DE69123746T2 - Schaltungsschutzeinrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft den Schutz einer Telekommunikationsgerät-Schaltung vor Stoßspannungen. Ein solcher Schutz ist in EP-A-0 338 107 angegeben.
• Stoßspannungen können in elektrischen Schaltungen auf ganz verschiedene Weise erzeugt werden, beispielsweise durch Blitzeinschlag, elektrostatische Entladung oder Impulse, die durch den Betrieb elektrischer Geräte erzeugt werden. Alle diese Erscheinungen können sehr große Ströme an Kabeln und Konstruktionen wie beispielsweise Telekommunikationsgeräten, Flugzeugen und Schiffen induzieren, die in elektrische Systeme eindringen und sie beschädigen können, wobei sie entweder Beschädigungen an Hardware wie etwa Halbleiter-Beschädigungen oder Störungen in der Elektronik wie etwa Übertragungsverluste oder den Verlust von gespeicherten Daten hervorrufen.
• Elektrostatische Entladungen sind extrem schnelle Entladungen aus einem Kondensator bzw. Energiespeicher wie etwa einem menschlichen Körper. Da diese Entladungen so lokal sein können, stellen sie eine große Bedrohung für die einzelnen elektronischen Bauelemente dar. Induzierte elektrische Überspannungen, die durch Blitzeinschlag verursacht werden, stellen insbesondere bei Telekommunikationsgeräten eine Gefahr für elektrische/elektronische Geräte dar.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung angegeben zum Schutz einer Telekommunikationsgerät-Schaltung vor einer Stoßspannung, wobei die Anordnung folgendes aufweist:
• a) eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (3), die zwischen eine stromfuhrende Leitung (1) der Schaltung und Masse (1) geschaltet oder angeordnet ist, um dazwischengeschaltet zu werden; und
• b) einen Kondensator (2), der eine Kapazität bis zu 1 µF hat und mit der Spannungsbegrenzungseinrichtung (3) in Reihe geschaltet ist;
• dadurch gekennzeichnet, daß:
• eine Induktivität (4) von 1 mH bis 100 mH in Reihe in die Leitung geschaltet ist;
• eine Hochenergie-Foldbackeinrichtung zwischen die stromführende Leitung und Masse geschaltet oder angeordnet ist, um dazwischengeschaltet zu werden; und
• unter normalen Betriebsbedingungen die Anordnung als ein LC- Filter wirkt, dessen Hochfrequenz-Knickpunkt von der Kapazität (7) der Spannungsbegrenzungseinrichtung und der Induktivität bestimmt ist und in dem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz liegt, wobei, wenn die Anordnung einer Stoßspannung ausgesetzt wird, die ausreicht, um zu bewirken, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung leitet, der Hochfrequenz- Knickpunkt auf einen Wert fällt, der durch die Werte des Kondensators (2) und der Induktivität (4) bestimmt ist.
• Die Spannungsbegrenzungseinrichtung kann aus einer Anzahl von Einrichtungen ausgewählt sein, die Spannungsbegrenzungseigenschaften haben, beispielsweise einer antiparallel geschalteten Diodenanordnung, wobei die Dioden Halbleiterdioden, Lawinendioden oder Z-Dioden aufweisen können. Alternativ können nichtlineare Widerstände wie etwa Zinkoxid-, Siliziumcarbid- oder andere Varistormaterialien verwendet werden. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung kann, falls gewünscht, ein MIM- oder nin-Bauelement oder einen Gasspannungsregler aufweisen. MIM- und nin-Bauelemente, die bei der Erfindung verwendet werden können, sind in unseren internationalen Anmeldungen Nr. PCT/G889/00809 und PCT/G889/00808 beschrieben.
• Die bevorzugten Spannungsbegrenzungseinrichtungen sind Zweirichtungs-Pegelhaltedioden, wie sie beispielsweise unter dem warenzeichen Transzorb verkauft werden. Die Begrenzungseinrichtungen haben normalerweise eine Streukapazität im Bereich von 10 pF bis 10 nF und insbesondere von 100 pF bis 5 nF. In manchen Fällen kann die Streukapazität der Spannungsbegrenzungseinrichtung zu niedrig sein, und in diesem Fall kann ein kleiner Kondensator damit parallelgeschaltet werden, um die resultierende Kapazität in den bevorzugten Bereich zu bringen.
• Wie oben angegeben, hat die Induktivität einen Wert in dem Bereich von 1 mH bis 100 mH, und bevorzugt hat sie einen Wert von bis zu 1 mH. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem man die Streuinduktivität eines drahtgewickelten Widerstands nutzt. Unter manchen Umständen kann es bevorzugt werden, stattdessen eine kleine Drosselspule zu verwenden. Die Induktivität hat normalerweise einen zugehörigen Widerstandswert von 1 bis 50 Ω, insbesondere von 3 bis 10 Ω. Der Widerstandswert kann so gewählt sein, daß der Gesamtwiderstand sämtlicher reihengeschalteten Komponenten in der Leitung innerhalb akzeptabler Grenzen liegt.
