DE9217814U1

DE9217814U1 - Überspannungsschutzgerät

Info

Publication number: DE9217814U1
Application number: DE9217814U
Authority: DE
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG; Kathrein Werke KG
Current assignee: Kathrein SE; Dehn SE and Co KG
Priority date: 1992-12-30
Filing date: 1992-12-30
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2002-12-31

Description

Firma KATHREIN-WERKE KG
Luitpoldstr. 18 - 20, 8200 Rosenheim

"Uberspannungsschutzgerat"

Die Erfindung geht aus von einem Uberspannungsschutzgerat für koaxiale Leitungssysteme, insbesondere in Antennenanlagen, wobei eine erste Reihenschaltung aus einer.Induktivität und einem Varistor zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der Koaxialleitung geschaltet ist. Eine derartige Anordnung ist aus DE-PS 34 31 537 bekannt. Hiermit kann bei Hochfrequenzübertragung die frequenzbeeinflussende Kapazität des Varistors durch die Induktivität dieser ersten Reihenschaltung entkoppelt werden, so daß der Gesamtwiderstand dieser Reihenschaltung im Hochfrequenzbereich hochohmig ist. Wird aber ein Stoßstrom eingeprägt, so tritt an der Induktivität eine Spannung auf, die als Spannungsspitze oder sogenannte "Peak" zu dem Spannungsabfall aufgrund des Ohm¹-schen Widerstandsanteiles hinzukommt.

Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht demgegenüber darin, ausgehend von einem Uberspannungsschutzgerat gemäß dem vorstehend zitierten Oberbegriff des Anspruches 1 dafür

zu sorgen, daß eine im Stoßstromfall auftretende Spannungsspitze nicht an das zu schützende Gerät, Anlage, System oder dergleichen gelangt, sondern im Sinne dieser z.T. überspannungsempfindlichen Teile unschädlich gemacht wird. 5

Die Lösung dieser Aufgabe wird zunächst, ausgehend vom o.g. Oberbegriff des Anspruches 1, darin gesehen, daß eine zweite Reihenschaltung, bestehend aus einem Impulsladekondensator und einer Begrenzungsdiode oder einem Varistor, zwischen Innenleiter und Außenleiter des koaxialen Übertragungssystemes vorgesehen ist. Diese zweite Reihenschaltung hat eine niedrigere Ansprechspannung als die erste Reihenschaltung. Somit bewirkt eine einlaufende Überspannung eine entsprechende Aufladung der Kapazität der zweiten Reihenschaltung. Je mehr sich diese Kapazität der zweiten Reihenschaltung auflädt, desto hochohmiger wird sie, bzw. steigt die Spannung an der zweiten Reihenschaltung an, bis die Ansprechspannung der ersten Reihenschaltung erreicht ist. Mit anderen Worten: Die zweite Reihenschaltung bestimmt dann die gemeinsame Spannung an beiden Reihenschaltungen, wobei die durch einen Stoßstrom erzeugte Spannungsspitze von der zweiten Reihenschaltung durch Aufladung deren Kapazität übernommen und für die Zeit ihres Auftretens quasi kurzgeschlossen wird. Für das angeschlossene System ist die an der ersten Reihenschaltung entstandene Spannungsspitze gewissermaßen "gekappt", d.h. sie tritt nicht mehr an den überspannungsempfindlichen Geräten auf. Elektrisch betrachtet wird der wirksame Schutzpegel zunächst durch die zweite Reihenschaltung und danach durch die erste Reihenschaltung bestimmt. Es ist ein Überspannungsbegrenzer, insbesondere ein Antennenfeinschutz geschaffen, der in Empfangs- und Verteileranlagen zum Schutz der dort eingesetzten Systemkomponenten gegen Überspannungen dient. Diese Schutzschaltung hat einen sehr tiefen Begrenzungspegel und einen Frequenzbereich

3g von 4 - 2050 MHz bei geringer Dämpfung des hochfrequenten Signales. Erwähnt sei, daß in der zweiten Reihenschaltung von den angegebenen Alternativen Begrenzungsdiode oder

