SE466178B - Oeverspaennings- och oeverstroemsskydd foer ett linjeoeverdrag - Google Patents

Description

10 466 178 2 anslutning av en matningsspänningskälla som via överdragets ingångsterminaler utmatar ström till den abonnentutrustning som sitter i linjens motsatta ände. Denna ström används vanligen för linjesignalering i samband med telefoni.

Det kända abonnentlinjeöverdraget är avsett för överföring av talsignaler inom frekvensområdet ca. 300 Hz - ca. 3,5 kHz samt för överföring av linjesignaleringssignaler, vilka som bekant är av likströmstyp. Problem uppstår emellertid när abonnentlinjen används för överföring av digitala signaler, vilka överförs med betydligt högre frekvens än talfrekvenserna. De digitala signalerna kommer att dämpas kraftigare, jämfört med talsignaler- na, vilket i sin tur innebär att de måste sändas med en högre effektnivà. Detta i sin tur innebär att kraven på god jordbalans blir än högre. Överspännings- och överströmsskyddet har till uppgift att skydda dyrbar utrustning, som är ansluten till linjeöverdragets utgångssida, mot överströmmar och överspänningar förorsakade av t-exn àskspänningazäpá;æhamnemtkinßennninterfemæflæuuhneünflwhnamaçß~; netiska fält; oavsiktligtinkoppïiñg av det?efektriskä“kraftnätets elektriska ström, t.ex. 220 V växelström, på linjen till följd av exempelvis brand, klåfingrighet eller till följd av olämplig förläggning av linjen i nära anslutning till en elkraftledning så att de två kommer i elektrisk kontakt med varandra genom inverkan av exempelvis storm, djur eller annorledes. Överström- och överspänningsskyddet får inte inverka på linje- överdragets ovan nämnda elektriska egenskaper.

Vid jordsättning eller kortslutning av linjen måste således strömmen begränsas för att inte ansluten utrustning skall skadas.

Digital stationsutrustning ansluten till linjen har normalt en arbetsspänning på SV och är dimensionerad för att klara maximalt ca. 7 volt utan att förtöras. En av åskan framkallad överspänning på linjen kan vara i storleksordningen 1500 volt.

IO 466 178 3 Såsom primärt skydd vid ingångssidan till en station används idag stora glimrör inkopplade mellan vardera tråden i abonnentlinjen och jord. Dessa glimrör är tröga och reagerar först efter ca. 1 ms. En åskpuls har normalt sin maximala spänning redan efter ca. us. Vidare utlöses glimröret i olika ögonblick, vilket innebär att det uppträder en transversell restspänning över linjens två trådar.

Brand får aldrig uppstå i ett överspännnings- och överströms- skydd. I ett känt överspännings- och översströmsskydd av den typ som visas i bifogade fig. 1 används två trådlindade motstånd för att begränsa överspänningen. Är överspänningen långvarig och hög kan dessa trådmotstånd börja glöda vilket innebär risk för brand.

Dessa trådlindade motstånd måste vara matchade eller parade till varandra för att överspänningsskyddet inte skall påverka linje- överdragets jordbalans. Motståndens s.k. elementspänning, dvs. spänningstålighet, måste vara hög för att höga överspänningar skall kunna motstås. Vidare måste motstånden vara fysiskt stora för att tåla höga effekter.

Vid=detikända"skyddetaförekcmmernäven'en~rinfetransfdrmatcrt^Blif*”" strömmen genom transformatorn hög kan folien på det kort som överströms- och överspänningsskyddet är monterat på börja brinna.

