DE3200828A1

DE3200828A1 - "ueberspannungsschutz eines leitungskreises"

Info

Publication number: DE3200828A1
Application number: DE19823200828
Authority: DE
Inventors: Pieter 1223 Hilversum Bakker
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-01-20
Filing date: 1982-01-14
Publication date: 1982-08-19
Also published as: BE891818A; FR2498389B1; SE464327B; CA1175587A; GB2091521B; BR8200234A; NL8100242A; FR2498389A1; SE8200230L; AU547336B2; US4440980A; GB2091521A; IT8219140A0; IT1150102B; JPS57138256A; AU7957982A

Description

-*" 30.7.1981

Überspannungsschutz eines Leitungskreises

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerstufe für einen Teilnehmerkreis, um in zwei Richtungen einer Teilnehmerleitung Strom zu liefern, mit einer ersten Speiseklemrne zum Zuführen eines Speisestromes zu der Steuerstufe und einer zweiten Speiseklemme um der Steuerstufe Speisestrom zu entnehmen.

Eine derartige Anordnung, die in Fernsprechsystemen verwendet wird, ist aus der niederländischen Patentanmeldung Nr. 7903664 bekannt.

Die Steuerstufe enthält zwei Ausgangstransistoren, die mit einer Ader einer Teilnehmerleitung verbunden sind. Die Steuersttife erhält Speisestrom aus einer Speisequelle, von der ein Anschluss eine positive Spannung hat gegenüber einem Bezugspotential, der sogenannten Systemerde, und deren anderer Anschluss eine negative Spannung hat gegenüber der Systemerde. Die Folge davon ist, dass die Spannung an der bebreffenden Ader der Teilnehmerleitung unter ungestörten Betriebsverhältnissen einen Wert hat, der zwischen dem der positiven und dem der negativen Speisespannung liegt. Die Teilnehmerleitung kann durch äussere Einflüsse, wie beispielsweise Blitzinduktionen oder Kurzschluss mit dem Stromversorgungsnetz, auf eine Überspannung von beispielsweise 2OOÜ V gebracht werden. Dadurch können die Steuerstui'o und weitere damit gekoppelte Einrichtungen be-^//Mj .schild!;¹; ü worden. Ein Schutz dagegen ist die Verwendung eines Schurzkreises, untenstehend als primärer Schutzkreis bezeichnet, zwischen jeder der Adern der Teilnehmerleitung und einer Sicherungserde einzeln und zwischen den Adern und der Teilnehmerleitung untereinander. Dieser Schutz 3D reicht nicht aus und zwar dadurch, dass der Strom, der durch den Schutzkreis zu der Sicherungserde fliesst, zusammen mit der Reihenimpedanz des Schutzkreises noch eine restliche Überspannung an der Steuerstufe verursacht.

m ·

Λ» ·

PHN 9939 ^ 3O.7.1Q81

Diese restliche Überspannung kann die Steuerstufe beschädigen, insbesondere wenn diese in integrierter Form ausgebildet ist.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Besoliiidi — gung durch restliche Überspannung auf zweckniässige und einfache Veise zu vermelden. Diese Schutzarl oifviiul y Li-Ji insbesondere für Steuerstufen von Teilnehmerkreisen, die völlig oder teilweise in integrierter Form ausgebildet sind; zugleich ist diese Schutzart unabhängig von der Ausführungsform der integrierten Schaltungen, sowohl nach Strukturals auch nach der angewandten Integrationstechnologie. Die Steuerstufe der eingangs erwähnten Art weist dazu nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass der Überspannungsschutz eine erste Diode aufweist, die zwischen der ersten

'5 Speiseklemme und der Steuerstufe liegt, über welche Diode der Speisestrom der Steuerstufe zugeführt wird, und eine zweite Diode, die zwischen der zwei ton Spoiaokloiniuo und der Steuer stufe liegt, über welche Diode dex· Speisestrom abgeführt wird und zwar derart, dass die beiden Dioden

^" normalerweise den Speisestrom leiten. Die Anordnung der Dioden bewirkt, dass bei einer Uberspannungsstörung in der Gegenrichtung kein Strom durch den Basis-Kollektorübergang eines der komplementären Endtransistoren des Verstärkers fliessen kann, der einen Teil der Steuerstufen

" bildet, für den Fall dass die Basiselektroden mit einander verbunden sind. Die Folge der Sperrung dieser Stromstrecke ist, dass der andere Endtransistor in diesem Fall keinen Strom mehr leiten kann und zwar dadurch, dass der Basisstrom Null ist. Der Vorteil dieser Anordnung der Diode

³" ist denn auch, dass die beiden Endtransistoren sowohl vor Beschädigung durch Gegenströme als auch vor Beschädigung durch zu grossen Strom in der Leitungsrichtung geschützt sind. In dem Fall, dass die Basiselektroden nicht miteinander verbunden sind, wäre es möglich, dass durch einen

Emitter-Basis-Durchbruch und damit durch eine Gegenführung über einen der Transistoren ein Stromweg entsteht. Die Folge wäre, dass durch die zentrale Speisequelle des Fernsprechsystems, in einer Richtung, die der Richtung unter

fr.:

PHN 9939 JX 30.7. 1981

normalen Betriebsverhältnissen entgegengesetzt ist, Strom fHessen kann. Ein weiterer Vorteil sowohl im Falle verbundener Basiselektroden als auch im Falle nicht verbundener IlasisoJaktrodon ist denn auch, dass die genannten

ö D Luden vermeiden, dass durch die zentrale Speisequelle don l'\> t'iiHpi'ooJisy η 1/OiriH ein Gegenstrom f.lleasen kann. Ein ei dadurch auftretende Erhöhung-der Klemmenspannung der Speisequelle, die zu einer Beschädigung der daran angeschlossenen Apparatur führt, wird auf diese Weise ebenfalls vermieden.

