DE3151539A1

DE3151539A1 - OVERVOLTAGE AND OVERCURRENT PROTECTION CIRCUIT FOR MESSAGE, IN PARTICULAR TELECOMMUNICATIONS

Info

Publication number: DE3151539A1
Application number: DE19813151539
Authority: DE
Inventors: Om Prakash 11554 Eastmeadow N.Y. Ahuja
Original assignee: Porta Systems Corp
Current assignee: North Hills Signal Processing Corp
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1981-12-28
Publication date: 1983-07-07
Also published as: CA1187929A; FR2518838B1; JPS58107023A; SE445409B; GB2111771B; GB2111771A; SE8107348L; FR2518838A1

Description

Porta System«- Corp. , ^1 ζ 1 ζ Q QPorta System «- Corp. , ^ 1 ζ 1 ζ Q Q

Überspannungs- und Überstromschutzschaltung für Nachrichten-, insbesondere FernsprechleitungenOvervoltage and overcurrent protection circuits for communication lines, in particular telephone lines

Die Erfindung betrifft eine Überspannungs- und Überstromschutzschaltung für Nachrichten-; insbesondere Fernsprechleitungen, an die gegen Überspannungen mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit besonders empfindliche Bauteile angeschaltet sind, beispielsweise Logikschaltungen mit Halbleiterbauelementen. ■The invention relates to an overvoltage and overcurrent protection circuit for messages; in particular telephone lines, to the components that are particularly sensitive to overvoltages with a high rate of rise are switched on, for example logic circuits with semiconductor components. ■

Auf dem Gebiet von Schutzeinrichtungen für Fernsprechanlagen wird in den entsprechenden PrüfVorschriften das Problem von Überspannungen, Überströmen sowie Blitzeinschlagen und Berührungen mit Netzleitungen angesprochen. Die Schutzeinrichtung muß diesbezüglich Überspannungen mit unterschiedlichen Anstiegsgeschwindigkeiten für gegebene Spannungen erfassen. Typische Werte sind 1,2/50, 2/50, 4/40, 4/200, 6/150, 8/20, 10/50 und 10/1000 (ps/V) bei verschiedenen Stromwerten. Bei größerer Anstiegsgeschwindigkeit ist die zulässige Durchbruchsspannung wegen der typischen Ionisationszeit der üblicherweise benutzten Entladungsbauteile höher, beispielsweise für gasgefüllte Röhren und Luftspalt-ÜberspannungsabMter.In the field of protective devices for telephone systems, the corresponding test regulations state that Problem of overvoltages, overcurrents as well as lightning strikes and contact with power lines are addressed. In this regard, the protective device must have overvoltages with different rates of rise for given Capture tension. Typical values are 1.2 / 50, 2/50, 4/40, 4/200, 6/150, 8/20, 10/50 and 10/1000 (ps / V) at different current values. At a higher rate of rise, the permissible breakdown voltage is higher due to the typical ionization time of the discharge components commonly used, for example for gas-filled tubes and air-gap surge arresters.

Typische Anstiegszeiten liegen zwischen 0,1 ps und 10 ps,Typical rise times are between 0.1 ps and 10 ps,

Standard-TTL-Logikschaltungen und ähnliche Schaltungen können jedoch auf Signale ansprechen, die im Bereich von 3 ns liegen. Demgemäß können Störimpulse, die langer als 3 ns sind, gegebenenfalls zu fehlerhaftem Ansprechen führen. Darüberhinaus sind die meisten MÖS-Bauelemente sowie viele diskrete Halbleitereinrichtungen, insbesondere schnelle Schalttransistoren, sehr empfindlich gegen Störimpulse mit hoher Anstiegsgesehwindigkeit, selbst bei sehr niedrigen Energiewerten von 10 pJ. Bei einerStandard TTL logic and similar circuits however, can respond to signals that are in the range of 3 ns. Accordingly, glitches longer than 3 ns are, possibly to incorrect response to lead. In addition, most of the MÖS components as well as many discrete semiconductor devices, in particular fast switching transistors, very sensitive to interference pulses with a high rate of rise, even at very low energy values of 10 pJ. At a

solchen Empfindlichkeit ist verständlich, daß bekannte Schutzeinrichtungen häufig nicht ausreichend gut sind.such sensitivity is understandable that known Protective devices are often not good enough.

