ist vorteilhafterweise das das Verzögerungsglied bildende Filter durch das Ober wellenfilter des Hochfrequenzsendegeräts gebildet.

Eine weitergehende Begrenzung der dem zu schützenden Gerät zugeführten Störimpulsenergie kann dadurch erreicht werden, daß zweckmäßigerweise das das frequenzselektive Verzögerungsglied bildenden Filter auf Teilbereiche des Arbeitsbereichs des zu schützenden Hochfrequenzsende- oder Empfangsgerät umschaltbar ist.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 einen typischen seitlichen Verlauf der Feldstärke eines nuklearen elektromagnetischen Impulses,

Fig. 2 den Verlauf der Feldstärke als Funktion der Frequenz,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Schutz von elektrischen Geräten gegen Überspannungen,

Fig. 4 einen beispielsweisen zeitlichen Spannungsverlauf am Ausgang eines Grobschutzmittels,

Fig. 5 einen beispielsweisen zeitlichen Verlauf eines Störimpulses am Ausgang eines frequenzselektiven Verzögerungsglieds,

Fig. 6 einen Störimpuls gemäß Fig. 5, welcher durch ein Feinschutzmittel begrenzt ist,

Fig. 7 eine Struktur eines Tiefpaßfilters,

Fig. 8 eine Struktur eines Bandpaßfilters,

Fig. 9 eine Struktur eines Hochpaßfilters,

Fig. 10 eine Struktur eines Filters für ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 eine praktische Verwirklichung eines ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung,

Fig. 12 eine Struktur eines Filters für ein zweites Ausführungsbeispiels der Vorrichtung, und

Fig. 13 eine praktische Verwirklichung eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Die Fig. 1 zeigt ein typischen zeitlichen Verlauf der Feldstärke eines nuklearen elektromagnetischen Impulses. In einer sehr kurzen Anstiegszeit von 10 bis 50 Nanosekunden erreicht die Feldstärke ihr Maximum. Etwa innerhalb 1 Mikrosekunde klingt der nukleare elektromagnetische Impuls wieder ab.

Die Fig. 2 zeigt den Verlauf der Feldstärke F eines nuklearen elektromagnetischen Impulses in Funktion der Frequenz. Der Hauptenergieinhalt liegt etwa im Bereich von 0,1 bis 100 MHz. In Fig. 2 ist die Durchlaßcharakteristik D eines frequenz selektiven Verzögerungsgliedes V (In Fig. 2 nichtgezeichnet) mit einer strichpunktierten Linie eingezeichnet. Das Verzögerungs glied V hat dabei vorteilhaft eine Durchlaßcharakteristik D, welche dem Arbeitsbereich B des zu schützenden Gerätes, oder einem Teilbereich desselben, angepaßt ist. Durch die Durchlaßcharakteristik D dieses Verzögerungsgliedes V wird der Gesamtbereich in einen unteren Bereich A und in einen oberen Bereich C aufgeteilt, zwischen welchem der Arbeitsbereich B des zu schützenden Gerätes liegt.

Durch die Anordnung des frequenzselektiven Verzögerungsgliedes V werden nun die im unteren Frequenzbereich A und die im oberen Frequenzbereich C liegenden Störimpulsenergieanteile reflektiert, sodaß sie vom schützenden Gerät abgehalten werden und nur ein kleinerer Anteil, nämlich derjenige, welche im Frequenzbereich B liegt, wird durchgelassen.

Liegt der Arbeitsbereich B eines zu schützenden Gerätes am unteren Ende des Störspektrums, so kann das Verzögerungsglied ein Tiefpaßfilter sein. Liegt der Arbeitsbereich hingegen am oberen Ende des Frequenzbereiches des Störspektrums, so kann ein Hochpaßfilter als Verzögerungsglied verwendet werden.

Im allgemeinen wird es sich jedoch beim frequenzselektiven Verzögerungsglied um ein Bandpaßfilter handeln. Die untere Frequenzgrenze eines solche Bandpaßfilters wird dabei vorzugsweise mit einem Toleranzfaktor von 1,5 gewählt, so daß die untere Frequenzgrenze

wird. Die obere Frequenzgrenze F₀ wird dabei gleich 1,5 × f _max gewählt, wobei f _min und f _max die Grenzfrequenzen des Arbeitsbereiches B des zu schützenden Gerätes, beziehungsweise eines Teilbereiches dieses Arbeitsbereiches, sind.

