PROTECTOR CONTRA ONDAS DE CHOQUE DE BAJA CAPACITANCIA PARA TRANSMISIÓN DE DATOS A ALTA VELOCIDAD
Antecedentes de la Invención Campo de la Invención Esta invención se refiere a métodos y aparatos para suprimir voltajes transientes y picos de corriente en líneas de transmisión de alta velocidad con el fin de proteger equipo electrónico. Descripción del Estado de la Técnica Los sistemas del estado de la técnica para proteger equipo eléctrico contra los efectos dañinos de transientes de voltaje y picos de corriente asociados con ondas de choque de energía son bien conocidos. Tales sistemas han incluido el uso de tubos disipadores de gas, dispositivos semiconductores, o alguna combinación de ellos. Los tubos disipadores de gas, o espacios libres de chispas, disipan energía produciendo un arco eléctrico a tierra. Esta formación de arco ocurre mediante la ionización de un gas de resistencia dieléctrica conocida durante una condición de onda de choque eléctrica. Aunque los tubos disipadores de gas proveen suficiente supresión para la mayoría de las ondas de choque de energía, su tiempo de respuesta relativamente lento da como resultado una falla para suprimir transientes de voltaje y picos de corriente de un rápido tiempo de elevación. Tales transientes y picos son capaces de destruir equipo eléctrico conectado a la línea
• eléctrica en la cual se inducen los transientes de voltaje y picos de corriente. La figura 1 muestra un protector de ondas de choque convencional que emplea un tubo disipador de gas 2 conectado entre dos líneas de transmisión eléctrica 4, 6, las cuales líneas llevan señales a equipo electrónico, tal como equipo de cómputo o telefonía, conectado a las mismas. En sistemas telefónicos, las líneas de transmisión 4, 6 pueden ser una línea de punta y de timbre, respectivamente. La figura 3 es una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4, 6 a tierra versus el tiempo después de que se introduce un primer pulso en una línea eléctrica 4, 6 del circuito en la figura 1. El primer pulso se dispone en rampa hasta su máximo voltaje de 5 kV (kilo-voltios) en 10 µs (micro- segundos) y decae a la mitad del máximo voltaje en 700 ns . Este segundo pulso será referido como un pulso 10/700. Al disponerse en rampa el primer pulso, el voltaje a través del tubo de gas se incrementa. Como resultado, el tubo de gas comienza a cargarse. Cuando el tubo de gas está totalmente cargado, el gas en el tubo de gas se ionizará y el pulso será disipado. En la figura 3, el gas es mostrado haber ionizado a 298 V. La ionización ocurrió 2.6 µs después de que se introdujo el pulso. La figura 4 es una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4,6 a tierra versus el tiempo después de que se introdujo un segundo pulso en una línea eléctrica 4,6 del circuito en la figura 1. El segundo pulso se dispone en rampa hasta su máximo voltaje de 4 kV en 5 ns (nano-segundos) y decae a la mitad del máximo voltaje en 50 ns . Este segundo pulso será referido como un pulso 5/50. El circuito opera de la misma manera que cuando el pulso 10/700 fue introducido. Como el pulso 5/50 tiene un tiempo de elevación mas rápido que el pulso 10/700; sin embargo, el voltaje muestra picos de hasta 2.96 kV antes de que se ionice el gas en el tubo de gas. Mas aún, después de disparar, el tubo de gas no sujeta el voltaje suficientemente bajo para proteger el equipo electrónico. El voltaje se eleva sobre 1 kV varias veces durante la duración del pulso 5/50 y solamente comienza a caer después de que el pulso ha terminado. El tiempo de respuesta de los supresores de ondas de choque tipo semiconductor es mas rápido que los tubos disipadores de gas. Sin embargo, el dispositivo semiconductor de avalancha típico usado está limitado en el nivel de energía que puede disipar antes de ser destruido por la onda de choque eléctrica. Además, estos dispositivos añaden niveles significativos de capacitancia al circuito de protección de ondas de choque. Los tubos de gas típicos tienen capacitancias de entre alrededor de 2 pF (pico-faradios) y alrededor de 7 pF. Sin embargo, los circuitos semiconductores usados en conjunción con los tubos de gas incrementan la capacitancia del circuito protector de ondas
Jw de choque convencional a alrededor de 100 pF. El problema cont al capacitancia relativamente elevada es que limita el ancho de banda y, por tanto, la tasa de transmisión de señal de la línea de transmisión a la que está conectado el protector de ondas de choque . Ejemplos de tales diseños del estado de la técnica incluyen arreglos de tubos disipadores de gas en combinación con diodos Zener o algún otro dispositivo semiconductor con características de sujeción similares. Típicamente, estos circuitos incluyen elementos adicionales que introducen capacitancia o inductancia añadida al circuito. 15 Otro protector de ondas de choque convencional es mostrado en la figura 2. Incluye un tubo disipador de gas 2 conectado a través de líneas eléctricas 4, 6 y dos semiconductores de avalancha. Un semiconductor de avalancha 8 está conectado entre la línea eléctrica 4 y tierra y el otro semiconductor de 0 avalancha 10 está conectado entre la línea eléctrica 6 y tierra. La figura 5 es una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4, 6 a tierra versus el tiempo después de que se introduce un pulso 10/700 a una línea eléctrica 4, 6 del circuito en la figura 2. 5 Al disponerse en rampa hacia arriba el pulso 10/700, el voltaje a través del tubo de gas se incrementa. Como resultado, el tubo de gas comienza a cargarse. Cuando el voltaje a través del tubo de gas alcanza el voltaje de ruptura del semiconductor de avalancha, el semiconductor de avalancha sume la corriente y sujeta el voltaje a través del tubo de gas al voltaje de ruptura del semiconductor de avalancha, con ello protegiendo el equipo electrónico unido. En la figura 5, el semiconductor de avalancha comienza a sumir corriente cuando el voltaje a través del tubo de gas
• alcanza 222 V. El nivel de 222 V fue alcanzado 2 µs después de que se introdujo el pulso 10/00 a la línea eléctrica. El voltaje a través del tubo de gas es entonces sujetado a 222 V por el semiconductor de avalancha. Después de que el semiconductor de avalancha sujeta el voltaje, el tubo de gas continuará cargándose
15 hasta que se ioniza el gas en el tubo de gas y disipa el pulso. La figura 5 muestra el gas ionizado 3.2 µs después de que se introdujo el pulso en la línea.