^ Das Anordnen der genannten Dioden vermeidet im

Falle einer Überspannung eine Stromleitung durch die Endtransistoren mit verbundenen Basiselektroden. Dadurch kann sich an diesen Transistoren eine Spannung aufbauen, die Durchbruch in der Emitter-Kollektorstrecke verursacht,

^⁵ wodurch Schaden entsteht. Bei Endtransistoren mit nicht verbundenen Basiselektroden besteht auch die Gefahr vor Basis-Emitter-Durchbruch im Falle einer Überspannung. Für die beiden Konfigurationen ist deswegen die Steuerstufe der eingangs erwähnten Art nach einer weiteren Massnahme nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzanordnung eine dritte Diode aufweist, die mit einer Seite mit der nicht mit der ersten Speiseklemme verbundenen Seite der ei-sten Diode und mit der anderen Seite mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, dass die Schutzanordnung eine vierte Diode aufweist, die mit einer Seite mit der nicht mit der zweiten Speiseklemme verbundenen Seite der zweiten Diode verbunden ist und mit der anderen Seite mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, welche dritte und vierte Diode normalerweise sperren. Diese beiden Dioden

beschränken den Spannungsunterschied an den Endtransis-(,oi'uji auf die maximale Dlodendurchlasspannung, wodurch e i.uo GOf-VUJi.1 ei tuny und/oder ein Basis-Emitter—Durchbruch iijhI dor Schaden infolgedessen vermieden wird. Die Steuerstufe der eingangs erwähnten Art ist mit einem äusseren

AuHii'aj]f',swiderstand versehen und diese Steuerstufe ist nach einer weiteren Massnahme nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzanordnung ein erstes spannungsbegrenzendes Element aufweist, das zwischen derjenigen

PHN 9939 Mr 30.7- 1981

Seite der dritten Diode, die nicht mit dem Auyfjajir; de« Verstärkers verbunden ist, und einem Punkt mit kcuin l.un turn Potential liegt, und dass die Schutzanordnung ein zwei. t«s spannungsbegrenzendes Element aufweist, das zwischen derjenigen Seite der vierten Diode, die nicht mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, und einem anderen Punkt mit konstantem Potential liegt. Diese Konfiguration bietet einen doppelten Vorteil. Einerseits kann elektrische Ladung, die mit einer Überspannung einhergeht, durch eines der

'" Spannungsbegrenzenden Elemente abgeführt werden. Andererseits kann das Fehlen des äusseren Ausgangswiderstandes des Verstärkers ausgenutzt werden. Dies erfolgt dadurch, dass in der durch den äusseren Ausgangswiderstand, die dritte oder vierte Diode und das erste bzw. zweite spannungsbugren-

'⁵ zende Element gebildeten Stromabführungsstrecke fast die ganze restliche Überspannung an dem äusseren Ausgangswiderstand vorhanden ist, so dass der Ausgang der Steuerstufe vor Überspannung geschützt ist.

Die Steuerstufe der eingangs erwähnten Art ist nach einer wei'teren Massnahme nach dei' Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Diode mit der ersten Diode verbunden ist, dass die vierte Diode mit der zweiten Diode verbunden ist, dass die Schutzanordnung ein erstes'span— μiw nungsbegrenzendes Element aufweist, das mit einer Seite

nc

mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist und das mit der anderen Seite mit dem Ausgang des Verstärkers über eine fünfte Diode verbunden ist, und dass die Schutzanordnung ein zweites spannungsbegrenzendes Element aufweist, das mit einer Seite mit einem Punkt konstanten

30

Potentials verbunden ist und das mit der anderen Seite mit dem Ausgang des Verstärkers über eine sechste Diode verbunden ist, und zwar derart, dass die fünfte und sechste Diode normalerweise sperren. Die unmittelbare Verbindung der dritten Diode mit der ersten Diode und der vierten

35

Diode mit der zweiten Diode ist vorteilhaft, wenn die Steuerstufe völlig oder teilweise in einer solchen integrierten Form ausgebildet ist, dass die Elemente gegenüber dem Substrat über eine sogenannte "junction"-Isolierung

PHN 9939 Sf 30.7. 1981

isoliert sind. Die vierte Diode hat dann als zusätzlichen Schutz die Aufgabe zu verhindern, dass die Dioden durch die Ubor(jaii{;e zwischen dem Substrat und den darin liegenden El onion ton lei texid werden. Dieses Leiten kann bei einer t> negativen Überspannung auftreten. Die vierte Diode muss dann derart bemessen sein, dass sie bei einer niedrigeren Spannung als die der Dioden in der integrierten Schaltung leitend wird.