Användning av temperaturkänsliga motstånd, s.k. PTC-motstånd som -strömbegränsningsskydd är känt. Nackdelen med dessa är emellertid att de har begränsad elementspänning, vilket kan innebära att om komponenten utsättes för en hög spänning sker elektriskt överslag i komponenten. Dessa PTC-motstånds monteringsposition är även kritisk. Är strömmen genom ett PTC-motstånd hög börjar motståndet smälta och det smälta materialet kan tända eld på underliggande foliekort. PTC-motstånd för höga spänningar tenderar även att spricka på grund av temperaturgradi- enter i motståndsmassan, varvid skyddsfunktionen upphör. som utsätts strömmar och Användning av zener-dioder som överspänningsskydd är känt. Sådana zener-dioder skall ha en så brant karakteristisk kurva som 466 178 4 möjligt. Detta skapar emellertid dynamikproblem eftersom många övertoner, klirr och intermodulationsprodukter uppstår, vilka negativt inverkar på kvaliteten av signaltransmissionen.

Kravet på balans mot jord innebär bl.a. att spänningsobalansen i skyddet får uppgå till högst 60 decibel. Räknat mot en linje- impedans på ca. 600 ohm innebär detta att resistansen i över- spänningsskyddets mot jord symmetriska kretsar får skilja sig inbördes med högst ca. 0,1 ohm. Detta innbär att ledningsdragnin- gen blir kritisk. ߧQQ§QRELfiE FQR QQPFINNINGEN Föreliggande uppfinning syftar till att åstadkomma ett över- spännings- och överströmsskydd med hög jordbalans vilket skall vara uppbyggt av små och billiga komponenter och vilket skall kunna användas i ett linjeöverdrag.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett skydd av.. det-- ' *inledningsvis.f: beskrivna-f -slagæt-.f-ï. tillsats en. transformatur~ vars flprimärïindningf är *dïrekü”'anslutent tili abonnentlinjens ingångsterminaler utan mellanliggande seriein- koppling av trådlindade strömbegränsande motstånd.

Närmare bestämt skall denna transformator utgöra en del av linje- överdraget, nämligen linjeöverdragets linjetransformator.

Skyddet skall aktivtzanvända linjeöverdragets linjetransformator. till att reducera den tid under vilken en på linjen uppträdande överspänning av pulstyp överförs, genom transformatorverkan, från linjen till den skyddade utrustningen. Därigenom skall den genom transformatorverkan till sekundärsidan av transformatorn överförda pulsenergin reduceras, vilket i sin tur innebär, att komponenterna på sekundärsidan av överström- och överspännings- skyddet kan vara små.

Ekodämpning, driftsdämpningsdistorsion, bottendämpning och 466 178 rundgångsdämpning skall i hög grad reduceras inom såväl tal- frekvensintervallet som de frekvensintervall vilka används för databitöverföringen. Komponenternas montering skall inte vara kritisk. De i skyddet ingående zenerdioderna skall ej behöva uppvisa branta karakteristikor. Överspänningar och överströmmar skall stegvis reduceras i olika komponenter i skyddet, vilket reducerar elementspänningarna och medger användning av billiga standardkomponenter.

Det karaktäristiska för uppfinningen är en varistor och två PTC- motstånd, vilka tillsammans med linjetransformatorns primär- lindning ingår i en mot jord balanserad koppling.

FIQQRBESEQLZEINQ Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka isn» figm 1 lvisar«ett~överspännings~foch-överstrümsskydä“av“Rfint”” slag, fig. 2 visar ett kopplingsschema för ett överspännings- och överströmsskydd enligt uppfinningen och fig. 3 är ett diagram som visar spänningen över utgången på det i fig. 2 visade överspännings- och överströmsskyddet för en áskpuls.

F DRA EN RIN F RH Fig. 1 visar ett överspännings- och överströmsskydd av känd typ.

Skyddet sitter i ett linjeöverdrag av känd typ som är anslutet 2 till en abonnentlinjes två trådar vid linjeöverdragets ingångs- terminaler a, b. Linjeöverdraget har i detta fall fyra utgångs- terminaler T1, T2, T3 och T4. En ej visad sändarutrustning är ZQN 466 178 6 inkopplad mellan T1 och T2 och en ej visad mottagarutrustning är inkopplad mellan terminalerna T3 och T4. Endast de komponenter av linjeöverdraget vilka är av betydelse för uppfinningen visas i fig.2. Övriga komponenter av betydelse för linjeöverdragets funktion som linjeöverdrag visas ej.

