DE68920558T2

DE68920558T2 - Fernsprechschutzschaltung.

Info

Publication number: DE68920558T2
Application number: DE68920558T
Authority: DE
Inventors: Francis Yun-Tai Hung; Donald Scott Mcginn
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1988-12-08
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2009-05-06
Also published as: JPH02159928A; ATE117151T1; EP0372673B1; JP2765943B2; DE68920558D1; CN1043417A; KR900011096A; CA1307315C; EP0372673A3; KR0132057B1; EP0372673A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Schutz empfindlicher Geräte gegen Überspannungen und/oder Überströme und insbesondere auf eine Schutzschaltung, die verhindert, daß derartige Überspannungen oder Überströme eine Fernsprechteilnehmer-Leitungsschnittstellenschaltung (SLIC) beschädigt.
SLIC's in Fernsprechnetzen erfordern einen Schutz gegen Stoßspannungen oder Stoßströme, die durch Blitzeinschläge oder durch durch Hochspannungsleitungen hervorgerufene Fehler entstehen. Blitzeinschlagfehler können aufgrund von direkten oder indirekten Einschlägen in ein Telefonkabel oder aufgrund eines Erdpotentialanstiegs (GPR) bei einem Einschlag in eine nahegelegene Erdungsstruktur entstehen. Ein GPR kann eine Stoßspannung in dem Fernsprechvermittlungsamt hervorrufen. Die Fehler aufgrund von Hochspannungsleitungen ergeben sich allgemein aufgrund von Hochspannungsleitungsüberschlägen und einer Phasenunsymmetrie, wodurch übermäßige induzierte Wechselströme hervorgerufen werden. Eine erste Ebene eines Überspannungsschutzes wird üblicherweise an dem Punkt vorgesehen, an dem von außen ankommende Kabel in ein Gebäude eintreten; die Spannung, die diese erste Schutzebene durchlaufen kann, ist allgemein so festgelegt, daß sie nicht größer als 1000 Volt (Spitzenwert) sein kann. 1000 Volt liegen jedoch üblicherweise über der Spannung, die integrierte Schaltungen (IC) in der SLIC verarbeiten können. Weil die IC's in der SLIC immer höher entwickelt und immer empfindlicher werden, besteht eine Notwendigkeit, eine verbesserte Schutzschaltung für die Hochleistungsbauteile in der SLIC zu schaffen. Es ist weiterhin wünschenswert, daß die Schutzschaltung einen vollständigen Schutz für die SLIC unter allen üblichen Fehlerbedingungen ergibt, jedoch den normalen Betrieb der SLIC nicht stört.
Die zweite Art von Überspannungsproblemen, die bei einer SLIC auftreten können, ist eine gleichzeitige Stoßspannung an einer Gruppe von Leitungsschaltungen. Während derartiger Stoßspannungen kann der gemeinsame Erdrückführungsstrom einen übermäßigen Spannungsabfall an der Batterieschiene hervorrufen. Diese Überspannung kann mehr als 100 Volt über der Batteriespannung an der Leitungsschaltung liegen und zu einem Ausfall aller IC's auf der SLIC führen.
Es wurden vielfältige Schutzanordnungen vorgeschlagen. Beispielsweise wird in dem US-Patent 4 661 979 ein Transorber verwendet, um positive Ströme nach Erde abzuleiten und um die negative Überspannungsenergie in der Zener-Betriebsart zu absorbieren. Eine derartige Einrichtung ist für Blitzschlagimpulse mit kurzer Dauer, jedoch nicht für durch Hochspannungsleitungen hervorgerufene Fehler mit längerer Dauer, beispielsweise einen Zyklus einer 60 Hz-Energie geeignet. Ein weiterer Nachteil des Transorbers besteht in dem dynamischen Klemmverhältnis des Bauteils. Wenn der Transorber durchzubrechen beginnt und der Stoßstrom anzusteigen beginnt, steigt die Klemmspannung des Transorbers als Funktion des Stoßstromes an. Als Ergebnis kann die Spitzenklemmspannung in der Größenordnung von 30% größer sein, als die anfängliche Durchbruchspannung des Transorbers. Eine derartige momentane Stoßspannung kann zwar ggf. nicht einen sofortigen Ausfall der IC's hervorrufen, kann jedoch trotzdem zu Beschädigungen führen.
Eine weitere Schutzanordnung ist in der EP-A-0 239 863 beschrieben.
Eine andere Schutzanordnung ist in der Literaturstelle I.E.E.E. Journal of Solid-State Circuits; Band SC-21, Nr. 6, Dezember 1986, Seiten 047 - 955 beschrieben. Bei der in dieser Literaturstelle beschriebenen Schutzanordnung sind sowohl die a- als auch die b-Ader-Leitungen einer Teilnehmerschleife durch einen gesteuerten Siliziumgleichrichter oder Thyristor (SCR) geschützt. Die Steuerelektrode jedes SCR ist über eine jeweilige Diode mit der negativen Batteriespannung und über einen jeweiligen Widerstand mit der a- oder b-Ader-Leitung verbunden. Wenn entweder die a- oder die b-Ader-Leitung eine negative Stoßspannung empfängt, so beginnt ein Strom durch die jeweilige Diode und den Widerstand zu fließen; der Spannungsabfall längs des jeweiligen Widerstandes reicht aus, um den zugehörigen Thyristor einzuschalten. Eine weitere Diode ist mit jeder der a- und b-Ader- Leitungen verbunden, um positive Ströme nach Erde abzuleiten.