Im Falle von Überspannung kann die damit einher— gehende Ladung über die fünfte Diode und das erste spannungsbegrenzende Element oder über die sechste Diode und ^_w das zweite spannungsbegrenzende Element abgeführt werden. Auch hier entsteht durch die Kombination des äusseren Ausgangswiderstandes , der fünften oder sechsten Diode und des ersten bzw. zweiten spannungsbegrenzenden Elementes ein zusätzlicher Schutz des Ausganges der Steuerstufe.

Die Steuerstufe der eingangs erwähnten Art ist nach einer weiteren Massnahme nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine siebente Diode vorgesehen ist, die zwischen dem das Signal nicht invertierenden Eingang des Verstärkers und dem Verbindungspunkt des ersten spannungsbegrenzenden Elementes mit der fünften Diode liegt, und dass eine achte Diode, die zwischen dem das Signal nicht invertierenden Eingang des Verstärkers und dem Ver— bindungspunkt des zweiten spannungsbegrenzenden Elementes und der sechsten Diode liegt, und welche siebente und achte Diode derart geschaltet sind, dass sie normalerweise sperren. Zwischen der Teilnehmerleitung und dem das Signal nicht invertierenden Eingang befindet sich ein Rückkopplungswiderstand. Eine Uberspannungsstörung an der Teilnehmerlei, tiuig kann über diesen Rückkopplungswiderstand an Halbleitern, die mit dem das Signal nicht invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden sind, Schaden verursachen. Mit Hilfe des genannten Rückkopplungswiderstandes begrenzen die sieben.to., und achte Diode die Spannung an dem das Signal nicht invertierenden Eingang zu einem Intervall von Werten, das die positive und die negative Speisespannung als Grenzen hat. Dadurch, dass eine leitende Diode einen sehr

PHN 9939 # 30.7.1

niedrigen Widerstand aufweist, liegt fast die ganze Überspannung an dem genannten Rückkopplungswiders band. Der Vorteil der hier benutzten Konfiguration liegt in dem nützlichen zusätzlichen Gebrauch des bereits vorhandenen Rückkopplungswiderstandes.

Es gibt die Möglichkeit, dass Steuerstufen durch einen Uberspannungsunterschied zwischen den Adern einer Teilnehmerleitung, an die die Steuerstufen angeschlossen sind, beschädigt werden. Dieser Uberspannungsunterschied

'" kann eine derartige Grosse aufweisen, dass die Schu Issanord — nungen jeder der Steuerstufen einzeln darauf nicht ansprechen. Damit die daraus erfolgenden Nachteile vermieden werden, ist eine Anordnung vorgesehen, die eine an jede Ader einer Teilnehmerleitung angeschlossene Steuerstufe nach einem der Ansprüche 3> ^-» 5 oder 6 aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Anordnung mindestens ein drittes spannungsbegrenzendes Element aufweist, von dem eine Seite mit derjenigen Seite des ersten spannungsbegrenzenden Elementes verbunden ist, die nicht mit einem

Punkt konstanten Potentials verbunden ist und wobei die andere Seite mit derjenigen Seite des zweiten spannungsbegrenzenden Elementes verbunden ist, die nicht mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist. Der Vorteil dieser Anordnung des dritten spannungsbegrenzenden EIementes ist, dass dieses Element als Schutz vor einem Uberspannungsunterschied zwischen den zwei Adern einer Teilnehmerleitung wirksam ist, wobei daa erste xuid das zweite spamrungsbegrenzende Element von den zwei Steuerstufen gemeinsam benutzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Steuerstufe mit der Diodenschutzanordnung nach der Erfindung, ^ Fig. 2 eine andere Ausführungsform der Steuerstufe

mit Diodenschutzanordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Leitungskreis mit zwei Steuerstufen nach der Erfindung, wobei die Steuerstufen vor einem

PHN 9939 J? 30,7,1981

Uberspannungsunterschied an den Adern der Teilnehmerleitung geschützt sind,

Fig. 4 einen anderen Leitungskreis mit zwei Steuerstufen nach der Erfindung, wobei die Steuerstufen ebcjii l'al Is vor einem Uberspannungsunterschied an den Adern der 'Γο i. I liuhmerlo.i. bung geschützt sind.

l)io Ausfülirungsform -der Steuerstufe, wie diese in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, weist einen Verstärker 1 auf, mit dem beabsichtigt wird, einer Ader 8 einer Teilnehmerleitung Strom zuzuführen bzw. derselben zu entnehmen. Die Endstufe dieses Verstärkers 1 weist zwei komplementäre Transistoren 4 und 5 auf, die als Emitterfolger geschaltet sind. Der Kollektor des Transistors 4 ist mit der Stromzuführungsklemme 1-1 verbunden, über die dem Verstärker 1 Speisestrom zugeführt wird; der Kollektor des Transistors 5 ist mit der Stromabführungsklemme 1-2 verbunden, Ubei" die dem Verstärker 1 Speisestrom entnommen wix-d. Die Emitterelektroden der Transistoren 4 und 5 sind 1111.1 D.i. η ander und mit dein Ausgang 10 des Verstärkers 1 verblinden.

