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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überspannungs
und Überstromschutz Schaltung für eine Vermittlungsabschluß
Schaltung, die für den Anschluß einer Zweidrahtleitung
vorgesehen ist, über die sowohl analoge als auch digitale
Signale in beiden Richtungen übertragen werden. Die
Abschlußschaltung ermöglicht die Umwandlung einer Zweidraht-
Verbindung in eine Vierdrahtverbindung, eine Fünfdraht-
Verbindung oder in eine andere Verbindung höherer Ordnung und
arbeitet primär als eine Einrichtung für den Abgleich der
lmpedanz von Sende- und Empfangseinrichtungen mit der
Leitungsimpedanz. Die Schutzschaltung kann in der U-
Schnittstelle eines ISDN-Netzes angeordnet sein, wobei sie in
diesem Falle einen sogenannten Netzabschluß bildet. Die
Überspannungs und Überstromschutzschaltung kann auch in
Vermittlungsabschlußschaltungen eingebaut werden, die in der
R-Schnittstelle, S-Schnittstelle oder T-Schnittstelle eines
ISDN-Netzes angeordnet sind. Die erfindungsgemäße
Schutz-Schaltung kann auch in einer Vermittlungsabschlußschaltung
auf der Stationsseite oder der Teilnehmerseite eines
herkömmlichen Telefonnetzes eingebaut werden.
STAND DER TECHNIK
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Ein Netzabschluß, welcher einen gewünschten Übergang von
einer Zweidrahtverbindung auf eine Vierdrahtverbindung
erlaubt, ist aus der Beschreibung unseres U.S. Patentes US-A-
4,539,443 bekannt.
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Eine Vermittlungsabschlußschaltung ist normalerweise in
einem Leitungsabschluß einer Telefonvermittlung angeordnet
und weist zwei Eingangsanschlüsse für die Verbindung mit der
Zweidrahtleitung auf. Die Abschlußschaltung muß viele
Anforderungen erfüllen können. Beispielsweise müssen die
Schaltungseingangsanschlüsse gegenüber einem Bezugspotential,
normalerweise Erde, symmetriert sein, da sonst anderenfalls
sogenannte Längsströme über der Leitung auftreten. Ferner
soll die Vermittlungsabschlußschaltung einen hohen
Echodämpfungsgrad aufweisen. Die effektive Dämpfungsverzerrung
und die Grunddämpfung innerhalb eines vorherrschenden
Frequenzbandes, d.h., entweder innerhalb des
Sprachfrequenzbandes oder des Bitfrequenzbandes des Digitalsignals soll
klein sein. Eine weitere Anforderung besteht darin, daß eine
sogenannte Schleifendämpfung zwischen der Sende- und
Empfangseinrichtung auf der Teilnehmerseite oder der
Telefonvermittlungsseite usw. klein sein sollte.
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Im Falle eines Netzabschlußes, sollte der Abschlußpunkt
den Anschluß einer Spannungsversorgungsguelle, welche Strom
an die am anderen Ende der Leitung angeordnete
Teilnehmereinrichtung liefert, über die Schaltungseingangsanschlüsse
zulassen. Dieser Strom wird normalerweise für
Leitungssignalisierungszwecke in Verbindung mit der Telefonie
verwendet.
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Der bekannte Teilnehmer-Netzabschluß ist für die
Übertragung von Sprachsignalen innerhalb des Frequenzbereichs von
etwa 300 Hz bis etwa 3,5 kHz und für die Übertragung der
Leitungssignalisierungssignale gedacht, welche bekanntermaßen
von der Art her Gleichstromsignale sein. Es treten jedoch
Probleme auf, wenn die Teilnehmerleitung für die Übertragung
von digitalen Signalen verwendet wird, wobei die Signale bei
wesentlich höheren Frequenzen als den Sprachfrequenzen
übertragen werden. Die digitalen Signale werden wesentlich
stärker als die Sprachsignale gedämpft, und demzufolge ist es
erforderlich, die digitalen Signale mit einem wesentlich
höheren Leistungspegel zu übertragen. Dieses stellt wiederum
eine höhere Anforderung an eine gute Erdsymmetrie.