Es ist auch vorteilhaft, ein beispielsweise bei einem Sender ohnehin notwendiges Oberwellenfilter als frequenzselektives Verzögerungsglied V, kombiniert mit einem Grobüberspannungs schutz und einem Feinüberspannungsschutz auszubilden. Eine weitergehende Begrenzung der dem zu schützenden Gerätes zugeführten Störimpulsenergie kann dadurch erreicht werden, daß der Arbeitsbereich B des zu schützenden Gerätes in Teilbereiche B₁, B₂ etc. unterteilt wird und ebenso das Verzögerungsglied für diese einzelnen Teilbereiche, beispielsweise umschaltbar, ausgebildet wird.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels. Eine Antenne 1 ist an ein Grobschutzmittel 2, beispielsweise eine Funkenstrecke oder eine Gasentladungsröhre, angeschlossen. Auf dieses Grobschutzmittel 2 folgt ein frequenzselektives Verzögerungsglied V, beispielsweise ein Bandpaßfilter, welches für den Arbeitsbereich des zu schützenden Gerätes 4 ausgebildet ist. Auf dieses frequenzselektive Verzögerungsglied V folgt ein Feinschutzmittel 3, beispielsweise ein Halbleiterelement oder ein Varistor. Die ganze Schutzvorrichtung ist mit 5 bezeichnet. Auf das Feinschutzmittel 3 folgt dann das zu schützende elektronische Gerät 4, beispielsweise der Eingang eines Kurzwellenempfängers oder der Ausgang eines Kurzwellensenders.

Grobschutzmittel der genannten Art sind zwar in der Lage relativ große Energien zu verarbeiten, sie sprechen in der Regel aber erst mit einer Verzögerung von etwa 10 Nanosekunden an. Zufolge der sehr hohen Flankensteilheit der nuklearen elektromagnetischen Impulse, siehe Fig. 1, hat der Störimpuls während der Ansprechzeit bereits einen sehr hohen Wert U₁ erreicht, so daß sich ein relativ hoher, spitzer Impuls I₁ im wesentlichen nach der Ansprechzeit T _a ergibt. Nach Ansprechen des Grobschutzmittels 2 bricht die Spannung an diesem auf eine Rest- oder Brennspannung U₂ zusammen, welche vom Ansprechzeitpunkt t₁ bis zur Abklingzeit t₂ andauert. Die Fig. 4 zeigt einen beispielsweisen Spannungsverlauf am Ausgang eines Grobschutzmittels 2.

Feinschutzmittel, wie beispielsweise Halbleiterelemente und Varistoren und ähnliche Schutzelemente haben gegenüber den genannten Grobschutzmitteln den Vorteil, daß sie sofort, das heißt ohne Verzögerungszeit wirksam sind. Sie sind jedoch in der Regel nicht geeignet sehr hohe Energien zu verarbeiten. Sie sind aber befähigt, die Begrenzung von Störimpulsen auf einem wesentlich tieferen Niveau zu erreichen, als dies mit Grobschutz mitteln in der Regel der Fall ist. Sie können daher empfindliche elektronische Geräte wirksamer schützen als Grobschutzmittel allein. Es ist daher angebracht und üblich, eine Kaskadenschal tung mindestens eines Grobschutzmittels und mindestens eines Feinschutzmittels anzuwenden. Zwischen beiden Schutzmitteln kann ein Widerstand oder beispielsweise eine Induktivität vorgesehen sein.

Würde man nun ein Feinschutzmittel unmittelbar parallel oder über einen Widerstand zum Grobschutzmittel schalten, so würde durch die schnellere, beziehungsweise verzögerungsfreie Arbeits weise des Feinschutzmittels das rechtzeitige Ansprechen des Grobschutzmittels verhindert, so daß die gesamte Störenergie dem dafür nicht geeigneten Feinschutzmittel zugeführt würde. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, zwischen Grobschutzmittel 2 und Feinschutzmittel 3 ein Verzögerungsglied V einzuschalten, um einen optimalen zeitlichen Ablauf der Zündung, beziehungsweise des Ansprechens der beiden Schutzmittel zu gewährleisten.