In Fig. 1 sind die Basiselektroden der Transistoren

4 und 5 miteinander und mit einer Ansteuerschaltung verbunden, die in der Figur nicht dargestellt ist. Die Spannung, auf die diese Ansteuerschaltung die genannten Basiselektroden bringen kann, kann nicht höher werden als die positive Speisespannung und nicht niedriger als die negative Speisespannung. Der Verstärker 1 hat einen signalinvertierenden Eingang, der mit dem Verstärkerausgang 10 verbunden ist und einen das Signal nicht invertierenden Eingang, der über einen noch näher zu beschreibenden Widerstand 15 mit der Teilnehmerleitung 8 verbunden ist. Die Teilnehmer— J ei Lung.8 ist über den äusseren Ausgangswiderstand 9 mit dem Vurs tärkerausgang 10 verbunden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass unter einer positiven bzw. negativen Uberspannung eine Spannung an der Teilnehmerleitung verstanden wird, die höher als die positive Speisespannung oder niedriger als die negative Speisespannung ist. Es gibt einen in den Figuren nicht dargestellten primären Schutzkreis,

ΑΛ " "

PHN 9939 & 30.7.1981

der Überspannungen möglichst gut verringert. Dadurch, dass dieser primäre Schutzkreis eine Reihenimpedanz nach Erde hat, durch die der ÜberSpannungsstrom fliesst, kann es an der Ader 8 der Teilnehmerleitung noch eine restliche Über— spannung geben. Im Falle einer positiven restlichen Überspannung, die von der Teilnehmerleitung 8 über den Ausgangwiderstand 9 an den Verstärkerausgang 10 gelangt, wird die Spannung der Basiselektroden der Trariais tox'eii h uiul 3 bei ansteigender Überspannung zunächst durch die Ansteuerschaltung der positiven Speisespannung nahezu entsprechend angeglichen werden. Bei einem weiteren Anstieg der Überspannung an dem Verstärkerausgang 10 kann die Ansteuerschaltung nicht mehr als solche funktionieren; ausserdem entnimmt bzw. liefert.sie den Basiselektroden praktisch

'* keinen Strom mehr. Der Emitter des Transistors 5 hat dann eine höhere Spannung als die zugeordnete Basis, die wieder eine höhere Spannung hat als der zugeordnete Kollektor, so dass der pnp-Transistor 5 über die Emitter-Kollektor-Strecke zu der negativen Speisespannung Strom leitet.

Von diesem Strom fliesst ein gewisser Bruchteil, der durch den Stromverstärkungsfaktor des Transls.tox's 5 bestimmt wird, von der Basis des Transistors 5 zu der Basis des Transistors 4. Die Basis-Kollektor-Diode des Transistors 4 ist für diese Stromrichtung leitend und der genannte Strom-

bruchteil kann auf diese Weise über den niedrigen Widerstand dieser leitenden Diode zu der positiven Speisespannung abfHessen. Von dem Transistor 4 hat bei Überspannung der Emitter eine höhere Spannung als die Basis, die wieder eine höhere Spannung hat als der zugeordnete

Kollektor, während die Basis-Kollektor-Diode Strom leitet. Dadurch wird die Basis-Emitter-Diode gegenleitend. Die Basisströme der beiden Transistoren 4 und 5 entsprechen einander fast, so dass ihre KoI .1 ok Ι;οιή f.röuu» ΗογηοΙ bon Grössenordnung sein werden. Die Möglichkeit eines Strom-

weges von der Basis das Transistors 5 zu der positiven Seite der Speisequelle ist aus mehreren Gründen nicht erwünscht. Erstens ist der Strom, der aus der Basis des Transistors 5 fliesst, bestimmend, über den Stromverstär-