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Der Zweck der Überspannungs- und Überstromschutzschaltung
besteht darin, teuere mit der Ausgangsseite der
Abschlußschaltung oder Netzschaltung verbundene Einrichtungen vor
Überströmen und Überspannungen zu schützen, die
beispielsweise durch Blitzschlagüberspannungen auf der
Teilnehmerleitung,
elektromagnetische Störfelder, unbeabsichtigte
Verbindung der Leitung mit dem elektrischen Energienetz mit
beispielsweise 220 V Wechselspannung als Folge von Feuer oder
beispielsweise als Folge von Ungeschicklichkeit, oder als
Folge ungeeigneter Anordnung der Leitung in unmittelbarer
Nähe zu einem Energiekabel, so daß durch den Einfluß von
stürmischen Wetter, Tieren oder in anderer Weise miteinander
in elektrischen Kontakt gebracht werden, verursacht werden.
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Die Überspannungs- und Überstromschutzschaltung soll die
vorgenannten elektrischen Eigenschaften der Abschlußschaltung
nicht beeinflussen.
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Somit ist es erforderlich, den an die Einrichtung
gelieferten Strom zu begrenzen, um sicherzustellen, daß die
Einrichtung nicht beschädigt wird. Digitale
Vermittlungseinrichtungen , die mit der Leitung verbunden sind, weisen
normalerweise eine Betriebsspannung von 5 Volt auf und sind
so dimensioniert, daß sie einer maximalen Spannung von etwa 5
Volt widerstehen, ohne zerstört zu werden. Die durch
Blitzschlag auf der Leitung erzeugte Überspannung kann
beispielsweise in der Größenordnung von 1500 Volt liegen.
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In derzeitigen Systemen sind große Glimmröhren oder
Kaltkathodenröhren zwischen jedem Draht der Teilnehmerleitung
und Erde auf der Eingangsseite einer Telefonvermittlung als
primäre Schutzeinrichtung angeschlossen. Diese Glimmlampen
sind träge und weisen eine Reaktionszeit von circa 1ms auf.
Die maximale Spannung eines Blitzschlagimpulses liegt nach
circa 10 Mikrosekunden vor. Desweiteren wird die Glimmlampe
zu verschiedenen Zeitpunkten gezündet, was in dem Auftreten
einer Quer-Restspannung über den zwei Drähten der Leitung
resultiert.
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In einer Überspannungs und Überstromschutzschaltung darf
niemals Feuer entstehen. In dem Falle eines bekannten
Überspannungs und Überstromschutzes der in der beigefügten
Fig. 1 dargestellten Art wird die Überspannung mit Hilfe von
zwei drahtgewickelten Widerständen begrenzt. Wenn die
Überspannung von langer Dauer und hoch ist, besteht die
Gefahr, daß diese drahtgewickelten Widerstände zu glühen
beginnen und damit ein Feuerrisiko darstellen. Diese
drahtgewickelten Widerstände müssen zueinander abgeglichen oder
gepaart werden, um zu vermeiden, daß der Überspannungsschutz
die Erdsymmetrie der Abschlußschaltung beeinflußt. Die
sogenannte Bauteil-Nennspannung der Widerstände, d.h. ihre
Spannungsfestigkeit muß hoch sein, damit sie hohen
Über-Spannungen widerstehen können. Ferner müssen die Widerstände
physikalisch groß sein, um hohen Energien zu widerstehen.
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Die bekannte Schutzschaltung enthält auch einen
Leitungstransformator Wenn der durch den Transformator
fließende Strom hoch ist, besteht die Gefahr daß die
Leiterfolie auf der Schaltungskarte oder -Platte, auf der der
Überspannungs- und Überstromschutz montiert ist, zu brennen
beginnt.
