DE4106505A1

DE4106505A1 - Ueberspannung-schutzgeraet fuer hausuebergreifende datenleitungen

Info

Publication number: DE4106505A1
Application number: DE19914106505
Authority: DE
Inventors: Dieter Schlueter; Sebastian Arroyo
Original assignee: Quante GmbH
Current assignee: 3M Deutschland GmbH
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 1991-09-19
Anticipated expiration: 2011-03-02
Also published as: DE4106505C2

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Schutzgerät der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Damit soll die hausinterne Verkabelung und die daran angeschlossenen Endgeräte gegen von außen kommende Überspan nungen geschützt sein. Solche Überspannungen können durch natürliche Blitzeinschläge, aber auch durch technisch hervorgerufene Störungen entstehen. Hauseingangsseitig ist ein schirmendes, elektrisch leitendes Gehäuse angeordnet, das nachfolgend kurz "Schirmgehäuse" bezeichnet werden soll und das mit Durchführungen für die externen und internen Datenkabel, wie PG-Verschraubungen, versehen ist. Das Gehäuse ist mit einem hausinternen Erdleiter verbunden, z. B. mit der örtlichen Potential ausgleichsschiene. Die zwischen zwei voneinander entfernten Gebäuden verlaufenden externen Datenleitungen des externen Kabels sind natürlich geschirmt verlegt.

Bei dem bekannten Schutzgerät dieser Art befanden sich im Gehäuse alle Überspannungsschutzelemente, nämlich ein sogenannter Grob- und Feinschutz zwischen denen ein Entkopplungsglied in die eine Datenleitung des Kabels geschaltet war. Das Entkopplungsglied war zum Zünden des als Grobschutz dienenden Gasableiters erforderlich. Die beiden Schirmenden des externen Kabels waren jeweils an dem im Haus vorhandenen Erdleiter angeschlossen, was zweckmäßigerweise auch innerhalb der beidseitigen Schirmgehäuse vollzogen wurde. Zwischen den beiden Erdleitern zweier Gebäude kam es häufig zu Potentialunterschieden. Das hat Ausgleichsströ me zur Folge, die über den externen Schirm flossen. Solche Ausgleichsströ me konnten den Kabelschirm durch Korrosion zerstören. Ferner störten sie über Einkoppelungen den Datenverkehr. Es reichte dabei nicht aus, den Erdanschluß an einem Schirmende offen zu lassen, weil dann das Kabel strahlte und zu Funkstörungen führte. Die Anlage war dann nicht mehr abhörsicher. Um eine abhörsichere und von außen störsichere Anlage zu erhalten, sah man sich daher bisher genötigt, beide Schirmenden auf den Erdleiter aufzulegen und die damit verbundenen Nachteile in Kauf zu nehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Überspannungs- Schutzgerät der im Oberbegriff des Anspruches 1 angeführten Art zu entwickeln, das abhörsicher ist und sich von außen durch Störsicherheit auszeichnet. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Die Brücke zwischen dem Schirmende und dem hauseigenen Erdleiter wird dann aufgetrennt, wenn durch Messung vor Ort ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Schirmenden festgestellt wird. Damit sind Ausgleichs ströme unterbrochen, die andernfalls durch den Spannungsunterschied im Schirm fließen würden. Damit ist eine Zerstörung des Kabelschirms ausgeschlossen. Dann wird aber die parallel zur aufgetrennten Brücke geschaltete besondere Schutzschaltung wirksam. Sie sorgt dafür, daß sowohl ein Überschlag als auch und ein hochfrequentes Abstrahlen des Kabel schirms vermieden werden, was in der nachfolgenden Beschreibung eingehend erläutert wird. Es empfiehlt sich dabei die Maßnahmen nach Anspruch 2 anzuwenden, weil durch die Trennung des Grob- und Feinschut zes keine Reduzierung der Reichweite in solchen LAN-Anlagen eintritt. Dabei sollte man natürlich für den wellenwiderstandsrichtigen Aufbau gemäß Anspruch 5 sorgen. Die Erfindung hat nämlich erkannt, daß die interne Datenleitung zwischen dem Grobschutz- und Feinschutzelement selbst bereits für eine Entkopplung sorgt. Das ergibt sich wegen der Signallaufzeit der Transiente im Datenkabel. Diese Trennung der Grob- und Feinschutzelemente durch definierte Kabellängen ist von selbständiger erfinderischer Bedeutung. Die sonst erforderlichen Kopplungsglieder, wie Widerstände oder Spulen, sind überflüssig.

