DE69002705T2 - Schutzanordnung für eine Spannungsquelle gegen Kurzschlüsse. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz einer Spannungsquelle gegen Kurzschlüsse in einem durch die Quelle gespeisten Lastkreis.
• Insbesondere ist eine solche Vorrichtung zum Schutz einer Spannungsquelle für die Ferneinspeisung von auf einen Bezugspunkt S gegebenen Telekommunikationsanschlüssen bestimmt, die durch die Empfehlung I430 des CCITT, Heft III.5, Seiten 141 bis 177, Oktober 1984 festgelegt ist. Gemäß dieser Empfehlung hat die Fernversorgungsspannung VE der Quelle als Nennwert 41 Volt und soll zwischen 36 V und 42 V enthalten sein, und die auf den Lastkreis, der hier durch die die Quelle und die Endeinrichtungen verbindende Leitung gebildet ist, zu gebende Maximalleistung soll etwa 4 Watt betragen. Die Fernversorgungsquelle soll außerdem gegen die Leitungskurzschlüsse geschützt sein.
• Eine einfache Lösung dieses Problems könnte in der Verwendung eines bekannten Kreises bestehen, der in Reihe an einen der Leitungsdrähte angeschlossen ist, um den Leitungsstrom auf 120 mA zu begrenzen, was etwas mehr als 4 Watt für eine Quellenspannung VE von wenigstens gleich 36 Volt entspricht. Diese Lösung weist zwei Nachteile auf. Zum einen müssen 4 W im Fernversorgungskreis abgeführt werden. Zum anderen sperrt dann die Strombegrenzung bei der Verzweigung einer Endeinrichtung zur Leitung die Lieferung von Transientenströmen in der Größe von mehreren hundert Milliampere während einiger zehn Millisekunden. Zur Behebung des letzteren Nachteils könnte der Begrenzungsstrom erhöht werden, was dann die durch die Quelle abzuführende Leistung erhöhen würde.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Schutzvorrichtung gegen die Kurzschlüsse zu schaffen, die die Nachteile einer Strombegrenzung und die Abführprobleme bei Vorhandensein eines Leitungskurzschlusses vermeidet.
• Zu diesem Zweck ist die Schutzvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
• - Mittel zur Spannungsmessung, um Spannungen an den Anschlüssen des Lastkreises zu erfassen, die höher als erste und zweite Spannungsschwellen sind, wobei die erste Schwelle höher als die zweite Schwelle ist,
• - einen Stromschalter, der zwischen einem Anschluß des Lastkreises und einem Anschluß der Spannumgsquelle angeschlossen ist und durch die Mittel zur Spannungsmessung gesteuert wird,
• - einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten, der in Reihe mit dem Lastkreis und dem Stromschalter zwischen den Anschlüssen der Spannungsquelle angeschlossen ist und eine Kippspannung zur Verfügung stellt, die deutlich niedriger als die erste Spannungsschwelle und klar höher als die zweite Spannungsschwelle ist, bestimmt durch die Mittel zur Spannungsmessung, und
• - einen Zweigwiderstand, der parallel zu der Reihenkombination angeschlossen ist, die den Thermistor und den Stromschalter umfaßt,
• - wobei der Stromschalter durch die Mittel zur Spannungsmessüng gesteuert wird, um aus einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand zu kippen, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Lastkreises kleiner als die erste Schwelle wird, und um aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand zu kippen, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Lastkreises höher als die zweite Schwelle wird.
• Die Erfindung setzt einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (CTP) ein, der in erster Näherung als zwei stabile Zustände aufweisend angesehen werden kann. In einem ersten Zustand, der durch einen den Thermistor durchlaufenden Strom ITH bestimmt ist, der kleiner als ein Kippstrom ITHb ist, und bei Abwesenheit eines Kurzschlusses im Lastkreis ist der Widerstand RTH des Thermistors sehr niedrig und kann als eine Konstante rTH angesehen werden. In einem als gekippt bezeichneten zweiten Zustand, der durch einen Strom ITH bestimmt ist, der höher als ITHb ist, wächst der Widerstand RTH des Thermistors schnell und exponentiell. Die thermische Trägheit des Thermistors ist besonders während des Kippens verhältnismäßig groß, in der Größe von einigen Sekunden, und später nimmt der Thermistor kurze Schwankungen des erhöhten Stromes an, wie Transientenstromstöße bei der Abzweigung eines Terminals zur Leitung, ohne ein Kippen vom ersten zum zweiten Zustand zur Folge zu haben.
