SE530248C2 - Aktivt åskskydd - Google Patents

Description

530 248 ledarna för likspänningsingàngen 201 och likspänningsutgàngen 202. Denna resistor bör ha ganska låg resistans, till exempel l Q.

Den tidigare kända skyddsanordningen innefattar vidare ett gasurladdningsrör (GDT) 203 med två elektroder anslutet mellan ledaren för likspänningsingàngen 201 och jord för primärt skydd mot spänningssprång. En GDT har en väldigt hög impedans vid användning under normala förhållanden, i storleksordningen av 1 TQ parallellt med 1 pF eller mindre. När spänningen stiger till ett förutbestämt värde, en aktiveringsspänning, sjunker impedansen tvärt och ström börjar flöda genom gasen i GDT:n. Ökande strömmar gör att gasen bildar en plasma, vilket får spänningen över GDT:n att sjunka ytterligare till runt 15 V. Plasman släcker ut sig själv när strömmen genom GDT:n minskar.

En transorbdiod 205 (diod för undertryckning av transienta spänningar), vilken utgör ett sekundärt skydd mot spänningsspràng, är ansluten mellan ledaren för likspänningsutgången 202 och jord. Transorbdioden 205 är icke- ledande (backförspänd) vid normala förhållanden och är ledande (förspänd i framriktningen) när en spänning på ledaren stiger över ett förbestämt värde. Transorbdioden 205 tar hand om transienta spänningstoppar som uppträder på ledaren. Det sekundära skyddet mot spänningsspràng kan även bestå av ett antal transorbdioder och resistorer, vilka ansluts i serie mellan likspänningsutgàngen 202 och jord.

Användningen av kombinationen av ett primärt och ett sekundärt skydd mot spänningssprång är vanlig i tidigare kända anordningar för överspänningsskydd. Anledningen till detta är att de olika kretsarna som används för primärt och sekundärt skydd mot spänningsspràng, GDT:n och transorbdioden, har olika 10 15 20 25 30 530 248 fördelar. GDT:n, vilken används som primärt skydd kan hantera mycket höga strömmar, men är inte så snabb. Transorbdioden, vilken används som sekundärt skydd, är väldigt snabb, men kan inte hantera väldigt höga strömmar. Genom att kombinera GDT:n, vilken klarar av höga strömmar och är relativt långsam, med transorbdioden, vilken är snabbare och klarar av lägre strömmar, kan fördelarna hos båda dessa kretsar kombineras till en god total skyddskarakteristik.

Tidigare kända skyddssystem förlitar sig på att GDT:n i det primära skyddet mot spänningsspráng tar hand om huvuddelen av strömmen genom att låta strömmen flyta genom gasen i GDT R när ett åsknedslag gör att spänningen över GDT:n stiger tillräckligt mycket för att GDT:n ska börja leda.

Det finns emellertid ett problem i tidigare kända skyddsanordningar mot åsknedslag, så som den visad i figur 2, rörande funktionen hos GDT:n. GDT:er tillverkas för att ha en specificerad aktiveringsspänning, vid vilken spänning GDT:n bör börja leda. Vid praktisk användning beror emellertid den aktiveringsspänningen som faktiskt behövs på formen på överspänningspulsen som uppträder på likspänningsingången hos anordningen. Det är inte alls säkert att GDT:n börjar leda när den borde. Det finns följaktligen en risk att GDT:n börjar leda väldigt sent, när spänningen har nått ett mycket högre värde än värdet för den specificerade aktiveringsspänningen.

Denna sena aktivering kan få effekten att en avsevärt större del av energin från àsknedslaget än transorbdioden har dimensionerats för när det sekundära skyddet mot spänningssprång. Det sekundära skyddet mot spänningssprång kan få problem att ta hand om detta och kretsarna, vilka är avsedda att skyddas, är därför i fara. 10 15 20 25 530 248 Det finns följaktligen ett behov av ett exakt och robust skydd mot åsknedslag och liknande.

Sammanfattning av uppfinningen Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en anordning och en metod för skydd av elektriska kretsar mot höga inspanningar, vilken löser det ovan angivna problemet.

Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en basstation innefattande sagda anordning.

Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett kommunikationssystem innefattande sagda basstation.

Den föreliggande uppfinningen har för avsikt att tillhandahålla ett mer noggrant och mer robust överspanningsskydd än överspanningskydden i tidigare känd teknik.

Detta syfte uppnås genom en anordning för överspänningsskydd enligt den kännetecknande delen av patentkrav l.