Weil das sonst in der einen Datenleitung befindliche Entkopplungsglied wegfällt, ergibt sich ein symmetrischer Aufbau, der einen beliebigen Anschluß des Datenendgerätes zuläßt. Insbesondere wenn das Feinschutzele ment, gemäß Anspruch 3, unmittelbar vor dem Datenendgerät angeordnet ist, sind grundsätzlich Überkopplungen bei langen Leitungsführungen zwischen dem Feinschutz und dem zu schützenden Gerät vermieden. Dazu sind die Maßnahmen nach Anspruch 6 vorteilhaft.

Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung. Die Erfindung richtet sich dabei auf alle daraus entnehmbaren neuen Merkmale und Merkmals kombinationen, auch wenn diese in den Ansprüchen nicht ausdrücklich angeführt sein sollten. In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau des Überspannungsschutzes zwischen zwei durch eine Datenleitung miteinander verbundenen Gebäuden und

Fig. 2 schematisch den Verlauf der Datenleitung innerhalb eines Gebäudes.

Die in Fig. 1 gezeigte Überspannungs-Schutzschaltung beschreibt die Verhältnisse zwischen hausübergreifenden Datenleitungen, bestehend aus einem externen Datenkabel 11, das zwischen den beiden Gebäuden 10, 10′ verläuft, um dort die internen LAN-Netze gemäß Fig. 2 zu betreiben. Dieses externe Kabel 11 umfaßt zunächst Datenleitungen, von denen in den Zeichnungen nur zwei gezeigt und mit 12, 13 bezeichnet sind. Die Datenleitungen 12, 13 sind nach außen von einem Kabelschirm 14 ge schützt. Das externe Datenkabel 11 endet in den beiden Häusern 10, 10′ jeweils in einem geschirmten, elektrisch leitenden Gehäuse 20 bzw. 20′, das deshalb als "Schirmgehäuse" bezeichnet werden kann, wo sich entspre chende Durchführungen und Kabelanschlüsse befinden. Dies gilt auch für das Ende des zugehörigen internen Datenkabels 31 bzw. 31′. Für diese Anschlüsse ist im Gehäuse 20 eine Leiterplatte mit verschiedenen, teilweise noch näher zu beschreibenden Bauelementen vorgesehen, an welchen die jeweiligen Datenleitungen 12, 32 bzw. 13, 33 und Schirme 14, 34 des externen und internen Datenkabels 11, 31 angreifen. Das jeweilige Schirmgehäuse 20, 20′ ist an den hauseigenen Erdleiter 21, 21′ angeschlos sen, der zu der jeweils vorhandenen Erdungsschiene 22, 22′ führt. Die Erdungsschiene 22, 22 ist in Abhängigkeit von den jeweiligen örtlichen Verhältnissen einem Erdungswiderstand 23 bzw. 23′ ausgesetzt, zwischen denen es zu einem Potentialunterschied kommen kann.

In den abgeschirmten Schirmgehäusen 20, 20′ befinden sich zunächst Überspannungsschutzelemente 24 bis 27, die im vorliegenden Fall in besonderer Weise ausgebildet sind, wie noch näher beschrieben wird. Sie sind zwischen die jeweilige Datenleitung 32, 33 des internen Kabels 31, 31′ und den hauseigenen Erdleiter 21 geschaltet. Außerdem ist jedes der beiden Schirmenden 15, 15′ vom externen Datenkabel 11 über mindestens je eine Brücke 16, 16′ mit dem Erdleiter 21, 21′ verbunden, wobei diese Brücke nur ein Bestandteil einer besonderen Schutzschaltung 19, 19′ ist. Parallel zu der Brücke 16 bzw. 16′ sind nämlich jeweils mindestens ein spannungs fester Kondensator 18, 18′ und mindestens ein Gasableiter 17, 17′ angeord net, die ebenfalls das zugehörige Schirmende 15, 15′ mit dem Erdleiter 21, 21′ verbinden.