• Wie in der Folge ersichtlich wird, ist die Quelle imstande, etwa 4 Watt unter einer Spannung VE höher als 36 Volt zu liefern, wenn der Thermistor wie rTH 20 X und ITHb = 130 mA ist. Der Strom nach dem Kippen ist niedriger als 5 mA, denn der Lastkreis befindet sich in Reihe mit dem Widerstand zur Ableitung von mehreren Kiloohm.
• Wie bekannt ist, bleibt indessen der Thermistor nach dem Kippen in den zweiten Zustand im gekippten Zustand, solange die Spannung VTH an den Anschlüssen von ihr ausreichend, in der Größe von 3 Volt ist. Die Verwendung allein des Thermistors würde demnach bei der Unterdrückung eines Kurzschlusses nicht die Rückkehr des Thermistors in den ersten Zustand gestatten, wenn zum Beispiel die an die Leitung angeschlossene Endeinrichtung oder Endeinrichtungen zu geringe Impedanzen aufweisen. Die Mittel zur Spannungsmessung in Kombination mit den Stromschaltmitteln gemäß der Erfindung gestatten es, den Thermistor mit dem Wert rTH wieder in Reihe mit dem Lastkreis zu verbinden, sobald die Spannung an den Anschlüssen des Lastkreises die zweite Spannungsschwelle überschreitet.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die einzige Fig. 1 deutlicher hervor, die eine Vorrichtung zum Schutz gegen Kurzschlüsse gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zeigt.
• Diese Ausführung betrifft besonders die Verwendung der Schutzvorrichtung DP für eine Spannungsfernversorgungsquelle ST, die eine Nennspannung VE=41 V an eine zweiadrige mit Vorspannung versehene übertragungsleitung LT liefert, die einen Lastwiderstand RL aufweist. Die Last besteht zum Beispiel aus der Leitung selbst und aus einer oder mehreren mit der Leitung gemäß der bereits genannten Empfehlung I.430 des CCITT verbundenen Endeinrichtungen. Bei Normalbetrieb ist die Last RL größer als 300 X und wird von einem Strom IL in der Größe von 130 mA durchflossen. Unter diesen Bedingungen liefert die Spannungsguelle ST deutlich mehr als 4 Watt für eine Spannung VE, die zwischen 36 V und 42 V enthalten ist.
• Die Schutzvorrichtung DP umfaßt eine Spannungsteiler-Widerstandsbrücke R1-R2, einen Spannungserfassungs-Meßkreis DM, einen elektronischen Stromschalter IE, einen Thermistor TH und einen Ableitungswiderstand RD.
• Widerstände R1 und R2 der Spannungsteilerbrücke sind in Reihe zwischen den Anschlüssen B+ und B- der Quelle ST, typisch auf 0 Volt und -41 Volt, angeschlossen. Die Summe der Ohmwerte der beiden Widerstände R1 und R2 ist sehr hoch, höher als hundert Kiloohm, um den Normalbetrieb der Leitung nicht zu stören. Ein erster Anschluß des ersten Widerstandes R1 ist mit dem Anschluß B+ und einem ersten Anschluß F+ des Lastwiderstandes RL verbunden, der aus einem Ende eines ersten Leitungsdrahtes mit positiver Vorspannung besteht. Der erste Widerstand R1 ist in bezug auf den zweiten Widerstand R2 klein, was es gestattet, die gesamte Spannungsmessung an den Anschlüssen der Last RL auf eine Messung an den Anschlüssen des Widerstandes R2 zurückzuführen. Typischerweise sind die Widerstände R1 und R2 gleich 10 kX und 560 kX.