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Es ist bekannt, temperaturabhängige Widerstände,
sogenannte PTC-Widerstände, als strombegrenzende Schutzelemente
zu verwenden. Der Nachteil bei diesen Widerständen besteht
jedoch darin, daß ihre Bauelement-Nennspannung begrenzt ist
und daß demzufolge mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eine
elektrische Funkenbildung in einem Bauteil auftritt, falls
das Bauteil einer hohen Spannung ausgesetzt wird. Die Lage
dieser PTC-Widerstände ist ebenfalls kritisch. Wenn der durch
einen PTC-Widerstand fließende Strom hoch ist, beginnt der
Widerstand zu schmelzen und das geschmolzene Material kann
die darunterliegende Folienplatte oder -Karte entzünden. Wenn
die PTC-Widerstände hohen Strömen und hohen Spannungen
unterworfen werden, tendieren sie auch als Folge von in der
Widerstandsmasse auftretenden Temperaturgradienten dazu zu
zerspringen, worauf keine weitere Schutzwirkung mehr besteht.
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Die Verwendung von Zenerdioden als Einrichtung zum Schutz
gegenüber Überspannungen ist im Fachgebiet bekannt. Derartige
Zenerdioden sollen eine möglichst steile Kennlinie aufweisen.
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Dieses erzeugt jedoch dynamische Probleme, da viele
Harmonische (Obertöne), harmonische Verzerrungen und der
Intermodulationsprodukte entstehen, welche einen negativen
Einfluß auf die Qualität der Signalübertragung haben.
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Die Anforderung der Erdsymmetrie impliziert unter
anderem, daß die Spannungsasymmetrie in der Schutzschaltung
im Maximum 60 Dezibel erreichen kann. Wenn dieses gegenüber
einer Leitungsimpedanz von 600 Ohm gesehen wird, bedeutet
dieses, daß der Widerstand in den erdsymmetrischen
Schaltungen des Leitungsspannungsschutzes im Maximum um nur
0,1 gegeneinander abweichen darf. Die Leitungsführung ist
daher kritisch.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Bereitstellung einer Überspannungs- und Überstromschutzschaltung,
welche eine hohe Erdsymmetrie aufweist, welche aus kleinen
und preiswerten Bauelementen aufgebaut werden kann und welche
effektiv in einer Vermittlungsabschlußschaltung oder in einem
Netzabschluß eingesetzt werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung
einer Schutzschaltung der in der Einführung beschriebenen
Art, welche einen Transformator enthält, dessen
Primärwicklung direkt mit den Eingangsanschlüssen der
Teilnehmerleitung ohne Zwischen-Serienschaltung drahtgewickelter
Strombegrenzungswiderstände angeschlossen werden kann.
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Insbesondere soll dieser Transformator einen Teil der
Abschlußschaltung, nämlich den
Abschlußschaltungsleitungstransformator, bilden.
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Die Schutzschaltung soll den Leitungstransformator der
Abschlußschaltung aktiv nutzen, um die Zeitdauer zu
reduzieren, während der ein auf der Leitung auftretender
Überspannungsimpuls durch den Transformatoreffekt von der
Leitung auf die geschützte Einrichtung übertragen wird. Die
durch den Transformatoreffekt auf die Sekundärseite
übertragene Impulsenergie wird auf diese Weise reduziert,
wodurch es möglich wird, daß kleine Komponenten auf der
Sekundärseite der Überstrom- und Überspannungsschutzschaltung
verwendet werden.
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Die Echodämpfung, die effektive Dämpfungsverzerrung, die
Grunddämpfung und die Schleifendämpfung sollen sowohl
innerhalb des Sprachfreguenzbandes als auch in den für die
Datenbitübertragung verwendeten Frequenzbändern sehr stark
reduziert werden. Die Art, in der die Bauteile im Bezug
zueinander montiert werden, ist nicht kritisch. Desweiteren
müssen die in der Schutzeinrichtung enthaltenen Zenerdioden
keine steilen Kennlinien aufweisen.