Diese Maßnahme ist beispielsweise aus dem zitierten Buch "EMP Radiation and Protective Techniques, Kapitel 4.5 und Fig. 4.51" bekannt. Als Verzögerungsglied V wird dort ein Stück Kabel vorgeschlagen.

Obwohl diese Lösung bereits eine Verbesserung gegenüber früheren Lösungen bringt, weist sie den erheblichen Nachteil auf, daß bis zum Ansprechen des Grobschutzmittels 2 dem Feinschutzmittel die gesamte bis dahin von der Antenne aufgenommene Störenergie zugeführt wird, was sowohl für das Feinschutzmittel 3 selbst als auch für das daran angeschlossene Gerät 4 sehr nachteilig ist. Auch ist die Verzögerungslösung mit einem Kabel sehr voluminös, da einige Meter hochspannungsfestes Kabel erforderlich sind.

Es wird daher vorgeschlagen das Verzögerungsglied V frequenz selektiv zu gestalten, beispielsweise als Bandpaßfilter auszuführen. Dadurch wird erreicht, daß gemäß Fig. 2 nur noch der im Arbeitsbereich B liegende Anteil der Störenergie zum Feinschutzmittel 3 gelangt, während die in den Bereichen A und C liegenden Anteile reflektiert, also fortgeschickt, das heißt über die Antenne zurückgestrahlt werden.

Das Grobschutzmittel 2 und das Verzögerungsglied B bilden zusammen somit einen abgeschwächten verzögerten Störimpuls I₂. Hierdurch wird nicht nur das Feinschutzmittel beträchtlich entlastet, sondern es wird auch eine weit höhere Sicherheit erreicht, daß nur eine vom Feinschutzmittel 3 auch tatsächlich bewältigbare Störenergiemenge diesem zugeführt wird.

Weitere Vorteile können dadurch erreicht werden, daß die Eigenkapazität von Grobschutzmitteln 2 und Feinschutzmitteln 3 mindestens teilweise in die für die Realisierung des frequenz selektiven Verzögerungsgliedes V, das heißt des Bandpaßfilter, erforderlichen Kapazitäten miteinbezogen werden. Dabei erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, solchen Schutzelementen Dioden vorzuschalten. Insbesondere Feinschutzmittel weisen im allgemeinen nämlich meist relativ hohe Eigenkapazitäten auf, welche sie für sich allein genommen im wesentlichen nur für niederfrequente, beispielsweise tonfrequente Bereiche geeignet machen. Durch die Vorschaltung geeigneter kapazitätarmer Dioden kann dieser Nachteil für den vorliegenden Anwendungszweck behoben werden.

Die Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Störimpulses am Ausgang des frequenzselektiven Verzögerungsgliedes V. Man erkennt, daß der am Ausgang des Verzögerungsgliedes V erscheinende Impuls I₂ um die Verzögerungszeit

Δ t = t₃ - t₁

des Verzögerungsgliedes V gegenüber dem Impuls I₁ gemäß Fig. 4 verzögert erscheint und zudem ist er aufgrund der Frequenz selektivität des Verzögerungsgliedes V wesentlich weniger spitz.

Dieser wesentlich mildere und zeitlich verzögerte Impuls I₂ gemäß Fig. 5 wird durch das dem frequenzselektiven Verzögerungs glied V nachgeschaltete Feinschutzmittel 3 weiter in seiner Amplitude begrenzt, so daß am Ausgang des Feinschutzmittels 3, beziehungsweise am Ausgang der ganzen Schutzvorrichtung 5 gemäß Fig. 3, ein wesentlich energieärmerer und für das zu schützende Gerät 4 harmloser Störimpuls I₃ gemäß Fig. 6 erscheint. Die ganze Störschutzvorrichtung 5 bildet somit einen zeitlich verzögerten und stark begrenzten Störimpuls I₃, welcher unschädlich ist auch für sehr empfindliche zu schützende Geräte 4, wie beispielsweise für einen Kurzwellenempfänger oder einen Kurzwellensender und insbesondere deren Halbleiterelemente.