Die beschriebene Schaltung weist eine Anzahl von Nachteilen auf. Unter der Annahme von Siliziumdioden mit einem typischen Spannungsabfall von 0,6 bis 1 Volt ist eine Spannung von ungefähr 1,8 Volt unterhalb der Batteriespannung an der a- oder b-Ader- Leitung erforderlich, bevor der jeweilige Thyristor einschaltet. Die Diodeneinschaltzeit, die von der Diodenkonstruktion abhängig ist, und der Stoßstromwert können beide eine beträchtliche Auswirkung auf den Durchlaßspannungsabfall während eines schnellen Stroßimpulses haben. Diese Faktoren können sehr leicht zu einer Spannung von 10 Volt oder höheren Spitzenspannungen an einer typischen Diode führen (wie z.B. vom Typ 1N001). Bevor der jeweilige Thyristor vollständig durchgeschaltet ist, kann die SLIC bereits einigen zehn Volt oberhalb ihres normalen Betriebsbereiches ausgesetzt worden sein. Die beschriebene Schaltung erfordert weiterhin einen speziellen Thyristor, nämlich einen Thyristor mit einem Haltestrom oberhalb des Stroms, den die SLIC bei einem Kurzschlußzustand liefern kann. Weiterhin ist dieser spezielle Thyristor nicht ausreichend flexibel, damit er bei einer Schaltung mit positiver Batteriespeisung verwendet werden kann, was die Art von Schaltung darstellt, die üblicherweise bei Münzfernsprecheranwendungen verwendet wird. Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Schaltung besteht darin, daß sie nicht das Problem des übermäßigen Spannungsabfalls aufgrund von großen Erdrückführungsströmen während einer gleichzeitigen Stoßspannung an einer Gruppe von Leitungsschaltungen löst, wie dies weiter oben beschrieben wurde.
Entsprechend ist es ein Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte Schutzanordnung für eine Leitungsschnittstellenschaltung (SLIC) zu schaffen.
Eine Form der Fehlerschutzschaltung gemäß der Erfindung verwendet ein Widerstandselement, eine Spannungsklemmeinrichtung und ein Triac-Element. Ein Ende des Widerstandselementes ist mit einer zu schützenden Schnittstellenschaltung verbunden, während das andere Ende mit der Leitung verbunden ist. Das eine Ende des Widerstandselementes ist durch eine Spannungsklemmeinrichtung auf eine Spannung zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung geklemmt, wobei die erste Spannung bei einem höheren Potential als die zweite Spannung liegt. Die beiden Spannungen sind normalerweise die beiden Versorgungsspannungen der Schnittstellenschaltung. Ein Steueranschluß und ein erster Anschluß des Triac-Elementes sind jeweils mit einem jeweiligen anderen Ende des Widerstandselementes verbunden, und ein zweiter Anschluß des Triac-Elementes ist mit der zweiten Spannung verbunden. Die Spannungsklemmeinrichtung ist ausreichend schnell wirkend, um eine sich durch das Widerstandselement ausbreitende Stroßspannung entweder auf die erste oder die zweite Spannung zu klemmen, bevor die Stoßspannung in nachteiliger Weise auf die Schnittstellenschaltung einwirken kann. Das Triac-Element ist ausreichend schnell wirkend, damit eine Spannungsdifferenz, die durch den Durchgang der Stoßspannung durch das Widerstandselement hervorgerufen wird, das Triac- Element in einen leitenden Zustand bringt, um die Stoßspannung kurzzuschließen, bevor die Stoßspannung in nachteiliger Weise die Spannungsklemmeinrichtung beeinträchtigen kann.
Die Spannungsklemmeinrichtung kann durch zwei Hochgeschwindigkeitsdioden gebildet sein. Eine der Dioden erstreckt sich zwischen dem einen Ende des Widerstandselementes und der ersten Spannung. Die andere Diode erstreckt sich zwischen dem einen Ende des Widerstandselementes und der zweiten Spannung. Das Triac-Element weist eine Konstruktion auf, bei der die Steuerelektrode mit dem einen Ende des Widerstandselementes verbunden ist, während sein erster Anschluß mit dem anderen Ende verbunden ist. Die Fehlerschutzschaltung kann weiterhin ein zusätzliches Widerstandselement umfassen, das sich in Reihe zu dem vorher erwähnten Widerstandselement erstreckt und zur Begrenzung des Leitungsstromes verwendet wird. Das zusätzliche Widerstandselement ist immer an den a- und b-Adern einer Zweidraht-Fernsprechteilnehmerschleife erforderlich, doch kann es entweder getrennt von der Schutzschaltung gemäß dieser Erfindung bleiben oder in dieser Schaltung enthalten sein.
Eine weitere Form der Fehlerschutzschaltung gemäß der Erfindung verwendet zwei zweite Dioden sowie das Paar von Hochgeschwindigkeitsdioden für die Spannungsklemmung. Jede der beiden zweiten Dioden erstreckt sich parallel zu der jeweiligen Diode der beiden Hochgeschwindigkeitsdioden. Die beiden zweiten Dioden weisen eine langsamere Einschaltzeit als die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden auf, und ihre Einführung in die Schaltung ermöglicht die Verwendung einer Triac-Konstruktion mit einer langsameren Einschaltzeit. Die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden rufen einen ähnlich schnellen Klemmeffekt wie der in der ersten Ausführungsform der Erfindung hervor. Die beiden zweiten Dioden kompensieren jedoch die langsamere Reaktion der Triac-Struktur als bei der ersten Ausführungsform der Erfindung. Obwohl die beiden zweiten Dioden eine langsamere Reaktionszeit als die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden aufweisen, weisen sie eine schnellere Reaktionszeit als die Thyristor-Konstruktion auf, die bei dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. Die beiden zweiten Dioden müssen ausreichend schnell wirkend sein, damit sie eine sich durch das erste Widerstandselement ausbreitende Stoßspannung entweder auf die erste oder zweite Spannung klemmen können, bevor die Stoßspannung in nachteiliger Weise auf die Hochgeschwindigkeitsdioden einwirken kann. Die Triac-Konstruktion bei dieser Ausführungsform der Erfindung muß