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Überspannungen und Überströme sollen schrittweise in den
verschiedenen Bauteilen der Schutzschaltung reduziert werden,
was damit die Bauteilenennspannungen reduziert und die
Verwendung preiswerter Standardbauteile ermöglicht.
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Das kennzeichnende Merkmal der Erfindung besteht in einem
Varistor und zwei PTC-Widerständen, welche zusammen mit der
Primärwicklung des Leitungstransformators in einer
erdsymmetrierten Schaltung enthalten sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Von diesen stellen
dar:
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Fig. 1 eine bekannte Überspannungs- und
Überstromschutzschaltung;
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Fig. 2 ein Schaltbild, welches eine erfindungsgemäße
Überspannungs- und Überstromschutzschaltung zeigt; und
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Fig. 3 ein Diagramm, welches die Spannung über dem
Ausgang der in Fig. 2 dargestellten Überspannungs- und
Überstromschutzschaltung bei einen Blitzschlagimpuls zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFROM DER ERFINDUNG
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Fig. 1 stellt eine Überspannungs- und
Überstromschutzschaltung einer bekannten Art dar. Die Schaltung ist in einer
Abschlußschaltung oder in einem Netzabschluß bekannter Art
eingebaut und mit den zwei Drähten einer Teilnehmerleitung an
den Eingangsanschlüssen a, b der Abschlußschaltung verbunden.
In diesem Falle weist die Leitungsabschlußschaltung vier
Ausgangsanschlüsse T1, T2, T3 und T4 auf. Die (nicht
gezeigte) Sendeeinrichtung ist zwischen T1 und T2 und die
(nicht gezeigte) Empfängereinrichtung ist zwischen den
Anschlüssen T3 und T4 angeschlossen. Nur die Bauelemente der
Abschlußschaltung, welche für die Erfindung signifikant sind,
sind in der Fig. 2 dargestellt. Die restlichen Bauteile,
welche für die Funktion der Abschlußschaltung als
Abschlußschaltung signifikant sind, sind nicht dargestellt.
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Ein Leitungstransformator LT1 weist eine Primärwicklung
auf, welche aus zwei Windungshälften L1, L2 besteht, zwischen
denen ein Mittelpunktskondensator C in Serie angeschlossen
ist, um damit eine Serienschaltung zu bilden, deren eines
Ende mit dem Eingangsabschluß a über einen in Serie
geschalteten Strombegrenzungswiderstand Ra und dessen anderes
Ende mit dem Eingangsabschluß b über einen zweiten
Strombegrenzungswiderstand Rb angeschlossen ist. Eine
Spannungsquelle E ist über Widerstände R1 und R2 über dem
Mittelpunktskondensator C angeschlossen. Der negative Pol der
Spannungsquelle ist nach Erde geführt. Zenerdioden Z1, Z2, Z3
und Z4 sind in der dargestellten Art zwischen einer mit -48 V
bezeichneten Referenzspannung und Erde und den zwei Enden der
Serienschaltung L1-C-L2 in der dargestellten Art
angeschlossen. Die Spannungsquelle E wird dazu verwendet, einen
Gleichstrom in die Teilnehmereinrichtung zu liefern. Die
Schaltung auf der Primärseite ist auf die Erde bezogen
symmetrisch. Die Strombegrenzungswiderstände Ra, Rb bestehen
aus großen drahtgewickelten Widerständen. Die Zenerdioden Z1
bis Z4 funktionieren als Überspannungsschutzelemente, welche
Überspannungen nach Erde kurzschließen. Der Transformator LT1
weist eine Sekundärwicklung L3 auf, über welcher ein
Kondensator C1 parallel geschaltet ist. Die Zenerdioden Z5 bis Z8
arbeiten als Überspannungsschutzelemente für die Sende- und
Empfangseinrichtung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung weist die in der
Einführung beschriebenen Nachteile auf, wobei diese Nachteile
im wesentlichen auf dem Vorhandensein der Widerstände Ra und
Rb beruhen.