• Der Kondensator hat eine Kapazität von bis zu 1 µF und hat bevorzugt eine Kapazität von wenigstens 100 pF, insbesondere wenigstens 10 nF. In den meisten Fällen wird es bevorzugt, daß der Kondensator eine Kapazität hat, die wenigstens das Zehnfache der Streukapazität der Spannungsbegrenzungseinrichtung und bevorzugt wenigstens das 100fache der Streukapazität ist. Wenn die Kapazität das 100fache derjenigen der Spannungsbegrenzungseinrichtung ist, sollte der Hochfrequenz-Knickpunkt beim Auftreten einer Stoßspannung auf etwa ein Zehntel der Frequenz des Knickpunkts unter normalen Betriebsbedingungen fallen.
• Die Anordnung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß sie unter normalen Betriebsbedingungen als ein Tiefpaßfilter mit einem relativ hohen Knickpunkt wirkt, daß aber dann, wenn sie einer Stoßspannung ausgesetzt wird, ihr Hochfrequenzverstärkungsfaktor sofort signifikant verringert wird. Wenn also beispielsweise der Knickpunkt auf ein Zehntel seiner ursprünglichen Frequenz fällt, wird der Verstärkungswert bei Frequenzen oberhalb des normalen Arbeitsknickpunkts um 40 dB verringert.
• Die bei der Anordnung verwendete Hochenergie-Foldbackeinrichtung dient dazu, die Schaltung vor energiereicheren Überspannungen längerer Dauer zu schützen. Sie kann beispielsweise eine Funkenstrecke oder Gasentladungsröhre (GDT) oder ein spannungsgesteuerter Triac sein und zwischen den Leiter und Masse geschaltet sein, um Hochenergie-Stoßspannungen zu Masse nebenzuschließen. Solche Bauelemente können unter bestimmten Umständen eine Schädigung der Schaltung bewirken, zu deren Schutz sie verwendet werden, indem sie Impulse mit sich sehr rasch ändernden Spannungen erzeugen. Wenn beispielsweise eine Gasentladungsröhre einer Stoßspannung ausgesetzt wird, die eine Anstiegsflanke von 1 kV µs&supmin;¹ hat, kann sie beispielsweise bei 500 V umschalten, woraufhin die Stoßspannung innerhalb von ca. 1 ns auf Null fällt, wodurch bewirkt wird, daß die übertragene Stoßspannung eine Abfallflanke von 500 kV µs&supmin;¹ hat. Eine solche Spannungsänderungsrate kann eine dauerhafte Schädigung der Schaltungslast hervorrufen. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch verringert die Herabsetzung der Knickpunktfrequenz, die durch Schalten der Spannungsbegrenzungseinrichtung bewirkt wird, die Steigung der Abfallflanke desjenigen Teils der Stoßspannung, der durch die Anordnung durchgelassen wird.
• Zusätzlich kann die Anordnung eine Überstromschutzeinrichtung aufweisen, die in die Leitung in Reihe zwischen die zusätzliche Schutzeinrichtung für energiereichere Überspannung und die Spannungsbegrenzungseinrichtung eingeschaltet ist, um die Schaltung gegen langdauernde Überspannungen zu schützen, die beispielsweise durch eine Systemstörung oder durch zufällige oder böswillige Verbindung mit der Netzversorgung verursacht sind. Geeignete Einrichtungen umfassen Einrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC- Einrichtungen), z. B. keramische oder polymere PTC-Einrichtungen, bevorzugt polymere Einrichtungen, wie sie beispielsweise in den US-PS'en 4 238 812 und 4 329 726 von Middleman et al. beschrieben sind. Solche Einrichtungen sind unter dem eingetragenen Warenzeichen "PolySwitch" von Raychem Corporation zu erhalten.
• Da die Schaltung sowohl in ihrem nichtgeschalteten als auch ihrem geschalteten Zustand als ein Tiefpaßfilter wirkt, weist sie den Nachteil auf, daß sie die Schaltung nicht vor Übergleichspannungen oder Überspannungen sehr niedriger Frequenz schützen kann, die nicht groß genug sind, um ein Schalten der Gasentladungsröhre oder der PTC-Einrichtung auszulösen. Das kann überwunden werden, indem eine zusätzliche Spannungsbegrenzungs- oder Foldback-Einrichtung dem Kondensator parallelgeschaltet wird. In diesem Fall sollten die mit dem Kondensator in Reihe geschaltete Spannungsbe grenzungseinrichtung und die zu dem Kondensator parallelgeschaltete Begrenzungs- oder Foldback-Einrichtung eine kombinierte Begrenzungs- oder Schwellenspannung haben, die größer als die normale Gerätespannung ist. Der Ausdruck "Foldback-Einrichtung" soll hier eine Einrichtung betreffen, die bei niedrigen elektrischen Spannungen einen hohen elektrischen Widerstandswert, z. B. wenigstens 