Detta syfte uppnås även genom en metod för överspanningsskydd enligt den kännetecknande delen av patentkrav 15.

Anordningen och metoden för överspänningsskydd enligt den föreliggande uppfinningen möjliggör styrning av överspänningsskyddet genom att triggning av en triggbar treelektrods-GDT till ett ledande tillstànd när hög spänning finns på ingången.

Detta gör överspanningsskyddet enligt den föreliggande uppfinningen mycket mer exakt än tidigare kända lösningar, 10 20 25 30 530 248 eftersom mycket bättre styrning av funktionen hos GDT:n åstadkoms.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning alstras triggningssignalen av en transformator, vilken har sin primära sida ansluten till ledaren hos anordningens ingång.

Transformatorn transformerar inspänningen till en högre spänning, vilken används för triggning av GDT:n.

Transformeringen av insignalen möjliggör triggning av GDT:n vid låga inspänningar.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning skapas triggningssignalen av ett pulsskapande kretssystem ansluten till den primära sidan av transformatorn. Skapande av en triggningspuls på detta sätt gör det möjligt att väldigt exakt styra GDT:n, eftersom den exakta spänningen, för vilken pulsen ska skapas, enkelt kan väljas genom konstruktionen av det pulsskapande kretssystemet. Pulsen skapas även oberoende av formen hos insignalen. All typ av överspänning på ingången (som till exempel växelström, likström eller transienter) kan följaktligen hanteras av denna utföringsform. Denna utföringsform minskar vidare kraven på transformatorn, eftersom transformatorn bara är ansluten till det pulsskapande kretssystemet och inte till anordningens ingång.

GDT:n kan därför, genom användande av den föreliggande uppfinningen, triggas till att börja leda vid mycket lägre inspänningar än de spänningar som i tidigare kända system tvingade GDT:erna att börja leda. Detta minskar risken för att de elektroniska kretsar som är anslutna till utgången på anordningen för överspänningsskydd utsätts för höga spänningar.

Triggning av GDT:n till ett ledande tillstånd enligt uppfinningen minskar även kraven på kretsarna i det sekundära 10 15 20 25 530 248 skyddet mot spänningssprång, vilket möjliggör användandet av billigare kretsar för detta.

Detaljerade exempelutföringsformer och fördelar med anordningen och metoden för överspänningsskydd enligt uppfinningen kommer härefter att beskrivas med hänvisning till de bifogade ritningarna, vilka illustrerar några föredragna utföringsformer.

Kort beskrivning av ritningarna Figur 1 visar en BTS/Node B.

Figur 2 visar en tidigare känd anordning för skydd mot höga spänningar.

Figur 3 visar en anordning för skydd mot höga spänningar enligt en utföringsform av uppfinningen.

Figur 4 visar en anordning för skydd mot höga spänningar enligt en annan utföringsform av uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Figur 3 visar en anordning för överspänningsskydd 300 enligt en första utföringsform av uppfinningen. Liksom i tidigare kända skyddssystem har systemet i figur 3 en likspänningsingàng 301, vilken tar emot matningsspänning för en elektronisk anordning inkopplad till likspänningsutgàngen 302 hos skyddsanordningen. En transorbdiod, vilken utgör ett sekundärt skydd, är ansluten mellan ledaren hos likspänningsutgången och jord.

Skyddsanordningen enligt uppfinningen innefattar även en treelektrods-GDT 303 och en transformator 304, vilka utgör ett primärt skydd mot spänningsspràng. Primärsidan hos transformatorn är ansluten till ledaren hos 10 15 20 25 53Ü 243 likspänningsingàngen 301. Sekundärsidan hos transformatorn är ansluten till mittelektroden hos treelektrods-GDT:n 303.

Transformatorn 304 transformerar således växelströmmäf ellef spänningstransienter som förekommer på ledaren och anbringar dem på mittelektroden på GDT:n 303.

Transformatorn 304 kan vara en l:N upptransformator, varvid N till exempel kan vara mellan 5 och lO. I figur 3 är sekundärsidan av transformatorn även ansluten ledaren hos likströmsingången 301. Enligt denna utföringsform leds likspänning från ledare genom denna anslutning till GDT:n 303.

Enligt en ytterligare utföringsform kan sekundärsidan hos transformatorn även vara ansluten till jord. Enligt denna utföringsform leds ingen likspänning från ledaren till GDT:n 303.

En fackman inser att transformatorn kan vara ansluten till ingångens ledare och till GDT:n på ett antal sätt.

Uppfinningen är inte begränsad till de ovan givna exemplen.