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Fig. 2 stellt eine erfindungsgemäße Überspannungs- und
Überstromschutzschaltung dar. Diejenigen Bauteile der in Fig.
2 dargestellten Schaltung, welche ein Entsprechung in der in
Fig. 1 dargestellten Schaltung haben, wurden mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet. Die Schaltung enthält ein
Leitungstransformator LT2, welcher eine Primärwicklung, welche aus
zwei Wicklungshälften L1 und L2 besteht, und eine
Sekundärwicklung aufweist..
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Die Schaltung auf der Primärseite enthält die vorgenannte
Serienschaltung L1-C-L2, welche zu der in Fig. 1
dargestellten Anordung ähnlich ist. Der signifikante Unterschied
liegt jedoch in der Tatsache, daß die Endpunkte dieser
Serienschaltung direkt mit den Eingangsanschlüssen a und b
bei Nichtvorhandensein der in Serie geschalteten
Strombegrenzungswiderstände Ra, Rb verbunden sind. Stattdessen wird
der Strom mittels eines Varistors V1, welcher über PTC-
Widerstände, PTC1, PTC2, zu dem Mittelpunktskondensator C
parallel geschaltet ist, begrenzt. Einer der PTC-Widerstände
ist in Serie zwischen dem einem Ende des Varistors und der
einen Platte des Mittelpunktkondensators geschaltet, während
der andere PTC-Widerstand mit dem anderen Ende des Varistors
V1 und der anderen Kondensatorplatte in Serie geschaltet ist.
Die Widerstände Ra1 und Ra2 arbeiten als
Strombegrenzungswiderstände, obwohl, wie es hierin nachstehend detaillierter
beschrieben werden wird, diese Widerstände sowohl
hinsichtlich ihres Volumens als auch ihrer Widerstandswerte
wesentlich kleiner gemacht werden können als die in Fig. 1
gezeigten Strombegrenzungswiderstände Ra und Rb. Der
Widerstand Ra1 ist in Serie zwischen dem einem Ende des Varistors
einem Pol der Spannungsquelle E geschaltet, und der
Widerstand Ra2 ist in Serie mit dem anderen Ende des Varistors und
dem anderen Pol der Spannungsquelle E, in diesem Falle dem
negativen Pol, geschaltet. Dieser negative Pol ist geerdet.
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Der Varistor V1 ist ein Metalloxid-Typ und kann als
spannungsabhängiger Widerstand mit symmetrischen
Spannungs/Stromeigenschaften bezeichnet werden. Der Widerstand fällt
abrupt ab, wenn die Spannung eine Nenn- oder Nominalspannung
überschreitet. Die Reaktionszeit für einen Varistor dieses
Typs ist kleiner als 25 ns (Nanosekunden).
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Ein PTC-Widerstand, der auch als Kaltleiter bezeichnet
wird, ist ein temperaturabhängiger Halbleiterwiderstand,
dessen Widerstand mit steigender Temperatur ansteigt. Der
Widerstand steigt abrupt bei einer gegebenen vorbestimmten
Temperatur, welche auch als Referenztemperatur bezeichnet
wird, an. Aufgrund dieses sehr hohen positiven
Temperaturkoeffizienten wird der Widerstand als PTC-Widerstand
(positiver Temperaturkoeefizient-Widerstand) bezeichnet.