• La figura 6 es una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4,6 a tierra versus el tiempo después de que se
20 introduce un pulso 5/50 a cualquiera de las líneas eléctricas 4, 6 del circuito en la figura 2. El circuito opera de la misma manera que cuando se introdujo el pulso 10/00. Sin embargo, el tiempo de elevación mas rápido del pulso 5/50 da como resultado un pico de voltaje de 360 V antes de que el semiconductor de
25 avalancha comience a sujetar el voltaje. Una vez que el semiconductor de avalancha comienza a sumir la corriente y sujetar el voltaje, el voltaje cae a menos de 250 V dentro de 22
^5 ns de que se introduce el pulso a la línea. Un ejemplo adicional de un protector de ondas de choque es divulgado en la patente de los Estados Unidos No. 4,683,514, concedida a Cook. La patente de Cook divulga el uso de un espacio libre de chispa dispuesto a través de una línea eléctrica y en paralelo con un dispositivo semiconductor de avalancha. Una onda de choque de energía inducida en la línea eléctrica hará que
• el circuito semiconductor sujete el transiente al voltaje de ruptura del dispositivo semiconductor y ocasionará que el espacio libre de chispa dispare dentro de un período de tiempo especificado. La adición del dispositivo semiconductor de avalancha añade una capacitancia significativa a la línea eléctrica, de 5 esta manera degradando señales de mayor frecuencia llevadas por la línea. Objetivos y Compendio de la Invención Es un objetivo de la presente invención el de proveer un protector de ondas de choque mejorado, para líneas eléctricas, 0 que pueda ser usado para proteger equipo electrónico contra ondas de choque de energía, incluyendo transientes de voltaje y picos de corriente de tiempo de elevación normal y rápido inducidos por relámpagos y pulsos electromagnéticos sin cargar el circuito con capacitancia incrementada. 5 Es un objetivo adicional de la presente invención el de proveer un protector de ondas de choque con niveles casi idénticos de capacitancia de línea a línea y línea a tierra en un arreglo de circuito balanceado. • Es un objetivo incluso adicional de la presente invención el de proveer un método de reducir la capacitancia de un protector de ondas de choque para permitir que equipo electrónico sea protegido y al mismo tiempo permitir transmisión de datos de alta velocidad. El protector de ondas de choque de baja capacitancia
« comprende un tubo de gas, un primer semiconductor de avalancha, y al menos un primer arreglo en paralelo de diodos conectados en serie con el primer semiconductor de avalancha . El al menos primer arreglo paralelo de diodos y el primer semiconductor de avalancha forman un primer arreglo en serie de componentes . El
15 primer arreglo en serie está conectado entre un primer conductor (por ejemplo, una línea de punta en un sistema telefónico) y tierra. El al menos primer arreglo en paralelo de diodos incluye al menos un par de diodos . Los diodos del al menos un par de diodos son acoplados juntos en polaridad opuesta. 0 Una segunda forma de realización incluye al menos un segundo arreglo en paralelo de diodos (conectados en polaridad opuesta entre sí) conectados en serie con un segundo semiconductor de avalancha. El al menos segundo arreglo en paralelo de diodos y el segundo semiconductor de avalancha forman un segundo 5 arreglo en serie de componentes . El segundo arreglo en serie de componentes está conectado entre tierra y un segundo conductor (por ejemplo, una línea de timbre en un sistema telefónico) . Los arreglos en paralelo de diodos son colocados en serie con los semiconductores de avalancha para reducir efectivamente la capacitancia global del protector de ondas de choque medida de línea a línea o de línea a tierra. En una tercera forma de realización, cada uno de los componentes del primer arreglo en serie de componentes y el segundo arreglo en serie de componentes incluye dos arreglos en paralelo de diodos (los diodos en cada arreglo en paralelo siendo conectados en polaridad opuesta) en serie con cada uno de los semiconductores de avalancha. Los arreglos adicionales en paralelo de diodos reducen además la capacitancia del protector de ondas de choque de línea a línea y de línea a tierra. En una forma de realización preferida, un tubo de gas de tres elementos incluye un primer elemento, un segundo elemento, y un elemento de tierra. El primer elemento está conectado a la línea 4, el segundo elemento está conectado a la línea 6, y el elemento de tierra está conectado a tierra. Un primer par de diodos que están interconectados en serie cátodo con cátodo es conectado entre la línea 4 y la línea 6. Un segundo par de diodos que están interconectados en serie ánodo con ánodo está conectado entre la línea 4 y la línea 6. Los cátodos interconectados