Außer der sehr wirksamen Verringerung der den zu schützenden Geräten in ihrem Arbeitsbereich zugeführten Energie ergeben sich zusätzliche Vorteile einer solchen Vorrichtung 5. Bei einem Sender ist es nämlich üblich, zur Vermeidung der Aus strahlung schädlicher Oberwellen des Senders ein an sich bekanntes Oberwellenfilter zwischen Sender und Antenne anzuordnen. Durch geeignete Dimensionierung kann nun ein Verzögerungsglied V gemäß vorliegender Erfindung zusätzlich die Funktion des Oberwellenfilters übernehmen, so daß sich insgesamt kaum ein Mehraufwand ergibt. Aber auch bei einem Empfänger als zu schützendem Gerät wirkt sich die Anwendung des frequenzselektiven Verzögerungsgliedes zusätzlich vorteilhaft aus, weil durch die zusätzlich vorgeschalteten Selektionsmittel beispielsweise die Spiegelfrequenzunterdrückung und/oder die Unterdrückung von auf der Zwischenfrequenz arbeitenden Sendern zusätzlich verbessert wird. Auch das Signal/Rauschverhältnis wird verbessert.

Es ist ferner zu beachten, daß beispielsweise bei einem Sender durch sein Ausgangssignal an den eine nichtlineare Charakteristik aufweisenden Feinschutzmitteln, wie beispielsweise Varistoren oder Dioden Signalverzerrungen, also Oberwellen entstehen können. Würde man nun, wie aus dem Stande der Technik bekannt, lediglich ein Stück Kabel als Verzögerungsglied V vorsehen, so würden diese Oberwellen via Verzögerungskabel schließlich auch zur Antenne gelangen und von dieser abgestrahlt. Dies ist aber im Hinblick auf die sehr strengen behördlichen Anfor derungen auf Oberwellenfreiheit von Sendersignalen unerwünscht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt also auch darin, daß nicht nur originär im Senderausgangssignal eventuell vorhandene Oberwellen, sondern gerade auch solche Oberwellen, welche erst durch das oder die Feinschutzmittel unerwünschterweise entstehen, durch das frequenzselektive Verzögerungsglied V wirksam daran gehindert werden, zur Antenne zu gelangen.

Wird die genannte Schutzvorrichtung 5 (Fig. 3) bei einem Sender angeordnet, so könnte bei hierfür ausreichenden Sendepegel nach einem, durch einen äußeren Störimpuls ausgelösten An sprechen des oder der Grobschutzmittel, beispielsweise einer Gaszelle, der Fall eintreten, daß diese nach Abklingen des Störimpulses "weiterbrennt", das heißt nicht löscht, weil die für die Aufrechterhaltung der Brennspannung (siehe Fig. 4, U₂) erforderlich Energie nun vom Sender geliefert wird. Ein solcher Zustand ist unerwünscht. Er kann aber in einfacher Weise dadurch behoben werden, daß in den Längszweig des Verzögerungs gliedes eine Sicherung, beispielsweise eine Schmelzsicherung eingefügt wird. Es ist auch möglich, eine auf den im Störfall automatisch ansprechende Überlastschaltung anzuwenden.

Gemäß der Erfindung wird das benötigte frequenzselektive Ver zögerungsglied V als Filter verwirklicht. Die Struktur und Dimensionierung eines solchen Filters wird durch die Lage des Arbeitsbereiches B des zu schützenden Gerätes 4 (siehe Fig. 3) bezüglich des Verlaufes der Feldstärke F des Störimpulses in Funktion der Frequenz (siehe Fig. 2) mitbestimmt.

Liegt der Arbeitsbereich B des zu schützenden Gerätes 4 frequenzmäßig am unteren Ende des Spektrums, beziehungsweise des Bereiches A, so kann als Filter vorzugsweise ein Tiefpaßfilter etwa von der Struktur gemäß Fig. 7 vorgesehen werden. Liegt dagegen der Arbeitsbereich B im mittleren Frequenzbereich, etwa gemäß Fig. 3, so wählt man vorzugsweise ein Bandpaßfilter mit einer Struktur etwa gemäß Fig. 8. Liegt schließlich der Arbeitsbereich B frequenzmäßig am oberen Ende des Bereiches C, siehe Fig. 2, das heißt gegen etwa 100 MHz, so wählt man vorzugsweise ein Hochpaßfilter mit einer Struktur etwa gemäß Fig. 9. n bezeichnet die Anzahl der Glieder eines Filters. 1.0 bezeichnet die normierte Last.