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Die Schaltung auf der Primärseite arbeitet in der
folgenden Weise:
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Im Falle eines Blitzschlagimpulses auf der
Teilnehmerleitung beginnt der Kondensator C sich aufzuladen, worauf die
Spannung über dem Kondensator ansteigt. Wenn die
Kondensatorspannung die Nominalspannung des Varistors überschreitet,
beginnt der Varistor V1 zu leiten, wodurch der Strom durch
den Varistor extrem ansteigt, was einem beschleunigten
Stromanstieg durch die Primärwicklung verursacht, bis der
Transformatorkern gesättigt ist. Von nun an wird praktisch
keine weitere Energie mehr auf die Sekundärseite des
Transformators übertragen. Da der Strom durch den Varistor
ansteigt, ist das Ausmaß bis zu dem die Widerstände Ra1 und
Ra2 im Vergleich zu dem Ausmaß, bis zu dem die Widerstände Ra
und Rb in der in Fig. 1 gezeigten Darstellung den Strom
absorbieren müssen, merklich reduziert. Demzufolge können die
Widerstände Ra1 und Ra2 wesentlich kleiner ausgeführt werden,
d. h., kleiner hinsichtlich des Volumens und ebenfalls
kleiner hinsichtlich des Widerstandswertes.
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Wenn der Varistor V1 zu leiten anfängt, fließt auch Strom
durch die auf Temperatur reagierenden Widerstände PTC1 und
PTC2, deren Temperatur zu steigen anfängt, bis die
Referenztemperatur erreicht wird, worauf der Widerstandswert der
Widerstände extrem ansteigt. Dieses reduziert die Schaltzeit
der Widerstände PTC1, PTC2.
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Wenn der Varistor, wie vorstehend erwähnt, öffnet, ergibt
sich ein beschleunigter Anstieg des Stromes durch die
Primärwicklung. Dieser Stromanstieg hält an bis der Kern des
Transformators LT2 gesättigt ist. Es wird praktisch von dem
Zeitpunkt ab, zu dem der Transformator in die Sättigung
kommt, keine zusätzliche Energie mehr auf die Sekundärseite
des Transformators übertragen. Die auf die Sekundärseite bis
zu dem Moment der Sättigung übertragene Spannung wird in zwei
Stufen, teils durch den Varistor V2, welcher parallel über
der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist,
teils durch die Zenerdioden Z5, Z6, welche die über die
Anschlüsse T1, T2, angeschlossene Sendeeinrichtung schützen,
und teilweise über die Zenerdioden Z7, Z8, welche die über
die Anschlüsse T3, T4 angeschlossene Empfängereinrichtung
schützen, reduziert. Der Varistor V2 kann beispielsweise eine
Nominalspannung von 60 Volt aufweisen, was bedeutet, daß alle
Spannungen über 60 Volt von dem Varistor V2 absorbiert
werden. Die Zenerdioden Z5 bis Z8 müssen daher nur diejenigen
Spannungen absorbieren, die kleiner als 60 Volt sind. In der
in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist es erforderlich,
daß die Zenerdioden Z5 bis Z8 auch alle Spannungen über 60
Volt absorbieren müssen, welches hohe Anforderungen an die
Kennlinien der Zenerdioden stellt, insbesondere in dem
Bereich niedriger Ströme, d. h. in dem Übergangsbereich von
dem nichtleitenden in den leitenden Zenerdiodenzustand. In
dem Falle des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzes werden
niedrigere Anforderungen an den hohen dynamischen
Steigungswiderstand der Zenerdiode gestellt.
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Fig. 3 stellt die Spannung über den Zenerdioden Z5, Z6
für einen Blitzschlagimpuls von 1500 Volt und eine Dauer von
800 Mikrosekunden, der über die Anschlüsse a, b an die
Primärseite angelegt ist, dar. Die Spannung des
Blitzschlagimpulses steigt von 0 Volt bis 1500 Volt in 10 us an. In Fig.