100 kΩ, bevorzugt wenigstens 1 MΩ und insbesondere wenigstens 10 Ω zeigt, deren Widerstandswert aber von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert von beispielsweise weniger als 10 Ω fällt, wenn sie einer Hochspannung ausgesetzt wird (wobei die niedrigste derartige Spannung als die "Schwellenspannung" bezeichnet wird). Die Einrichtung bleibt nur so lange in ihrem Zustand niedrigen Widerstandswerts, wie ein kleiner Haltestrom durch die Einrichtung aufrechterhalten wird, sonst kehrt sie automatisch in ihren Zustand hohen Widerstandswerts zurück. Geeignete Foldback-Einrichtungen umfassen spannungsgesteuerte Triacs, spannungsgesteuerte Thyristoren und Gasentladungsröhren.
• Die Anordnung gemäß der Erfindung kann in Fernsprechgeräten verwendet werden, in denen beispielsweise eine symmetrische Doppelader mit gemeinsamem Masseanschluß verwendet wird. In diesem Fall kann eine Schaltungsschutzeinheit verwendet werden, die ein Paar von Anordnungen gemäß der Erfindung aufweist, die angeordnet sind, um in ein Paar von stromführenden Leitungen in Reihe geschaltet und mit einem gemeinsamen Massepunkt verbunden zu werden.
• Zwei Ausführungsformen der Anordnung gemäß der Erfindung werden nachstehend beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; die Zeichnungen zeigen
• Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung;
• Fig. 2 ein Schaltbild der Schaltung von Fig. 1, wobei einige der parasitäten Werte gezeigt sind;
• Fig. 3 ein Bode-Diagramm, das das Betriebsverhalten der Schaltung von Fig. 1 zeigt; und
• Fig. 4 ein Schaltbild einer Modifikation der in Fig. 1 gezeigten Schaltung.
• Gemäß Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen hat ein Fünfpol- Telefonschaltungsschutzmodul ein symmetrisches Leitungspaar 1 und eine gemeinsame Masseleitung 1'. Zwei identische Schaltungsschutzanordnungen sind vorgesehen, wobei jeweils eine jeder Leitung des Moduls zugeordnet ist. Die Anordnungen weisen jeweils folgendes auf: eine Zweirichtungs- Spannungsbegrenzungsdiode 3, die zwischen die Leitung 1 und Masse 1' geschaltet ist, einen Kondensator 2 von 100 nF, der in Reihe mit der Begrenzungsdiode 3 geschaltet ist, und eine Induktivität 4 von 200 µH, die in Reihe in die Leitung geschaltet ist. Außerdem umfaßt die Anordnung eine Gasentladungsröhre 5, die zwischen die Leitung 1 und Masse geschaltet ist, und eine PTC-Einrichtung 6, die in die Leitung in Reihe geschaltet ist. Die PTC-Einrichtung 6 hat einen Niedertemperatur-Widerstandswert von ca. 6 Ω, so daß der Leitungsgesamtwiderstand des Moduls 6 Ω plus der Widerstandswert der Induktivität 4 ist.
• Fig. 2 zeigt die Schaltung von Fig. 1 und veranschaulicht die wichtigsten Streugrößen, und zwar die Streukapazität 7 der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 und den Widerstandswert 8 der Induktivität 4. Die Kapazität 7 ist ungefähr 2 nF, und der Widerstandswert 8 ist 5,6 Ω.
• Das Betriebsverhalten der Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt. Im Normalbetrieb wirkt die Anordnung als ein Tiefpaß-RLC- Filter, dessen Kapazität durch den reihengeschalteten Kondensator 2 und die Streukapazität der Begrenzungsdiode 3 gegeben ist. Wenn die Einheit einer Stoßspannung ausgesetzt wird, hält die Begrenzungsdiode 3 die Spannung zwischen der Leitung 1 und Masse mit dem Ergebnis, daß die Kapazität des Filterkreises durch den obigen Kondensatsor 2 gegeben ist.
• Der Knickpunkt des Filters wird daher auf ungefähr ein Zehntel der Frequenz des ursprünglichen Knickpunkts verringert, und die Verstärkung bei Frequenzen oberhalb des normalen Arbeitsknickpunkts wird um ca. 40 dB verringert. Wenn die Gasentladungsröhre zündet, fällt die Spannung auf der Leitung 1 innerhalb von ca. 1 ns auf Null, was einer Spannungsverminderung von ca. 500 kV µs&supmin;¹ 115 entspricht. Das verkleinerte Frequenzband des Filters begrenzt jedoch die Abfallrate der Spannung am Ausgang der Einheit auf ca. 500 µs&supmin;¹ .
• Fig. 4 zeigt eine Modifikation der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, die eine Schaltung vor Gleichüberspannungen schützt. Diese Schaltung entspricht der in Fig. 1 gezeigten, wobei zusätzlich eine weitere Zweirichtungs-Spannungsbegrenzungsdiode 10 dem Kondensator 2 parallelgeschaltet ist. Die Begrenzungsdiode 10 hat eine solche Durchbruchspannung, daß die Summe der Durchbruchspannungen der beiden Dioden 3 und 10 größer als die maximale Systemspannung ist.

