DE3732861A1 - Schaltungsanordnung zum schutz niederohmiger ausgaenge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz niederohmiger Ausgänge der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Elektrische Leitungen, die außerhalb von Gebäuden verlaufen, sind unterschiedlichen elektromagnetischen Einflüssen der Umgebung ausgesetzt. Hierzu gehören Blitze, Entladungen statischer Elektrizität und die Beeinflußung durch Fremdstarkstromquellen. Elektronische Schaltungen, die an derartige Leitungen angeschlossen sind, können durch die genannten Überspannungen beschädigt bzw. zerstört werden. Ursache für Beschädigungen und Zerstörungen können auch aus der Schaltung herrührende Kurzschlüsse sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die die beiden vorgenannten Schadensarten in ihrer Wirkung begrenzt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung ist mit dem Vorteil verbunden, daß hochfrequente Störsignale und hochfrequente Störsignalteile weitgehend ohne Wirkung bleiben.

Eine Ausführungsform der Erfindung, bei der den Thyristordioden jeweils ein Spannungskomparator und ein Transistor vorgeschaltet ist, weist den Vorteil einer weitgehend verlustfreien Arbeitsweise auf.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen ausgewählten Teil einer zweiten Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung besteht aus einer zu schützenden bzw. geschützten Schaltung GS, der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung SS nachgeschaltet ist. Den Punkten 2.1 und 2.2 wird eine Überspannung zugeführt.

Ein Beispiel für eine geschützte Schaltung GS mit niederohmigen Ausgängen ist ein Impulsverstärker für Zeitdienstsignale. Die Schnittstellen zwischen der zu schützenden Schaltung GS und der Schaltungsanordnung SS gemäß der Erfindung werden durch die drei Punkte, den Massepunkt 1.0 der zu schützenden Schaltung sowie durch die beiden vor Überspannungen zu schützenden Punkte 1.1 und 1.2 gebildet.

Überspannungen treten an den Punkten 2.1 und 2.2 auf. Zwischen dem ersten und zweiten Ausgang 1.1 und 1.2 der zu schützenden Schaltung GS und den zugehörigen überspannungsbelasteten Punkten 2.1 und 2.2 ist jeweils ein Teil einer stromkompensierten Zweifachdrossel DR angeordnet. Jeder Teil der Drossel DR weist die gleiche Induktivität auf. Der Massepunkt 1.0 der zu schützenden Schaltung GS ist mit der Erdverbindung 2.0 ihrer Stromversorgung über den Widerstand R 1 verbunden. Zwischen den überspannungsgefährdeten Punkten 2.1 und 2.2 sowie Punkt 2.0 ist ein erster und ein zweiter Gasschutzableiter GA 1 und GA 2 angeordnet.

Die Wirkung der als stromkompensierten Zweifachdrossel ausgebildeten Drossel DR auf Differenzmode-Betriebssignale ist vernachlässigbar. Demgegenüber entfaltet die Drossel DR voll Wirkung gegenüber Commonmode-Störsignalen.

Eine erste, zweite und dritte unipolare Thyristordiode TD 1, TD 2, TD 3 ist jeweils mit ihrer Steuerelektrode G mit dem Masseausgang 1.0 sowie mit dem zweiten Ausgang 1.2 und dem ersten Ausgang 1.1 der zu schützenden Schaltung GS verbunden. Über erste Widerstände R 1, R 2, R 3 ist die Anode A jeder Thyristordiode TD 1, TD 2 und TD 3 mit dem ersten und zweiten Ausgang 1.1 und 1.2 sowie dem Masseausgang 1.0 der zu schützenden Schaltung GS entsprechend der Darstellung in Fig. 1 verbunden. Die erste Thyristordiode TD 1 ist mit ihrer Kathode K über eine erste Diode D 1 mit der Anode der Thyristordiode TD 3 und die zweite beziehungsweise dritte Diode D 2, D 3 mit Punkt 2.0 verbunden. Die Kathode K der ersten Thyristordiode TD 1 ist über eine vierte Diode D 4 mit der Anode der Thyristordiode TD 2 verbunden.

