CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE DRAINAGE OF OVERVOLTAGES

Abstract: 1. Circuit arrangement for the drainage of over-voltages in switching systems comprising a main distributor (HV) and a subscriber module (TB) with electronic SLIC, in which a two-pole electronic current limiter (S1, S2) is in each case arranged in the series arms of the a/b wires in front of the electronic SLIC, characterized in that two in series and oppositely connected power MOSFETs (T1, T1') each are arranged as current limiters and that optoelectronic couplers (01, 01') are used for generating a positive bias voltage at the gate of the power MOSFETs (T1, T1').

Description: Schaltungsanordnung zur Ableitung von Überspannunqen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ableitung von Überspannunqen, insbesondere in Vermittlungsanlagen mit einem Hauptverteiler und einer Teilnehmer bauaruppe mit elektronischem SLIC. Mit dem Übergang vom konventionellen zum elektronischen SLIC (Subscriber Line Interface Circuit) in integrierter Bauweise ist ein neuer, von der IS-Technologie geforderter Schutz notwendig. Bisheriae Vorschläge hatten im wesentlichen alleine die Ableitung der durch Überspannung entstehenden Ströme vorgesehen. Dadurch sind noch relativ hohe Ströme auch auf der Teilnehmerbaugruppe abzuleiten, was zu aufwendigen Konstruktionen führt und dem Aufbau moderner elektronischer Schaltungen widerspricht. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung zur Beseitigung von Überspannungen anzugeben, die zwischen Hauptverteiler und Teilnehmerbaugruppe angeordnet ist und bei Überspannung am Eingang nur einen Grenzstrom zulässt, der vom elektronischen SLIC noch toleriert werden kann. Diese Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindunasgemäss dadurch gelöst, dass in den Längszweigen der a/b-Adern vor dem elektronischen SLIC je zwei in Reihe und gegeneinander geschaltete als Strombegrenzer wirkende Leistungs-OS-FET angeordnet sind. Zweckmässige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt. Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der dazuaehörenden Zeichnung zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild, Fig. 2 einen monolithisch aufgebauten Strombegrenzer, Fig. 3 die Kennlinie des Strombearenzers nach Fig. 2 und Fis. 4 einen Mehrfachkoppelpunkt mit Stützfunktion. In der Fig. 1 ist das PrinziDschaltbild einer Gesamtschutzschaltung einer Vermittlungsanlage dargestellt, die aus dem Hauptverteiler HV und der Teilnehmerbaugruppe TB besteht. Im Hauptverteiler HV ist für nicht stark gefährdete Bauteile ein Thyristordiodenschutz mit den beiden Thyristoren Th1 und Th2 vorgesehen. Dadurch werden die Restspannunasspitzen auf einen bestimmten Wert (z.B. 250 'J) begrenzt. Richtwerte für die Thyristordioden Thl bzw. Th2 sind z.B. 100 A (10/100 s) bzw. 500 A (8/20 ps). In stark gefährdeten Bereichen ist ein zusätzlicher Gasableiterschutz Gl bzw. G2 erforderlich, wobei zwischen Gasableiter Gl, C2 und Thyristordiode Th1, Th2 je ein Entkopplungswiderstand Rl bzw. R2 eingefüqt ist. Damit sind alle hohen Ableitströme auf den Hauptverteiler HV beschränkt und auf der Teilnehmerbaugrupoe TB können nur noch transiente Spannungsspitzen bis 250 V auftreten. Da der elektronische SLIC auf der Teilnehmerbaugruppe TB jedoch nur eine niedrige Sperrspannuna aufweist, ist die Restspitzenspannung von 250 V zu gross. Deshalb wird in die beiden Langszweige a, a' bzw. b, b' erfindunasgemäss je ein Strombegrenzer S1 bzw. S2 eingefügt, der aus je zwei in Reihe und gegeneinander geschalteten Leistungs-MOS-FET besteht. Dadurch wird gewährleistet, dass bei Überspannung am Eingang nur ein Grenzstrom