DE4107459A1 - Ueberspannungs-schutzgeraet fuer datenkabel - Google Patents

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 Überspannungen geschützt sein. Solche Überspannungen können durch natürliche Blitzeinschläge, aber auch durch technisch hervorgerufene Störungen entstehen. Hauseingangsseitig ist ein schirmendes, elektrisch leitendes Gehäuse angeordnet, 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 Potentialausgleichsschiene. Die zwischen zwei voneinander entfernten Gebäuden verlaufenden externen Datenleitungen des externen Kabels sind natürlich geschirmt verlegt.

Bei dem bekannten Überspannungsschutzgerät (DE-PS 33 46 753) waren in dem Gehäuse sowohl Grobschutzelemente angeordnet, wie Gasentladungsableiter, als auch Feinschutzelemente, wie Varistoren und/oder Schutzdioden, zwischen denen in der einen Datenleitung Entkopplungsglieder sich befanden, nämlich Ansprechinpedanzen in Form von Widerständen oder Induktivitäten, die zum Zünden des Gasentladungsableiters notwendig sind. Deswegen mußte das Gehäuse entsprechenden Innenraum aufweisen, wie auch zur Wartung, Prüfung und zum Austausch der zahlreichen Schutzelemente entsprechende Vorkehrungen getroffen werden mußten.

Weil ein Entkopplungsglied nur in einer Datenleitung angeordnet war, ergab sich eine Unsymmetrie, die beim Anschluß des Datenendgeräts berücksichtigt werden mußte. Vor allem führten aber die Entkopplungsglieder zu einer unnötigen Bedämpfung des Datensignals, weshalb durch den Einsatz der bekannten Überspannungs-Schutzgeräte die Reichweite der Datensignale deutlich reduziert wurde. Schließlich konnte es vor allem bei langen Leitungsführungen zu einer Überkopplung zwischen den internen und externen Datenkabeln kommen, was den Überspannungsschutz beeinträchtigte. Das Datenendgerät war dann nicht ausreichend geschützt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes und zuverlässiges Schutzgerät der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu entwickeln, das die Reichweite der Daten nicht schmälert und eine unerwünschte Überkopplung bei langen Leitungsführungen vermeidet. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zu­ kommt:

Es liegt zunächst eine gezielte räumliche Trennung von Grob- und Feinschutz bei der Erfindung vor. Vor allem entfällt ein besonderes Kopplungsglied, das bei der bisher stets geübten eng beieinander liegenden Anordnung dieser beiden Schutzelement-Typen erforderlich war. Die Erfindung hat nämlich erkannt, daß die erforderliche Entkopplung der Grob- und Feinschutzelemente bereits durch die Signallaufzeit der Transiente im dazwischenliegenden Datenkabel erzielt wird, wenn dieses eine difinierte Mindestlänge aufweist. Dadurch kommt bereits eine Zündung des stromtragenden Gasableiters zustande. Außerdem wird eine Verkopplung der internen und externen Datenkabel vermeiden, zumal wenn man dabei die in Anspruch 3 erwähnte Schaltungs- und Gehäusegeometrie beachtet.

Selbst bei langen Leitungsführungen lassen sich solche unerwünschten Überkopplungen vermeiden, wenn man, gemäß Anspruch 2, die Feinschutzelemente unmittelbar vor dem Datenschutzgerät anordnet. Die Feinschutzelemente können im übrigen mit den Anschlußstellen des Endgeräts zu einer Baueinheit zusammengefaßt sein. Schon beim Grobschutz läßt sich ein niedriger Schutzpegel erreichen, wenn man die in Anspruch 4 hervorgehobene Parallelschaltung zweier unterschiedlich ansprechender Gasableiter vornimmt. Davon werden sowohl schnelle als auch langsame Transiente erfaßt.