3 bezeichnet die Y-Achse die Spannung in Volt und die X-Achse
die Zeit in Mikrosekunden. Der Blitzschlagimpuls beginnt zu
einem Zeitpunkt t = 0. Der Varistor V1 öffnet und wird voll
leitend, wenn die Spannung über seinen Enden 90 Volt
erreicht, und in entsprechender Weise öffnet der Varistor V2,
wenn die Spannung über seinen Enden 17 Volt beträgt. Der
Kondensator C1 hat eine Kapazität von 3,9 Nanofarad und der
Kondensator C2 eine Kapazität von 6,8 Nanofarad. Es ist aus
dem Diagramm zu sehen, daß der Transformatorkern nach nur 50
Mikrosekunden gesättigt ist und daß die Spannung auf der
Sekundärseite anfängt, von etwa 6,2 Volt auf etwa 1,8 Volt
symmetrisch abzufallen, was nach 150 Mikrosekunden erreicht
wird. Die Symmetrie zur Erde ist einwandfrei.
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Da die zum Übertragen der Überspannung von der
Primärseite auf die Sekundärseite des Leitungstransformators
in Anspruch genommene Zeit durch den auftretenden
Transformatoreffekt auf ungefähr 50 Mikrosekunden reduziert wird,
bleibt die Impulsenergie J = A x V x t (wobei J = Energie
ausgedrückt in Joules, A = Strom, V = Spannung auf der
Sekundärseite und t = Zeit) klein, und die Bauelemente der
Schaltung können kleine Dimensionen aufweisen.
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Die PTC-Widerstände PTC1, PTC2 können in dem Falle kurzer
über der Leitung auftretender Querimpulse nicht auf hohe
Widerstandswerte umschalten, und der bestimmende Teil der
Impulsenergie wird über die Kombination L1-PTC1-V1-PTC2-L2,
wo die Energie absorbiert wird, wieder auf die Leitung
zurückgeführt.
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Während der ersten Phase eines Blitzschlagimpulses,
insbesondere während der ersten 50 Mikrosekunden, bis zur
Sättigung des Transformatorkerns wird Energie in dem
Transformatorkern und dem Kondensator gespeichert. Wenn der
Varistor V1 dann öffnet, d. h. kurzschließt, wird die gesamte
Energie über L1, L2 und auf die Leitung zurückgeführt.
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Wenn der PTC1 und der PTC2 umschalten und hochohmig
werden, absorbieren die Widerstände die Überspannung. Die
thermische Leistung P, welche die Widerstände absorbieren
müßen, ist dann sehr klein, da P = U²/R, wobei R nun der sehr
hohe Widerstandswert des PTC-Widerstandes ist.
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Im Falle einer Überspannung von sehr langer Dauer, z. B.
bei 220 V Wechselstrom auf der Leitung, weist der Kondensator
C eine sehr hohe Impedanz 1/ωC auf, und der gesamte Strom
fließt durch L1-C-L2. Dabei ist ω =2 x π x f und f die
Wechselspannungsfrequenz bezeichnet. Ein typischer
Gesamtstrom liegt in diesem Falle bei ungefähr 70 mA. Der Zweig
Ra1, V1, Ra2 ist kurzgeschlossen, und der Kupferwiderstand
der Primärwicklung absorbiert die gesamte thermische Energie,
welche in einem typischen Fall in der Größenordnung von
ungefähr 0,5 Watt liegt.
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Die Nominalspannung des Varistors 2 darf nicht so niedrig
sein, daß der Varistor bei der Versorgungsspannung E zu
leiten beginnt. Mit anderen Worten, die Nennspannung sollte
an die Versorgungsspannung E angepaßt werden.