Beim Auftreten von Überspannungen an den Punkten 2.1 und 2.2 wirkt die Drossel als Überspannungssperre. Die Überspannung baut sich also bis zu einem bestimmten Wert am Punkt 2.1 und 2.2 auf und veranlaßt das Zünden der Gasschutzableiter GA 1 und GA 2. Die Thyristordioden TD 1, TD 2 und TD 3 haben die Aufgabe, die Ausgänge 1.1 und 1.2 der zu schützenden Schaltung GS vor Restspannungen zu schützen, die an den Anodeneingängen von TD 2 und TD 3 nach dem Auftreten von Überspannungen an der Drossel DR auftreten. Die Thyristordioden TD 1, TD 2 und TD 3 sind insbesondere Thyristoren der italienischen Firma SGS mit der Produktbezeichnung L 3100 B. Sie sind unipolar und können bis maximal 10 Volt bei inverser Polarität betrieben werden. In diesem Zusammenhang sind die Dioden D 1, D 2, D 3 und D 4 vorgesehen.

Bei einer positiven Stoßspannung am Punkt 2.2 bildet die Thyristordiode TD 2 einen Kurzschluß zum Punkt 2.0, wenn der Strom durch den Widerstand R 2 einen Wert überschreitet, bei dem der Spannungsabfall zwischen Anode und Steuergitter G einen Wert von beispielsweise 0,6 bis 1,2 Volt erreicht.

Bei einer positiven Stoßspannung am Punkt 2.1 bildet die Thyristordiode TD 3 einen Kurzschluß zum Punkt 2.0.

Bei negativen Stoßspannungen an den Punkten 2.1 oder 2.2 bildet die Thyristordiode TD 1 einen Kurzschluß zwischen dem Massepunkt 2.0 über die Drossel DR mit dem Punkt 2.1 beziehungsweise 2.2.

In den drei vorstehend genannten Fällen werden also die Ausgänge 1.1 und/oder 1.2 der zu schützenden Schaltung GS mit dem Punkt 2.0 über die entsprechenden Thyristordioden TD 1, TD 2 bzw. TD 3 kurzgeschlossen und somit vor Überspannungen geschützt, die an den Punkten 2.1 und 2.2 auftreten. Über die Widerstände R 1, R 2 oder R 3 fließt ein Strom in der Größenordnung von beispielsweise 3 Ampere. Bei einem Spannungsabfall in der Größenordnung von 0,6 bis 1,2 Volt ergibt sich in diesem Fall eine Verlustleistung in der Größenordnung von 1,8 bis 3,6 Watt. Die Verlustleistung verdoppelt sich durch die Anordnung der symmetrischen Leitungen. Der angesprochene Spannungsabfall von 0,6 b bis 1,2 Volt verringert den Spannungsaussteuerbereich am Ausgang der zu schützenden Schaltung SS (Punkte 2.1 und 2.2).