del primer arreglo en serie de diodos están conectados a un extremo de un primer semiconductor de avalancha, cuyo otro extremo está conectado al ánodo de un quinto diodo. El cátodo del quinto diodo está aterrizado. De manera alternativa, los cátodos interconectados pueden estar conectados al ánodo del quinto diodo, cuyo cátodo está conectado a un extremo del primer semiconductor de avalancha, que en este caso el segundo extremo del primer semiconductor de avalancha está aterrizado. Los ánodos interconectados del segundo arreglo en serie de diodos están conectados a un extremo de un segundo semiconductor de avalancha, cuyo otro extremo está conectado al cátodo de un sexto diodo. El ánodo del sexto diodo está aterrizado. De manera alternativa, los ánodos interconectados pueden conectarse al cátodo del sexto diodo, cuyo ánodo está conectado a un extremo del segundo semiconductor de avalancha, que en este caso el segundo extremo del segundo semiconductor de avalancha está aterrizado. La presente invención también incluye un método de reducir la capacitancia de un circuito protector de ondas de choque teniendo un tubo de descarga de gas y un semiconductor de avalancha acoplado en paralelo con el tubo de descarga de gas. El tubo de descarga de gas y el semiconductor de avalancha están acoplados eléctricamente entre la línea eléctrica y tierra. El semiconductor de avalancha está conectado eléctricamente en serie con al menos un arreglo paralelo de diodos . Cada arreglo paralelo de diodos incluye un par de diodos que están acoplados en polaridad opuesta entre sí . El par de diodos tiene una capacitancia total asociada con el mismo. El semiconductor de avalancha también tiene una capacitancia asociada con el mismo. El arreglo en paralelo de diodos y el semiconductor de avalancha están acoplados eléctricamente en serie, lo que hace que la capacitancia total del arreglo en paralelo de diodos y la capacitancia del semiconductor de avalancha se combinen en serie. El resultado es una capacitancia total reducida del protector de ondas de choque entre la línea eléctrica y tierra. De preferencia, cada uno de los diodos del par de diodos en el método de reducir la capacitancia de un circuito de protección es un diodo de recuperación rápida. Un arreglo similar de diodos y un semiconductor de avalancha pueden acoplarse entre una segunda línea eléctrica y tierra para reducir la capacitancia del circuito de protección entre la segunda línea eléctrica y tierra. Estos y otros objetivos, aspectos y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de sus formas de realización ilustrativas, que van a leerse con relación a los dibujos acompañantes. Breve Descripción de los Dibujos La figura 1 es un diagrama esquemático de un circuito protector de ondas de choque del estado de la técnica que consiste en un tubo de gas . La figura 2 es un diagrama esquemático de un protector de ondas de choque del estado de la técnica que consiste en una combinación de un tubo de gas y un semiconductor de avalancha.
La figura 3 es una gráfica de voltaje versus tiempo que ilustra el voltaje a través del tubo disipador de gas en el circuito de la figura 1 después de que se introduce un pulso
• 10/700 en cualquiera de las líneas eléctricas. La figura 4 es una gráfica de voltaje versus tiempo que ilustra el voltaje a través del tubo disipador de gas en el circuito de la figura 1 después de que se introduce un pulso 5/50 en cualquiera de las líneas eléctricas . La figura 5 es una gráfica de voltaje versus tiempo que
# ilustra el voltaje a través del tubo disipador de gas en el circuito de la figura 2 después de que se introduce un pulso
10/700 en cualquiera de las línea eléctricas. La figura 6 es una gráfica de voltaje versus tiempo que ilustra el voltaje a través del tubo disipador de gas en el
15 circuito de la figura 2 después de que se introduce un pulso 5/50 en cualquiera de las líneas eléctricas. La figura 7 es un diagrama de bloques funcionales de un protector de ondas de choque formado de acuerdo con la presente invención. 20 La figura 8 es un diagrama de bloques funcionales de un protector de ondas de choque formado de acuerdo con la presente invención, que ilustra los bloques internos de un protector de ondas de choque . La figura 9 es un diagrama esquemático de una forma de
25 realización de un protector de ondas de choque formado de acuerdo con la presente invención. La figura 10 es un diagrama esquemático de una segunda forma de realización de un protector de ondas de choque formado
• de acuerdo con la presente invención. La figura 11 es un diagrama esquemático de una tercera forma de realización de un protector de ondas de choque formado de acuerdo con la presente invención. La figura 12 es un diagrama esquemático de una cuarta forma de realización de un protector de ondas de choque formado