Filter der genannten Arten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können je nach gewünschter Struktur und Bandbreite und Dämpfung aufgrund bekannter Tabellen und Transformationsformeln dimensioniert werden. Hierzu wird verwiesen auf folgende weitere Publikationen:

6. "Handbook of Filter Synthesis,
Anatol I. Zverey
John Wiley and Sons, Inc. New York, 1967
Library of Congress Catalog Card Number 67-17 352"
und
7. "Tabellenbuch Tiefpässe,
Gerhard Pfitzmaier
Siemens AG Berlin-München, 1971"

Nachfolgend werden zwei konkrete Ausführungsbeispiele beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Filterstruktur gemäß Fig. 10, Bandpaßfilter.
Werte gemäß Literatur "6", insbesondere dort Seite 312.
Das zu schützende Gerät 4 ist ein Kurzwellenempfänger mit einem Eingangswiderstand R _e von 50 Ohm und einem Frequenzbereich (Arbeitsbereich) von 1,2 MHz bis 12 MHz. Das Filter weist 4 Glieder auf, nämlich:

Erstes Glied 5:erster Parallelschwingkreis mit Kapazität 6 und Induktivität 7; Zweites Glied 8:erster Serieschwingkreis mit Induktivität 9 und Kapazität 10; Drittes Glied 11:zweiter Parallelschwingkreis mit Kapazität 12 und Induktivität 13; Viertes Glied 14:zweiter Serieschwingkreis mit Induktivität 15 und Kapazität 16.

An die Eingangsklemmen 17 und 18 des Filters ist das zu schützende Gerät 4 mit seinen Eingangsklemmen angeschlossen. An die Ausgangsklemmen 19 und 20 ist die Antenne, Antennenanordnung oder Antennenleitung 1 angeschlossen, wodurch das als frequenz selektives Verzögerungsglied V wirkende Filter mit dem vorgesehenen Abschlußwiderstand R _a ausgangsseitig belastet ist.

Das als Bandpaßfilter aufgebaute Verzögerungsglied V dient somit nicht nur als frequenzselektives Verzögerungsglied, sondern es sorgt auch für eine korrekte elektrische Anpassung sowohl auf der Seite des zu schützenden Gerätes 4 als auch antennenseitig. Zu beachten ist nun, daß eine Filterstruktur gemäß Fig. 10 die Möglichkeit schafft, die kapazitätsbehafteten Grob- und Feinschutzmittel 2 und 3 (siehe Fig. 3) anzuwenden, ohne daß deren Eigenkapazitäten einen schädlichen Einfluß auf die hochfrequenten Eigenschaften der Schutzvorrichtung 5 (siehe Fig. 3) haben.

Für den angenommenen Arbeitsbereich 1,2 MHz bis 12 MHz ergeben sich für das anhand Fig. 10 beschriebene erste Ausführungsbeispiel folgende Werte:

1. Glied
Kapazität 6: 173 pF
Induktivität 7: 9,77 µH

2. Glied
Induktivität 9: 1.05 µH
Kapazität 10: 1,61 nF

3. Glied
Kapazität 12: 417 pF
Induktivität 13: 4,05 µH

4. Glied
Induktivität 15: 435 nH
Kapazität 16: 3,89 nF

Die Fig. 11 zeigt eine praktische Verwirklichung der Filter struktur gemäß Fig. 10. Man erkennt, daß die Kapazität des Grobschutzmittels 2 und des Feinschutzmittels 3 in die Filter struktur integriert ist. Diese Integration der Kapazität der Schutzmittel ist bei der praktischen Wahl der Kondensatoren 6* und 16* zu berücksichtigen.

Als Grobschutzmittel 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 eine Gaszelle des Typs "UC 90" der Firma Cerberus AG, Männedorf, Schweiz, vorgesehen.

Als Feinschutzmittel 3 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 ein "Surge Suppressor Typ GHV 16" der Firma General Semiconductor Ind. Inc. Arizona USA, vorgesehen.