Claims (10)

1. Anordnung zum Schutz einer Telekommunikationsgerät- Schaltung vor einer Stoßspannung, wobei die Anordnung folgendes aufweist:

a) eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (3), die zwischen eine stromführende Leitung (1) der Schaltung und Masse (1) geschaltet oder angeordnet ist, um dazwischengeschaltet zu werden; und

b) einen Kondensator (2), der eine Kapazität bis zu 1 µF hat und mit der Spannungsbegrenzungseinrichtung (3) in Reihe geschaltet ist; dadurch gekennzeichnet, daß:

eine Induktivität (4) von 1 µH bis 100 mH in Reihe in die Leitung geschaltet ist;

eine Hochenergie-Foldbackeinrichtung zwischen die stromführende Leitung und Masse geschaltet oder angeordnet ist, um dazwischengeschaltet zu werden; und

unter normalen Betriebsbedingungen die Anordnung als ein LC-Filter wirkt, dessen Hochfrequenz-Knickpunkt von der Kapazität (7) der Spannungsbegrenzungseinrichtung und der Induktivität bestimmt ist und in dem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz liegt, wobei, wenn die Anordnung einer Stoßspannung unterworfen wird, die ausreicht, um zu bewirken, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung leitet, der Hochfrequenz-Knickpunkt auf einen Wert fällt, der durch die Werte des Kondensators (2) und der Induktivität (4) bestimmt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Induktivität einen Wert von bis zu 1 mH hat.

13. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, die einen Gesamt-Reihenwiderstandswert in dem Bereich von 1 bis 50 Ohm hat.

4. Anordnung nach Anspruch 3, die einen Gesamt-Reihenwiderstandswert in dem Bereich von 3 bis 10 Ohm hat.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn die Anordnung einer Stoßspannung unterworfen wird, die ausreicht, um zu bewirken, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung leitet, der Hochfrequenz-Knickpunkt bei einer Frequenz auftritt, die nicht höher als das 0,1fache der Frequenz des Knickpunkts im Normalbetrieb ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Hochenergie- Foldbackeinrichtung eine Gasentladungsröhre oder ein spannungsgesteuerter Triac ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die eine Überstromschutzeinrichtung aufweist, die in Reihe in die stromführende Leitung geschaltet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Überstromschutzeinrichtung eine PTC-Einrichtung ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die eine zusätzliche Spannungsbegrenzungs oder eine Foldbackeinrichtung aufweist, die zu dem Kondensator parallelgeschaltet ist, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtung und die zusätzliche Spannungsbegrenzungs oder Foldbackeinrichtung eine kombinierte Begrenzungs- oder Schwellenspannung haben, die größer als die normale Gerätespannung ist.

10. Schaltungsschutzeinheit, die ein Paar von Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, die angeordnet sind, um in ein Paar von stromführenden Leitungen in Reihe geschaltet und mit einer gemeinsamen Masse verbunden zu werden.