En linjetransformator LT1 har en primärlindning bestående av två lindningshalvor L1, L2 mellan vilka en mittpunktskondensator C är kopplad i serie för bildande av en seriekombination vars ena ände via ett seriekopplat strömbegränsningsmotstànd Ra är anslutet till ingángsterminalen a och vars andra ände via ett andra strömbegränsande motstånd Rb är kopplat till ingángster- minalen b. En spänningskälla E är inkopplad över mittpunktskon- densatorn C via motstånd R1 och R2. Spänningskällans negativa pol är jordad. Zenerdioder Zl, Z2, Z3 och Z4 är kopplade på det visade sättet mellan en referensspänning, betecknad -48 V, och jord samt seriekombinationens L1-C-L2 två nämnda ändar på det visade sättet. Spänningskällan E används för likströmsmatning av abonnentutrustning. Kretsen. pà. primärsidan. är symmetrisk med avseende pà.jardpunkten.mSænëmhegränsninqsmotstàndemmRam»Emiärf> stora tæádlindade~motstànd; Zenerdioderna"ZI*Zfi”tjänstgör som överspänningsskydd vilka kortsluter överspänningar mot jord.

Transformatorn LT1 har en sekundärlindning L3 över vilken en kondensator C1 är parallellkopplad. Zenerdioder Z5-Z8 tjänar som tillkommande överspänningsskydd för sändar- och mottagarutrust- ningarna.

Kretsen i fig. 1 uppvisar de nackdelar som beskrivits inled- ningsvis, vilka till stor del beror på förekomsten av motstånden Ra och Rb.

Fig. 2 visar överspännings- och överströmsskyddet enligt föreliggande uppfinning. Element i kretsen i fig. 2 som motsvarar element i kretsen i fig. 1 betecknas med samma hänvisningsbe- teckningar. Kretsen innefattar en linjetransformator LT2 med en primärlindning som består av två lindningshalvor L1 och L2 och en sekundärlindning som består av två lindningshalvor L3 och L4.

N» 466 178 7 Kretsen pá primärsidan innefattar den nämnda seriekombinationen L1-C-L2 som är likartad den enligt fig. 1. Den stora skillnaden ligger emellertid i att ändpunkterna av denna seriekombination är ansluten direkt till ingàngsterminalerna a, b utan mellanlig- gande seriekopplade strömbegränsande motstånd Ra, Rb. För strömbegränsning används istället en varistor V1 som via PTC- motstànd PTC1, PTC2, är kopplad parallellt med mittpunktskon- densatorn C. Det ena PTC-motståndet är kopplat i serie mellan varistorns ena ände och mittpunktskondensatorns ena belägg och det andra är kopplat i serie med varistorns V1 andra ände och kondensatorns andra belägg. Motstånd Ral och Ra2 tjänar som strömbegränsningsmotständ, vilka emellertid av skäl som kommer att beskrivas närmare nedan kan göras betydligt mindre, dels vad gäller volym och dels vad gäller resistansvärde, än strömbe- gränsningsmotstànden Ra och Rb i fig. 1. Motståndet Rai är kopplat i serie mellan varistorns ena ände och ena polen av spänningskällan E och motståndet Ra2 är kopplat i serie mellan varistorns andra ände och spänningskällans E andra pol, i detta fall minuspolen. Denna minuspol är jordad.

Varistorxr VI är* av metalloxidtyp *oclr kan beskrivas* som ett' spänningsberoende motstånd med spännings/ström- egenskaper. Resistansvärdet minskar spràngartat när spänningen överskrider en märkspänning. Gensvarstiden för en varistor av detta slag är mindre än ca. 25 ns (nanosekunder). symmetriska Ett PTC-motstånd, även kallat kalledare, är ett temperatur- beroende halvledarmotstánd vars motstándsvärde ökar för ökande temperatur. Vid en viss bestämd temperatur, benämnd referenstem- peraturen, stiger motstándsvärdet sprángartat. Pá grund av den mycket höga positiva temperaturkoefficienten kallas motståndet för PTC-motstånd (positive temperature coefficient).