PlIN 9939 # - 30.7.1981

kungsfaktor dieses Transistors, für den Emitter und Kollektorstrom dieses Transistors. Dasselbe gilt für den Transistor h. Die Möglichkeit eines fast unbehinderten Wegfliessens des Basisstromes bedeutet die Möglichkeit sehr grosser Emitter- und Kollektorströme, wodurch die Transistoren k und 5 beschädigt werden können. Zweitens befindet sich in dem betreffenden Fall .der Transistor k in einem leitenden Zustand, für den er nicht entworfen wurde, welche Si tun I. Lon die Gefahr vor Beschädigung des Transistors 4 ¹⁽⁵ wesentlich zunehmen lässt. Zum Schluss kann ein Strom, der EUi dor positiven Seite in die Speisequelle fliesst, eine K l.uiiiin.-ipiuuiuuü'yerhöininti' dieser Quelle verursachen, die andere an die Speisequelle angeschlossene Apparatur beschädigen kann. Um diesen unerwünschten Stromweg zu sperren, ^ ist eine Diode 6 mit der Stromzuführungsklemme 1—1 des Verstärkers derart verbunden, dass eine Stromleitung nur in der Richtung von der Diode 6 zu der Stromzuführungsklemme 1-1 erfolgt. Der Vorteil dabei ist, dass vermieden wird, dass Strom durch die Basis-Kollektor-Diode des Transistors' k f Hessen kann; dadurch ist auch der Basisstrom des Transistors 5 fast gleich Null geworden, so dass noch höchstens ein .sehr beschränkter Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 5 fliessen kann. Die Anordnung der Diode ό bietet folglich einen Schutz für den Transistor k und 5 vor llescliiidi^ung durch eine positive Überspannung an dem Verstärkerausgang 10 und bietet zugleich einen Schutz für die übrige Apparatur, die an die zentrale Speisequelle angeschlossen ist, vor Überspannung über diese Quelle·. Ein vergleichbarer Schutz bietet die Diode 7 vor negativen Ubur.sjKuniimgen. Diese Diode 7 ist an eine Stromabführungsk Luninu! l-^i derart angeschlossen, dass nur Stromleitung in der Richtung von der Stromabführungsklemme 1-2 zu der Diode 7 erfolgen kann. Übrigens funktioniert die Diode 7 gegenüber negativen Überspannungen auf dieselbe Art und

Weise wie die Diode gegenüber positiven Überspannungen.

In dem Fall, dass die Basiselektroden der Transistoren h und 5 nicht unmittelbar miteinander verbunden sind (wie in Fig. 2), entsteht der Strornweg nicht über den

PUN 0930 y# 30.7.1 ".si

obenstehend beschriebenen Leitungsmechanismus. In diesem Fall jedoch, wird bei ausreichend hoher positiver Überspannung in der Basis-Emitter-Diode des Tranaistors 4 ein Durchbruch auftreten, wodurch ein Strom zu der positiven Seite der Speisequelle f Hessen könnte. Dies wird nun durch die Diode 6 vermieden; die Diode 7 hat auch in diesem Fall wieder eine ähnliche Aufgabe.

Im Falle einer positiven Überspannung an dem Verstärkerausgang 10 befindet sich die Basis—Emitfcer—Diode des Transistors 4 im gesperrten Zustand. Ein Durohbruch in dieser Diode lässt den Transistor 4 defekt werden. Uni die den Durchbruch verursachende Spannung an dem Transistor 4 zu beschränken, liegt zwischen dem Emitter des Transistors 4 und der Stromzuftihrungsklemme 1-1 eine Diode 11, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Eine Seite der Diode 11 ist mit dem Verstärkerausgang 10 verbunden, die andere Seite mit der Stromzuführungsklemme 1-1. Die Durchlassrichtung der Diode 11 ist von dem Verstärkerausgang 10 zu der Stromzuführungsklemme 1-1. Dadurch, dass die Diode auf die obenstehend beschriebene Art und Weise angeordnet ist, kann die Spannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors 4 im Falle einer positiven Überspannung nicht grosser werden als die Durchbruchspannung der Diode In dem genannten Fall sind die Basisspannung und die KoILektorspannung des Transistors 4 einander fast gleich, so dass der Spannungsunterschied zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 4 nicht grosser wird als die Durchlasspannung der Diode 11, so dass der Basis-Emitter-Durchbruch im Transistor 4 vermieden wird. Zum Schütze vor Durchbrüchen, insbesondere in dem Transistor 5> infolge negativer Überspannung an dem Verstärkerausgang 10 ist die Diode 12 vorgesehen. Eine Seite der Diode 1 ist mit dem Verstärkerausgang 10, die andere Seite mit der Stromabfuhr 1—2 verbunden. Was die negativen Überspannungen an dem Ausgang 10 anbelangt, findet ein Durchbruchsclm Lx durch die Diode 12 auf dieselbe Art und Wnl.m« μ LaI I. wie <*r <liiicli die Diode 11 gegenüber positiven Ubur.Hptuijjiuifvuii <-· i'l'u I e;\-. Der Vorteil dieser Art des Durchbrunhachu I,/,ch liugl in ι Um·

PHN <><>'}<.> >f 30.7. 19«

gross-on Einfachheit, die ausserdem die Betriebssicherheit i'ürdor t.

Es sei erwähnt, dass die Möglichkeit besteht, zwischen der Diode 11 und der Stromzuführungsklemme 1-1 in Reihe mit der Diode 11 eine noch näher zu beschreibende Diode 18 anzuordnen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Dio.se Diode 18, (ILt! in demselben Sinne geschaltet ist wie el i.e. Diode II, hat keinen beschränkenden Einfluss auf die schützende Wirkung der Diode 11. Der Spannungsunterschied zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors h hat jiiiji die Summe der- Durchlas spannungen der Dioden 11 und ,iJs Maximum, was nicht nachteilig ist. Auch besteht die Möglichkeit, zwischen der Diode 12 und der Stromabführungs— klemme 1-2 in Reihe mit der Diode 12 eine Diode I9 anzu-

'^J ordnen. Für diese Diode I9 gilt gegenüber der Diode 12 und dem Transistor 5 dasselbe wie für die Diode 18 gegenüber der Diode 11 und dem Transistor 4.

