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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Schutz gegen Störungen, die durch das Anschließen einer
elektronischen Einheit an eine elektrische
Gleichspannungsversorgungsquelle oder das Abtrennen von dieser Quelle auf die
von dieser Quelle gelieferte elektrische Spannung verursacht
werden.
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Komplexe elektronische Anlagen, wie etwa
Telekommunikationsanlagen, sind allgemein aus elektronischen Einheiten,
wie etwa Druckschaltungskarten aufgebaut, die mit
elektronischen Bauteilen bestückt und in Kästen oder Einschüben
eingesteckt sind, die ihrerseits in Gestellen oder Schränken
zusammengefaßt sind.
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Die für den Betrieb dieser elektronischen Bauteile auf
den Karten benötigte elektrische Leistung wird allgemein von
einer Gleichspannungsquelle geliefert, die den verschiedenen
Karten eines Gestells gemeinsam ist.
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Darüber hinaus sind im allgemeinen auf jeder Karte in
der Anschlußschaltung der Versorgungsspannung dieser Karte
eine oder mehrere Filterzellen vorgesehen, die die Übertragung
eventueller auf der Versorgungsspannung liegender elektrischer
Störungen auf die elektronischen Schaltungen verhindern
können, und umgekehrt die Übertragung eventueller elektrischer
Störungen, die im Betrieb durch diese Karte erzeugt werden,
auf die Gleichspannungsversorgungsquelle verhindern können.
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Ein Beispiel einer solchen Filterzelle ist in Figur 1
dargestellt. Es handelt sich um eine Zelle des Typs L-C, die
eine Induktivität L1 und einen Kondensator C2 enthält, wobei
die Versorgungsgleichspannung V an die Klemmen der Schaltung
L1-C2 angelegt wird und die Ausgangsspannung an den Klemmen
des Kondensators C2 abgenommen wird.
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Die Filterfunktion dieser Zelle wird umso besser
erfüllt, je größer die Werte der Induktivität L1 und des
Kondensators C2 sind. Die Werte dieser Elemente werden jedoch
optimiert, um anderen Kriterien, wie etwa dem Platzbedarf und
den Kosten, Rechnung zu tragen.
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Das Vorhandensein solcher Filterzellen auf den Karten
vermehrt aber die elektrischen Störungen beim Einstecken oder
beim Herausziehen der Karten, und dies umso mehr, je größer
der Stromverbrauch dieser Karten ist, was wegen der steigenden
Tendenz zur Konzentration von Schaltungen auf den Karten mehr
und mehr der Fall ist.
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Beim Anschluß einer mit einer solchen Filterzelle
ausgerüsteten Karte lädt sich also der Kondensator C2 über die
lnduktivität L1 sehr rasch auf, was einen erheblichen
Stromstoß auf Seiten der Versorgungsquelle hervorruft.
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Wenngleich diese Quelle, die im allgemeinen aus einem
Gleichspannungswandler (beispielsweise einem 48V/5V-Wandler im
Falle der Fernmeldeeinrichtungen) besteht, mit einer
Spannungsregelschleife versehen ist, erfolgt diese Regelung im
Vergleich zur Ladedauer des Kondensators C2 im allgemeinen
langsam, so daß sich während dieser Ladedauer ein momentaner
Abfall der Speisespannung ergibt, der den Betrieb bestimmter
Schaltungen, die in diesem Moment auf anderen Karten in
Betrieb sind, stören kann.
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Beim Abschalten einer mit einer solchen Filterzelle
ausgerüsteten Karte verursacht weiter das plötzliche Anhalten
des in der Induktivität L1 fließenden Stromes eine
Überspannung, die in der Praxis mehrere 10 Volt erreichen kann, was an
den Kontakten des Steckers der Karte in dem Augenblick, in dem
sie abgeschaltet wird, einen Lichtbogen auslöst.
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Während dieses sehr kurzen Moments (praktisch einige
Mikro-Sekunden) wird diese Überspannung zur Versorgungsquelle
übertragen, was das Funktionieren bestimmter in Betrieb
befindlicher Schaltungen stören kann, da die Überspannung die
Ursache einer elektrostatischen Störung ist, die eine
elektromagnetische Störung erzeugt.
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Um das Auftreten der vorgenannten Nachteile während
des Anschließens der Karte zu vermeiden, bestünde eine Lösung
in der Vergrößerung des Wertes der Induktivität L1. Dadurch
wäre die Ladedauer des Kondensators C2 beim Anschließen
länger, was es der Regelschleife des Gleichspannungswandlers
ermöglichen würde, den Spannungsabfall aufzufangen. Im Moment
des Herausziehens der Karte wäre dann aber die durch die
Induktivität L1 verursachte Überspannung noch größer.