Die erläuterten Schwierigkeiten lassen sich nicht dadurch lösen, daß einfach nur Überspannungsbegrenzer mit niedriger Begrenzungsspannung am Verteiler eingesetzt werden. Die dort vorhandenen Erdungsmöglichkeiten reichen für so hohe Ströme nicht aus, die über normale Schutzeinrichtungen auf dem Kauptv.erteiler fließen können. Solche Ströme können eine- Dauer bis zu 10 us "bei Spannungen bis zu 1250 V oder mehr bei Stromwerten" von mehreren hundert Ampere haben.The difficulties explained cannot be eliminated by this solve that simply only surge suppressors with low limiting voltage are used on the distributor will. The grounding options available there are not sufficient for currents as high as normal Protective devices can flow on the main distributor. Such currents can have a duration of up to 10 µs "for voltages up to 1250 V or more for current values" of several hundred amps.

Der Erfindung liegt die-Aufgabe zugrunde, das sich daraus ergebende Problem zu lösen. Sie geht dazu, aus von einer Überspannungs- und Überstromschutzschaltung der eingangs gtnannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Leitung eine- Aufheizspule geschaltet ist, daß zwischen der Leitung .und Erde eine Funkenlöscheinrichtung, ein wärmeempfindlicher Schalter und ein Überspannungsbegrenzer liegen, daß der tiberspannungsbe-' grenzer in Reihe mit der Äufheizspule geschältet ist, . daß der wärmeempfindliche Schalter auf Wärme anspricht,' die von der Aufheizspule und der Funkenlöscheinrichtung .erzeugt wird, und daß der Überspannungsbegrenzer eine Durchbruchs spannung besitzt-, die wesentlich kleiner als. die der Funkenlöscheinrichtung ist, und eine Ansprechzeit, die wesentlich kürzer als die der Funkenlöscheinrichtung ist. ·The invention is based on the object that results from it solve the resulting problem. It is based on an overvoltage and overcurrent protection circuit of the input named type and is characterized in that a heating coil is connected in series with the line, that between the line .und earth a spark extinguisher, a heat-sensitive switch and a Overvoltage limiters lie that the overvoltage limer is switched in series with the heating coil,. that the heat-sensitive switch responds to heat, ' generated by the heating coil and the spark extinguishing device, and that the overvoltage limiter has a Has breakdown voltage that is much smaller than. that of the spark extinguishing device, and a response time that is significantly shorter than that of the spark extinguishing device is. ·

Wenn dann die .Spannung einer ankommenden Wellenfront an-"steigt, so begrenzt der Überspannungsbegrenzer die-Spannung, sobald sie seine Durchbruchsspannung erreicht hat, und zv/ar scheinbar ohne Verzögerung. Demgemäß' ist die maximale Spannung, die an den Einrichtungen im Amt auftritt, gleich der Spannung über dem Überspannungsbegrenzer. Der größte Teil des Stroms wird dabei im If then the "voltage of an incoming wave front increases", the overvoltage limiter thus limits the voltage as soon as it reaches its breakdown voltage has, and zv / ar apparently without delay. Accordingly 'is the maximum voltage that can be applied to the facilities in the office occurs, equal to the voltage across the surge suppressor. Most of the electricity is used in the

Hauptverteiler nach Erde abgeführt. Wenn die Spannung der Wellenfront weiterhin ansteigt, so fällt die restliche Spannung an der Aufheizspule ab. Erreicht die angelegte Spannung de Durchbruchsspannung der Funkenlöscheinrichtung, so ergibt sich eine weitere Spannungsbegrenzung bei etwa 30 Vv Wenn der Strom anhält, so arbeiten die Aufheizspule und der wärmeeinpfindliche Schalter in üblicher Weise, ^: ■""'.·■Main distributor discharged to earth. If the voltage of the wave front continues to rise, the remaining voltage on the heating coil drops. If the applied voltage reaches the breakdown voltage of the spark extinguishing device, there is a further voltage limit at about 30 Vv. If the current continues, the heating coil and the heat-sensitive switch work in the usual way ^:

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen: .The invention is described below with reference to the drawing. Show it: .