• de acuerdo con la presente invención. La figura 13 es una gráfica de voltaje versus tiempo que ilustra el voltaje a través del tubo disipador de gas en el circuito de la figura 10 después de que se introduce un pulso 10/700 en cualquiera de las líneas eléctricas. 5 La figura 14 es una gráfica de voltaje versus tiempo que ilustra el voltaje a través del tubo disipador de gas en el circuito de la figura 10 después de que se introduce un pulso 5/50 en cualquiera de las líneas eléctricas. La figura 15 es una gráfica de voltaje versus tiempo 0 que ilustra el voltaje a través del tubo de gas de la figura 11 después de que se introduce un pulso 10/700 en cualquiera de las líneas eléctricas. La figura 16 es una gráfica de voltaje versus tiempo que ilustra el voltaje a través del tubo de gas de la figura 11 5 después de que se introduce un pulso 5/50 en cualquiera de las líneas eléctricas. La figura 17 es una gráfica de voltaje versus tiempo que ilustra el voltaje a través del tubo de gas de la figura 12 después de que se introduce un pulso 10/700 en cualquiera de las líneas eléctricas . La figura 18 es una gráfica de voltaje versus tiempo que ilustra el voltaje a través del tubo de gas de la figura 12 después de que se introduce un pulso 5/50 en cualquiera de las líneas eléctricas . La figura 19 es una gráfica de la pérdida de señal en dB versus frecuencia que ilustra la pérdida de señal después de instalar el circuito protector de ondas de choque. Descripción Detallada de las Formas de Realización Preferidas Haciendo referencia inicialmente a la figura 7, se muestra un diagrama de bloques de un protector de ondas de choque que ilustra la relación funcional de los diversos componentes del protector. Las líneas eléctricas 4, 6 pueden ser cualquier tipo de línea eléctrica a la cual puede conectarse equipo electrónico, por ejemplo una línea de punta o de timbre de un sistema de teléfono. En una forma de realización preferida, el protector de ondas de choque 12 está conectado a través de una línea telefónica que incluye una línea de punta y/o una línea de timbre. Un diagrama de bloques mas detallado del sistema de protección de ondas de choque es mostrado en la figura 8. Como se muestra en la figura 8, el protector de ondas de choque 12 comprende un circuito de sujeción 18 y medios disipadores de energía 16. El equipo electrónico 14 es el equipo conectado a la línea eléctrica para el cual sirve la presente
• invención para protegerlo contra odas de choque de energía. El equipo electrónico 14 puede ser cualquier tipo de equipo electrónico, incluyendo electrónica de telecomunicaciones, computadores o instrumentación. La funcionalidad de estos componentes individuales del sistema será ahora descrita en el contexto de una forma de realización específica de la presente invención. Una forma de realización específica de un protector de ondas de choque formado de acuerdo con la presente invención es ilustrada en el diagrama esquemático de la figura 9. Deberá entenderse que la línea eléctrica 4, 6 en una forma de realiza¬
15 ción preferida puede ser ya sea una línea de punta o una línea de timbre de teléfono. Los medios disipadores 16 previamente descritos con relación al diagrama de bloques de la figura 8 pueden incluir un tubo disipador de gas 2. El tubo disipador de
• gas 2 incluye un primer electrodo 2a conectado a una línea
20 eléctrica 4, 6, un segundo electrodo 2b conectado a la otra línea eléctrica 4, 6 y un tercer electrodo 2c conectado a tierra. La tierra puede ser una línea de tierra o un punto de amarre de tierra. El circuito de sujeción 18 previamente descrito con
25 relación al diagrama de bloques de la figura 8 es mostrado en la forma de realización de la figura 9 como incluyendo un par de diodos de baja capacitancia, rápida recuperación 20, 22, que se conectan en paralelo y en polaridad opuesta entre sí. El arreglo en paralelo de diodos 20, 22 está conectado a una de las líneas eléctricas 4 o 6. El circuito de sujeción 18 incluye además un semiconductor de avalancha bi-direccional 24, tal como un TVS, que se conecta entre el arreglo en paralelo de diodos 20, 22 y tierra. El sistema de protección de ondas de choque suprime energía en la línea eléctrica 4, 6 de la siguiente manera. Asúmase que ocurre una onda de choque de energía en la línea eléctrica 4 o 6. La fuente de la onda de choque puede ser relámpago o un pulso electromagnético, induciendo transientes de voltaje de tiempo de elevación normal o rápido o picos de corriente en la línea. La onda de choque puede ser del orden de un pulso de estallido de transiente rápido de 4 kV con una forma de onda de 5/50 ns (es decir, el pulso se dispondrá en rampa hacia arriba a su máximo voltaje de 4 kV en 5 ns y