lediglich ausreichend schnellwirkend sein, damit eine Spannungsdifferenz, die durch eine Stoßspannung längs des ersten Widerstandselementes hervorgerufen wird, die Triac-Konstruktion in den leitenden Zustand bringt, um diese Stoßspannung kurzzuschließen, bevor die Stoßspannung in nachteiliger Weise auf die beiden zweiten Dioden einwirken kann. Die weitere Ausführungsform der Fehlerschutzschaltung kann ein zweites Widerstandselement verwenden, dessen erstes Ende mit der Schnittstellenschaltung verbunden ist, während das zweite Ende mit dem ersten Widerstandselement verbunden ist. Die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden sind mit dem ersten Ende des zweiten Widerstandselementes verbunden, und die beiden zweiten Dioden sind mit dem zweiten Ende dieses Widerstandselementes verbunden. Diese weitere Ausführungsform der Fehlerschutzschaltung kann weiterhin ein zusätzliches Widerstandselement zur Begrenzung des Leitungsstromes einschließen, wie dies weiter oben erläutert wurde.
Jede der Hochgeschwindigkeitsdioden kann eine typische Durchlaßverzögerungszeit von ungefähr 4 Nanosekunden haben, und jede der beiden zweiten Dioden kann eine typische Durchlaßverzögerungszeit von ungefähr einer Mikrosekunde haben. Die Triac-Konstruktion kann einen typischen Haltestrom und Steuerelektroden- Triggerstrom von ungefähr 5 Milliampere haben. Das bei der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendete Widerstandselement und die beiden Widerstandselemente, die bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, können jeweils einen Widerstand von ungefähr 3 Ohm aufweisen. Das zusätzliche Widerstandselement zur Begrenzung des Leitungsstromes kann einen Widerstand von ungefähr 50 und 200 Ohm haben,
Die ersten und zweiten Spannungen sind normalerweise die Versorgungsspannungen, die die Schnittstellenschaltung benötigt, wobei diese Spannungen im Fall einer SLIC nominell -48 Volt, die von einer Batterie geliefert werden, und die Erdspannung sind. Im Fall einer SLIC ist die Leitung, mit der die Schutzschaltung verbunden ist, die a- oder b-Ader-Leitung einer Fernsprechteilnehmerschleife.
Die Erfindung wird nun weiter in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine erste bekannte Scbutzschaltung zur Verhinderung von Schäden an einer SLIC zeigt,
Fig. 2 eine zweite bekannte Schutzschaltung zur Verhinderung von Schäden an einer SLIC zeigt,
Fig. 3 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Schutzschaltung gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 4 die gleiche Ausführungsform der Schutzschaltung nach Fig. 2 zeigt, jedoch mit der Ausnahme der Verwendung einer anderen Versorgungsspannungs- Polarität,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Strompegel ist, die bei jedem der drei Bauteile bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der Schutzschaltung auftreten, wenn diese Schaltung einer Test-Stoßleistung ausgesetzt wird,
Fig. 6 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Schutzschaltung gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Strompegel ist, die bei jedem der vier Bauteile der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Schutzschaltung auftreten, wenn diese Schaltung einer Test- Stoßleistung ausgesetzt wird.
Die in Fig. 1 dargestellte Schutzschaltung ist die Schaltung nach dem US-Patent 4 661 979. Die Nachteile dieser Schutzschaltung wurden bereits erläutert.
Die in Fig. 2 gezeigte Schutzschaltung ist die Schaltung, die in der weiter oben erwähnten Literaturstelle I.E.E.E. Journal of Solid-State Circuits beschrieben ist. Diese Literaturstelle beschreibt die Betriebsweise dieser Schutzschaltung in der folgenden Weise. Wenn ein Blitzeinschlag oder ein Kontakt mit einer Hochspannungsleitung oder einer anderen hohen Leistung dazu führt, daß die Spannung am a-Ader-Eingang 10 stärker negativ wird als die Batteriespannung VBAT, so fließt ein Strom durch die Dioden D5 und D3. Wenn dieser Strom zwischen 150 mA und 300 mA liegt, so reicht die Spannung längs des Widerstandes R2 aus, um den Thyristor PNPN1 zu zünden, der den Stromimpuls nach Erde hin ableitet. Der Thyristor PNPN1 schaltet ab, wenn der durch ihn fließende Strom auf zwischen 125 mA und 250 mA absinkt, und die Schutzschaltung kehrt in einen Ruhezustand zurück. Wenn die Spannung an dem a-Ader-Eingang 10 positiver als Erde wird, so leitet die Diode D1 diesen Strom nach Erde hin ab. Ähnliche Bauteile wirken an der b-Ader- Leitung in der gleichen Weise. Die Diode D5 schützt VBAT gegen Leistungsversorgungskurzschlüsse, die auftreten können, wenn die Schutzschaltung, die SLIC oder einer der Strombegrenzungswiderstände R1 und R2 ausfällt. Durch die Einfügung der Diode D5 kann VBAT das Substrat unter normalen Bedingungen nicht mehr vorspannen, und der Widerstand R1 liegt parallel zur Diode D5, um das Substrat vorzuspannen. F1 und F2 bezeichnen Sicherungen, die die Größe des Fehlerstromes begrenzen.