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels1 shows the circuit diagram of an exemplary embodiment

- der Erfindung;· ·
Fig. 2 eine graphische Darstellung'für die Spannung, abhängig von der Zeit, bei einer typischen Störspannungs-Wellenfront.- the invention;· ·
2 shows a graphic representation for the voltage as a function of time for a typical interference voltage wave front.

Das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung 10 liegt in Reihe in einer typischen Anschluß-leitung 11 und besitzt einen teilnehmerseitigen Anschluß 12 sowie einen amtsseitigen Anschluß 13. Die Leitung 11 ist nach Art einer Dreiecksschaltung über eine Funkenlöscheinrichtung 15, einen wärmeerapfindlichen Schalter 16 und einen Uberspannungsbegrenzer 17 mit Erdpotential 14 verbunden. Der wärmeempfindliche Schalter 16 wird durch eine Aufheizspule 19 betätigt, die in bekannter Weise in Reihe in die Leitung 11 eingeschaltet ist. ..-.-.· . 'The exemplary embodiment of a protective device 10 according to the invention lies in series in a typical connecting line 11 and has a subscriber-side connection 12 and an office-side connection 13. The Line 11 is in the form of a delta connection via a spark extinguishing device 15, a heat sensitive Switch 16 and an overvoltage limiter 17 with ground potential 14 connected. The heat sensitive switch 16 is actuated by a heating coil 19 shown in is switched on in a known manner in the line 11 in series. ..-.-. ·. '

Fig. 2 zeigt graphisch eine Störspannungswellenfront, wobei die x-Achse 25 die Zeit angibt, und zwar Intervalle von 1 ns bei 26 und 1 ps bei 27. Die y-Achse 28 gibt den Spannungsanstieg an und weist einen ersten . Pegel 29 auf, der der Durchbruchsspannung des Uberspannungsbegrenzer s 17 entspricht, und einen zweiten Pegel 30, der die Durchbruchsspannung der Funkenlöscheinrichtung darstellt. In der Zeichnung ist zwar eine Funkenlöscheinrichtung in Form einer gasgefüllten Röhre 15Fig. 2 graphically shows an interference voltage wavefront, where the x-axis 25 indicates the time, namely intervals of 1 ns at 26 and 1 ps at 27. The y-axis 28 indicates the voltage rise and indicates a first. Level 29, that of the breakdown voltage of the overvoltage limiter s 17 corresponds, and a second level 30, which is the breakdown voltage of the spark extinguishing device represents. The drawing shows a spark extinguishing device in the form of a gas-filled tube 15

angegeben, es kann aber auch eine bekannte Einrichtung mit einem Luftspalt zur Erzielung einer äquivalenten Funktion benutzt werden. Die ansteigende Wellenfront einer typischen Wanderwelle ist mit der Bezugsziffer bezeichnet.specified, but it can also be a known facility can be used with an air gap to achieve an equivalent function. The rising wave front a typical traveling wave is denoted by the reference number.

Wenn die Spannung der Wellenfront ansteigt, so begrenzt der Überspannungsbegrenzer 17 die Spannung, sobald sie seine Durchbruchsspannung erreicht, und zwar praktisch ohne Verzögerung. Von diesem Punkt an wird der größte Teil des Stroms über den Überspannungsbegrenzer nach Erde abgeführt. Wenn die Spannung der Wellenfront weiterhin ansteigt, so fällt unter bewissen Umständen die restliche Spannung vollständig an der Aufheizspule ab.If the voltage of the wavefront increases, the overvoltage limiter 17 limits the voltage as soon as it reaches its breakdown voltage, practically without delay. From this point on, most of the current is passed through the surge suppressor Earth discharged. If the voltage of the wavefront continues to rise, it falls under certain circumstances the remaining voltage is completely removed from the heating coil.

Für den Fall" stärkerer Spannungsimpulse tritt eine weitere Begrenzung bei etwa 30 V ein, sobald die. Spannung der Wellenfront die Durchbruchsspannung der Funkenlöscheinrichtung erreicht. Wenn die Störspannung anhält, c-o betätigt die in der Funkenlöscheinrichtung 15 erzeugte Wärme den wärmeempfindlichen Schalter 1.6,.. und die Leitung 11 wird dauernd geerdet.In the event of "stronger voltage pulses, another one occurs Limitation at around 30 V as soon as the. Voltage of the wavefront is the breakdown voltage of the spark extinguishing device achieved. If the interference voltage continues, c-o actuates the one generated in the spark extinguishing device 15 Heat the heat-sensitive switch 1.6, .. and the line 11 is permanently grounded.