Kretsen pá primärsidan har följande funktion: Inkommer en áskpuls på abonnentlinjen kommer kondensatorn C att börja laddas varvid spänningen över kondensatorn stiger. När kondensatorspänningen överstiger varistorns märkspänning börjar 50 466 178 8 varistorn V1 att leda, varvid strömmen genom varistorn ökar radikalt vilket medför en accelererad strömökning genom primär- lindningen ända tills transformatorkärnan mättas. Från och med detta tidsögonblick överförs praktiskt taget ingen ytterligare energi till transformatorns sekundärsida. Eftersom strömmen genom varistorn ökar innebär detta att den ström som motstànden Ral och Ra2 behöver uppta är påtagligt reducerad relativt den ström motstànden Ra och Rb i kopplingen enligt fig. 1 måste uppta.

Därför kan motstànden Rai och Ra2 göras betydligt mindre, dels volymsmässigt, dels vad gäller resistansvärdet.

När varistorn V1 börjar leda ökar även strömmen genom de temperaturkänsliga motstànden PTC1 och PTC2 vilkas temperaturer börja öka tills referenstemperaturen uppnås, varvid motståndens resistansvärden stiger språngartat. På detta sätt reduceras switchtiden för dessa resistanser PTC1, PTC2.

Såsom omnämnts ovan inträffar en accelererad strömökning genom primärlindningen när varistorn öppnar. Denna strömökning pågår tills transfiomaftcrnsëiwz; ekärnaff1màttaas.nf11ë*ràm§trdsögqnhlfiiscldæmäm-ufl i transformatorkärnan smättats ytterligare överförs praktiskti taget till transformatorns sekundärsida. Den spänning som överförts till sekundärsidan fram till mättnings- ögonblicket reduceras i två steg, dels av varistorn V2 som är kopplad.parallellt över transformatorns sekundärlindning och dels av zenerdioderna Z5, Z6, vilka skyddar sändarutrustningen som är inkopplad över terminalerna T1, T2, dels zenerdioderna Z7, Z8, vilka skyddar mottagarutrustningen som är ansluten över termina- lerna T3, T4. V2:s märkspänning är t.ex. 60V innebärande att alla spänningar över 60V upptas av varistorn V2. Zenerdioderna Z5-Z8 behöver därför nu endast uppta de spänningar som är mindre än 60V. I utförandet enligt fig.1 måste zenerdioderna Z5-Z8 även uppta alla spänningar över 60V, vilket ställer höga krav på zenerddiodernas karaktäristik, i synnerhet i området för låga strömmar, i övergångsområdet från icke-ledande till ledande tillstånd för zenerdioden. ingen energi d.v.s.

Med överspänningsskyddet enligt uppfinningen blir kravet pá hög dynamisk lutningsresistans för zenerdioden mindre.

Fig. 3 visar spänningen över zenerdioderna Z5, Z6 för en på primärsidan över terminalerna a, b anlagd åskpuls på 1500 volt med varaktigheten 800 ps. Åskpulsens spänning stiger från 0 volt till 1500 volt på 10 ps. I fig. 3 betecknar Y-axeln spänningen i volt och X-axeln tiden i mikrosekunder. Åskpulsen startar vid tidpunkten t=0. Varistorn Vl öppnar och blir fullt ledande när spänningen över dess ändar uppgår till 90 volt och varistorn V2 öppnar på motsvarande sätt när spänningen över dess ändar är 17 volt. Kondensatorn Cl är på 3,9 nf och kondensatorn C2 på 6,8 nf.