decaerá a la mitad de su voltaje pico en 50 ns) . La onda de choque también puede tener una corriente de descarga de impulso de 5 kA (kiloamperios) con una forma de onda de 8/20 µs (es decir, el pulso se dispondrá en rampa hacia arriba a su máxima corriente de 5 kA en 8 µs y decaerá a la mitad de su corriente pico en 20 µs) . Deberá apreciarse que estas características de onda de choque no están destinadas a ser límites máximos de supresión del protector de ondas de choque; mas bien, son meramente ilustrativas de la magnitud de la onda de choque que el sistema es ordinariamente capaz de manejar. • Al comenzar a incrementarse el voltaje del pulso transiente, el semiconductor de avalancha 24 alcanzará su voltaje de ruptura, haciendo que el transiente sea sujetado al voltaje de ruptura dentro de ano-segundos . El voltaje de ruptura estará a un nivel seguro para el equipo electrónico unido 14. El tubo de gas mas lento 2 tendrá entonces tiempo para reaccionar el pulso
• y descargar el transiente antes de que se dañen los elementos del circuito de sujeción 18 o el equipo eléctrico 14. El propósito de conectar el arreglo en paralelo de diodos 20, 22 en serie con el semiconductor de avalancha 24 es el de reducir la capacitancia global del protector de ondas de choque entre las líneas
15 eléctricas 4, 6 y tierra, pero todavía proveer al equipo electrónico conectado a las líneas eléctricas 4, 6 con protección de ondas de choque, que incluye la capacidad de derivar alta corriente del tubo de descarga de gas 2 y el tiempo de reacción rápida a transientes aportado por el semiconductor de avalancha 0 24. La capacitancia en paralelo de los diodos 20, 22 se suma en serie con la capacitancia del semiconductor de avalancha 24 de acuerdo con la ecuación: Ct = Cp x CA / Cp + CA Ec.l 5 donde Ct es la capacitancia del circuito de sujeción 18 entre las líneas eléctricas 4, 6 y tierra, Cp es la capacitancia del arreglo en paralelo de diodos 20, 22 y CA es la capacitancia del semiconductor de avalancha 24. Un circuito preferido, como se muestra en la figura 9, usa un tubo de descarga de gas 2, parte No. T22-C200X, fabricado por Siemens Components, Inc. de Iselin, New Jersey, Estados Unidos, teniendo una capacitancia aproximada de 2-5 pF; como diodos 20, 22, parte No. 50-400-40, fabricados por Sussex Semiconductor de Fort Meyers, Florida, Estados Unidos, cada uno teniendo una capacitancia de aproximadamente 10-15 pF; y como semiconductor de avalancha 24, un TVS, parte No. SZZ-16-1-200-250-10ULC, fabricado por Sussex Semiconductor de Fort Meyers, Florida, Estados Unidos, teniendo una capacitancia de aproximadamente 80 pF. Con estos componentes, el circuito de la figura 9 tiene una capacitancia de línea a tierra (es decir, entre la línea eléctrica 4 o 6 y tierra) de alrededor de 40 pF, y una capacitancia de línea a línea (es decir, entre las líneas eléctricas 4 y 6) de entre alrededor de 20 y alrededor de 22 pF. Aunque un tubo de gas de tres elementos es descrito en la forma de realización de la figura 9, un tubo de gas de dos elementos puede también ser implementado con esta forma de realización. El tubo de gas de dos elementos y el circuito de sujeción son conectados en paralelo entre una línea eléctrica 4, 6 y tierra o entre las líneas eléctricas 4, 6. El circuito opera de la misma manera que el circuito de la figura 9, salvo que no hay protección contra ondas de choque para la línea que no está conectada al tubo de gas . Un arreglo en paralelo de diodos de recuperación rápida
• 20, 22 en una configuración de polaridad opuesta es usado de modo de permitir que el protector de ondas de choque opere de manera bi-direccional, es decir el pulso transiente puede venir de tierra o de la línea eléctrica 4, 6. En cualquier caso, el protector de ondas de choque todavía operará para proteger el equipo conectado al mismo. F El circuito mostrado en la figura 10 es similar en muchos respectos al circuito mostrado en la figura 9. El protector de ondas de choque incluye un tubo de descarga de gas 2 y un arreglo en paralelo de diodos de rápida recuperación 20, 22 conectados en serie con un semiconductor de avalancha 24, cada
15 uno de los cuales se conecta conjuntamente y a las líneas 4 o 6, como se describió previamente y se muestra en la figura 9. Sin embargo, el circuito mostrado en la figura 10 incluye un arreglo en paralelo adicional de diodos de rápida recuperación 28, 30
• conectado en serie con el arreglo en paralelo adicional de
20 diodos, como parte del circuito de sujeción 18. El primer arreglo en serie de los diodos 20, 22 y el semiconductor de avalancha 24 están conectados entre la línea eléctrica 4 y tierra y el segundo arreglo en serie de diodos 28, 30 y el semiconductor de avalancha 26 se conectan entre la línea eléctrica 6 y tierra.