Varistor in der Regel der Begrenzungsdiode der Vorzug zu geben ist, da sie eine hier vorteilhafte kleinere Kapazität als ein Varistor hat. Zudem kann die zweite Reihenschaltung gegenüber der ersten Reihenschaltung mit spannungsbegrenzenden Bauteilen geringeren Leitungsumsatzes ausgeführt werden, da sie nur am Anfang des gesamten Ableitvorganges wirksam ist bzw. sein muß. Dadurch ergibt sich für diese Bauteile eine so geringe Sperrschichtkapazität, daß keine zusätzliche Freqeunzkompensation für diesen Teil der Schaltung im zu betrachtenden Frequenzbereich notwendig ist. In der ersten Reihenschaltung hingegen ist aufgrund der Sperrschichtkapazität, die sich aus der Impulsbelastbarkeit des dort eingesetzten Varistors ergibt, die beschriebene Serieninduktivität notwendig.

Da die Kapazität des Varistors der ersten Reihenschaltung aus Fertigungsgründen nicht genau vorherbestimmt werden kann, andererseits es aber wünschenswert ist, die dort vorhandene Kapazität genau zu bestimmen, sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Durch Wahl der Größe des dort dem Varistor parallel geschalteten Kondensators kann die Gesamtkapazität dieser Parallelschaltung in engen Grenzen festgelegt werden.

Die Kompensationsdioden gemäß Anspruch 4 dienen einer zusätzlich erwünschten Kapazitätsverringerung der zweiten Reihenschaltung.

Die den Kompensationsdioden gemäß Anspruch 5 nachgeschalte-3Q ten Kapazitäten verbessern die Hochfrequenzübertragungseigenschaften im GHz-Bereich.

Aus DE-PS 34 31 537 ist es bekannt, die Bauteile in einem abschirmenden Gehäuse unterzubringen. Demgegenüber ermögli-QK chen die Merkmale des Anspruches 6 eine bessere und preisgünstigere Herstellung bei gleichzeitiger Erreichung guter elektrischer Eigenschaften, einschließlich einer elektrisch

- 4 günstigen Positionierung der Anschlüsse.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind dem Inhalt der weiteren Unteransprüche sowie der nachfolgenden Be-Schreibung und der zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausführungsmöglichkeiten zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: ein erstes prinzipielles Schaltbild der Erfindung,

Fig. 2: das Schaltbild einer weiteren Ausführung der Erfindung,

jg Fig. 3: eine Draufsicht auf das Unterteil eines Gehäu

ses mit bestückter Leiterplatte,

Fig. 4: im Schnitt das Unterteil mit dem zugehörigen

Oberteil des Gehäuses und einer Abdeckkappe für

2Q die Leiterplatte zum Oberteil hin. Die Leiter

platte ist der besseren Übersicht wegen ohne Bauteilebestückung dargestellt.

Fig. 1 zeigt das Schema der Schaltung mit einer Koaxiallei-2g tung, bestehend aus dem Innenleiter 1 und dem Außenleiter 2 mit den willkürlich festgelegten Eingangsklemmen 3, 4 des Überspannungsschutzgerätes, während die dazugehörigen Ausgangsklemmen mit 5, 6 beziffert sind. Die Festlegung der Anschlußklemmen für Ein- und Ausgang ergibt sich insofern _&Ogr;&Lgr; willkürlich, als daß die Schaltung aus beiden Richtungen gleichermaßen mit Stoßstrom beaufschlagt werden kann. Der Außenleiter 2 ist gemäß Ziffer 2' geerdet bzw. an Masse angeschlossen.