Ur diagrammet framgår att redan efter 50 ps har transformatorkär- nan mättats och spänningen på sekundärsidan börjar sjunka från ca. 6,2 volt ner till ca. 1,8 volt balanserat vilket uppnås efter 150 ps. Balansen mot jord är oklanderlig.

Eftersom den tid under vilken överspänningen, genom transfor- matorverkan, övertransformeras till sekundärsidan pá.linjetrans- formatorn är reducerad till ca. 50 mikrosekunder blir pulsenergin J .wAfl- m. v xflc* J=-i~energin^uttryckt" spänningen på sekundärsidan och t = tiden) liten och komponenter- na i kretsen kan ha ringa storlek.

För kortvariga transversella pulser på linjen hinner PTC- motstånden PTC1, PTC2 inte slå om till hög resistans och den dominerande delen av pulsenergin leds via Ll-PTC1-V1-PTC2-L2 ut på linjen igen där den absorberas.

Under den första fasen av en áskpuls, närmare bestämt under de ca. 50 första mikrosekunderna fram till dess transformatorkärnan är mättad, kommer energi att lagras i transformatorkärnan och i kondensatorn. När sedan varistorn V1 öppnar, d.v.s. kortsluts, kommer all energi att slussas förbi L1, L2 ut till linjen igen.

När PTC1 och PTC2 slår om och blir högohmiga kommer de att upptaga överspänningen. Den energi P de då skall taga upp är mycket ringa eftersom P = U2 x R där R betecknar PTC:motstån- 466 178 10 dens nu mycket höga resistans.

För långvarig överspänning, t.ex. 220 V växelspänning, på linjen blir mittpunktskondensatorns C impedans 1/wC mycket hög och all ström kommer att gå genom L1-C-L2. Där w = 2 1: n x f och f betecknar växelspänningens frekvens. Typiskt är den totala strömmen i detta fall ca. 70 mA. Grenen Ral, V1, Ra2 är kort- sluten och primärlindningens kopparresistans upptar all värmeeffekt, vilken typiskt är i storleksordningen av ca. 0,5 watt.

Varistorn Vl får inte ha så låg märkspänning, att den börjar leda för matningsspänningen E. Med andra ord skall märkspänningen anpassas till matningsspänningen E.

Att överström- och överspänningsskyddet enligt uppfinningen förbättrar jordbalansen inses ur det faktum att de strömbegrän- sande motstånden Ra och Rb i fig.1 inte längre ingår i skydds- kretsen. För signaler med låga frekvenser bestämmer Ral och Ra2, samt~ixviss»mån:även®P¶CIfiochfiP¶G2f1adnahansemumRönfinàgqgflumgmær_ signalfrekvenser, när mittpunktsköndensatorn C Börjar kortsluta PTCl och PTCZ, bestämmer kopparresistansen i linjetransformatorns primärlindning jordbalansen. V1, Ral och Ra2 påverkar nu ej balansen. För höga signalfrekvenser kommer kopplingsfaktorn mellan Ll och L3 och kopplingsfaktorn mellan L2 och L3 plus kopparresistansen i primärlindningen Ll,L2 att bestämma balansen mot jord. Ovanstående skall jämföras med den kända kretsen i fig.1 där motsånden Ra och Rb påverkar jordbalansen för alla frekvenser. Överström- och överspänningsskyddet enligt uppfinningen förbätt- rar ekodämpningen eftersom Ra och Rb i fig.1 ej ingår i skyddet.

Linjekretsens impedansanpassning blir bättre eftersom ingen effekt förbrukas i Ra och Rb. Bruset minskar och klirrfaktorn minskar. Den effekt med vilken signalerna sänds ut på linjen kan sänkas på sändningssidan. 466 178 11 Att driftsdämpningsdistorsionen och bottendämpningen också reduceras med överströms- och överspänningsskyddet enligt uppfinningen beror på att effektförlusterna i LC-kretsen på linjetransformatorns LT2 primärsida minskar när Ra och Rb i skyddet enligt fig.1 inte längre ingår i skyddet enligt uppfin- ningen.