25 La configuración particular de este circuito provee protección contra ondas de choque al equipo eléctrico conectado a las líneas eléctricas 4, 6 independientemente de si la onda de choque viene de la línea 4, la línea 6 o tierra. • Usando los mismos componentes preferidos, como se describió respecto de la forma de realización mostrada en la figura 9, el protector de ondas de choque mostrado en la figura 10 exhibirá una capacitancia de línea a tierra de alrededor de 40 pF, y una capacitancia de línea a línea de entre alrededor de 16 y alrededor de 18 pF. La figura 13 bosqueja una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4, 6 a tierra versus tiempo después de que se introduce un pulso 10/700 a una línea eléctrica 4, 6 del circuito de la figura 10. A disponerse el pulso en rampa hacia arriba, se
15 incrementa el voltaje a través del tubo de gas. Como resultado, el tubo de gas comienza a cargarse. Cuando el voltaje a través del tubo de gas alcanza el voltaje de ruptura del semiconductor de avalancha mas el voltaje de activación del diodo, el semicon¬
• ductor de avalancha sume corriente y sujeta el voltaje a través
20 del tubo de gas en la suma del voltaje de ruptura del semiconductor de avalancha y el voltaje a través de un diodo polarizado hacia adelante . En la figura 13, el semiconductor de avalancha comienza a sumir corriente cuando el voltaje a través del tubo de gas
25 alcanza 230 V. El nivel de 230 V es alcanzado 2.2 µs después de que se introduce el pulso 10/700 en la línea eléctrica. El voltaje a través del tubo de gas es entonces sujetado a 230 V hasta que se ioniza el gas en el tubo de gas y disipa el pulso. La figura 13 muestra que el gas se ioniza 3 µs después de que se introduce el pulso en la línea. La figura 14 es una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4, 6 a tierra versus el tiempo después de que se introduce un pulso 5/50 a una línea eléctrica 4, 6 del circuito de la figura 10. El circuito opera de la misma manera cuando se introduce un pulso 10/700. Sin embargo, como en la figura 6, el pulso 5/50 mas rápido es mostrado ocasionar un pico de voltaje de 530 V antes de que se active el diodo y el semiconductor de avalancha comience a sumir corriente. Después de que el semiconductor de avalancha comienza a sumir corriente, el voltaje cae por debajo de 250 V. Arreglos en paralelo adicionales de diodos de recuperación rápida en una configuración de polaridad opuesta pueden añadirse en serie con los diodos 20, 22 y el semiconductor de avalancha 24 o en serie con los diodos 28, 30 y el semiconductor de avalancha 26. La figura 11 es un diagrama esquemático de un circuito similar al circuito ilustrado en la figura 10 pero con arreglos en paralelo de diodos adicionales. En la figura 11, un tubo de gas de tres elementos 2 incluye un primer elemento 2a conectado a la línea eléctrica 4, un segundo elemento 2b conectado a la línea eléctrica 6, y un tercer elemento 2c conectado a tierra. Dos arreglos en paralelo de diodos (conectados en polaridad opuesta) son conectados en serie, y este arreglo en serie de diodos es conectado a un semiconductor de avalancha 40. Juntos, el arreglo en serie de diodos y el semiconductor de avalancha son conectados entre la línea eléctrica 4 y tierra. De manera similar, otros dos arreglos en paralelo de diodos (conectados en polaridad opuesta) están conectados en serie y este segundo arreglo en serie de diodos está conectado a un segundo semiconductor de avalancha 50. Este segundo arreglo en serie de diodos y el segundo semiconductor de avalancha son conectados entre la línea eléctrica 6 y tierra. La capacitancia de cada arreglo en serie, incluyendo dos arreglos en paralelo de diodos en configuraciones de polaridad opuesta y un semiconductor de avalancha se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación: Ct' = 1 / l/Cpl + 1/CP2 + 1/CA donde Ct' es la capacitancia del circuito de sujeción 18 entre las líneas eléctricas 4, 6 y tierra, Cpl es la capacitancia de un primer arreglo en paralelo de diodos, CP2 es la capacitancia de un segundo arreglo en paralelo de diodos, y CA es la capacitancia del semiconductor de avalancha 40, 50. En operación, el circuito de la figura 11 funcionará igual que el circuito de la figura 10, salvo que el nivel de capacitancia de línea a tierra y línea a línea será reducido de la capacitancia del circuito de la figura 10 de acuerdo con la ecuación 2 anterior. Haciendo ahora referencia a las figuras 15 y 16, la
• operación del circuito de la figura 11 será descrita en mayor detalle. La figura 15 bosqueja una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4, 6 a tierra versus el tiempo después de que se introduce un pulso 10/700 a una línea eléctrica 4, 6 del circuito de la figura 11. Al disponerse el pulso en rampa hacia arriba, se incrementa el voltaje a través del tubo de gas. Como
• resultado, el tubo de gas comienza a cargarse. Cuando el voltaje a través del tubo de gas alcanza el voltaje de ruptura del semiconductor de avalancha mas el voltaje de activación de los dos diodos (los diodos polarizados hacia adelante del arreglo en paralelo de diodos conectado en serie) , el semiconductor de
15 avalancha sume corriente y sujeta el voltaje a través del tubo de gas al voltaje de ruptura del semiconductor de avalancha y el voltaje hacia adelante cae de los dos diodos antes mencionados. En la figura 15, el semiconductor de avalancha comienza a sumir corriente cuando el voltaje a través del tubo de gas