Uppfinnarna till föreliggande uppfinning har insett att en treelektrods-GDT är möjlig att trigga till ett ledande tillstànd genom att lägga en spänning på dess mittelektrod.

Uppfinnarna har vidare kommit till slutsatsen att en sådan triggning skulle kunna användas för att styra funktionen hos en GDT för att säkerställa ett bättre och mer tillförlitligt skydd mot spänningsspràng.

Enligt uppfinningen transformeras därför matningsspänningen på ingången av transformatorn 304 till en signal med högre spänning, vilken anbringas mittelektroden hos treelektrods- GDT:n 303. Den transformerade spänningssignalen används alltså för triggning av GDT:n till ett ledande tillstånd. lO 15 20 25 30 530 248 Genom triggning av GDT:n 303 till ett ledande tillstànd, enligt uppfinningen, löses problemen med sen aktivering av GDT:n i de tidigare kända lösningarna. Genom lösningen enligt uppfinningen kan GDT:n 303 triggas till ett ledande tillstånd vid en mycket lägre matningsspänning på likspänningsingången 301 än i de tidigare kända lösningarna. I de tidigare kända lösningarna behövds ofta inspänningar på runt 200 V för aïï aktivera GDT:n, medan däremot spänningar på runt 40 V fÖI föreliggande uppfinning är tillräckligt för triggning av GDTIH till ett ledande tillstånd.

Uppfinningen åstadkommer följaktligen en snabbare aktivering av GDT:n till ett ledande tillstånd än tidigare kända lösningar, vilket har fördelen att spänningarna hålls under en mer noggrann kontroll och inte stiger till mycket höga värden innan GDT:n börjar leda. Detta ger skyddsanordningen ett mer robust och säkrare skydd för de elektroniska kretsar som ansluts till likspänningsutgången 302 hos anordningen.

Genom triggning av GDT:n enligt uppfinningen är kraven på exakthet hos GDT:ns aktiveringsspänning mycket lägre än de Var i tidigare kända lösningar. Kraven på kretsar i det sekundära skyddet mot spänningssprång är även mycket lägre, eftersom det primära skyddet mot spänningssprång är mer robust än i tidigare kända lösningar. Billigare GDT-kretsar och transorbdioder kan således användas i en skyddsanordning enligt föreliggande uppfinning.

Figur 4 visar en anordning för överspänningsskydd 400 enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen. På samma sätt som i tidigare kända skyddssystem har anordningen i figur 4 en likspänningsingång 401, vilken tar emot matningsspänning för en elektronisk anordning ansluten till skyddsanordningens likspänningsutgäng 402. Skyddsanordningen har vidare en 10 15 20 25 30 539 248 resistor 404, ansluten mellan ledarna för likspänningsingången 401 och likspänningsutgången 402, och en transorbdiod 4ll, ansluten mellan ledaren för likspänningsutgàngen 402 och jord, vilken utgör ett sekundärt skydd mot spänningsspràng.

Resistorn 404 kan även, enligt en utföringsform, ersättas med en induktor.

Skyddsanordningen visad i figur 4 skiljer sig från anordningen i figur 3 beträffande kretssystemet för skapande av en triggningssignal för treelektrods~GDT:n 403.

Triggningssignalen skapas, enligt denna utföringsform, av ett pulsskapande kretssystem, bestående av kretsarna 405-410.

Skapandet av denna triggningssignal beskrivs härefter.

När spänningen på likspänningsingången 401 stiger laddas kondensator 409 upp av en ström, vilken flyter genom resistor 407. När spänningen på likspänningsingången 401 stiger över en Zener-spänning hos en Zener-diod 405, börjar Zener-dioden att låta ström flyta genom Zener-dioden och vidare genom resistor 406 till jord. Zener~spänningen kan, till exempel vara 45 V.

Strömmen som flyter genom resistorn 406 bygger upp en potentialspänning över resistorn 406. Denna potentialspänning läggs på ett styre på en tyristor 408. Tyristorn fungerar som en omkopplare och börjar leda när denna potentialspänning läggs på dess styre.

När tyristorn 408 börjar leda laddas laddningen som har byggts upp i kondensatorn 409 ur och kan flyta till jord. Detta skapar en puls i en krets bestående av tyristorn 408, kondensatorn 409 och en primärsida hos en transformator 4l0.

Denna puls transformeras av transformatorn 410 och läggs på treelektrods-GDT:ns 403 mittelektrod.

En fackman inser att det pulsskapande kretssystemet kan implementeras pà en mängd sätt och kan innefatta en mängd 10 15 20 25 530 248 10 olika kretsar. Uppfinningen är inte begränsad till det ovan givna exemplet.