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, hat diese bekannte Schutzschaltung Nachteile hinsichtlich der Spannung, die zu ihrem Einschalten benötigt wird, und hinsichtlich ihrer Ansprechzeit auf einen schnellen Stoßimpuls, beispielsweise eine 10x1000 10 Ampere-Schwingungsform. Der Thyristor PNPN1 schaltet nicht ein, bevor nicht die äußere am a-Ader-Eingang 10 gemessene Fehlerspannung unterhalb von VBAT-VDa-VD3-VBE(PNPN1) liegt, was bedeutet, daß unter der Annahme der Verwendung von Siliziumdioden die Fehlerspannung zumindestens 1,8 Volt unterhalb von VBAT liegt. Die Einschaltzeit und die dynamische Impedanz der Dioden D3 und D5 und des Basis-Emitter-Grenzschichtbereiches von PNPN1 hat eine bedeutende Auswirkung auf den Durchlaßspannungsabfall. Dies kann leicht zu 10 Volt oder höheren Spitzenspannung führen, bevor die Thyristoren vollständig einschalten, was einer Verzögerung von mehreren Mikrosekunden entspricht, innerhalb der die empfindlichen SLIC-Geräte beschädigt werden können. Die Thyristoren PNPN1 und PNPN2 sind notwendigerweise von spezieller Konstruktion, weil ein hoher Haltestrom erforderlich ist, d.h. ein Haltestrom oberhalb des Stromes, den die SLIC unter Kurzschlußbedingungen liefern kann; im Handel erhältliche Thyristoren sind daher normalerweise ausgeschlossen. Andere Einschränkungen dieser Schaltung bestehen darin, daß sie keinen Überspannungsschutz für das Festkörper- Relais ergibt, das dazu verwendet wird, die Leitungsschaltung von der Rufbetriebsart in die Sprechbetriebsart umzuschalten, und daß sie keinen Schutz gegen übermäßige Spannungsabfälle ergibt, die durch große Erdrücklaufströme erzeugt werden.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Schutzschaltung der Erfindung ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Die Schaltungen unterscheiden sich lediglich darin, daß die Leistungsversorgungen umgepolt sind, mit einer entsprechenden Umkehrung der Dioden D1, D2, D3 und D4. VBP und VBN stellen Spannungsversorgungen dar. In Fig. 3 ist GND die Erdspannung und VBN ist -48 Volt, während in Fig. 4 GND die Erdspannung und VBP +48 Volt ist. Die Dioden D1 bis D4 sind Niedrigstrom-Hochgeschwindigkeits-Dioden mit einer typischen Durchlaßverzögerungszeit von 4 Nanosekunden. Die Diode vom Typ 1N4148 ist eine Diode, die diese Forderung erfüllt. Zwei Triacs THY1 und THY2 werden verwendet. Jeder Triac kann entweder durch einen positiven oder einen negativen Steuerelektrodenstrom gezündet werden. Der wirksame Betrieb dieser Schaltung erfordert, daß jeder der Triacs THY1 und THY2 eine typische Durchlaßverzögerungszeit in der Größenordnung von weniger als 1 Mikrosekunde und eine Steuerelektroden-Empfindlichkeit in der Größenordnung von 10 Milliampere hat; derartige Bauteile stehen heute allgemein im Handel zur Verfügung. Die Widerstände R3 und R4 dienen zur Stromschwellenwertsteuerung, und sie haben typischerweise einen Wert von 3 Ohm für einen Schwellenwert von 200 mA. Die Widerstände R5 und R6 weisen jeweils einen typischen Wert von 100 Ohm auf. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, werden R5 und R6 an allen Zweidraht- Teilnehmerschleifenleitungen benötigt, um eine Leitungsspeiseimpedanz zu liefern und um den Strom zu begrenzen, und obwohl diese Widerstände nicht notwendigerweise in die Schutzschaltung der vorliegenden Erfindung eingefügt sind, sind sie dennoch immer vorhanden. S1 und S2 bezeichnen jeweils ein Relais, das die Rufsteuerung der Schaltung steuert. S3 und S4 bezeichnen jeweils ein Relais, das sich öffnet, wenn eine andauernde Überspannung oder ein Überstrom an den a-Ader- oder b-Ader-Leitungen (Signal- und Ruf-Leitungen) festgestellt wird. Die Schaltung zur Steuerung der Relais S1 bis S4 ist nicht gezeigt. D5 ist eine übliche Niedrigstromdiode; eine Diode vom Typ 1N4001 ist für diese Anwendung völlig ausreichend. Z1 ist ein Niedrigleistungs- Transorber, er ist so ausgelegt, daß er die Spannung auf einen Punkt nahe an der maximalen Spannung der Batterie festklemmt.
Die gestrichelte Linie 11 bezeichnet die Begrenzung der Leitungsspeisetreiber, die geschützt werden. Ein Operationsverstärker 12 speist die a-Ader-Leitung, und der Operationsverstärker 13 speist die b-Ader-Leitung. Die Operationsverstärker 12 und 13 sind gegenüber irgendwelchen Spannungs- oder Stromänderungen, die an ihren Ausgängen aufgeprägt werden, empfindlich. Als teilweiser Schutz sind Widerstände R1 und R2 in Serie an den jeweiligen Ausgängen der Operationsverstärker 12 und 13 eingeschaltet. Um eine gute Signalübertragung zu erzielen, d.h. einen begrenzten Spannungsabfall, müssen die Widerstände R1 und R2 notwendigerweise einen niedrigen Wert haben. In diesem Fall haben sie jeweils einen Widerstandswert von 5 Ohm.
Die Betriebsweise der mit der a-Ader-Leitung nach Fig. 3 verbundenen Schutzschaltung wird als nächstes beschrieben; die mit der b-Ader-Leitung verbundene Schutzschaltung arbeitet in gleicher Weise. Unter Berücksichtigung der Unterschiede, die durch die Umkehrung der Spannungspolarität bedingt sind, sind die Bemerkungen auch auf den Betrieb der Schaltungen nach Fig. 4 anwendbar. Wenn eine Fremdspannung an dem ersten Anschluß 15 des Triacs THY1 eine positive, einem Diodenspannungsabfall entsprechende Spannung oberhalb von GND ist, so bewirkt die Diode D2 ein Klemmen dieser Spannung nach Erde. Der Widerstand R5 kann einen typischen Wert von 100 Ohm aufweisen, und der Widerstand R3 kann einen Widerstandswert von 3 Ohm haben. Der Widerstand R3 steuert den Schwellenwert des Zündens des Triac THY1. Wenn der Stoßstrom einen Wert erreicht, der ausreicht, um einen Spannungsabfall von 0,6 Volt längs des Widerstandes R3 hervorzurufen, so beginnt der Triac THY1 zu leiten und leitet die schädlichen Ströme nach Erde hin ab. Zum Zeitpunkt, zu dem der Triac THY1 gezündet wird, liegt der Spannungsabfall zwischen dem Anschluß 15 und Erde in der Größenordnung von 1 bis 3 Volt, wodurch der in die Dioden D1 und D4 fließende Strom begrenzt wird. Der Spannungsabfall am Knoten 16 liegt bei ungefähr einem Diodenspannungsabfall oberhalb von Erde.