Um im Falle einer Uberspannungsstörung an der To i. J nehmerl.ei bung 8 einen Ladungsabfluss zu ermöglichen,

on

i .*> I di.e Scjiii tzanordnunf; der Steuerstufe mit zwei spunnun/yn — beci-ejizeiiiUiJi Elementen 13 und 14 versehen. Für die Ausbildung dieser spannungsbegrenzenden Elemente bestehen mehrere Möglichkeiten, wie beispielsweise spannungs— iibhün,";j.ge Widerstände, als VDR bezeichnet, oder Zener-Dioden, Ohne Beanstandung der Verwendbarkeit von Zener-Dioden wird für die weitere Beschreibung bequemlichkeitshalber davon ausgegangen, dass als Spannungsbegrenzende Elemente VDR benutzt werden.

In Fig. 1 ist der VDR I3 zwischen einem ersten Punkt konstanten Potentials und derjenigen Seite der Diode I I, d.i. L! nicht mit duin Vers tärkerausgang 10 verbunden ist, iiiii'.oo rtliu'I.; i\uv VDR 1Ί J. logt zwischen einem zweiten Punkt k ons I ,in I.en Potentials ujul dov Jen igen Seite der Diode 12, ili. ο η ich I. mit dom Vers tärkerausgang 10 verbunden ist. Als

Π P

Ansprechspannung des VDR wird nun diejenige Spannung an dom VDR definiert, bei der der differentielle Widerstand des VJ)Ii e.üieii Wort hat, der um eine feste Anzahl Male kleiner ist, als der Wert des Ausgangswiderstandes '9· Der

PHN 99U9 «ΚΓ ίο./. p>8i

VDR 13 wii'd derart gewählt, dass seine Anspi'echspunnung der positiven Nennspeisespannung nahezu entspricht, der VDR ]'v derart, dass seine Ansprechspannuiig dem Absolutwert der negativen Nennspeisespannung naliezu entepricht.

Der Nutzen der VDR 13 und 14 liegt darin, dass «ie im !''alle einer Uberspannungsstörung an der Teilnehmerleitung die elektrische Ladung, mit der die Störung einhergeht, unmittelbar abführen. Dadurch nimmt die Überspannung ab. Ein hinzukommender Vorteil der Anordnung der VDR 13 und ~\h

W ist, dass damit ein zusätzlicher Schutz ausser dem primären Schutz der Leitungskrciao entsteht. In dem Fa.I I , ilus.s bei einer restlichen positiven Überspannung an der Teilnehmerleitung 8 die Spannung an dem Verstäi'kerausgang IO d.i.ο Ansprechspannung des VDR 13 überschreitet, ist der differentielle Widerstand der Diode 11 und des VDR 13 viel niedriger als der Wert des Widerstandes 9· Weitgehend der grössere Teil der Überspannung liegt dann am Widerstand 9, wodurch der Verstärkerausgang vor Überspannung geschützt ist. Eine gleiche Funktion wie die Diode 11 und der VDR 1'J gegenüber der positiven Überspannung, erfüllen die Diode und der VDR 14 gegenüber einer negativen Überspannung.

Fig. 2 zeigt eine andere Möglichkeit der Anordnung der beiden spannungsbegrenzenden Elemente. Der VDR 13 ist mit einer Seite mit einem ersten Punkt kon.s Lan toji JOUuiLiaJH verbunden und mit der anderen Seite mit dem Verstärker— ausgang 10 über eine Diode 21 verbunden; der VDR 1Ί i.si. mit einer Seite mit einem zweiten Punkt konstanten Potentials und mit der anderen Seite mit dem Verstärkerausgang über eine Diode 22 verbunden. Die Ladungsabfuhr und ein

zusätzlicher Überspannungsschutz verläuft bei dieser Konfiguration auf dieselbe Art und Weise, wie 'diese bei den entsprechenden VDR aus Fig. 1 beschrieben wurde.

Der das Signal nicht invertierende Eingang des

Verstärkers 1 ist über einen Rückkopplungswiderstand 15

mit der Teilnehmerleitung 8 verbunden. Eine Überspannung an der Teilnehmerleitung 8 kann an dem das Signal nicht invertierenden Eingang des VorsU'u'kocs I iihcr den Kiuk — kopp J -UiigHW JcI(Ji¹H tand 11 ο Luc IJIuj j'Mpiiiiiuiiig ve ι ·ι t γν;ι<Ίιι<ιι .

PlLN [)<)']<) >y 3Ο.7. 1981

Di. oho Überspannung kann Elemente des Verstärkers 1, die 111L t dem das Signal nicht invertierenden Eingang verbunden sein, insbesondere die Eingangstransistoren des Verstärkers beschädigen. Schutz vor Überspannung an dem das Signal nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 1 wird durch die Dioden 16 und 17 erreicht. Eine Seite der Diode 16 ist mit. dom VDR 13 verbunden, die, andere Seite ist mit dem das Signal nicht invertierenden Verstärkereingang verbunden; die Durchgangsrichtung der Diode 16 ist von dem das Signal

^ nicht invertierenden Verstärkereingang zu dem VDR 13· Von der Diode 17 ist eine Seite mit dem VDR 14 verbunden, die andere Seite mit dem das Signal nicht invertierenden Verstärkereingang. Bei Überspannung an dem das Signal nicht invertierenden Vorstärkereingang wird abhängig von der

'■' l'ulari. l.äL der Überspannung die Kombination der Diode 16 und des VDR 13 oder die Kombination der Diode 17 und des VDR Ik leitend werden. Der differentielle Widerstand der VDR 13 und 1'+ ist, wenn die Spannung an diesen VDR die Anprechspannung überschreitet, gegenüber dem Widerstand 9 niedrig.