zugelassen wird, der vom elektronischen SLIC noch toleriert wird. Die Strombegrenzer S1 bzw. S2 nehmen also bei Überspannung die Spannungsspitzen als Länasspannung auf. Es versteht sich, dass die Spannunasfestigkeit dieser Begrenzer 51 bzw. S2 über der maximal auftretenden Spitzenspannung liegen muss (z.B. 300 V). Die an ein Längsglied zu stellenden übertragunqstechnischen Anforderungen wie Niederohmigkeit und Linearität im Betriebsbereich werden von den erfindungsgemässen Leistungs MOS-FET erfüllt. Dabei'sind zwei in Reihe und geaeneinander geschaltete Leistunas-MOS-FET erforderlich, damit auch bei Stromrichtungsumkehr Ubertragungs- und Begren- zungsfunktionen erfüllbar sind. Es ist vorteilhaft, die beiden Drains schaltungstechnisch zusammenzufassen, was eine monolithische Integration der Strombegrenzer S1, S2 ermöglicht. Die Anforderungen an die Relativtoleranz der als Längswiderstände Ra, Rb in den beiden Adern a, b, a, b' wirkenden Strombegrenzer Sa bzw. 5b werden durch folaende Verknüpfungen festgelegt: Rat Rb ( 522 für Ins 1 100 mA und AR = 1Ra - Rb Wird der maximale Strom z.B. bei 300 V mit 150 mA begrenzt, so kann be den maximal auftretenden Transientenstörungen mit 1 ms Dauer keine Überlastung erfolgen. Die vo Strombegrenzer noch durchgelassenen Spitzenströme können zwar am SLIC-Eingana a', b' noch Spannungen oberhalb der Betriebsspannungen erzeugen, die aber durch die in jedem SLIC ohnedies mitintegrierten Clamping-Dioden D1 bis D4 abgeleitet werden. Diese Clamping-Dioden D1 bis D4 werden zum Relativschutz des elektronischen SLIC benötigt und erzeugen deshalb keine zusätzlichen Kosten. Weaen der Begrenzung der Transientenspitzenströme auf 150 mA können diese Dioden D1 bis D4 kleinflächig dimensioniert bleiben. Durch die Verteiluna der Schutzmassnahmen auf die einzelnen Schutzorte erzielt man die folgenden Vorteile. An den Ausgangsklemmen a, b des Hauptverteilers HV treten nur noch niedere Spannungen auf, die nachfolgend keine besonderen Isolationsabstände erfordern. Die Absorption bzw. Reflexion der mit der tiberspannuna verbundenen Störenergie erfolgt zum grössten Teil im Hauptverteiler HV, der von seiner mechanischen Konstruktion hierfür auch am besten geeignet ist. Die Kombination unterschiedlicher Schutzprinzipien - Ableitung im Hauptverteiler HV und Strombegrenzung auf der Teilnehmerbaugruppe TB - macht den Schutz für Geräte, Anlagen und Personen wirksam und kostengünstig. Auf der TeilnehmerbaugrupDe TB sind weder hohe Spannunqen noch hohe Ströme abzuführen. Der Diodenschutz im elektronischen SLIC sorqt für den notwendigen elativschutz, d.h. er wird wirksam, wenn die Uberspannung die augenblicklich anliegende Batteriespannung übersteigt. Mit der Aufteilung der Schutzorte ist auch eine eindeutig klare Abgrenzung der Schutzeigenschaften und Schutzpegel möglich. Diese Methode kann auch für die Normierung der Schutzwerte herangezogen werden, was vorteilhaft ist, weil die Schutz aufaaben in verschiedenen Zuständigkeitsbereiche, wie z.B, Betriebsgesellschaften oder Systemhersteller, fallen. In der Fig. 2 ist das Prinzipschaltbild eines monolitisch aufgebauten Strombegrenzers S1 (S2) angeführt, der in den Länssadern a/a' bzw. b/b' zwischen Hauotverteiler und Teilnehmerbaugruppe angeordnet wird. Der Strombegrenzer S1 (S2) besteht aus zwei Leistungs-MOS-FET T1 und T1', deren Drains schaltungstechnisch zusammengefasst sind, die also in Reihe und geaeneinander geschaltet angeordnet sind und damit ein gemeinsames Substrat (Drain) besitzen. Zur Einstelluna der Vorspannung für die Strombegrenzung bei Transistsoren vom Enhancement-Typ dienen Vorwiderstände R, R' bzw. Mehrfachdioden M bzw. M'. Anstelle der