Att rundgångsdämpningen minskar i skyddet enligt uppfinningen, jämfört med det kända skyddet enligt fig.1, beror på att balansnätet på linjetransformatorns LT2 sekundärsida inte behöver innehålla någon motsvarighet till Ra och Rb. Detta medför att den s.k. gaffeldämpningen ökar mellan sändare och mottagare.

Det bör observeras att potentialen av det kort på vilken kretsen enligt uppfinningen är monterad inte ändrar sig när en överspänn- ingspuls inträffar. enligt fig. 1 leds överspänningen ner mot kortet via zenerdioderna Z2 och Z4 varvid kortpotentialen ökar med risk för spänningsöverslag i komponen- terna.

I konstruktionen I det'faII överströms> och överspänningsskyddet enligt uppfinnin- gen används i ett linjeöverdrag i ett R-, S- eller T-gränssnitt i ett ISDN-nät, eller på abonnentsidan i ett vanligt telefonnät, och således ingen matningsspänningskälla E erfordras, utelämnas E i kopplingen i figur 2.

Den ovan beskrivna utföringsformen av uppfinningen kan på många sätt varieras inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (4)

10 15 20 25 30 466 178 12 P A T E N T K R A V

1. Överspännings- och överströmsskydd för ett linjeöverdrag som har tvá ingàngsterminaler (a, b) och ett antal utgångsterminaler (Tl-T4), varvid ingångsterminalerna är avsedda för anslutning till en tvàtrádig linje och utgàngsterminalerna är avsedda att anslutas till utrustning som skall skyddas med överspännings- och överströmskyddet, vilket linjeöverdrag är avsett för dubbelriktad överföring av digitala och analoga signaler över linjen, innefattande en linjetransformator (LT2) med en primärlindning (Ll, L2), en sekundärlindning (L3, L4) och en kärna, varvid primärlindningen uppvisar två lindningshalvor (Ll, L2), en första mot jord symmetrisk skyddskrets anordnad vid transformatorns primärsida och innefattande en kondensator (C) och tvà strömbegr- änsande motstånd (Ral, Ra2), varvid kondensatorn är avsedd att kopplas i serie mellan de två lindningshalvorna till bildande av en seriekombination som är ansluten över ingångsterminalerna (a, b) samt en andra mot jord symmetrisk skyddskrets anordnad vid transformatorns sekundärlindning och innefattande zenerdioder (ZS, Z8J*för”begnänsningiam.spänningengönerauægànsmerminalernak k ä n n~e t e~c kin a*t^ av" att“'denfl förstä=iskyddškretsen" innefattar en varistor (V1) och tvà temperaturberoende halv-le- darmotstánd (PTCl, PTC2) av vilka det ena är kopplat i serie mellan varistorns ena ände och kondensatorns ena belägg och det andra är kopplat i serie mellan varistorns andra ände och kondensatorns andra belägg, och att seriekombinationen är kopplad direkt över ingångsterminalerna (a, b) utan mellanliggande seriemotstànd.

2. Överspännings- och, överströmsskydd enligt krav l, k ä n- n e t e c k n a t av att den andra skyddskretsen innefattar en tillkommande varistor (V2) kopplad parallellt över sekundär- lindningens (L3, L4) änduttag.

3. Överspännings- och. överströmsskydd enligt krav 2, k ä n- n e t e c k n a t av att det ena strömbegränsande motståndet har en första ände kopplad (Ral) till jordpunkten och en andra 466 178 13 ände kopplad till den första varistorns (V1) nämnda ena ände, och att det andra strömbegränsande motståndet (Ra2) har en första ände kopplad till jordpunkten och en andra ände kopplad till varistorns (V1) nämnda andra ände.

4. Överspännings- och överströmsskydd enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att en spänningskälla (E) för strömmatning av linjen pá i och för sig känt sätt är inkopplad i serie mellan de första ändarna av de strömbegränsande motstánden (Rai, Ra2) samt att spänningskällans ena pol är jordad.