Wenn die Fremdspannung negativ und größer als ein Diodenspannungsabfall unterhalb der Batteriespannung ist, so beginnt die Diode D1 zu leiten und klemmt den Operationsverstärker-Ausgang am Knoten 16 auf die Operationsverstärker-Versorgungsleitung VBN. Die Diode D5 sperrt den Stromfluß in die Batterieversorgung (VBATT) und diese Sperrwirkung bewirkt daß die Spannung an VBN ansteigt. Sobald die Überspannung an VBN über die Zenerspannung des Transorbers Z1 ansteigt, fließt ein Strom durch R5 und R3 in der entgegengesetzten Richtung zum Fall eines positiven Stoßstromes. Die verbleibende Wirkung der Schutzschaltung ist ähnlich der, wie sie in dem vorstehenden Absatz beschrieben wurde. Der Triac THY1 wird in dem ersten Quadranten während eines negativen Stoßstromes gezündet, wobei die Steuerelektrode 17 und der zweite Anschluß des Triac positiv gegenüber dem ersten Anschluß 15 sind.
Ein typischer Triac hat einen Nennwert des zündungsfreien Schwellenwertspannungsanstiegs von 20 Volt pro Mikrosekunde. Dieser Wert reicht aus, um ein fehlerhaftes Zünden des Triac durch eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit an dem Operationsverstärker zu verhindern. Andererseits kann der Triac sehr leicht durch einen Spannungsanstieg gezündet werden, der 50 Volt pro Mikrosekunde übersteigt. Diese Eigenschaft wird in der Schaltung ausgenutzt, um einen Schutz gegen sehr schnelle Stoßimpulse zu erzielen. Der Triac wird vor der Diodenbrücke durch einen schnellen Spannungsanstieg beliebiger Polarität gezündet. Dies ergibt ein verbessertes Betriebsverhalten bei einem schnellen Blitzimpuls und einen Schutz gegen elektrostatische Entladung (ESD). Die Bedeutung der Diodeneinschaltzeit und der Reaktionszeit des Transorbers entfallen bei dieser Konstruktion.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, verhindert die Diode D5, daß ein negativer Stoßstrom in die Batterieversorgung eintritt Ohne das Vorhandensein dieser Sperrdiode könnte der negative Strom von vielen SLIC's sich zu einem derartig großen Wert addieren, daß die Sicherung in der Batteriespeiseschaltung öffnen und die Leitungsschaltung außer Betrieb setzen könnte. Der Niedrigleistungstransorber Z1 wird dazu verwendet, die Stoßspannung zu klemmen, um Schäden an den IC's zu verhindern. Er bewirkt weiterhin eine Steuerung der Überspannung an der Batteriespeisung, die beispielsweise durch große Erdrücklaufströme oder induktive Spannungsspitzen an der Vermittlungsamts- Batterie hervorgerufen werden kann. Der Widerstand R7, der einen Wert in der Größenordnung von einigen wenigen Ohm hat, dient zum Ausgleich der Ströme in verschiedenen Transorbern in den SLIC's. Bei katastrophalen Ausfallbedingungen kann der Widerstand R7 einen letzten Schutz dadurch bilden, daß er als Sicherung wirkt. Das Vorhandensein dieses Widerstandes verhindert eine Betätigung der Hauptsicherung in der Batterieversorgung aufgrund eines Problems in einer fehlerhaften Leitungsschaltung.
Ein Triac hat einen typischen Haltestrom in der Größenordnung von 5 Milliampere, und er würde Schwierigkeiten haben, zur normalen Sperrbetriebsweise zurückzukehren, nachdem ein Stromimpuls abgeklungen ist. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß eine typische SLIC eine Quelle oder Senke für einen Strom darstellen kann, der größer als der Haltestrom des Triac ist. Wenn sich jedoch der Triac in seinem leitfähigen Zustand befindet, ist praktisch kein Begrenzungswiderstand (lediglich wenige Ohm) in dem Strompfad enthalten, und es kann angenommen werden, daß der eine Quelle oder Senke für diesen Strom darstellende Stromtreiber in die Sättigung gelangt. Dieser Sättigungszustand ist relativ einfach festzustellen, und dieser Zustand kann dazu verwendet werden, ein Signal an die Relais S1 und S2 zu liefern, damit diese schalten, wodurch eine Unterbrechung der Zufuhr des Haltestroms hervorgerufen wird, wodurch die Triacs in ihren den Strom sperrenden Ruhezustand zurückkehren.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Änderung des Stroms mit der Zeit an drei ausgewählten Punkten der Schaltung nach Fig. 3. Diese Stromprofile, die Wiedergaben von Oszilloskopspuren sind, die bei Versuchen gewonnen wurden, zeigen den Strom, der (a) in den Operationsverstärker am Ausgang des SLIC eintritt, (b) den Strom, der in die schnelle Diodenbrücke mit den Dioden 1N4148 eintritt und (c) den Strom, der in den Triac eintritt. Ein 10x1000 10-Ampere-Teststromimpuls wurde verwendet, um diese Stromprofile zu gewinnen. Aufgrund des Vorhandenseins der Schutzschaltung wurde der in das Ausgangsende des Operationsverstärkers eintretende Strom auf unter 2 Ampere begrenzt. Fig. 5 zeigt, daß der Strom durch die schnelle Diodenbrücke auf ungefähr 8 Ampere in lediglich wenigen Nanosekunden anstieg. Der Triac THY1 begann ungefähr nach 100 Nanosekunden zu leiten, und der Strom in die schnelle Diodenbrücke begann dann abzusinken.