Durch unterschiedlichen Erdungswiderstand 23, 23′ kommt es in der Praxis häufig zu einem unterschiedlichen Spannungsabfall U1, U2, so daß zwischen den beiden Erdleitern 21, 21′ und damit zwischen den Schirmenden 15, 15′ ein Potentialunterschied entsteht. So kann z. B. der Erdungswiderstand 23′ am einen Schirmende 15′ bei 4 Ω liegen, während der Widerstand am anderen Schirmende 15 nur einen Wert von 2 Ω aufweist. Dieser Spannungs unterschied würde normalerweise zu Ausgleichsströmen über den externen Schirm 14 führen, die zu dessen Zerstörung führen könnten. Dieser Strom ist auch in der Lage, den Datenverkehr zu stören. Wird nun bei Fertigstel lung der Anlage vor Ort ein Spannungsunterschied zwischen U1 und U2 festgestellt, so wird die eine, z. B. auf der Leiterplatte im Gehäuse 20 befindliche Brücke 16, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, unterbrochen. Andernfalls, wenn kein Spannungsunterschied besteht, können beide Brücken 16, 16′ geschlossen bleiben. Weil die Datenleitungen hochfrequent betrieben werden, könnte es zu einer Abstrahlung der Daten kommen, wie auch bei hohen Störspannungen ein Überschlag erfolgen würde, wenn nicht die besondere erfindungsgemäße Schutzschaltung 19 bzw. 19′ vorhanden wäre. Den Überschlag am nicht geerdeten Schirmende 15 vermeidet nämlich der parallel zur Brücke 16 bzw. 16′ geschaltete Gasableiter 17 bzw. 17′, der über seine Gasstrecke mit dem jeweiligen Erdleiter 21 bzw. 21′ verbunden ist und bei einer Spannungsbeaufschlagung wirksam wird. Die Abstrahlung ist aus folgendem Grund vermieden: Für niederfrequente Störströme (z. B. 50 Hz), ist die Schutzschaltung 19, 19′ hochohmig. Durch den jeweiligen Kondensator 18, 18′ ist aber diese Schaltung 19, 19′ hochfrequenzmäßig niederohmig mit dem jeweiligen Erdleiter 21, 21′ verbunden, weshalb es nicht zu dem unerwünschten hochfrequenten Abstrahlen der Daten kommt.

Auch hinsichtlich des Überspannungsschutzes des internen Datenkabels 31 liegen besondere Schaltungsmaßnahmen vor, wie Fig. 2 zeigt. Hauseingangs seitig, innerhalb des jeweiligen Schirmgehäuses 20, 20′ sind zwischen jeder der beiden Datenleitungen 32, 33 und dem Erdleiter 21 ausschließlich sogenannte Grobschutzelemente geschaltet, die z. B. aus einer Entladungs strecke oder einem Varistor bestehen. Diese sind entsprechend dem gewünschten Blitzschutz-Potentialausgleich bemessen. Die zugehörigen Feinschutzelemente 28, 29 sind demgegenüber räumlich getrennt angeordnet und nicht mehr Bestandteil des jeweiligen Schirmgehäuses 20, 20′. Die Grobschutzelemente im eingangsseitigen Gehäuse 20 sind jeweils durch Parallelschalten zweier Gasableiter 24, 25 einerseits und 26, 27 anderer seits gebildet, die ein zueinander unterschiedliches dynamisches Ansprech verhalten aufweisen. So ist von den beiden zwischen dem Erdleiter 21 und der Datenleitung 33 geschalteten Gasableitern der eine, z. B. 24 bezeich nete, für langsame und der andere, mit 25 bezeichnete für schnelle Transiente zuständig. ln entsprechender Weise ist der eine Gasableiter 26 an der Datenleitung 32 schneller als der andere 27 wirksam. Der langsame Gasableiter 24 bzw. 26 kann viel Energie ableiten, weshalb beim Grob schutz bereits ein niederiger Schutzpegel erreicht wird. Der entsprechende Aufbau der Grobschutzelemente in dem anderen Schirmgehäuse 20′ des im gegenüberliegenden Gebäude 10′ befindlichen internen Datenkabels 31′ wird in entsprechender Weise vorgenommen.