Es ist eine erste Reihenschaltung aus einer Induktivität 7 35

und einem Varistor 8 vorgesehen, der in Richtung zum Ausgang 5, 6 eine zweite Reihenschaltung bestehend aus einer Begren-

-&dgr;-zungsdiode 9 und einer Kapazität in Form eines Impulsladekondensators 10 nachgeschaltet ist. Anstelle der Begrenzungsdiode 9 kann auch ein entsprechender Varistor vorgesehen sein.
5

Im Überspannungsfall bzw. bei Erzeugung einer Überspannung durch einen Stoßstrom und damit einer Spannungsspitze an der ersten Reihenschaltung wird die zweite Reihenschaltung so lange aktiviert, bis deren Kondensator 10 aufgeladen ist (siehe auch hierzu die obigen Ausführungen). Danach fließt der Stoßstrom ausschließlich über die erste Reihenschaltung, die ein wesentlich höheres Stoßstromableitvermögen als die nachfolgende Stufe der zweiten Reihenschaltung besitzt. Hiermit wird der eingangs genannte "Peak", d.h. die an der ersten Reihenschaltung anstehende Spannungsspitze soweit kompensiert, daß sie das angeschlossene System praktisch nicht mehr erreicht. Die dort auftretende Spannung erhöht sich lediglich um den relativ geringen Spannungsabfall am Ohm'schen Widerstand der ersten Reihenschaltung. Hierbei ergibt sich eine zeitliche Begrenzung des Stromflusses über die zweite Reihenschaltung, wodurch eine Überlastung der Bauteile vermieden wird. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der nachstehend anhand der Fig. 2 erläuterten, kapazitätsarmen Kompensationsdioden 11.

Die vorstehend bereits erwähnte weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung in der Schaltung gemäß Fig. 2 sieht zusätzlich zu den Bauteilen der Schaltung nach Fig. 1 noch die erwähnten Kompensationsdioden 11 vor, welche der Kapazi-

OQ tätsverringerung dieser zweiten Reihenschaltung dienen. Die ihnen nachgeschalteten und an Erde oder Masse 2¹ angeschlossenen Kapazitäten 12 tragen zu einer Verbesserung der Hochfrequenzübertragungseigenschaften im GHz-Bereich bei. Die bereits erwähnte, dem Varistor 8 der ersten Reihenschaltung parallel geschaltete Kapazität ist mit 13 beziffert. Mit einer solchen Anordnung werden einerseits schädliche Überspannungen kompensiert, andererseits ist aber eine besonders

einwandfreie Festlegung des Übertragungsfrequenzbereiches erreichbar.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Gehäuseunterteil 14 mit Eingang 15 gemäß Ziffer 3 und 4 und dem Ausgang 16 gemäß Ziffer 5 und 6 der Figur 1, 2 für den Innen- und Außenleiter des koaxialen Übertragungskabels. Der Anschluß nach Masse zwischen Leiterplatte 18 und dem Gehäuse erfolgt über die auf den Umfang der Leiterplatte verteilten Kontaktschrauben 17' und der Anschluß zur Erdung über den Anschlußpunkt 17. Dies entspricht der Position 2¹ der Schaltbilder nach Fig. I₁ 2.

Innerhalb des Gehäuses ist eine Leiterplatte 18 angebracht, !5 auf der die Bauteile gemäß der Schaltung nach Fig. 2 entweder oberseitig oder unterseitig vorgesehen sind (in Fig. 3 nicht dargestellt). Dabei können sich die bereits erwähnten Kompensationsdioden 11 auf der Rückseite (Unterseite) der Leiterplatte befinden. Die Bauteile sind auf der Ober- und 2Q Unterfläche der Leiterplatte angebracht und vorzugsweise als SMD-Bauteile (sogenanntes "surface mounted device") ausgeführt. Die Anschlußklemmen 19, 20 bzw. 15, 16 sind möglichst kapazitätsarm gegenüber der Masse und liegen so weit als möglich beieinander. Dabei soll der Innenleiterteil gegen &ldquor;c Masse eine möglichst geringe Kapazität haben. Hierzu sind

die Klemmen innenseitig mit möglichst kleinen Flächen versehen. Außerdem ist die Anordnung so getroffen, daß die Anschlußklemmen 19, 20 sich in der Flucht der Zuleitung 1 und Ableitung I¹ des Innenleiters befinden. Die Leiterplatte ist _ ferner Träger der erforderlichen Schaltverbindungen.

Es ist dafür gesorgt, daß der Wellenwiderstand zwischen den Anschlüssen 19, 20 bzw. 15, 16 gleich dem Wellenwiderstand der Leitung 1, I¹ ist.