• Der Spannungserfassungs-Meßkreis DM umfaßt im wesentlichen einen Bipolartransistor PNP, bezeichnet mit TB. Der Emitter E des Transistors ist mit gemeinsamen zweiten Anschlüssen B12 der Widerstände R1 und R2 sowie mit einem Emitterwiderstand RE von üblicherweise 6,8 kX verbunden. Die Basis B und der Kollektor C des Transistors TB sind mit Widerständen RB und RC von ebenfalls mehreren Kiloohm, üblich gleich 220 kX bzw. 6,8 kX, verbunden.
• Der elektronische Schalter IE ist um einen Feldeffekttransistor, vorzugsweise mit isoliertem Gate aufgebaut, wie ein mit TM bezeichneter MOS-Transistor mit Anreicherung und mit Kanal mit Leitfähigkeit des N-Typs.
• Das Gate G des Transistors TM ist durch den Kreis DM gesteuert, und ist zum einen über den Widerstand RC mit dem Kollektor C des Transistors TB und zum anderen über einen Gatewiderstand RG von gewöhnlich 330 kX mit der Quelle S des Transistors TM verbunden. Die Quelle S ist ebenso mit einem ersten Anschluß des Widerstandes R2 und mit dem Anschluß mit negativer Polung B- der Spannungsquelle ST verbunden. Der Drain D des MOS-Transistors TM ist über den Widerstand RE mit dem Emitter E des Bipolartransistors TB verbunden.
• Der Thermistor TH ist ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (CTP), zum Beispiel aus ferroelektrischer, halbleitender Keramik. Ein erster Anschluß des Thermistors ist mit dem Anschluß F- mit negativer Polarität des Leitungswiderstandes RL, über den Widerstand RB mit der Basis B des Transistors TB und mit einem ersten Anschluß des Widerstandes RD verbunden. Ein zweiter Anschluß des Thermistors TH ist mit dem Drain D des Transistors TM verbunden und ist über den Widerstand RE mit dem Emitter E des Bipolartransistors TB verbunden.
• Der Ableitungswiderstand RD hat einen ersten Anschluß, der mit dem ersten Anschluß F- des Thermistors TH verbunden ist, und einen zweiten Anschluß, der mit der Quelle S des MOS- Transistors TM verbunden ist.
• Die Schutzvorrichtung DP weist zwei stabile Zustände ET1 und ET2 auf, die jeweils dem Normalbetrieb der Leitung LT und dem Vorhandensein eines unerwünschten Kurzschlusses in der Leitung entsprechen. Diese beiden Zustände gehen dabei aus "Spannungsmessungen" der Leitung hervor, das heißt dem Wert der Eingangsimpedanz RL, gesehen an den Anschlüssen F+ und F- der Leitung LT. In der Praxis erfaßt der Spannungserfassungs-Meßkreis DM die Spannung zwischen den Anschlüssen B12 und F-, was durch eine Veränderung der Basis-Emitter-Spannung des Bipolartransistors TB offenbar wird. Wie in der Folge ersichtlich wird, kann der Kreis DM als im Mittelzweig einer Wheatstoneschen Brücke befindlich angesehen werden, die aus den Widerständen R1 und R2, dein veränderlichen Widerstand RL und einmal dem Thermistor TH für den Zustand ET1, einmal dem Ableitungswiderstand RD für den Zustand ET2 besteht.
• Im Zustand ET1 des Normalbetriebs ist die Einheit Quelle ST und Vorrichtung DP äquivalent mit einer Spannungsquelle von 41 V mit einer inneren Reihenimpedanz gleich dem kleinen Widerstand des Thermistors TH, die einen Lastwiderstand RL wenigstens in der Größe von 300 X versorgt. Zum einen ist der Bipolartransistor TB gesättigt, was den MOS-Transistor TM in den Durchlaßzustand steuert, und damit den Schalter TE schließt, der praktisch den Thermistor TH mit dem Lastwiderstand RL in Reihe bringt. Zum anderen weist der Thermistor TH einen kleinen Widerstand rTH in der Größe von 20 X auf, der sehr viel kleiner als der Ableitungswiderstand RD, gewöhnlich gleich 8,2 kX, ist. Der Wert von rTH =20 X für den Thermistor ist deutlich konstant, solange der Strom in der Leitung LT niedriger als der Kippstrom ITHb des Thermistors in der Größe von 130 mA ist. Wenn sich die Spannung VE der Quelle ST zwischen 36 und 42 Volt ändert, ist die gelieferte Leistung deutlich höher als 4 Watt.
