OVERVOLTAGE PROTECTION CIRCUIT FOR A BROADBAND LINE SYSTEM

Abstract: The loading of a broadband digital line signal by an overvoltage protection circuit must be small, even at high clock frequencies, so that pulse distortion remains as small as possible. Both the capacitance and the series inductance of the overvoltage protection circuit must be as small as possible. The proposed overvoltage protection circuit consists of a parallel circuit, of a limiting element and a capacitor, in front of which a diode is connected. The circuit operates without any externally applied bias voltage. <IMAGE>

Description: Überspannungsschutzschaltung für breitbandige digitale Leitungssysteme Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit wenigstens einer Diode, für breitbandige digitale Leitungssysteme. Die Belastung eines breitbandigen digitalen Leitungssignals durch die Uberspannungsschutzschaltung muss auch bei hohen Taktfrequenzen klein sein, damit Impulsverformungen möglichst gering bleiben. SowohL die Kapazität wie die Serieninduktivität der Überspannungsschutzschaltung müssen deshalb möglichst klein sein. Im anderen Fall sind starke Intersymbolstörungen sowie flache Anstiegs-und Abfallflanken der Impulse des digitalen Leitungssignals die Folge. Zur Erzielung einer kleinen Gesamtkapazität einer Überspannungsschutzschaltung können mehrere Siliziumdioden in Serie geschaltet werden. Jedoch weist eine solche Anordnung eine hohe Serieninduktivität auf, ausserdem stört die Massekapazität der Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Dioden. Die Grenzfrequenz dieser Anordnung ist niedrig. Eine Verminderung von Serieninduktivität und Massekapazität wird erzielt, wenn mehrere Dioden in ein Gehäuse eingebaut werden. Diese Dioden sind hoch zuver lässiger Ausführung in Glas- oder Keramikgehäuse sehr teuer, da sie speziell für diesen Zweck gefertigt werden müssen. Aus der DE-AS 27 54 409 ist es bekannt, ein oder mehrere Dioden mit externen Spannungen in Sperrichtung vorzuspan nen. Die Anwendung dieser Schaltung für ein System, bei dem für die Übertragung Ternärsignale benutzt werden, führt zu Schwierigkeiten, weil Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität vorhanden sein müssen oder das Leitungssignal über Koppelkondensatoren auf ein Zwischenpotential gelegt werden muss. Durch die Vielzahl der hierfür benötigten Bauelemente ist die Massekapazitat der gesamten Anordnung relativ hoch. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche ohne zusätzlich angelegte Sperrspannungen auskommt und sowohl eine kleine Kapazität wie auch eine kleine Se rieninduktivität aufweist und bei der Massekapazitäten auch für hohe Taktfrequenzen vernachlässigbar sind. Die Überspannungsschutzschaltung soll mit handelsüblichen Bauelementen bis zu Taktfrequenzen von etwa 1 GHz verwendbar sein. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass parallel zum Übertragungsweg eine Serienschaltung aus der Diode (D2) und einem Begrenzungselement (D1) angeordnet ist und dass parallel zum Begrenzungselement (D1) ein Kondensator (C1) geschaltet ist und dass nur die Kondensatorspannung die Diode in Spurrichtung vorspannt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll im Folgenden die Erfindung beschrieben werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung zum Schutz gegen Überspannungen mit positiver Polarität Fig. 2 eine Anordnung zum Schutz gegen Überspannungen mit positiver und negativer Polarität Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist die Uberspannungsschutzschaltung zwischen die Klemmen 1 und 1' eines Koaxialkabelsystems eingeschaltet, wobei die Klemme 1 mit dem Innenleiter des Koaxialkabels und die Klemme 1' mit Masse verbunden ist. Die Klemmen 1 und 1' können sowohl die Eingangs wie die Ausgangsklemmen eines Gerätes sein z.B. eines Senders oder eines Empfängers. Die Überspannungsschutzschaltung besteht aus einem als Z-Diode ausgebildeten Begrenzungselement D1, dem der Kondensator C1 parallel geschaltet ist, sowie einer mit dieser Anordung in Reihe geschalteten Diode D2. Diese ist in Sperrichtung betrieben und mit ihrer Anode mit der Signalleitung verbunden, während die Z-Diode ebenfalls mit ihrer Anode mit Masse verbunden ist. Tritt, z.B. durch Blitzeinwirkung oder Induktion bei Beschädigung parallel verlegter Starkstromkabel, eine Überspannung positiver Polarität und entsprechender Höhe auf, so wird die Diode D1 leitend und die Überspannung wird auf einen durch die Summe der Durchbruchspannung der Diode D1 und der Durchlassspannung der Diode D2 bestimmten Wert UD1 + UD2 begrenzt. Die Begrenzung des Stromes erfolgt über einen Widerstand R. Dieser kann zusätzlich eingeschaltet sein, er kann entfallen, wenn eine Fernspeiseweiche eingebaut ist. Durch den Kondensator C2 wird der Widerstand R für hohe Frequenzen überbrückt. Durch entsprechende Auswahl des Begrenzungselementes D1 kann eine weiter Bereich von Überspannungen abgedeckt werden, wodurch die Überspannungsschutzschaltung an die zu schützenden Bauteile in dem an die Klemme 1 und 1' angeschlossen Gerät angepasst werden kann. Anstelle einer Z-Diode kann auch ein Varistor eingesetzt sein, der in bekannter Weise bei einer bestimmten Spannung niederohmig wird und dadurch die Uberspannung ableitet. Ein wichtiger Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist die geringe Belastung des übertragenen digitalen Signals. Der Kondensator