Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz in Gleichstrom-Versorgungskreisen von elektronischen Komponenten oder Geräten, insbesondere Geräten zur Telekommunikation, wie Sende- und Empfangsantennen und/oder Mobilfunkanlagen, bestehend aus einer Grobschutz-Reihenschaltung von Funkenstrecken oder Gasentladungsableitern zwischen den Eingangsklemmen sowie parallel zu den Funkenstrecken oder Gasentladungsableitern geschalteten Kondensatoren, mindestens einem Feinschutzelement zwischen den Ausgangsklemmen und einer Entkopplungsimpedanz zwischen Grobschutz-Reihenschaltung und Feinschutzelement, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 25 4? 604 A1 ist eine Steuerungsanordnung für die Funkenstrecken eines Überspannungsabieiters vorbekannt. Dortige parallel zu den Funkenstrecken geschaltete Steuerwiderstände sind in der Lage, den Spannungsabfall über die einzelnen Funkenstrecken so zu beeinflussen, dass zunächst eine erste Funkenstrecke zündet. Durch Steuerwiderstände mit verschieden großen Exponenten kann ein nacheinander folgendes Schalten der weiteren Funkenstrecken erfolgen, um die Ansprechspannung der Gesamtanordnung zu reduzieren. Mit der Lösung nach DE 25 47 604 A1 soll der Nachteil des Wiederzündens reduziert werden, der bei bis dahin bekannten Anordnungen eintrat, wenn mehrere Überspannungsvorgänge kurz hintereinander folgen, so dass die Abkühlung der Funkenstrecken zwischen den einzelnen Überspannungsschutzvorgängen nicht ausreichend ist.

Bei der blitzstromtragfähigen Funkenstrecke nach DE 297 24 817 U1 wird von mehreren, in Reihe geschalteten Funkenstrecken ausgegangen, wobei die Funken strecke aus n-Teilfunkenstrecken besteht, deren Lichtbogenbrennspannung durch Reihenschaltung der Teilfunkenstrecken auf den n-fachen Wert der Lichtbogenbrennspannung einer Teilfunkenstrecke gebracht ist. Die Teilfunkenstrecken mit Ausnahme der im Blitzstrom-Ereignisfall ersten ansprechenden Teilfunkenstrecke sind durch Impedanzen geschaltet mit dem Ziel, dass ein sukzessives Durchschalten erfolgt, Die zweite und alle weiteren Funkenstrecken nach DE 297 24 817 U1 sind direkt an ein gemeinsames Bezugspotential, insbesondere an die freie Elektrode der letzten Funkeristrecke als Bezugselektrode gelegt,

Bekannt sind weiterhin Überspannungsschutzgeräte der Bezeichnung„Blitzduktor" der Firma DEHN + SÖHNE GmbH + Co, KG, Neumarkt, Deutschland, Derartige Uberspannungsschutzgerite Blitzduktor BVT KKS ALD 75 oder BVT ALD 36 weisen in Reihe geschaltete Gasentladungsabieiter mit parallel geschalteten Kondensatoren auf zum Zweck eines sukzessiven Durchschaltens der einzelnen Gasentla- dungsableiter. Ziel der vorbekannten Abieiter ist es, die Ansprechspannung zwischen den Adern einer Doppelader zu reduzieren. Bei den bekannten Überspannungsschutzgeräten wird durch die Reihenschaltung der Funkenstrecken bzw. Gasentladungsableiter eine Addition der Bogenbrennspannung erreicht, so dass eine Erhöhung der zulässigen Betriebsspannung gegeben ist. Liegt die Summe der Bogenbrennspannungen der einzelnen Komponenten oberhalb der Betriebsspannung, erfolgt ein Löschen, d.h. ein Ausschalten der Abieiter unabhängig vom im Fall des Ansprechens der Abieiter fließenden Strom.

Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz in Gleichstrom-Versorgungskreisen von elektronischen Komponenten oder Geräten, Insbesondere Geräten der Mobilfunktechnik anzugeben, welche sicherstellt, dass der erforderliche Überspannungsschutz unabhängig vom Betriebsstrom bzw. Nennstrom gegeben ist. Diesbezüglich wird auf den an sich bekannten Gedanken der Reihenschaltung von Gasableitern zurückgegriffen und eine damit erreichte Addition der Bogenbrennspannung genutzt, so dass ein Löschen bei höheren Nennspannungen möglich ist. Die erfindungsgemäße Lösung soll einen niedrigen Schutzpegel von≤ 100 V gewährleisten, um die Eingangsschaltung von Stromversorgungen oder aber von Antennen bzw. Verstärkern bei Mobilfunkanlagen zu sichern. Insofern soll die zu schaffende Schaltung einen Überspannungsschutz für unterschiedliche Komponenten ermöglichen, um den installationsseitigen und kostenseitigen Aufwand zu reduzieren. Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen,

Durch die Reihenschaltung von Gasentladungsableitern oder Funkenstrecken und die damit erreichte Addition der einzelnen Bogenbrennspannungen wird erfindungsgemäß ein Löschen für Betriebsspannungen bis zur Summe der Bogen- brennspannung erreicht, ohne dass eine Einschränkung der Schaltungsanordnung auf einen maximalen Betriebsstrom oder Fehlerstrom vorliegt.

Durch die parallel zu den Gasentladungsableitern geschalteten Kapazitäten (Kondensatoren) wird eine Steuerung der Spannungsaufteilung erreicht mit der Folge, dass die Gasentladungsableiter sequenziell durchschalten. Hierdurch wird eine Gesamtansprechspannung der Schaltungsanordnung erreicht, die der Ansprechspannung eines einzelnen Gasentladungsableiters entspricht.

Die Auslegung der nachgeordneten, an der Ausgangsklemme befindlichen Feinschutzschaltung ist auf die Bogenbrennspannung der Gesamtanordnung abgestellt.

Erfindungsgemäß kann eine sehr niedrige Entkoppiungsimpedanz zur Koordination der Gesamtanordnung Grobschutz zu Feinschutz zur Anwendung kommen, da lediglich dafür zu sorgen ist, dass im Stromanstieg vor Erreichen der Belastungsgrenze eingesetzter Dioden als Feinschutzelement ein ausreichender Spannungsabfall entsteht, um die Gasentladungsableiter durchzuschalten. Im Übrigen reduziert sich die notwendige Stromtragfähigkeit des Feinschutzes durch die angestrebte Funktion des sequenziellen Durchschaltens der Grobschutzelemente, d.h. der Gasentladungsableiter oder der Funkenstrecken. Die Entkopplungsimpedanz kann mit Blick auf die niedrigen Impedanzwerte auf hohe Betriebsströme ausgelegt werden.

Es wird also demnach von einer Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz in Gleichstrom-Versorgungskreisen von elektronischen Komponenten oder Geräten, insbesondere Geräten zur Telekommunikation, wie Sende- und Empfangsantennen und/oder Mobilfunkanlagen ausgegangen, bestehend aus einer Grob- schutz-Reihenschaltung von Funkenstrecken oder Gasentladungsableitern zwi- sehen den Eingangsklemmen sowie parallel zu den Funkenstrecken oder Gasent- ladungsableitern geschalteten Kondensatoren, Weiterhin ist mindestens ein Feinschutzelement zwischen den Ausgangskiemmen angeordnet und es ist eine Entkopplungsimpedanz zwischen der Grobschutz-Reihenschaltung und dem Feinschutzelement vorhanden.

Erfindungsgemäß sind die Kapazitätswerte der Kondensatoren um ein Vielfaches größer als die Kapazititswerte der Gasentladungsableiter oder Funkenstrecken.

Wie bereits erwähnt, ist die Induktivität der Enttoppiungsimpedanz so ausgelegt, dass im Stromanstiegsfall ein ausreichender Spannungsabfall resultiert, um die Funkenstrecken oder Gasentladungsableiter durchzuschalten, bevor die Belastungsgrenze des Feinschutzelements erreicht ist,

Ausgestaltend ist zwischen jedem Verbindungspunkt der Funkenstrecken oder Gasentladungsableiter und dem Erdpotential ein Kondensator geschaltet, wobei das Verhältnis der Kapazititswerte Gasentladungsableiter bzw. Funkenstrecke zu Kondensator bei im Wesentlichen 1: 100 liegt,

Die Gasentladungsableiter besitzen eine im Wesentlichen gleiche Ansprechspannung, so dass im Überspannungsfall ein sequenzielles Durchschalten der Gasentladungsableiter erfolgen kann,

Das Feinschutzelement besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Reihenschaltung von Dioden. Hier kommen insbesondere Suppressordioden bzw. TVS-Dioden zum Einsatz. Die Stand Off-Spannung dieser Dioden der Reihenschaltung ist dabei größer als die Summe der Bogenbrennspannungen der Gasentladungsableiter.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine beispielhafte Schaltungsanordnung für eine Betriebsspannung bis

60 V DC und Fig. 2 ein Diagramm des sequenziellen Durchschaltens der Gasentladungsablei- ter A1 bis A5 nach Fig. 1 sowie den diesbezüglichen Stromverlauf über der Zeit.