Wenn es sich um eine kontinuierliche Störung handelt, deren Spannung kleiner als die normale Zündspannung der Funkenlöscheinrichtung 15, aber größer als die Durchbruchsspannung des Überspannungsbegrenzers 17 ist, so erzeugt der Spannungsabfall an der Aufheizspule-19 Wärme, die gegebenenfalls das Schließen des wärmeempfindlichen Schalters 16.bewirkt,- Dies wird dadurch sichergestellt, daß- die Aufheizspüle 19 in Reihe zum Überspannungsbegrenzer 17 liegt,If it is a continuous disturbance, its voltage is lower than the normal ignition voltage of the Spark extinguisher 15, but greater than the breakdown voltage of the overvoltage limiter 17, so the voltage drop across the heating coil-19 generates heat, which may cause the closing of the heat-sensitive Switch 16, - This is ensured by that the heating rinse 19 in series with the overvoltage limiter 17 lies,

Wenn die Energie des Störimpulses das Aufnahmevermögen des Überspannungsbegrenzers 17 übersteigt^ so zeigt . dieser einen dauernden. Kurzschluß, wodurch die Gesamtspannung an der Aufheizspule abfällt und das Ansprechen des wärmeempfindlichen Schalters beschleunigt.When the energy of the glitch has the capacity to absorb of the overvoltage limiter 17 exceeds ^ so shows. this one lasting. Short circuit, whereby the total voltage at the heating coil drops and the response of the heat-sensitive switch accelerates.

Mit der erläuterten Schaltung wird das Problem von Störspannungen hoher Anstiegsgeschwindigkeit beseitigt, und es ergibt sich ein sicherer Schutz für die empfindlichen Schaltungen. Da. der ÜberSpannungsbegrenzer wesentlich schneller anspricht als die Funkenlöscheinrichtung, schützt sie die nachfolgenden Schaltungen gegen die Einwirkung von steilen Wellenfronten,ohne die normale Funktion der Funkenlöscheinrichtung und des wärmeempfindlichen Schalters zu stören.The circuit explained eliminates the problem of interference voltages of high slew rate, and it results in a safe protection for the sensitive Circuits. There. the overvoltage limiter responds much faster than the spark extinguishing device, it protects the subsequent circuits against the effects of steep wavefronts without the normal Function of the spark extinguishing device and the heat-sensitive To disturb the switch.

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BLUMBAC-H - WESKR ..BERGEN ■ KRAMER ZWIRNER-HOFFMANN

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Porta Systems Corporation
6901 Jericho Turnpike,
Syosset, New York ,. 11791, USA '

, Claims

Overvoltage and overcurrent protection circuit for Message} especially telephone lines to which against overvoltages with a high rate of rise particularly sensitive components are switched on, characterized that a heating coil (19) is connected in series with the line (11),

that between the line (11) and earth (14) a spark extinguishing device (15), a heat sensitive switch

(16) and an overvoltage limiter (17) are that the overvoltage limiter (17) in series with the Is switched to hot coil (.16), that the v / arm-sensitive switch (16) responds to heat, is generated by the heating coil (17) and the spark extinguishing device (15), and that the overvoltage limiter (17) has a breakdown voltage which is substantially smaller than that . of the spark extinguishing device (15), and a response time, which is much shorter than that of the spark extinguishing device (15).

Munich: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Wesi.'r Dipl.Phys. Dr. rer. nat. E. Hoffmann Dipl.-Ing, Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Beigen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pnt.-Ass., Pat.-Anw. until 1979 ■ G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

2. Circuit according to claim 1,

characterized in that the spark extinguishing device is a gas-filled tube (15).

3. Circuit according to claim 1,

characterized in that the spark extinguishing device is a device with an air gap.

4. Circuit according to one of claims 1 to 3 »characterized in that the overvoltage limiter is a semiconductor component (17).