20 alcanza 242 V. El nivel de 242 V es alcanzado 2.4 µs después de que se introduce el pulso 10/700 a la línea eléctrica. La figura 16 es una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4, 6 a tierra versus el tiempo después de que se introduce un pulso 5/50 a una línea eléctrica 4, 6 del circuito
25 de la figura 11. El circuito opera de la misma manera que cuando se introduce el pulso 10/700. Sin embargo, el pulso mas rápido es mostrado ocasionar un pico de voltaje de 625 V antes de que se activen los diodos y el semiconductor de avalancha comience a sumir corriente. Una vez que el semiconductor de avalancha comienza a sumir corriente, el voltaje cae por debajo de 280 V. Dentro de 20 ns del inicio del pulso, el voltaje está por debajo de 280 V. Dentro de 26 ns, el voltaje está por debajo de 100 V. Usando los mismos componentes preferidos descritos con respecto de la forma de realización mostrada en la figura 9, el protector de ondas de choque con el arreglo en paralelo adicional de diodos de rápida recuperación en una configuración de polaridad opuesta exhibe una capacitancia de línea a tierra de alrededor de 25 pF, y una capacitancia de línea a línea de entre alrededor de 11 y alrededor de 13 pF. Los circuitos mostrados en las figuras 9, 10 y 11 son no balanceados y, por tanto, las capacitancias entre las líneas eléctricas 4, 6 y entre cualquiera de las líneas y tierra serán diferentes. Sin embargo, se idea una configuración balanceada para un protector de ondas de choque, teniendo sustancialmente la misma capacitancia relativamente baja entre las líneas eléctricas y entre cualquiera de las líneas y tierra. Esta configuración balanceada es mostrada en la figura 12. La capacitancia vista desde cualquiera de las líneas 4, 6 o tierra estará dentro de 5 pF entre sí. Las líneas de teléfono y RS-422 son llamadas líneas balanceadas debido a que la señal es colocada entre dos líneas, que están flotando respecto de tierra. La línea balanceada tiene la ventaja de aportar una mejorada inmunidad al ruido sobre las líneas no balanceadas que usan tierra como una referencia de señal y de esta manera son vulnerables a ruido y transientes. Configurando los diodos de rápida recuperación 52, 54, 60, 62 en un arreglo de puente, el módulo de protección contra ondas de choque es colocado en un estado balanceado para protección contra transientes tanto positivos como negativos. Mas aún, el semiconductor de avalancha solo necesita ser unidireccional. Los diodos de rápida recuperación son seleccionados para tener una baja capacitancia para reducir cargas en la línea y las características de activación de alta velocidad para una rápida respuesta a transientes. Además, como los transientes son habitualmente de modo común, es importante que el circuito opere en un modo balanceado; de otra manera, los transientes de modo común pueden ocasionar perturbaciones de modo diferencial que pueden dañar los receptores de línea. La forma de realización específica del protector de ondas de choque balanceado de la presente invención es ilustrada en el diagrama esquemático de la figura 12. El tubo disipador de gas 2 incluye un primer electrodo 2a conectado a una línea eléctrica 4, 6 y un segundo electrodo 2b conectado a la otra línea eléctrica 4, 6. El tubo de gas 2 es incluido como parte de los medios disipadores 16. El tercer electrodo 2c está conectado a tierra. Formando parte del circuito de sujeción 18, un primer par de diodos de rápida recuperación, baja capacitancia 52 y 54 está conectado cátodo con cátodo con sus respectivos ánodos conectados a las líneas eléctricas 4, 6. Un primer semiconductor de avalancha 56 está conectado en serie con otro diodo de rápida recuperación, baja capacitancia 58, cuyo cátodo está conectado a tierra, y cuyo ánodo está conectado al primer semiconductor de avalancha 56. El otro extremo del semiconductor de avalancha 56 está conectado a la unión de los diodos 52, 54. De manera alternativa, las posiciones del semiconductor de avalancha 56 y el diodo 58 pueden conmutarse (es decir, los cátodos interconectados de los diodos 52, 54 son acoplados al ánodo del diodo 58, cuyo cátodo está conectado a un extremo del semiconductor de avalancha 56, cuyo otro extremo está conectado a tierra) . Un arreglo similar de diodos y un dispositivo de avalancha es incluido como otra parte del circuito de sujeción 18. Un segundo par de diodos de rápida recuperación, baja capacitancia 60 y 62 está conectado ánodo con ánodo con sus respectivos cátodos conectados a las líneas eléctricas 4, 6. Un segundo semiconductor de avalancha 64 está conectado en serie con otro diodo de rápida recuperación, baja capacitancia 66, cuyo ánodo está conectado a tierra y cuyo cátodo está conectado al segundo semiconductor de avalancha 64. El otro extremo del semiconductor de avalancha 64 está conectado a la unión de los diodos 60, 62. De manera alternativa, las posiciones del semiconductor de avalancha 64 y el diodo 66 pueden conmutarse (es decir, los cátodos interconectados de los diodos 60, 62 son acoplados al ánodo del diodo 66, cuyo cátodo está conectado a un extremo del semiconductor de avalancha 64, cuyo otro extremo está conectado a tierra) . El protector de ondas de choque suprime energía en la línea eléctrica 4, 6 de la siguiente manera. Una onda de choque de energía ocurre en la línea eléctrica 4 o 6. Un transiente de voltaje positivo en la línea 4 activará los diodos 52 y 58 