Der angesprochene Verlust läßt sich durch eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2 erheblich reduzieren, wobei in Fig. 2 nur derjenige Schaltungsteil mit der Thyristordiode TD 3 dargestellt ist, der den in Fig. 1 innerhalb der Klemmen a, b, c, d dargestellten Schaltungsteil ersetzt. In gleicher Weise kann den Thyristordioden TD 1 und TD 2 die in Fig. 2 dargestellte Ansteuerschaltungsanordnung vorgeschaltet werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung besteht aus zwei Längszweigen mit den Klemmpunkten a b und c d. Zwischen den Klemmpunkten d c ist ein Widerstand R 23 angeordnet, der an die Stelle des Widerstandes R 3 tritt und einen erheblich geringeren Widerstandswert als R 3 aufweist. Zwischen den Klemmpunkten a c ist zunächst eine Reihenschaltung aus einer Strombegrenzungseinrichtung I, einer Diode D 21 und einer Zenerdiode ZD 21 angeordnet. Zwischen dem Verbindungspunkt der Diode D 21 und der Zenerdiode ZD 21 und dem Klemmpunkt d ist ein aus einer Reihenschaltung zweier Widerstände R 21 und R 22 bestehender Spannungsteiler angeordnet. Zwischen dem gleichen Verbindungspunkt und Klemmpunkt c ist parallel zur Zenerdiode ZD 21 ein Kondensator C 21 angeordnet. Ein Spannungskomparator Comp ist mit seinem invertierenden Eingang mit Klemmpunkt c verbunden. Sein nichtinvertierender Eingang führt auf den Verbindungspunkt der Widerstände R 21 und R 22. Der Ausgang des Komparators Comp führt auf den Steuereingang eines Schaltelements T, das beispielsweise aus einem Transistor besteht, der mit seinem Emitter mit der Steuerelektrode G der Thyristordiode und der mit seinem Kollektor mit Klemmpunkt c verbunden ist. Der "+"-Versorgungsspannungseingang des Komparators Comp ist mit dem Verbindungspunkt der Dioden D 21 und ZD 21 und der "-"-Versorgungsspannungseingang des Komparators Comp ist mit Klemmpunkt c verbunden.

Die Anordnung aus der Strombegrenzungseinrichtung I, die spannungsunabhängig arbeitet, den Dioden D 21 und ZD 21, sowie dem Kondensator C 21 bildet die Spannungsversorgung für den Komparator Comp, dem an den Klemmpunkten a d eine Spannung zugeführt wird, die sich im Bereich zwischen der Spannung "0" und der negativen Versorgungsspannung der geschützten Schaltung GS abhängig vom Verlauf des Ausgangssignals zwischen den Punkten 2.1 und 2.2 (Fig. 1) bewegt.

Bei der Strombegrenzungseinrichtung I handelt es sich beispielsweise um "Current Regulator Diodes" der Firma Siliconix.

Die Strombegrenzungseinrichtung I arbeitet in der Weise, daß bis zu einer vorgegebenen Spannung an den Klemmpunkten a d von zum Beispiel 2 Volt kein Strom von I über die Diode D 21 fließt und daß bei Überschreiten dieser Spannung ein konstanter Strom in der Größenordnung von 1 Milliampere fließt. Dieser Strom lädt den Kondensator C 21 in den Zeiten, in denen die Spannung an den Klemmpunkten a d größer ist als die Zenerspannung der Zenerdiode ZD 21, auf die Zenerspannung auf. Diese Spannung dient der Versorgung des Komparators Comp.
In den Zeiten, in denen die Spannung an den Klemmpunkten a d kleiner oder gleich der Zenerspannung ist, trennt die Diode D 21 die Zenerdiode ZD 21 und den Kondensator C 21 vom Klemmpunkt a ab.

Die Spannung am Kondensator C 21 bleibt praktisch konstant; er wird fortlaufend durch den Strom über die Diode D 21 nachgeladen und liefert den Versorgungsstrom für den Komparator Comp.

Tritt keine Überspannung an den Punkten 2.1 und 2.2 (Fig. 1) auf, fließt also über R 23 kein Strom, liegt am nichtinvertierenden Eingang des Komparators Comp ein positiveres Potential als an seinem invertierenden Eingang. Am Ausgang des Komparators Comp entsteht ein positives Potential. Der Transistor T befindet sich im Sperrzustand, so daß kein Strom in die Steuerelektrode G der Thyristordiode TD 3 fließt. Die Thyristordiode TD 3 ist dann ebenfalls gesperrt.

Steigt bei Auftreten einer Überspannung an den Punkten 2.1 und 2.2 (Fig. 1) der Strom über R 23 an, ergibt sich am Klemmpunkt c ein gegenüber dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände R 21 und R 22 positiveres Potential.