Dei^ Rückkopplungswiderstand I5 hat einen viel höheren Wert als der Ausgangswiderstand 9» so dass der differentielle Widerstand der VDR gegenüber dem Wert des Widerstandes I5 niedrig ist. Auch die Dioden 16 und 17 haben im leitenden Zustand einen niedrigen Widerstand. Dies bedeutet, dass eine Überspannung an der Teilnehmerleitung 8 fast völlig an dem Widerstand 15 liegt. Der Vorteil dieser Anordnung ili· r Dioden 16 luid 17 int, dass durch Verwendung des Rück— ko|i|i I iui(';.sw i du γη tiuiduH 13 al a Schutzwiderstand kein einzelner Schutzwiderstand angeordnet zu werden braucht. In Fig. 1 ist die positive Speisespannung an den Dioden ö und 18 mit dem VDR 13 verbunden, die negative Speisespannung 1st über die Dioden 7 und 19 mit dem VDR Ik verbunden. Die DurciiJ assrichtung der Diode 18 ist von dem VDK 13 zu der Diode 6; die Durchlassrichtung der Diode 9 ist von den Dioden 7 zu dem VDR 14. Die Aufgabe der Diode ist das Sperren des Stromweges von der positiven Speisespannung über die Diode 6 und den VDR 13 zur Systemerde. Der Slroiiiweg könnte entstehen, wenn eine Schwankung in der

PHN 9939 V¥ 30 -7.1 S'ö f

Speisespannung diese Spannung höher machen würde als die Ansprechspannung des VDR 13. Die Diode 19 hat eine entsprechende Aufgabe gegenüber der negativen Speisespannung und dem VDIi 1'j. Der Nu Lzon der Dioden IH uml I') 1 i.o.,",L in dem Schutz der VDR 13 und 14 und in der Vermeidung unerwuiw-ii-liLoii Leckstrornes von der Speisequelle zur Systemerde.

Jn den Fig. 3 und k ist ein Leiluiigskreis darren L<vl J. L , in dem jede der beiden Adern einer Teilnehmerleitung mit einer Steuerstufe versehen ist. Dabei ist der Leitungskreis nach Fig. 3 mit Steuerstufen entsprechend Fig.1 versehen; der Leitungskreis nach Fig. k ist mit Steuerstufen nacJi Fig.2 versehen. Von den bereits an Hand der Fig.1 und 2 beschriebenen Schutzelemente wird ein Teil durch die beiden Steuerstufen gemeinsam benutzt; von dem anderen Teil gehört ein Teil zu der einen Steuerstufe, der andere Teil zu der anderen Steuerstufe. Die Elemente, die von den beiden Steuerstufen gemeinsam benutzt werden, sind in don Ki.f¹;.'3 und H in LI ui.iioni Bezugszeichen ohne Akzent versehen; die EJ omen Lu die veui dei· Stenerstufe 1¹ benutzt werden, sind mit ei.jioiu Hi'/li^hzo iclieii mit einem Akzent versehen; die entsprechenden Elemente die durch die Steuerstufe 1" benutzt werden, sind mit denselben Bezugszeichen mit zwei Akzenten versehen. In den Fig.3 und h ist ein VDR 20 vorgesehen, der zwischen denjenigen Seiten der VDR 13 und Ik liegt, die nicht mit der Systemerde verbunden sind. Die Aufgabe des VDR 20 ist das Schützen der Steuerstufen vor einem Uberspannungsunterschied zwischen den Teilnehmerleitungsadern 8¹ und 8". Es besteht die Möglichkeit, dass an jeder der Adern 8' und 8" eine Spannung vorhanden ist, auf die die VDR 13 und/oder 1^J nicht ansprechen, sondern deren Unterschied die Steuers tuf en 1¹ \ui<.\ 1" beschädigen kann. Die Anspi'echspannuiig den Vl)K' ,'.'() LhI daJior kleiner als die Summe der AnspreeiKspaiuHUigen der VDR V) und 14. Es ist durchaus möglich, statt des VDR 20 zwei gegensinnig reihengeschaltete Zener-Dioden zu benutzen, wodurch

3S die Möglichkeit besteht, vor einem Uberspannungsunterschied zwischen den Adern 8' und 8" zu schützen, dessen Unterschied einen anderen Wert hat entsprechend dem Uberspannungsunterschied zwischen den Adern 8" und 8'.