Die zweite bevorzugte Ausführungsform der Schutzschaltung der Erfindung ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Fig. 6 ist ein Schaltbild und Fig. 7 ist eine schematische Darstellung von vier Strom-/Zeit-Profilen, die an ausgewählten Punkten der Schaltung nach Fig. 6 gewonnen wurden. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Einfügung einer Diodenbrücke, die aus vier üblichen Niederspannungsdioden D6, D7, D8 und D9 und zwei zusätzlichen Widerständen R8 und R9 besteht. Die Dioden D6 bis D9 weisen eine ausreichend hohe Sperrspannung auf, um die maximale Batteriespannung von -48 Volt zu vertragen. Sie weisen weiterhin eine typische Durchlaßverzögerungszeit in der Größenordnung von 1 Mikrosekunde auf. Eine Diode, die für diesen Zweck brauchbar ist, ist die Diode vom Typ 1N4001.
Wenn das Vorhandensein einer negativen Stroßspannung an der a-Ader-Leitung nach Fig. 6 angenommen wird, so arbeitet die zweite Ausführungsform in der folgenden Weise. Die Spannung wird anfänglich durch die Diode D1 an dem Ausgang 20 der SLIC- Schaltung auf ungefähr einen Diodenspannungsabfall unterhalb der Batteriespannung geklemmt, d.h. -48.6 Volt. Wenn der durch die Diode D1 fließende Strom ansteigt, so steigen auch die Spannungsdifferenzen längs jedes der Widerstände R5, R3 und R8 an. Die Spannungsdifferenz längs des Widerstandes R8 bringt die Diode D5 in den leitenden Zustand. Die Ansprechzeit der Diode D6 ist beträchtlich langsamer als die vier Nanosekunden der Diode D1, ist jedoch ausreichend schnell, damit sich eine Entlastung für die Diode D1 ergibt, bevor ein hoher Stromfluß sie beschädigen kann. Die Diode D6 benötigt andererseits eine Entlastung von dem hohen Stromfluß, den sie leiten soll, und der Triac THY1 ergibt diese Entlastung. Das Vorhandensein der Diode D6 ermöglicht die Verwendung eines langsamer ansprechenden und damit billigeren Triac, als er bei der ersten Ausführungsform verwendet wurde. Die Ansprechzeit des Triac THY bei der zweiten Ausführungsform kann bis zu einigen Mikrosekunden reichen. Wie bei der ersten Ausführungsform wird der Triac THY1 durch die Spannungsdifferenz eingeschaltet, die längs des Widerstandes R3 erzeugt wird. Eine positive Spannung an dem a-Ader-Eingang ruft eine entsprechende Wirkung hervor. In diesem Fall klemmt die Diode D2 zu Anfang die positive Spannung auf Erdspannung, worauf ein Stromfluß durch den Widerstand R8 bewirkt, daß die Diode D7 zu leiten beginnt, und dann wird der Triac THY1 durch den Stromfluß durch den Widerstand R3 gezündet. Die Schutzschaltung umfaßt einen entsprechenden Satz von Bauteilen für die Verarbeitung von negativen und positiven Stoßspannungen an dem b-Ader-Eingang.
Das Vorhandensein des Kondensators C1 verbessert das Betriebsverhalten des Triac für schnelle Stoßimpulse. C1 ist ein Typ von Kondensator, wie er üblicherweise zum Entkoppeln verwendet wird und er weist einen Wert in der Größenordnung von 0,1 Mikrofarad auf; er ergibt eine virtuelle Erdung für schnelle Impulse. Die Anordnung stellt sicher, daß der Triac THY1 für Spannungsanstiege oberhalb eines bestimmten Wertes einschaltet, und zwar aufgrund des erzeugten Stromes (C) (DV/dt).
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 3, 4 und 5 sind zwei bipolare Zenerdioden Z2 und Z3 gezeigt. Z2 ist zwischen der a-Ader-Leitung und Erde eingeschaltet, und Z3 ist zwischen der b-Ader-Leitung und Erde eingeschaltet. Z2 oder Z3 schalten ein, wenn die Spannungsdifferenz längs dieser Bauteile ungefähr 250 Volt übersteigt, d.h. jedesmal dann, wenn die a-Ader-Leitung oder die b-Ader-Leitung +250 Volt oder -250 Volt überschreitet. Die Festkörperrelais S1 und S2 können abwechselnd entweder die SLIC oder die Fernsprechrufschaltungen an die a-Ader- und b-Ader-Leitungen anschalten. Der Zweck von Z2 und Z3 besteht darin, die Festkörperrelais zu schützen. Wenn eine Stoßspannung an der a- oder b-Ader-Leitung auftritt, so klemmen Z2 oder Z3 momentan die Spannung auf einen Wert von weniger als 250 Volt, bis der Triac THY1 bzw. der Triac THY2 einschalten kann, um die Stoßspannung nach Erde hin abzuleiten. Z2 und Z3 erfüllen damit eine ähnliche Schutzfunktion für die Festkörperrelais, wie die Diodenbrücke oder die Diodenbrücken für die SLIC.
Sobald eine Stoßspannung an den a- oder b-Ader-Leitungen abgeleitet wurde, können der Triac THY1 oder THY2 auf eine von verschiedenen Weisen zurückgesetzt werden. Die SLIC kann so programmiert werden, daß sie feststellt, ob die Treiber während des leitenden Zustandes der Triac gesättigt sind, und daß sie momentan die Relais S1 und S2 öffnet, um den Strom in der Leitung abzuschalten, damit die Triacs zurückgesetzt werden. Alternativ können die Triacs THY1 und THY2 mit einem hohen Haltestrom ausgebildet werden; derartige Triacs schalten automatisch ab, wenn der Fehlerstrom unter den Haltestrom des Triac absinkt. Der Triac schaltet dann auch ab, nachdem der Stoßstrom und der Rufstrom oder b-Aderstrom unter den Haltestrom absinkt. Dies tritt während des Nulldurchganges des Rufstromes ein.
Die Schutzschaltungen, die beschrieben wurden, können in Form von monolithischen Siliziumbauteilen integriert werden.