Wie bereits erwähnt wurde, befinden sich die Feinschutzelemente 28, 29 der beiden Datenleitungen 32, 33 um eine bestimmte Strecke 38 des internen Kabels 31 voneinander getrennt. Die Feinschutzelemente bestehen aus Dioden, z. B. Suppressor-Dioden, Zenerdioden oder Varistoren. Sie sind entsprechend der Empfindlichkeit des zu schützenden Endgerätes 35 bemessen. Die Erfindung hat nämlich erkannt, daß diese Leitungsstrecke 38 bereits wie ein "Entkopplungsglied" wirkt, weshalb die bisher in eine der beiden Datenleitungen 32 oder 33 zu schaltenden Entkopplungsglieder, wie Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten oder Filter, zwischen den Grobschutz- und Feinschutzelementen grundsätzlich entbehrlich sind. Die Praxis zeigte, daß diese Kabelstrecke 38 größer/gleich 6 Meter sein sollte. Damit sind nicht nur Bauteile vermieden, sondern es ist vor allem für eine niederohmige, also verlustfreie Übertragung der Daten gesorgt. Es ergibt sich folglich eine große Reichweite des erfindungsgemäßen LAN- Überspannungsschutzes. Eine unnötige Dämpfung der Datensignale ist vermieden. Die Entkopplung des Grob- und Feinschutzes wird über die Signallaufzeit der Transiente in den Datenleitungen 32, 33 innerhalb der Kabelstrecke 38 erreicht, die das Zünden des stromtragenden Gasableiters ermöglicht.

Die Feinschutzelemente 28, 29 sind also in einem gesonderten Gehäuse 37 angeordnet, das über einen Erdleiter 36 wieder mit der zugehörigen Erdungsschiene 22 verbunden ist. Dieses Feinschutzgehäuse 37 sollte möglichst unmittelbar vor dem zu schützenden Datenendgerät 35 angeord net sein. Man integriert daher diesen Feinschutz 37 am Leitungseingang des Datenendgerätes 35. Man könnte das Datenendgerät 35 mit dem Feinschutzgehäuse 37 zu einer Baueinheit 30 gemäß Fig. 2 zusammenfas sen. In diesem Fall kann jedes Endgerät 35 bereits für sich, bei Ausliefe rung, mit einer Feinschutzschaltung 37 ausgerüstet sein. Dadurch werden auch unerwünschte Überkopplungen von langen Leitungsführungen zwischen dem Feinschutz und dem zu schützenden Endgerät vermieden. Während bei den bekannten Gehäusen 20, 20′ die Ein- und Ausgänge der Kabel 11, 31 bzw. 11, 31′ nebeneinander auf der gleichen Gehäuseseite lagen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dafür die einander diametral gegenüberlie genden Enden 39, 40 des Gehäuses 20, 20′ zu verwenden, wie sich das aus den Fig. 1 und 2 auch ergibt. Durch diese geometrische Vorgabe der Anschlußlage der ungeschützten und der geschützten Datenleitungen ist eine Verkoppelung der Innen- und Außenkabel vermieden. Auch dies ist eine wichtige Folge der räumlichen Trennung 38 zwischen dem Grobschutz 24 bis 27 einerseits und dem Feinschutz 28, 29. Durch diese geometrische Vorgabe ist eine Parallelführung der Datenleitungen ausgeschlossen. Geschützte und ungeschützte Datenstränge liegen nicht mehr nebeneinan der.