Am Ausgang des Komparators Comp entsteht ein negatives Potential und der nachgeschaltete Transistor T wird so ausgesteuert, daß ein Steuerstrom in der Steuerelektrode G der Thyristordiode TD 3 fließt. Die Thyristordiode TD 3 zündet und bildet für die aufgetretene Überspannung einen Kurzschluß und bildet hiermit den gewünschten Schutz der Schaltung GS.

Diese Ausführungsform mit dem Komparator Comp erlaubt die Verwendung des Widerstandes R 23, der einen erheblich kleineren Widerstandswert als der Widerstand R 3 (Fig. 1) hat. Während bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zum Zünden der Thyristordiode TD 3 ein Spannungsabfall an R 3 von 0,6 bis 1,2 Volt notwendig ist, ist bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ein Spannungsabfall an R 23 erforderlich, der in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit nur den 10 bis 20-fachen Wert der Offset-Spannung des Komparators Comp beträgt. Die Offset-Spannung liegt üblicherweise im Bereich einiger Millivolt. Das 10- bis 20-fache dieses Werts liegt im Bereich bei beispielsweise 50 Millivolt. Bei gleichen Strömen durch R 3 beziehungsweise R 23 verringert sich die Verlustleistung in R 23 auf 10 bis 5% der Verlustleistung in R 3.

Während bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, bei der die Thyristordioden TD 1, TD 2, TD 3 einen Toleranzbereich von 0,6 bis 1,2 Volt haben, die Ausgangsstufe der geschützten Schaltung GS für einen zweifach höheren Strom als der maximale Nominalstrom (Strom durch R 3 im Normalbetrieb, also bei Nichtauftreten von Überspannungen) auszulegen ist, kann man die Ausgangsstufe der geschützten Schaltung GS in Verbindung mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 für nur einen 10 bis 20% höheren Strom auslegen.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz niederohmiger Ausgänge einer zu schützenden Schaltung vor an den Ausgängen zugeordneten Punkten auftretenden Überspannungen, wobei zwischen einem ersten und zweiten Ausgang (1.1, 1.2) der zu schützenden Schaltung (GS) und dem zugehörigen überspannungsgefährdeten Punkt (2.1, 2.2) jeweils ein Teil einer stromkompensierten Zweifachdrossel (DR) angeordnet ist, wobei zwischen den überspannungsgefährdeten Punkten (2.1, 2.2) und dem Erdverbindungspunkt (2.0) der Stromversorgung der zu schützenden Schaltung (GS) ein erster und zweiter Gasschutzableiter (GA 1, GA 2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß daß eine erste, zweite und dritte unipolare Thyristordiode (TD 1, TD 2, TD 3) mit ihrer Steuerelektrode (G) und über je einen ersten Widerstand (R 1, R 2, R 3) mit ihrer Anode (A) mit dem ersten und zweiten Ausgang (1.1, 1.2) sowie mit dem Masseausgang (1.0) der zu schützenden Schaltung (GS) in der Weise verbunden ist, daß bei Auftreten von Überspannungen an den überspannungsgefährdeten Punkten (2.1, 2.2) ein Spannungsabfall an einem der ersten Widerstände (R 1, R 2, R 3) gebildet wird, der die zugehörige unipolare Thyristordiode (TD 1, TD 2, TD 3) in den leitenden Zustand steuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Thyristordiode (TD 1, TD 2, TD 3) anstelle in Abhängigkeit eines ersten Widerstandes (R 1, R 2, R 3) in Abhängigkeit eines zweiten Widerstandes (R 23) mit einem gegenüber dem ersten Widerstand (R 1, R 2, R 3) erheblich geringerem Widerstandswert und über eine der jeweiligen Thyristordiode (TD 1, TD 2, TD 3) vorgeschaltete Anordnung eines Spannungskomparators (Comp) und eines von diesem angesteuerten Schaltelements (T) angesteuert wird.