Det pulsskapande kretssystemet i anordningen för överspänningsskydd enligt utföringsformen av uppfinningen visad i figur 4 skapar alltså en triggningspuls för triggning av GDT:n 403.

Eftersom denna utföringsform även triggar GDT:n till ett ledande tillstånd har denna utföringsform alla de fördelar givna ovan för utföringsformen visad i figur 3. Denna utforingsform har vidare en rad fördelar med avseende på skapandet av triggningspulsen.

Skyddsanordningen enligt utföringsformen visad i figur 4 fungerar väl för överspänningsskydd oavsett formen på spänningen på likspänningsingången 401. Ingångsspanningen kan ha vilken derivata som helst, den kan vara en likspänning eller en transient, det enda som har betydelse för det pulsskapande kretssystemet är spänningen över Zener-dioden 405. När denna spänning, oavsett formen på spänningen, Stigef över Zener-spänningen för Zener-dioden skapas pulsen Uppfinningen enligt denna utföringsform kan följaktligen skydda mot alla typer av överspänningar. Zener~spänningen hos Zener~dioden bestämmer således spänningen, för vilken pulsen ska skapas. Denna pulsskapande spänning kan enkelt ändras bara genom att byta Zener-dioden.

Denna lösning minskar även på kraven för resistorn 404 och transorbdioden 411, eftersom nästan all överspänning tas om hand av det pulsskapande kretssystemet och GDT:n. Mindre dyra resistorer och transorbdioder kan alltså användas i en skyddsanordning enligt den föreliggande uppfinningen. 10 l5 20 25 5310 248 ll Transformatorn 4l0 som används i utföringsformen visad i figur 4 kan vara en mycket enklare transformator än den som används i utföringsformen enligt figur 3. Transformatorn i utföringsformen i figur 4 är placerad i ett plusskapande kretssystem och är inte ansluten till ledaren för likspänningsingången. Detta har fördelen att transformatorn inte behöver kunna klara av höga strömmar, vilka kan förekomma på ledaren på grund av åsknedslag och liknande.

Karakteristika för transformatorn 304 i utföringsformen i figur 3 är viktiga för funktionen för denna utföringsform, transformatorn 304 måste ha en kärna med låg permeabilitet (u) och ett stort antal lindningsvarv. Det finns vidare en risk att järnkärnan i transformatorn 304 kan bli mättad.

Karakteristiska för transformators 410 enligt utföringsformen i figur 4 är inte lika avgörande. Enligt denna utföringsform kan det pulsskapande kretssystemet konstrueras genom att välja komponenter så att en puls med lämplig form skapas och matas till transformatorn för transformering. Därigenom kan en mindre dyr transformator användas.

En anordning och metod för skydd av elektriska kretsar mot höga inspänningar enligt uppfinningen kan modifieras av fackmän, i jämförelse med exempelutföringsformerna beskrivna OVân.

Så som är uppenbart för en fackman kan en rad andra implementeringar, modifieringar, variationer och/eller tillägg göras till de ovan beskrivna exempelutföringsformerna. Det ska förstås att uppfinningen innefattar alla sådana andra implementeringar, modifieringar, variationer och/eller tillägg vilka faller inom patentkravens omfång.

Claims (15)

10 15 20 25 30 530 248 Nya patentkrav

1. En anordning (400) för skydd av elektriska kretsar mot höga inspänningar, varvid nämnda anordning (400) innefattar ett gasurladdningsrör (GDT) (403) för urladdning av höga strömmar, varvid nämnda GDT (403) är ansluten mellan en ingång (401) för nämnda anordning (400) och jord och är försedd med en triggningselektrod ansluten till en sekundär sida av en transformator (410), varvid nämnda transformator (410) är anordnad att skapa en triggningssignal i beroende av en spänning på nämnda ingång (401), för att trigga nämnda GDT (403) till ett ledande tillstånd, känneteckat av ær - en primär sida av nämnda transformator (410) är ansluten till nämnda ingång (401) via en kondensator (409) och en resistor (407), varvid en ström flytande från nämnda ingång (401) genom nämnda resistor (407) laddar upp nämnda kondensator (409) när spänningen på nämnda ingång (401) stiger, och - en tyristor (408) är ansluten till jord från en punkt mellan nämnda resistor (407) och nämnda kondensator (409), varvid nämnda tyristor (408) är anordnad att börja leda när nämnda inspänning når ett förutbestämt värde, varigenom nämnda kondensator (409) laddas ur genom nämnda tyristor (408) till jord och en puls skapas på nämnda primära sida av nämnda transformator (410), varvid nämnda puls transformeras till nämnda triggningssignal av nämnda transformator (410).