Claims

1. Fehlerschutzschaltung, die zur Anordnung zwischen einer Leitung (a-Ader) und einer Schnittstellenschaltung (11) ausgebildet ist, um zu verhindern, daß Stoßspannungen oder Stoßströme an der Leitung (a-Ader) in nachteiliger Weise auf die Schnittstellenschaltung (11) einwirken, wobei die Fehlerschutzschaltung folgende Teile umfaßt:

(a) ein Widerstandselement (R3), wobei ein Ende des Widerstandselementes (R3) mit der Schnittstellenschaltung (11) verbunden ist, während das andere Ende mit der Leitung (a-Ader) verbunden ist,

(b) eine Spannungsklemmeinrichtung (D1,D2) zum Klemmen des einen Endes des Widerstandselementes (R3) auf eine Spannung zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung, wobei die erste Spannung ein höheres Potential als die zweite Spannung aufweist, und

(c) ein Triacelement (THY1) mit ersten (15) und zweiten Anschlüssen und einer Steuerelektrode (17), wobei der erste Anschluß (15) und die Steuerelektrode (17) jeweils mit einem anderen Ende des Widerstandselementes (R3) verbunden sind, während der zweite Anschluß auf der zweiten Spannung gehalten wird, wobei die Spannungsklemmeinrichtung (D1,D2) ausreichend schnellwirkend ist, um eine sich durch das Widerstandselement (R3) ausbreitende Stoßspannung entweder auf die erste oder die zweite Spannung zu klemmen, bevor die Stoßspannung in nachteiliger Weise auf die Schnittstellenschaltung (11) einwirken kann, und wobei das Triacelement (THY1) ausreichend schnellwirkend ist, damit eine Spannungsdifferenz, die durch den Durchgang der Stoßspannung durch das Widerstandselement R3 hervorgerufen wird, das Triacelement (THY1) in den leitenden Zustand bringt, um die Stoßspannung abzuleiten, bevor die Stoßspannung in nachteiliger Weise auf die Spannungsklemmeinrichtung (D1,D2) einwirken kann,

2. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsklemmeinrichtung zwei Hochgeschwindigkeitsdioden (D1,D2) umfaßt, wobei sich eine (D1) der Dioden zwischen einem Ende des ersten Widerstandselementes (R3) und einer ersten Spannung erstreckt, während sich die andere Diode (D2) zwischen dem einen Ende des Widerstandselementes (R3) und einer zweiten Spannung erstreckt, und wobei die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden (D1,D2) so ausgebildet sind, daß sie das eine Ende des Widerstandselementes (R3) auf eine Spannung zwischen den ersten und zweiten Spannungen klemmen.