Im Falle unterschiedlicher Erdungswiderstände treten normalerweise Ausgleichsströme am externen Kabel auf, die den dortigen Kabelschirm zerstören können. Beide Kabelenden werden nämlich an dem jeweiligen hauseigenen Erdteiler angeschlossen. Um dies auszuschließen, wird die in Anspruch 6 vorgeschlagene besondere Schutzschaltung gewählt. Diese sorgt zugleich für eine Abhörsicherheit und eine von außen störsichere Anlage und kann innerhalb des bereits die Grobschutzelemente aufnehmenden Gehäuses integriert sein. Diesen Maßnahmen kommt eine von Anspruch 1 unabhängige erfinderische Bedeutung zu.

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 zeigt

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 geschützt. 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 entsprechende 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′ angeschlossen, 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 spannungsfester Kondensator 18, 18′ und mindestens ein Gasableiter 17, 17′ angeordnet, 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 Potentialunterschie entsteht. So kann z. B. der Erdungswiderstand 23′ am einen Schirmende 15′ bei 4Ω liegen, während der Widerstand am anderen Schirmende 15 nur einen Wert von 2Ω aufweist. Dieser Spannungsunterschied 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 Fertigstellung 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. Hauseingangsseitig, 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 Entladungsstrecke 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 Ansprechverhalten aufweisen. So ist von den beiden zwischen dem Erdleiter 21 und der Datenleitung 33 geschalteten Gasableitern der eine, z. B. 24 bezeichnete, für langsame und der andere, mit 25 bezeichnete für schnelle Transiente zuständig. In 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 Grobschutz bereits ein niedriger 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 angeordnet 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 zusammen­ fassen. In diesem Fall kann jedes Endgerät 35 bereits für sich, bei Auslieferung, 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 gegenüberliegenden 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 Anpassungsglieder 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 (6)

1. Überspannungsschutzgerät für Datenkabel (11), bestehend aus Datenleitungen (12, 13) mit einem diese umschließenden Schirm (14),
und mit einem geerdeten Gehäuse (20, 20′), welches Anschlüsse für das externe und interne Datenkabel (12, 13; 32, 33) besitzt und worin Überspannungs-Schutzelemente (24 bis 27) angeordnet sind, die zwischen dem Erdleiter (21, 21′) einerends und der einen bzw. anderen Datenleitung (32, 33) anderends angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Gehäuse (20, 20′) ausschließlich die Grobschutzelemente (24 bis 27) sich befinden, während die Feinschutzelemente (28, 29), davon räumlich getrennt, hinter einem Teilstück definierter Mindestlänge (38) der internen Datenleitung angeordnet sind, das als Entkopplungsglied zwischen den Fein- und Grobschutzelementen fungiert.

2. Schutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinschutzelemente (28, 29) jeweils im Bereich des Datenendgeräts (35), insbesondere unmittelbar vor diesem (35), angeordnet sind.

3. Schutzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gehäuse (20) befindlichen Grobschutzgeräte ihrerseits aus wenigstens zwei verschiedenen, parallelen Gasableitern (24, 25; 26, 27) bestehen, die ein zueinander unterschiedliches dynamisches Ansprechverhalten aufweisen.

4. Schutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführstellen des externen Datenkabels (11) gegenüber denjenigen des internen Datenkabels (31) auf zueinander gegenüberliegenden Seiten (39, 40) des Gehäuses (20) angeordnet sind und voneinander weg gerichtet sind.

5. Schutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (20), vorzugsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte, außer den Grobschutzelementen (24 bis 27) auch noch Anpassungsglieder für den Wellenwiderstand des Datenkabels (11, 31) angeordnet sind.

6. Schutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (20) zwischen dem jeweiligen Ende (15, 15′) des externen Schirms (14) einerseits und dem zugehörigen Erdleiter (21, 21′) mindestens eine fallweise auftrennbare Brücke (16, 16′) und parallel zu dieser sowohl mindestens ein Kondensator (18, 18′) als auch mindestens ein Gasableiter (17, 17′) angeordnet sind.