Die Fig. 1 lässt zunächst die Eingangsklemmen -V DC und +V DC erkennen, Zwischen diesen Eingangsklemmen befindet sich eine Reihenschaltung aus z.B. fünf Gasentladungsableitern A1 bis A5, Durch die Reihenschaltung dieser fünf Gasentladungsabieiter wird erreicht, dass die Bogenbrennspannyng bei ca. 60 V liegt. Es wird hierdurch ein Löschen der Gasentladungsableiter unabhängig vom Betriebsstrom bei Betriebsspannungen bis 60 V erreicht.

An den Verbindungspunkten der Gasentladungsableiter A1 bis A5 sind die Kondensatoren C1 bis C4 gegen Erdpotential bzw. gegen die +V DC-Klemme geschaltet. Die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren liegen beispielsweise bei dem 100-fachen der Kapazität der Gasentladungsableiter. Hierdurch wird erreicht, dass zunächst die anstehende Eingangsspannung vollständig am Gasentladungsableiter A5 anliegt. Der Gasentladungsableiter A5 wird daher beim Überschreiten eines spezifizierten Ansprechspannung durchgeschaltet.

Danach liegt die Eingangsspannung an der verbleibenden Anordnung A1 bis A4. Die weitere Spannungsaufteilung ergibt sich durch die Kapazität von A4 und C3, wobei das gleiche Verhältnis gilt wie bei A5 zu C4.

Werden Gasentladungsableiter A1 bis A5 mit annähernd gleicher Ansprechspannung verwendet, stellt sich ein sequenzielles Durchschalten der Gasentladungsableiter A5 bis A1 ein.

Die Feinschutzstufe wird durch eine gegenpolige Reihenschaltung von Suppres- sor- oder TVS-Dioden V1 bis V4 realisiert, wobei für die Dimensionierung des Feinschutzes, bestehend aus den Dioden V1 bis V4, die gewählte Stand Off-Spannung der Dioden höher als die Summe der Bogenbrennspannungen der Abieiter A1 bis A5 ist. Hierdurch werden die Dioden V1 bis V4 nach Ansprechen der Abieiter A5 bis A1 entlastet.

Zwischen der Eingangsklemme -V DC und der Ausgangsklemme -V DC (mit internal gekennzeichnet) befindet sich noch eine Entkopplungsimpedanz L1. Die Induktivität der Spule L1 ist dabei so zu wählen, dass im Stromanstieg vor Erreichen der Belastungsgrenze der Dioden V1 bis V4 ein ausreichender Spannungsabfall an L1 entsteht, um die Gasentladungsableiter A1 bis A4 durchzuschalten.

Hier gilt folgender Zusammenhang;

Die beispielhafte Schaltung nach Fig. 1 wurde für eine ebenfalls beispielhafte Betriebsspannung von 60 V DC dimensioniert.

Dabei ergibt sich folgende beispielhafte Auslegung.

Die Gasentladungsableiter A1 bis A5 weisen eine maximale Ansprechspannung von 500 V (1 kV/ps) auf. Die Kapazität der Kondensatoren C1 bis C4 liegt bei ca. 10 nF. Die Kapazität der Gasentladungsableiter liegt bei ca. 1,5 pF.

Die TVS-Dioden V1 bis V4 weisen eine Stand Off-Spannung von 30 V auf. Die maximale Strombelastbarkeit beträgt 250 A (10/350 ps). Die maximale Clamping Voltage liegt bei 100 V.

Die Induktivität L1 ergibt sich bei einer anzunehmenden Stromsteilheit dl/dt = 250 A/10 ps ; 25 A/ps. Der notwendige Spannungsabfall über L1 liegt bei 500 V - 100 V = 400 V. Damit ergibt sich

Selbstverständlich ist eine adäquate Auslegung für andere Betriebsspannungen und andere Basiswerte der Kapazität von Gasentladungsableitern möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.