Claims

PHN 9939 J#* 30.7.19»1

PATENTANSPRÜCHE

1.) Steuerstufe für einen Teilnehmerleitungskreis, um in zwei Richtungen einer der Adern einer TeilnehmerJL ei Luni; Strom zu liefern, mit einer ersten Speiseklemme zum Zuführen eines Speisestromes zu der Steuerstufe und einer zweiten Speiseklemme zum Entnehmen eines Speisestromes von der Steuerstufe, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überspannungsschutzanordnung vorgesehen ist, mit einer ersten Diode, die zwischen der ersten Speiseklemme und der Steuerstufe liegt, über welche Diode der Speisestrom der Steuerstufe zugeführt wird, und mit einer zweiten Diode, die zwischen der zweiten Speiseklemme und der Steuers tui'e liegt, über welche Dxode der Speisestrom von der Steuerstufe abgeführt wird und zwar derart, dass die beiden Dioden normalerweise den Speisestrom leiten.

2. Steuerstufe nach Anspruch I mit einem über die erste und die zweite Diode gespeisten Verstärker, dadurch gekennzeichnet, dass die Scliutzanordnung eine dritte Diode aufweist, die mit einer Seite mit der nicht mit der ersten Speiseklemme verbundenen Seite der ersten Diode verbunden ist und mit der anderen Seite mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, dass die Schutzanordnung eine vierte Diode aufweist, die mit einer Seite mit der nicht mit der zweiten Speiseklemme verbundenen Seite der zweiten Diode verbunden ist und mit der anderen Seite mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist und welche dritte und vierte Diode normalerweise sperren.

3« Steuerstufe nach Anspruch 2, mit einem an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen äusseren Widers tand, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzanordnung ein erstes spannungsbegrenzendes Element aufweist, das zwischen derjenigen Seite der dritten Diode, die nicht mit dein Ausgang des Verstärkers verbunden ist, und einem Punkt mit konstantem Potential liegt und dass die Schutzanordnung ein

PHN <)<>39 +6" 30.7.1981

zweites apaimungsbegrenzendes Element aufweist, das zwischen derjenigen Seite der vierten Diode, die nicht mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, und einem anderen Punkt konstanten Potentials liegt.

k. Steuerstufe nach Anspruch. 2 mit einem an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen äusseren Widerstand, dadurch gekennzeichnet,, dass die dritte Diode mit der ersten Diode verbunden ist, dass die vierte Diode mit der zweiten Diode verbunden ist, dass die Schutzanordnung ein erstes spannungsbegrenzendes Element aufweist, das mit einer Seite mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist und mit der anderen Seite mit dem Ausgang (Ich Vers barkers tlbor eine fünfte Diode verbunden ist und dass die Schutzanordnung ein zweites spannungsbegrenzendes Element atifweist, das mit einer Seite mit einem anderen Punkt konstanten Potentials verbunden ist und mit der anderen Seite mit dem Ausgang des Verstärkers über eine sechste Diode verbunden ist und zwar derart, dass die

fünfte und sechste Diode normalerweise sperren. 5· Steuerstufe nach einem der Ansprüche 3 oder k, wobei der Verstärker einen invertierenden und einen das Signal nicht invertierenden Eingang aufweist sowie einen Rückkopllungskreis von dem freien Ende des äusseren Widerstandes zu dem das Signal nicht invertierenden Eingang, dadurch gekennzeichnet, dass eine siebente Diode vorhanden Ls t, zwischen dom da» Signal nicht invertierenden Eingang des Verstärkers und derjenigen Seite des ersten Spannungsbegrenzenden Elementes liegt, die nicht mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist und dass es eine achte Diode gibt, die zwischen dem das Signal nicht invertierenden Eingang des Verstärkers und derjenigen Seite des zweiten spannungsbegrenzenden Elementes, die nicht mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist, liegt und welche siebente und achte Diode derart geschaltet sind, dass sie normalerweise gesperrt sind.

6. Steuerstufe nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 5» da.dui*ch gekennzeichnet, dass die dritte Diode mit der cu'sten Diode über eine neunte Diode gekoppelt ist und dass

PHN 9939 4-f 30.7.1¹KS

die vierte Diode mit der zweiten Diode über eine zehnte Diode gekoppelt ist, wobei die neunte und zehnte Diode normalerweise gesperrt sind.
7. Anordnung mit einer an jede Ader einer Teilnelimer leitung angeschlossenen einzelnen Steuerstufe nach einem der Ansprüche 3» ^, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese Anordnung mindestens ein drittes spannungsbegrenzendes Element aufweist, von der eine Seite mit derjenigen Seite des ersten spannungsbegrenzenden Elementes verbunden

^⁰ ist, die nicht mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist und wobei die andere Seite mit derjenigen Seite des zweiten spannungsbegrenzenden Elementes gekoppelt ist, die nicht mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden

ist.
8. Steuerstufe nach einem der Ansprüche 3> ^-» 5> ° oder 7> dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der spannungsbegrenzenden Elemente ein spannungsabhängiger Widerstand ist.

9. Steuers tuf β nach einem der Annpi'üeho 3> ^ > 3» ^(> oder 7> dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der spannungsbegrenzenden Elemente eine Zener-Diode ist.