Durch das frequenzselektive Verzögerungsglied V wird nicht nur die dem Feinschutzmittel 3 zugeführte Störenergie vermindert, sondern ein Teil dieser in Pfeilrichtung 21 eindringenden Störenergie wird in Pfeilrichtung 22 reflektiert und erhöht dadurch die am Grobschutzmittel 2 anstehende Störspannung. Dadurch spricht dieses Grobschutzmittel 2, beispielsweise eine Gaszelle, rascher als erst zum Zeitpunkt t₁, (siehe Fig. 4) an. Diese Effekte lassen sich nicht erzielen mit dem aus dem Stande der Technik bekannten Kabelstück als Verzögerungsglied. Außerdem gestattet ein Kabelstück als Verzögerungsglied keine ausreichend optimale Anpassung über einen breiten Frequenzbereich.

Zweites Ausführungsbeispiel

Filterstruktur gemäß Fig. 12, Tiefpaßfilter
Werte gemäß Literatur "7", Seite 427
Das zu schützende Gerät 4 ist ein Kurzwellensender mit einem Innenwiderstand R _i von 50 Ohm und einem Frequenzbereich von 1 bis 27 MHz.

Das Filter weist 5 Elemente auf, nämlich:

erstes Element:Kapazität 21 zweites Element:Induktivität 22 drittes Element:Kapazität 23 viertes Element:Induktivität 24 fünftes Element:Kapazität 25

An die Eingangsklemmen 26 und 27 ist das zu schützende Gerät 4, das heißt Kurzwellensender mit seinem Ausgangsklemmen angeschlossen. An die Ausgangsklemmen 28 und 29 des Filters ist die Antenne, Antennenanordnung oder Antennenleitung 1 an geschlossen. Hierdurch wird das als frequenzselektives Verzögerungs glied V wirkende Filter mit dem vorgesehenen Abschlußwiderstand R _a ausgangsseitig belastet. Das als Tiefpaßfilter aufgebaute Verzögerungsglied V dient somit nicht nur als frequenzselektives Verzögerungsglied, sondern es sorgt auch für eine korrekte elektrische Anpassung sowohl auf der Seite des zu schützenden Gerätes 4 als auch antennenseitig, und dies über einen großen Frequenzbereich. Zu beachten ist, daß auch eine Filterstruktur gemäß Fig. 12 die Möglichkeit schafft, die kapazitätsbehafteten Grob- und Feinschutzmittel 2 und 3 (siehe Fig. 3) anzuwenden, ohne daß deren Eigenkapazitäten einen schädlichen Einfluß auf die hochfrequenten Eigenschaften der Schutzvorrichtung 5 (siehe Fig. 3) haben.

Für den angenommenen Arbeitsbereich 1 bis 27 MHz ergeben sich für das anhand der Fig. 10 beschriebene zweite Ausführungsbeispiel folgende Werte:

Kapazität 21: 52 pF
Induktivität 22: 278 nH
Kapazität 23: 130 pF
Induktivität 24: 278 nH
Kapazität 25: 52 pF

Ein solches Filter weist einen vernachlässigbaren Leistungsverlust auf, beispielsweise beträgt die Dämpfung weniger als 0,0004 db und das Stehwellenverhältnis ist völlig ausreichend für den vorgesehenen Zweck.

Die Fig. 13 zeigt eine praktische Verwirklichung der Filter struktur gemäß Fig. 12. Man erkennt, daß die Kapazität des Grobschutzmittels 2 und des Feinschutzmittels 3 in die Filter struktur integriert ist. Diese Integration der Kapazität der Schutzmittel ist bei der praktischen Wahl der Kondensatoren 21* und 25* zu berücksichtigen.

Als Grobschutzmittel 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 eine Gaszelle Typ UC 470 der Firma Cerberus AG, Schweiz vorgesehen. Als Feinschutzmittel 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 eine Schaltungsanordnung von 2 Metalloxid-Varistoren Typ ERZ-C14 DK 391 der Firma Matsuhita Electric, Japan mit je zwei in Serie dazugeschalteten Dioden Typ UES 1306 der Firma Unitrode Corp. Lexington MA, USA vorgesehen. Dabei sind beim einem Metalloxid-Varistor 30 die ihm zugeordneten beiden Dioden 31 und 32 in der einen Durchlaßrichtung 33, dagegen beim anderen Metalloxid-Varistor 34 die diesem zugeordneten beiden Dioden 35 und 36 in der anderen, das heißt in der entgegengesetzten Richtung 37 durchlässig geschaltet.