Zu dem metallischen Gehäuseunterteil 14 gehört ein entsprechender Oberteil 21, der innenseitig an einem Kunststoffde-

ekel 22 befestigt ist. Zwischen Ober- und Unterteil befindet sich eine Abdeckkappe 23, die den Berührungsschutz gegen zu hohe Berührungsspannung zur Leiterplatte 18 bei abgenommenen Oberteil sicherstellt. Das Metallgehäuse ist bevorzugt auf der Erdungsschiene montiert bzw. dort montierbar. Das Gehäuse stellt also alternativ zu Anschlußpunkt 17 über die Anschlußlaschen 24 die Erdverbindung für den Außenleiter des koaxialen HF-Kabels dar. Statt der Klemmanschlüsse gemäß dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel können auch IQ Koaxialanschlüsse für die Leiter vorgesehen sein (nicht dargestellt). Allerdings ist Klemmanschlüssen der Vorzug zu geben, da hierdurch mehr Freiräume bzw. Möglichkeiten für den Installateur für die Anbringung der Kabel gegeben sind.

jg Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzgerät ist tauglich für eine Fernspeisung, d.h. eine zusätzliche Übertragung eines Netzstromes von beispielsweise 65 V /50 Hz der dazu vorgesehen ist, bestimmte aktive Betriebsmittel im Empfangssystem über das Koaxkabel mit der zum Betrieb notwendigen

2Q Energie zu versorgen.

Alle dargestellten und beschriebenen Merkmale sowie ihre Kombinationen untereinander sind erfindungswesentlich.

- Ansprüche -

Claims

1. Überspannungsschutzgerät für koaxiale Leitungssysteme, insbesondere in Antennenanlagen, wobei eine erste Reihenschaltung aus einer Induktivität und einem Varistor zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der Koaxialleitung geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Reihenschaltung, bestehend aus einem Impulsladekondensator (10) und einer Begrenzungsdiode (9) oder einem Varistor, zwischen Seele (1) und Mantel (2) der Koaxialleitung vorgesehen ist.

2. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reihenschaltung und die zweite Reihenschaltung räumlich sehr eng zueinander angeordnet ist.

3. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Varistor (8) der ersten Reihenschaltung ein Kondensator (13) parallel geschaltet ist.

4. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Reihen-

schaltung (9, 10) ferner Kompensationsdioden (11) vorgesehen sind.

5. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsdioden (11) mit weiteren Kapazitäten (12) in Reihe an Masse bzw. Erde (2¹) angeschlossen sind.

6. Überspannungsschutzgerät mit einem die Einführungen für den Innenleiter und den Außenleiter der Koaxialleitung aufweisenden Gehäuse, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Gehäuse (14, 21) eine Leiterplatte (18) befindet, die miteinander in Anschlußrichtung (l-l¹) fluchtend die Anschlüsse (19, 20) des Innenleiters und davon im Abstand den Anschluß

(17) an Erde oder Masse aufweist, wobei die Leiterplatte Träger der Bauteile der beiden Reihenschaltungen ist und die Schaltverbindungen der Bauteile untereinander sowie mit den Anschlüssen aufweist.

7. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand der Leiterplatte

(18) zwischen den Anschlüssen (19, 20) des Innenleiters gleich dem Wellenwiderstand der Koaxleitung ausgebildet ^ist·

8. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Anschlußklemmen (19, 20) des Innenleiters möglichst gering

3Q gewählt ist.

9. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (19, 20) des Innenleiters aus Klemmen bestehen, bei denen die angeklemmte Leitung möglichst kapazitätsarm gegenüber der Masse des Gehäuses ist.

-&igr;&ogr;&iacgr;

10. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 6 bis

9, gekennzeichnet durch einen Kunststoffdeckel (22), der innenseitig Träger des metallischen Oberteiles (21) ist.

11. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 6 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Oberteil (21) und Unterteil (14) des Gehäuses oberhalb der auf der Leiterplatte (18) vorgesehenen Bauteile des Überspannungsschutzes ein Berührungsschutz in Form einer Abdeckkappe (23) aus einem isolierenden Werkstoff befindet.