y será sujetado por el semiconductor de avalancha 56. Un transiente de voltaje positivo en la línea 6 activará los diodos 54 y 58 y también será sujetado por el semiconductor de avalancha 56. Un transiente de voltaje negativo en la línea 4 (es decir, la tierra será mas positiva que la línea 4) activará los diodos 60 y 66 y será sujetado por el semiconductor de avalancha 64. Los semiconductores de avalancha 56, 64 son seleccionados para reaccionar casi instantáneamente a un pulso transiente y para tener un voltaje de ruptura que sujetará el pulso transiente a un nivel de voltaje que es seguro para el equipo electrónico conectado a las líneas eléctricas 4, 6. El tubo de gas mas lento 2 entonces tendrá tiempo para reaccionar al pulso y descargar el transiente antes que los elementos del circuito de sujeción 18 o el equipo eléctrico 14 sean dañados . Con los mismos diodos de rápida recuperación y el semiconductor de avalancha usado en el circuito preferido de la figura 9, el circuito de la figura 12 tiene una capacitancia relativamente baja (y sustancialmente igual) de línea a tierra y línea a línea de entre alrededor de 18 y alrededor de 20 pF. La figura 17 ilustra una gráfica de voltaje de una línea eléctrica 4, 6 a tierra versus el tiempo después de que se introduce un pulso 10/700 a una línea eléctrica 4, 6 del circuito de la figura 12. Al disponerse el pulso en rampa hacia arriba, se incrementa el voltaje a través del tubo de gas. Como resultado, el tubo de gas comienza a cargarse. Cuando el voltaje a través del tubo de gas alcanza el voltaje de ruptura del semiconductor de avalancha mas el voltaje de activación de dos diodos (los diodos polarizados hacia adelante del arreglo en paralelo de diodos conectado en serie) , el semiconductor de avalancha sume corriente y sujeta el voltaje a través del tubo de gas en la suma del voltaje de ruptura del semiconductor de avalancha y el voltaje hacia adelante cae de los dos diodos antes mencionados . En la figura 17, el semiconductor de avalancha comienza a sumir corriente cuando el voltaje a través del tubo de gas alcanza 242 V. El nivel de 242 V es alcanzado 2.2 µs después de que se introduce el pulso 10/700 a la línea eléctrica. La figura 18 es una gráfica del voltaje de una línea eléctrica 4, 6 a tierra versus el tiempo después de que se introduce un pulso 5/50 a una línea eléctrica 4, 6 del circuito de la figura 12. El circuito opera de la misma manera que cuando se introduce el pulso 10/700. Sin embargo, el pulso mas rápido es mostrado ocasionar un pico de voltaje de 625 V antes de que se activen los diodos y el semiconductor de avalancha comience a sumir corriente. Una vez que el semiconductor de avalancha comienza a sumir corriente, el voltaje cae por debajo de 280 V. Dentro de 20 ns del inicio del pulso, el voltaje está por debajo de 280 V. Dentro de 26 ns del inicio del pulso, el voltaje está por debajo de 100 V. Haciendo referencia a la figura 19, se ilustra una señal de pérdida de retorno para frecuencias de señal que varían de 1 a 100 MHz. La pérdida de retorno es la cantidad de energía en dB que se refleja de la carga (es decir, el equipo electrónico 14 y el circuito de protección contra ondas de choque 12) cuando la carga está desequilibrada con una fuente de energía. La figura 19 ilustra pérdidas de retorno para un protector de ondas de choque de un solo tubo de gas y las formas de realización primera, segunda, tercera y cuarta de la presente invención. La señal de pérdida de retorno para el protector de ondas de choque ilustrado en la figura 1 es ilustrada en la figura 19 por la línea 70. La señal de pérdida de retorno para el protector de ondas de choque en la figura 2 es ilustrada por la línea 72. Las señales de pérdida de retorno para el protector de ondas de choque en las figuras 10, 11 y 12 son ilustradas por las líneas 74, 76 y 78, respectivamente. Una línea sólida 80 ilustra los límites EIA/TIA 586 categoría 5. EIA/TIA es un comité que fija normas para equipo electrónico. La figura 19 ilustra el desempeño de frecuencia para cada una de las formas de
• realización de los protectores de ondas de choque de la presente invención. Como puede verse de la figura 19, los circuitos de la presente invención previamente descritos satisfacen los requerimientos EIA/TIA para todas las frecuencias en las cuales la señal de pérdida de retorno está por debajo de la línea 80. Las frecuencias aproximadas a las cuales cada forma de realización
• satisface los requerimientos EIA/TIA son mostradas en la gráfica mas adelante:
15
20 El cuadro anterior no es una limitación de las formas de realización de la presente invención. Meramente ilustra el amplio rango de frecuencias a las cuales las formas de realización funcionan excepcionalmente bien. Las señales de pérdida de retorno de la figura 19 fueron obtenidas usando los mismos
25 componentes preferidos descritos con respecto de la forma de realización mostrada en la figura 9. Al cambiar los componentes, las frecuencias a las cuales se satisfacen los requerimientos EIA/TIA pueden cambiar. Aunque se han descrito en la presente formas de realización ilustrativas de la presente invención, con referencia a los dibujos acompañantes, se entenderá que la invención no está limitada a esas formas de realización precisas, y que pueden efectuarse en ellas diversos otros cambios y modificaciones, por parte de un técnico en la materia, sin apartarse de los alcances o el espíritu de la invención.