2. Anordningen (400) enligt krav 1, där nämnda primära och sekundära sidor av nämnda transformator (410) har primära Och sekundära lindningar. 10 l5 20 25 30 530 248 IB

3. Anordningen (400) enligt något av kraven l-2, där nämnda triggningselektrod är en mittelektrod av tre elektroder hos nämnda GDT (403).

4. Anordningen (400) enligt något av kraven l-3, där nämnda anordning (400) innefattar en transorbdiod (411), ansluïen mellan en utgång (402) för nämnda anordning (400) OCh ÉOIÖI som ett sekundärt skydd mot höga inspänningar.

5. Anordningen (400) enligt något av kraven l-4, där nämnda förutbestämda värde styrs av en Zener-diod-koppling, med en Zener-diod (405) och en resistor (406) kopplade mellafi nämnda ingång (401) och jord, varvid den elektriska potentialen över nämnda resistor (406) är anordnad att styra nämnda tyristor (408) så att nämnda tyristor (408) borjar leda när inspänningen stiger över en Zener-spänning hos nämnda Zener- diod (405), varigenom nämnda kondensator (409) laddas ur OCh en puls skapas.

6. Anordningen (400) enligt krav 5, där nämnda Zener- spänning hos nämnda Zener-diod (405) bestämmer vid vilken inspänning pulsen ska skapas.

7. Anordningen (400) enligt något av kraven l-6, där nämnda anordning (400) innefattar en resistor (404) ansluten mellan ledarna för nämnda ingång (401) och nämnda utgång (402) för anordningen (400).

8. Anordningen (400) enligt något av kraven l-6, där nämnda anordning (400) innefattar en induktor ansluten mellan ledarna för nämnda ingång (401) och nämnda utgång (402) för anordningen (400).

9. Anordningen (400) enligt något av kraven l-8, där nämnda anordning (400) används for skydd av elektriska kretsar i en antennmasttopp. 10 15 20 25 30 530 248 IH

10. Basstation innefattande en anordning (400) definierad i något av kraven 1-9.

11. Kommunikationssystem innefattande basstationer innefattande en anordning (400) definierad i något av kraven 1-9.

12. Metod för skydd av elektriska kretsar mot höga inspänningar, varvid nämnda metod innefattar användning av ett gasurladdningsrör (GDT) (403) för urladdning av höga strömmar, varvid nämnda GDT (403) är ansluten mellan en ingång (401) Och jord och är försedd med en triggningselektrod ansluten till en sekundär sida av en transformator (410), varvid nämnda transformator (410) skapar en triggningssignal i beroende av en spänning på nämnda ingång (401), för att trigga nämnda GDT (403) till ett ledande tillstànd, känneteckat av mægan - uppladdning av en kondensator (409), vilken ansluter en primär sida av nämnda transformator (410) till nämnda ingång (401) via en resistor (407), när spänningen på nämnda ingång (401) stiger, genom en ström flytande från nämnda ingång (401) genom nämnda resistor (407), och - urladdning av nämnda kondensator (409) genom en tyristor (408) till jord, varvid nämnda tyristor (408) är ansluten till jord från en punkt mellan nämnda resistor (407) och nämnda kondensator (409), varvid nämnda tyristor (408) börjar leda när nämnda inspänning når ett förutbestämt värde, varvid urladdningen skapar en puls på nämnda primära sida av nämnda transformator (410), varvid nämnda puls transformeras till nämnda triggningssignal av nämnda transformator (410).

13. Metoden enligt krav 12, där nämnda förutbestämda värde styrs av en Zener~diod-koppling, med en Zener-diod (405) och 10 530* 243 V5 en resistor (406) kopplade mellan nämnda ingång (401) OCh jord, varvid den elektriska potentialen over nämnda resistor (406) styr nämnda tyristor (408) så att nämnda tyristor (408) börjar leda när inspänningen stiger över en Zener-spänning hos nämnda Zener-diod (405), varigenom nämnda kondensator (409) laddas ur och en puls skapas.

14. Metoden enligt krav 13, där nämnda Zener-spänning hos nämnda Zener-diod (405) bestämmer vid vilken inspänning pulsen ska skapas.

15. Metoden enligt krav 14, där nämnda triggningselektrod är en mittelektrod av tre elektroder hos nämnda GDT (403).