Zum Schutz der Dioden 31, 32 und 35, 36 vor Spannungsdurchbruch bei allfälligem inversem Störimpuls ist zwischen den Verbindungspunkten 38 und 39 der genannten Metalloxid-Varistoren 30 und 34 je mit der Diode 31 beziehungsweise 35 ein weiterer Metalloxid-Varistor 40, beispielsweise Typ ERZ-C14 DK 751 der genannten Firma Matsuhita geschaltet. Als Kapazität 23 ist beispielsweise ein Kondensator 130 pF Typ MHG der Firma Microelectronics Ltd. Israel vorgesehen. Die Induktivitäten 22 und 24 haben je einen Wert von 278 nH.

Im Beispiel gemäß Fig. 13 hat das zu schützende Gerät 4, das heißt der genannte Kurzwellensender, einen Innenwiderstand R _i von 50 Ohm und die Antenne, beziehungsweise Antennenanordnung oder Antennenleitung 1 stellt einen Lastwiderstand R _a von eben falls 50 Ohm dar.

Um den Kurzwellensender 4 vor allfälliger Überlast zu schützen, falls das Grobschutzmittel 2, das heißt die Gaszelle durch einen Störimpuls gezündet und danach die Brennspannung U₂, siehe Fig. 4, durch das Sendesignal des Senders nach Abklingen des Störungsimpulses über den Zeitpunkt t₂ (siehe Fig. 4) aufrechterhalten würde, ist in einem Längszweig des Filters, beispielsweise in Serie zu Induktivität 24, eine Schmelzsicherung 41 geschaltet. Falls die Gaszelle 2 in der genannten Weise weiterbrennen sollte, so entstünde dadurch zwischen den Anschlußpunkten 42 und 43 praktisch ein Kurzschluß. Vom Gerät 4, das heißt vom Kurzwellensender würde dann ein starker Strom über die Induktivitäten 22 und 23 fließen, welche diese Schmelzsicherung, beispielsweise 6,3 A Typ FF 222 V der Firma Wickmann, BRD zum Durchschmelzen brächte.

Anstelle einer Schmelzsicherung 41 könnte auch eine an sich bekannte automatische Überlastsicherung mit verzögerter Wiedereinschaltvorrichtung vorgesehen werden.

In gewissen Anwendungsfällen der Erfindung wird beispielsweise eine Einrichtung benützt, bei welcher ein Kurzwellensender 4 über ein längeres, beispielsweise 50 m langes Koaxialkabel als Antennenleitung mit einem bei der entfernt aufgestellten Sendeantenne angeordneten automatischen Antennenanpassungsgerät verbunden ist. Über dieses Koaxialkabel wird dabei nicht nur die hochfrequente Sendeenergie übertragen, sondern beispielsweise auch Gleichstromenergie zum Betrieb des Antennen abstimmgerätes. Durch die genannte Schmelzsicherung 41 wird in diesem Fall bei Auftreten eines Störimpulses auch die zugehörige Gleichstromquelle des Antennenabstimmgerätes vor Überlastung geschützt.

Claims

1. Vorrichtung zum Schutz von elektrischen Geräten gegen Überspannungen, bestehend aus mindestens einem Grobschutzmittel, einem durch ein Filter gebildeten frequenzselektiven Verzögerungsglied und mindestens einem Feinschutzmittel, gekennzeichnet durch die Anwendung zum Schutz von Hochfrequenzsende- oder Empfangsgeräten (4) gegen Zerstörung durch starke elektromagnetische Impulse, deren Anstiegszeiten im Bereich der Nutzsignal-Anstiegszeiten liegen, wobei in der Filterstruktur vorgesehene Kapazitäten unter Berücksichtigung des im Nutzbetrieb auftre tenden Signalverlusts dimensioniert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das Ver zögerungsglied (V) bildende Filter durch das Oberwellenfilter des Hochfrequenzsendegeräts gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens einem Grob- und/oder Feinschutzmittel (2 bzw. 3) mindestens eine Diode in Serie geschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das das frequenzselektive Verzögerungsglied (V) bildende Filter auf Teilbereiche (B₁, B₂) des Arbeitsbereichs (B) des zu schützenden Hochfrequenzsende- oder Empfangsgeräts (4) um schaltbar ist.