• Der erste Zustand ET1 wird solange gehalten, wie die Spannung VTH (RTH/(RTH+RL)) VE an den Anschlüssen D und F- des Thermistors TH niedriger als eine Maximalspannung VTH1 ist, als Folge einer Verkleinerung der Last RL, die zunehmend gegen einen Kurzschluß strebt. Die Spannung VTH=E-VL nimmt nämlich zu, wenn die Spannung VL kleiner wird. Die Maximalspannung VTH1 entspricht einer ersten Schwelle VL1 der Lastspannung VL gleich etwa 20 V, angenommen VTH= VL1 20 V für VE 41 V.
• Es sei festgestellt, daß die Spannung VTH1 ausreichend hoch ist, damit relativ große Transientenströme, in der Größe von 800 mA während 200 ms, die auf eine Verzweigung einer Endeinrichtung zur Leitung LT zurückzuführen sind, kein Kippen aus dem Zustand ET1 in den Zustand ET2 hervorrufen. Die Spannung VTH1 ist andererseits niedriger als die Spannung VTHm, um den Therinistor TH im zweiten Zustand ET2 zu halten. Die letzte Bedingung stellt sicher, daß der Thermistor stets einen kleinen Widerstand im Zustand ET1 im Fall vorübergehender überlastungen der Leitung LT aufweist.
• Der zweite Zustand ET2 entspricht einem Überlastungsbetrieb, der auf einen mehr oder weniger offenen Kurzschluß zwischen den beiden Leitungsdrähten F+ und F- zurückgeht. Der Übergang aus dem Zustand ET1 in den Zustand ET2 erfolgt, sobald die Spannung VL deutlich niedriger als VL1 ist, und somit erreicht die Spannung VTH an den Anschlüssen des Thermistors TH VTH1. Im Zustand ET2 ist der Thermistor mit einem sehr hohen Widerstand, in der Größe von mehreren zehn Kiloohm äquivalent, was die Sperrung des Bipolartransistors TB und infolgedessen den Übergang des MOS-Transistors TM in den nichtleitenden Zustand und das Öffnen des Schalters IE zur Folge hat. Die Spannungsquelle ST wird dann als lediglich mit dem Ableitungswiderstand RD verbunden angesehen, der einen konstanten großen Ohmwert aufweist. Die Quelle ST liefert dann eine sehr kleine Leistung in der Größe von 41²/8200=0,2 W, was einem Leitungsstrom IL von weniger als 0,5 mA entspricht.
• Das vorhergehende Kippen vom ersten Zustand ET1 in den zweiten Zustand ET2 kann nahezu sofort sein, wenn der Kurzschluß in der Leitung ganz plötzlich ist, das heißt wenn der Leitungsstrom IL ausreichend erhöht ist, damit die Spannung VTH an den Anschlüssen des Thermistors VTH1=E-VL1 überschreitet. Das Kippen aus dem Zustand ET1 in den Zustand ET2 nimmt indessen mehr zu, wenn der Leitungsstrom IL niedriger als der vorhergehende erhöhte Strom ist, wobei er durchaus höher als der Kippstrom ITHb des Thermistors TH ist; in diesem Fall wächst die Spannung VTH bis VTH1, was den Schalter IE öffnet.
• Der zweite Zustand ET2 der Vorrichtung DP wird solange gehalten, wie die Spannung an den Anschlüssen des Ableitungswiderständes zu hoch ist, um den Bipolartransistor TB freizugeben. Mit anderen Worten, der Zustand ET2 wird gehalten, wenn die Spannung VL an den Anschlüssen der Last RL niedriger als eine zweite Schwelle VL2=2 Volt ist, was einem Lastwiderstand RL2 = RD.VL2/(VE-VL2) = 400 X entspricht. Wenn der Lastwiderstand RL als Folge der Unterdrückung des Kurzschlusses den Wert RL2 überschreitet, wird der Bipolartransistor TB wieder gesättigt, was den Übergang des MOS-Transistors TM in den leitenden Zustand und somit das Öffnen des Schalters IE steuert. Der Thermistor TH weist dann wieder einen kleinen Widerstand rTH=20 X in Reihe mit dem Widerstand RL auf.