Die internen und externen Kabel 11, 31 lassen sich montagefreundlich an der Leiterplatte im jeweiligen Gehäuse 20 anschließen. Durch Anpassungs glieder wird dabei für einen wellenwiderstandsrichtigen Aufbau des LAN- Überspannungsschutzes gesorgt. Es finden keine Datenreflexionen statt.

Bezugszeichenliste

10, 10′ Haus
11 externes Kabel
12 eine Datenleitung
13 andere Datenleitung
14 Schirm von 11
15 erstes Schirmende
15′ zweites Schirmende
16, 16′ Brücke
17, 17′ Gasableiter
18, 18′ Kondensator
19, 19′ Schutzschaltung bei 15, 15′
20, 20′ Schirmgehäuse
21, 21′ Erdleiter
22, 22′ Erdungsschiene
23, 23′ Erdungswiderstand
24 Grobschutz, erster Gasableiter
25 Grobschutz, zweiter Gasableiter
26 Grobschutz, erster Gasableiter
27 Grobschutz, zweiter Gasableiter
28 Feinschutz, Schutzdiode
29 Feinschutz, Schutzdiode
30 Baueinheit aus 37, 35
31, 31′ internes Datenkabel
32 erste Datenleitung
33 zweite Datenleitung
34 Schirm von 31
35 Datenendgerät
36 Erdleiter
37 Feinschutz-Gehäuse
38 Kabelstrecke
39 Gehäuseende von 20
40 Gehäuseende von 20

Claims

1. Überspannungs-Schutzgerät für hausübergreifende Datenkabel (11) mit Datenleitungen (12, 13), mit einem diese umschließenden Schirm
und mit hauseingangsseitigen, voneinander unabhängig geerdeten, elektrisch leitenden Gehäusen (20, 20′), worin jeweils der Anschluß des externen Datenkabels an das interne (31) erfolgt, worin Über spannungsschutzelemente (24 bis 27) angeordnet sind und wo die externen und internen Schirme (14; 34) enden sowie geerdet (21, 21′) sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (20, 20′), in Parallelschaltung nebeneinanderliegend, zwischen dem Ende (15, 15′) des externen Schirms (14) einerseits und dem hauseigenen Erdleiter (21, 21′) andererseits mindestens eine fallweise auftrennbare Brücke (16, 16′), mindestens ein spannungsfe ster Kondensator (18, 18′) sowie mindestens ein Gasableiter (17, 17′) angeordnet sind.

2. Schutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den einerseits an die Datenleitung (32 bzw. 33) und andererseits an den hauseigenen Erdleiter (21) angeschlossenen Überspannungselementen im hauseingangsseitigen Gehäuse (20) sich ausschließlich die Grob schutzelemente (24 bis 27) befinden, während die ergänzenden Feinschutzelemente (28, 29), davon räumlich getrennt, hinter einem eine bestimmte Mindestlänge aufweisenden Teilstück (38) der internen Datenleitung (31) angeordnet sind, welches als Entkopplungs glied dieser Schutzelemente fungiert.

3. Schutzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinschutzelemente (28, 29) jeweils im Bereich des an das Datenka bel (31) angeschlossenen Datenendgeräts (35) angeordnet sind, insbesondere unmittelbar vor diesem Endgerät (35).

4. Schutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im hauseingangsseitigen Gehäuse (20) befindliche, zwischen einem der Datenleiter (32 bzw. 33) einerseits und dem Erdleiter (21) andererseits geschaltete Grobschutz aus wenigstens zwei parallel geschalteten Gasableitern (24, 25 bzw. 26, 27) besteht, die ein zueinander unterschiedliches dynamisches Ansprechverhalten aufweisen.

5. Schutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gehäuse (20) befindlichen, zum Anschluß der internen und externen Datenleitungen (12, 13; 32, 33) dienenden Leiterplatten mit dem Wellenwiderstand des Datenkabels (14; 31) entsprechenden Anpassungsgliedern versehen sind.

6. Schutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (20, 20′) die Anschlüsse für das externe Datenkabel (11) gegenüber denjenigen des Innenkabels (31, 31′) auf zueinander gegenüberliegenden Gehäuseenden (39, 40) vorgesehen sind.