cl wird über die Diode D2 bei Erreichen des Scheitelwertes Ud der positiven Halbwelle der Signalspannung auf den Wert Uc aufgeladen. Dieser Wert entspricht in etwa dem Wert Ud - Ud2. Fällt der Wert der Signalspannung Ud wieder unter den der Kondensatorspannung Uc, so entlädt sich der Kondensator C1 über die beiden Dioden D1 und D2 auf einen niedrigeren Wert. Wird dieser Wert bei der nachsten Periode wieder überschritten, dann wird die Diode D2 wieder leitend und es fliesst kurzzeitig ein Ladestrom über die Diode D2 in den Kondensator C1. Der Strom durch das Begrenzungselement Dl ist bei Betrachtung des Aufladevorganges vernachlässigt, da er wesentlich kleiner ist als der Strom durch den Kondensator C1. Die Spannung Uc dient dabei als Vorspannung zur Einstellung des Arbeitspunktes der Diode D2. Dieser liegt im negativen Teil der Diodenkennlinie, d.h. die Diode D2 wird durch die Spannung Uc in Sperrichtung vorgespannt. Daraus resultiert die sehr kleine Kapazität der gesamten Anordnung. Sie liegt in der Grössenordnung 0,7 pF. Der Wert der Konden satorkapazität ist abhängig von der Taktfrequenz des übertragenen digitalen Signals und der Blitzbeeinflussung zu bemessen. Besonders vorteilhaft ist es, für den Kondensator ein Chip-Bauteil zu verwenden. Dieses kann mit Anschlussflächen unmittelbar in die Schaltung eingelötet werden kann.Hierdurch sind für die gesamte Anordnung Serienin duktivitäten in der Grössenordnung von kleiner als 5 nH zu erreichen. In einem ausgeführten Beispiel betrug die Grenzfrequenz des aus der Sperrschichtkapazität der Diode D2 und den Serieninduktivitäten von D2 und C1 gebildeten Serienresonanzkreises ca. 2,7 GHz. Somit lag die Grenzfrequenz weit über dem Bereich der Taktfrequenz von ca. 1 GHz des übertragenen digitalen Signals. Im übertragenen digitalen Signal können längere Folgen von Nullen auftreten. Um das Absinken der Kondensatorspannung Uc während dieser Zeit möglichst gering zu halten, muss die durch die Sperrwiderstände der Dioden D1 und D2 sowie durch die Kapazität des Kondensators C1 bestimmte Entladezeitkonstante möglichst gross sein gegenüber der Dauer der Nullfolge. Die Sperrströme der Diode D2 und der Z-Diode D1 müssen dehalb möglichst klein sein. Die Dimensionierung der Ansprechspannung des Begrenzungselementes ergibt sich aus der Grösse der Spannung des Datensignals, der maximal zulässigen Überspannung und der Forderung an den Sperrstrom der Dioden D1 und D2. Als Dioden D1 und D2 können handelsübliche Halbleiterelemente verwendet werden. Setzt man für die Diode D2 eine Serienschaltung anstelle einer Einzelschaltung von Dioden ein, so kann die Grenzfrequenz weiter erhöht werden. Die Diode D2 kann hinsichtlich ihrer Belastbarkeit grosszügiger bemessen werden, da ihre Sperrschichtkapazität durch die Lage ihres Arbeitspunktes niedriger ist als in der bekannten Anordnung. Die erfindungsgemässe Überspannungsschutzschaltung bietet neben dem Vorteil der geringen Bauteilkosten und der relativ hohen Grenzfrequenz auch den Vorteil, dass in einfacher Weise ein Signal für die Pegelüberwachung des übertragenen digitalen Signals abgeleitet werden kann. Dieses Signal ist die Spannung am Kondensator CI. Der durch die Anschlüsse des Kondensators gebildete Messausgang ist durch das Begrenzungselement D1 ebenfalls gegen Überspannungen geschützt. Fig. 2 zeigt eine Uberspannungsschutzschaltung, die gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Schaltung in vorteilhafter Weise so weitergebildet ist, dass Schutz gegen positive und negative Überspannungen erreicht wird. Sie ist gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Schaltung durch die Z-Diode D3 als Begrenzungselement sowie durch die Diode D4 und durch den Kondensator C3 erweitert Die Z-Diode D3 und die Diode D4 sind antiparallel zu den entsprechenden Elementen in Fig. 1 angeschlossen. Zwischen den jeweiligen Verbindungspunkten A und B von Diode und Z-Diode steht der Spitze-Spitze-Wert des digitales Signals zur Verfügung. Diese Schaltung bietet daher den zusätzlichen Vorteil, dass damit bei z.B. ternären Signalen die Pegel für positive und negative Einsen getrennt gemessen und überwacht werden können.

Claims: Overvoltage protection circuit arrangement for broadband line systems, comprising a series combination of a diode (D2) and a limiting element (D1) and a capacitor (C1) connected in parallel to the limiting element (D1), which capacitor is reverse-biased only by the capacitor voltage, characterized in that the capacitor is charged by the digital signal transmitted through the transmission path when the digital signal reaches its peak value (Ud) and, consequently, a capacitor voltage is available from which a level monitoring signal may be tapped. Circuit arrangement as claimed in Claim 1, characterized in that a further arrangement comprising a limiting element (D3) with a parallel combination of a capacitor (C3) and a diode (D4) is provided in which the further limiting element (D3) and the further diode (D4) are arranged in anti-parallel to the first limiting element (D1) and to the first diode (D2). Circuit arrangement as claimed in Claim 1 or 2, characterized in that the limiting element (D1, D1 and D3, respectively) is a Z-diode.

Inventors: HABERDITZL, RAINER, DIPL.-ING. (FH)
Applicants: N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH
Application year: 1986
Main classification: H02H9
IPC codes: H02H9