in der Fig. dargestellten Mehrfachdioden M, M' kann die Spannungsbearenzung auch mit Hilfe von Zenerdioden erfolgen. Vorteilhafter sind Transistoren vom Depletion Typ, die ohne Vorsprung (Gate- und Source verbunden) bereits leitfähig sind. Der Strombegrenzungswert muss dann allerdinGs durch die Transistorparameter festgelegt werden. In der Fig. 3 ist die Kennlinie des Strombegrenzerelements gemäss Fig. 2 dargestellt. Wie der Fig. zu entnehmen ist, weist die Kennlinie einen exakten Nulldurchganq auf, was für die gewünschte Strombegrenzerfunktion wesentlich ist. In der Fig. 4 ist ein Mehrfachkoppelpunkt mit Schutzfunktion dargestellt, mit dessen Hilfe nicht nur eine Strombegrenzerfunktion im Zweig a/a' erfolgt, sondern der auch weitere Funktionen im BORSCHT-Konzept übernehmen kann. BORSCHT bedeutet Battery Feeding, Over Voltage Protection, Ringing, Signalling, Coding, Hybride (4 Draht-2 Draht-Umsetzung), Testinq. Dieser Mehrfachkoppelpunkt weist vier Transistoren T1, T1', T111, T1 " ' auf, deren Drains schaltungstechnisch zusammengefasst sind. An den Koppelpunkten a" bzw. a"'kann z.B. die Rufspannung (R) einge koppelt oder die Anschaltung von Testeinrichtungen (T) übernommen werden. Zur Erzeugung der erforderlichen positiven Vorspannung, die geeignet ist, einen Stromgrenzwert einzustellen, dienen beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 optoelektronische KoPpler 01, 01', oel'', 01'''. Auch der in Fig. 4 dargestellte Baustein kann in monolithisch integrierter Technik ausgeführt werden, wobei ggf. zur Einkopplung weiterer der oben angeführten Funktionen weitere Leistunqs-MOS-FET (T1""...) mit integriert werden können. Neben der vorstehend beschriebenen Anwendung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung in Vermittlungsanlagen kann der Gegenstand der Erfindung auch als automatische Längssicherung in der allgemeinen Gerätetechnik eingesetzt werden. In diesem Falle ist bei Langzeitbelastung ein Wärmesensor einzufügen, der eine Stromkreistrennuna bewirkt. 8 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Ableitung von Uberspannungen, insbesondere in Vermittlunasanlaaen mit einem Hauptverteiler und einer Teilnehmerbauaruppe mit elektronischem SLIC, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in den Längszweigen der a/b-Adern vor dem elektronischen SLIC je zwei in Reihe und gegeneinander geschalte- te, als Strombegrenzer wirkende, Leistungs-MOS-FET angeordnet sind. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Drains der Leistungs-MOS-FET zusammengeschaltet sind. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Erzeugung einer positiven Vorspannung am Gate der Leistungs-MOS-FET's ein optoelektronischer Koppler angeordnet ist. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e ic h n e t, dass zur Erzeugung einer positiven VorsDannunq am Gate der Leistungs-MOS-FET's ein Vorwiderstand in Reihe mit einer Zehnerdiode oder Mehrfachdiode angeordnet ist. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Einkopplung weiterer Funktionen zusätzliche Leistungs MOS-FET's in den Längszweigen der a/b-Adern angeordnet sind. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Transistoren vom Depletion-Typ verwendet werden, die ohne Vorspannung bereits leitfähiq sind. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t, dass ein zusätzlicher Wärmesensor zur Stromkreistrennuna vorgesehen ist. 8. Strombegrenzerbaustein zur Verwendung in einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass er in monolithisch integrierter Technik ausgeführt ist.

Inventors: WALTER, KARL-HEINZ, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H02H9
IPC codes: H04Q3, H04Q1, H02H9, H04M3