• Es ist offensichtlich, daß die Schutzvorrichtung aus dem Zustand ET1 in den Zustand ET2, wenn RL < RL1 = 300 X, und aus dem Zustand ET2 in den Zustand ET1 kippt, wenn RL > RL2 = 400 X. Diese Widerstandsänderungen RL weisen eine Hysterese von RL2-RL1 = 100 X auf und vermeiden die Pendelvorgänge.
• Gemäß weiteren Abwandlungen können der Thermistor TH und der Transistor TM zwischen den Anschlüssen F- und B- des Widerstandes RD ausgetauscht werden oder können parallel zum Widerstand RD zwischen den Anschlüssen B+ und F+ angeschlossen werden, wobei eine Änderung des Typs des Transistors TB ausgemittelt wird.
• Der Transistor TB kann durch ein Relais und der Transistor TM durch einen durch das Relais gesteuerten Kontakt ersetzt werden, aber diese Lösung erfordert einen höheren Stromverbrauch.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Schutz einer Spannungsquelle (ST) gegen Kurzschlüsse in einem Lastkreis (RL), der durch die Quelle gespeist wird, wobei die Vorrichtung umfaßt:

- Mittel zur Spannungsmessung (DM), um Spannungen (VL) an den Anschlüssen (F+, F-) des Lastkreises (RL) zu erfassen, die höher als erste und zweite Spannungschwellen (VL1, VL2) sind, wobei die erste Schwelle (VL1) höher als die zweite Schwelle (VL2) ist,

- einen Stromschalter (IE), der zwischen einem Anschluß (F-) des Lastkreises und einem Anschluß (B-) der Spannungsquelle (ST) angeschlossen ist, und durch die Mittel zur Spannungsmessung (DM) gesteuert wird,

- einen Thermistor (TH) mit positivem Temperaturkoeffizienten, der in Reihe mit dem Lastkreis (RL) und dem Stromschalter (IE), zwischen den Anschlüssen (B+, B-) der Spannungsquelle (ST) angeschlossen ist und eine Kippspannung (VTH1) zur Verfügung stellt, die deutlich niedriger als die erste Spannungsschwelle (VL1) und klar höher als die zweite Spannungsschwelle (VL2) ist, bestimmt durch die Mittel zur Spannungsmesssung, und

- einen Zweigwiderstand (RD), der parallel zu der Reihenkombination angeschlossen ist, die den Thermistor (TH) und den Stromschalter (IE) umfaßt,

- wobei der Stromschalter (IE) durch die Mittel zur Spannungsmessung (DM) gesteuert wird, um aus einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand zu kippen, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Lastkreises kleiner als die erste Schwelle (VL1) wird, und um aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand zu kippen, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Lastkreisen höher als die zweite Schwelle (VL2) wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Spannungsmessung (DM) die Spannung des Lastkreises (VL) über eine Meßbrücke aus Widerständen (R1, R2) messen, die sehr groß in bezug auf die Impedanz des Lastkreises sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Spannungsmessung (DM) einen Bipolartransistor (TB) umfassen, dessen Basis (B) und Emitter (E) über die jeweiligen Widerstände (RB, RE) mit den Anschlüssen (F-, D) des Thermistors (TH) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromschalter (IE) einen Feldeffektransistor (TM), vorzugsweise mit isoliertem Gate, umfaßt, dessen Gate (G) durch die Mittel zur Spannungsmessung (DM), kontrolliert wird, und von dem eine von den Drain- und Sourceelektroden (D, S) mit dem Thermistor (TH) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippvorgänge des Stromschalters (IE) vom geschlossenen Zustand in den offenen Zustand und vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand Widerständen des Lastkreises (RL) entsprechen, deren Differenz in der Größe von 100 Ohm liegt.

6. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (ST) eine Nennspannung (VE) von ungefähr 41 Volt hat, die erste und zweite Spannungsschwelle (VL1, VL2) in der Größe von 20 und 2 Volt sind, und der Kippstrom (ITHb) des Thermistors (TH) in der Größe von 130 mA ist.