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Ein Beweis dafür, daß die erfindungsgemäße Überstrom- und
Überspannungsschutzschaltung die Erdsymmetrie verbessert, ist
in der Tatsache zu finden, daß die Strombegrenzungswider
stände Ra und Rb der Ausführungform von Fig. 1 nicht mehr
länger in der Schutzschaltung enthalten sein müssen. Die
Erdsymmetrie im Falle eines niederfrequenten Signals wird
durch Ra1 und Ra2 und bis zu einem gewissen Grad auch durch
PTC1 und PTC2 bestimmt. Im Falle etwas höherer
Signalfrequenzen, bei denen der Mittelpunktskondensator die PTC1
und PTC2 zu überbrücken beginnt, wird die Erdsymmetrie durch
den Kupferwiderstand der Primärwicklung des
Leitungstransformators bestimmt. V1, Ra1 und Ra2 beeinflussen nicht länger
die Symmetrie. In dem Falle von hohen Signalfrequenzen wird
die Erdsymmetrie durch den Übertragungsfaktor zwischen L1 und
L3 plus dem Kupferwiderstand in der Primärwicklung L1, L2
bestimmt. Dieses sollte mit der bekannten in Fig. 1
dargestellten Schaltung verglichen werden, in welcher die
Widerstände Ra und Rb die Erdsymmetrie bei allen Frequenzen
beeinflussen.
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Die erfindungsgemäße Überstrom- und
Überspannungsschutzschaltung verbessert die Echodämpfung, da die
erfindungsgemäße Schaltung die Widerstände Ra und Rb der
Ausführungsform von Fig. 1 nicht enthält. Der Impedanzabgleich der
Leitungsschaltung wird ebenfalls verbessert, da keine
Leistung in den Widerständen Ra und Rb verbraucht wird.
Sowohl der Rausch- als auch der harmonische Verzerrungsfaktor
werden verringert. Die Leistung, mit welcher die Signale auf
der Leitung übertragen werden, können auf der Sendeseite
reduziert werden.
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Die zusammengesetze Verlustverzerrungsdämpfung und die
Grunddämpfung werden ebenfalls durch die erfindungsgemäße
Überstrom- und Überspannungsschutzschaltung aufgrund der
Tatsache reduziert, daß die in dem LC-Kreis der Primärseite
des Leitungstransformators L2 erfahrenen Leistungsverluste
aufgrund der in der erfindungsgemäßen Schaltung
nichtvorhandenen Ra und Rb aus der in Fig. 1 gezeigten bekannten
Schutzschaltung reduziert sind.
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Die erfindungsgemäße Schutzschaltung verringert auch die
Schleifendämpfung im Vergleich zur bekannten Schutzschaltung
gemäß Fig. 1. Das kommt daher, daß das Symmetrienetzwerk auf
der Sekundärseite des Leitungstransformators LT2 keine
Entsprechung zu Ra und Rb benötigt. Dieses ergibt eine
Erhöhung der sogenannten Hybriddämpfung zwischen dem Sender
und Empfänger.
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Es sollte beachtet werden, daß sich das Potential der
Schaltungsplatte, auf welcher die erfindungsgemäße Schaltung
montiert ist, nicht ändert, wenn ein Überspannungsimpuls
auftritt. In dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau wird die
Überspannung durch die Zenerdioden Z2 und Z4 auf die
Leiterplatte geführt, was einen Anstieg des
Leiterplattenpotentials mit dem daraus folgenden Risiko eines
Spannungsüberschlages in den Bauelementen zur Folge hat.
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Die Spannungsquelle E in der in Fig. 2 dargestellten
Schaltung wird weggelassen, wenn die erfindungsgemäße
Überstrom- und Überspannungsschutzschaltung in einer
Abschlußschaltung oder in einem Netzabschluß an der R-, S-
oder T-Schnittstelle eines ISDN-Netzes oder an der
Teilnehmerseite eines herkömmlichen Telefonnetzes verwendet
wird, womit die Notwendigkeit der Versorgungsspannung E
umgangen wird.
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Es ist selbstverständlich, daß die vorbeschriebene
Ausführungsform der Erfindung in vielerlei Weise innerhalb
des Umfangs der beigefügten Ansprüche geändert werden kann.