3. Fehlerschutzschaltung, die zur Anordnung zwischen einer Leitung (a-Ader) und einer Schnittstellenschaltung (11) ausgebildet ist, um zu verhindern, daß Stoßspannungen oder Stoßströme an der Leitung (a-Ader) in nachteiliger Weise auf die Schnittstellenschaltung (11) einwirken, wobei die Fehlerschutzschaltung folgende Teile umfaßt:

(a) ein erstes Widerstandselement (R3), wobei ein Ende dieses Widerstandselementes (R3) mit der Schnittstellenschaltung (11) verbunden ist, während das andere Ende mit der Leitung (a-Ader) verbunden ist,

(b) zwei Hochgeschwindigkeitsdioden (D1,D2), wobei eine (D1) der Hochgeschwindigkeitsdioden sich zwischen dem einen Ende des ersten Widerstandselementes (R3) und der ersten Spannung erstreckt, während sich die andere Hochgeschwindigkeitsdiode (D2) zwischen dem einen Ende des Widerstandselementes (R3) und einer zweiten Spannung erstreckt, wobei die erste Spannung auf einem höheren Potential als die zweite Spannung ist, und wobei die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden (D1,D2) zum Klemmen des einen Endes des ersten Widerstandselementes (R3) auf eine Spannung zwischen den ersten und zweiten Spannungen ausgebildet sind,

(c) zwei zweite Dioden (D6,D7), wobei sich eine (D6) der zweiten Dioden zwischen dem einen Ende des ersten Widerstandselementes (R3) und der ersten Spannung erstreckt, während sich die andere zweite Diode (D7) zwischen dem einen Ende des ersten Widerstandselementes (R3) und der zweiten Spannung erstreckt, wobei die beiden zweiten Dioden (D6,D7) so ausgebildet sind, daß sie das eine Ende des ersten Widerstandselementes (R3) auf eine Spannung zwischen den ersten und zweiten Spannungen klemmen, und

(d) eine Triac-Konstruktion (THY1) mit ersten (15) und zweiten Anschlüssen und einer Steuerelektrode (17), wobei die Steuerelektrode (17) mit dem einen Ende des ersten Widerstandselementes (R3) verbunden ist, während der erste Anschluß (15) mit dem anderen Ende dieses Widerstandselementes (R3) verbunden und der zweite Anschluß auf der zweiten Spannung gehalten ist, wobei die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden (D1,D2) ausreichend schnellwirkend sind, um eine sich durch das ersten Widerstandselement (R3) ausbreitende Stoßspannung entweder auf die erste oder die zweite Spannung zu klemmen, bevor eine derartige Stoßspannung in nachteiliger Weise auf die Schnittstellenschaltung (11) einwirken kann, wobei die beiden zweiten Dioden (D6,D7) ausreichend schnellwirkend sind, um die Stoßspannung entweder auf die erste oder zweite Spannung zu klemmen, bevor die Stoßspannung in nachteiliger Weise auf die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden (D1,D2) einwirken kann, und wobei die Triac- Konstruktion (THY1) ausreichend schnellwirkend ist, damit eine Spannungsdifferenz, die durch die Stoßspannung längs des ersten Widerstandselementes (R3) hervorgerufen wird, die Triac- Konstruktion (THY1) in den leitenden Zustand zur Ableitung der Stoßspannung bringt, bevor die Stoßspannung in nachteiliger Weise auf die beiden zweiten Dioden (D6,D7) einwirken kann.

4. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein zweites Widerstandselement (R8) in Serie zwischen der Schnittstellenschaltung (11) und dem ersten Widerstandselement (R3) aufweist, wobei die beiden Hochgeschwindigkeitsdioden (D1,D2) mit demjenigen Ende des zweiten Widerstandselementes (R8) verbunden sind, das mit der Schnittstellenschaltung (11) verbunden ist, und wobei die beiden zweiten Dioden (D6,D7) mit dem anderen Ende des zweiten Widerstandselementes (R8) verbunden sind.

5. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein zusätzliches Widerstandselement (R5) umfaßt, das in Serie zwischen dem Widerstandselement (R3) und der Leitung (a-Ader) eingeschaltet ist.

6. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Hochgeschwindigkeitsdioden eine typische Durchlaßverzögerungszeit von ungefähr 4 Nanosekunden aufweist.

7. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden zweiten Dioden eine typische Durchlaßverzögerungszeit von ungefähr einer Mikrosekunde hat.

8. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Triac-Konstruktion (THY1) ein Triac mit einem typischen Haltestrom und einem Steuerelektroden- Triggerstrom von ungefähr 5 Milliampere mit einer typischen Durchlaßverzögerungszeit von ungefähr 100 Nanosekunden ist.

9. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Widerstandselement (R3) ein Widerstand mit einem Widerstandswert von ungefähr 3 Ohm ist.

10. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein zusätzliches Widerstandselement (R5) umfaßt, das in Serie zwischen dem ersten Widerstandselement (R3) und der Leitung (a-Ader) angeordnet ist, wobei das zusätzliche Widerstandselement (R5) einen Widerstandswert von zwischen ungefähr 50 und 200 Ohm hat.

11. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der ersten und zweiten Widerstandselemente (R3,R8) ein Widerstand mit einem Widerstandswert von ungefähr 3 Ohm ist.

12. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung nominell -48 Volt beträgt, und daß die zweite Spannung nominell 0 Volt beträgt, wobei die Leitung die a-Ader-Leitung oder die b-Ader-Leitung von zwei Drähten ist, die sich von einem Telefon zu einer Vermittlungsstation erstrecken, und wobei die Schnittstellenschaltung eine Schaltung an der Vermittlungsstation ist.

13. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsklemmeinrichtung ein bipolares Zenerdiodenelement (Z2,Z3) ist, und wobei die Schnittstellenschaltung eine Rufsignalschaltung zur Erzeugung eines Wechselstromes auf der Leitung zur Ansteuerung der Rufschaltung an einem Telefon ist.

14. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das bipolare Zenerdiodenelement aus zwei Zenerdioden besteht, wobei die Anode jeder Zenerdiode mit der Anode der anderen verbunden ist.

15. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung angenähert +250 Volt beträgt, während die zweite Spannung angenähert gleich -250 Volt beträgt.