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Diese Lösung würde darüber hinaus zu einem erhöhten
Platzbedarf und zu höheren Kosten führen.
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Eine andere Lösung würde darin bestehen, den Wert des
Kondensators C2 zu verringern, oder einen Widerstand in Reihe
mit dem Kondensator anzuordnen, woraus sich eine durch dieses
Element dargestellte größere Impedanz und ein Stromstoß auf
Seiten der Versorgungsquelle ergäbe, der beim Anschließen
dieser Karte weniger stark wäre.
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Diese Lösung führt aber zu einer Verringerung der
Leistungsfähigkeit der diese Karte bestückenden Filterzelle.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten
Nachteile zu vermeiden, d.h., die beschriebenen Störungen der
durch die gemeinsame Versorgungsquelle der Karten gelieferten
Speiseleistung im Moment des Anschließens oder des Abtrennens
der Karten zu vermeiden, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung
der optimalen Wirksamkeit der Filterzellen dieser Karten.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine
Vorrichtung zum Schutz gegen Störungen, die durch das Anschließen
einer elektronischen Einheit an eine elektrische
Gleichspannungsversorgungsquelle oder das Abtrennen von dieser Quelle
auf die von dieser Quelle gelieferte elektrische Spannung
verursacht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung
mindestens ein veränderliches Impedanzelement und Mittel zum
Steuern dieser Impedanz aufweist, derart, daß diese einen
ersten sehr großen Wert besitzt, wenn die elektronische
Einheit abgeschaltet ist, und einen sehr kleinen Wert besitzt,
wenn die Einheit angeschaltet ist, und beim Übergang vom
abgeschalteten Zustand in den angeschalteten Zustand langsam vom
ersten auf den zweiten Wert übergeht, und beim Übergang vom
angeschalteten Zustand in den abgeschalteten Zustand schnell
vom zweiten in den ersten Wert übergeht, wobei der am Ausgang
dieses Elementes erhaltene Strom die elektronische Einheit
speist.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor, von
denen, außer der bereits beschriebenen und eine Filterzelle
darstellenden Figur 1,
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Figur 2 ein elektrisches Schaltbild einer
Schutzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung
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und Figur 3 ein elektrisches Schaltbild einer
Schutzvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung
zeigen.
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Die Schutzvorrichtung 1 gemäß der Erfindung, die in
Figur 2 dargestellt ist, ist an Klemmen 20 und 30
angeschlossen, die mit den Versorgungsanschlüssen 2 und 3 einer
elektronischen Einheit, zu der sie gehört, und der Filterzelle
dieser Einheit 4 verbunden sind.
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Die betreffende elektronische Einheit ist
beispielsweise eine Druckschaltungskarte, die in einen Einschub oder
einen Kasten eines Gestells mit elektronischen Anlagen
einsteckbar ist. Das Gestell besitzt eine den verschiedenen
Karten der verschiedenen Einschübe gemeinsame
Gleichspannungsversorgungsquelle.
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Zwischen den Klemmen 20 und 30 und den
Versorgungsanschlüssen 2, 3, die an die gemeinsame
Gleichspannungsversorgungsquelle 8 angeschlossen sind, liegen ein Steckverbinder
6, Kartenverbinder genannt, und ein Steckverbinder 7,
Einschubverbinder genannt, der zur betrachteten Karte führt,
wobei die beiden Steckverbinder eine elektrische Kontinuität
zwischen der Karte und ihren Versorgungsanschlüssen 2,3
herstellen, wenn die Karte angeschaltet ist, oder aber die
Kontinuität unterbrechen, wenn die Karte abgeschaltet ist.
Am Ausgang der Filterzelle 4 ist eine Last 5
angeordnet,
die Schaltungen der betrachteten Karte darstellen, die
zusätzlich zu der Schutzvorrichtung 1 und der Filterzelle 4
vorhanden sind.
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Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform wird
eine Versorgungsspannung mit einer einzigen Polarität,
beispielsweise positiv (mit +V bezeichnet) verwendet, wobei diese
Spannung an einen der Versorgungsanschlüsse (beispielsweise
den Anschluß 2, angelegt wird), während der andere Anschluß
auf das Bezugspotential von 0 Volt gelegt ist.
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In Figur 2 enthält die Schutzvorrichtung 1 im Rahmen des beschriebenen
Ausführungsbeispiels eine Integrierzelle, die aus einem
Kondensator C1 und einem Widerstand R1 besteht, die in Reihe
zwischen die Klemmen 20 und 30 geschaltet sind, und einen
Feldeffekt-Leistungstransistor T1, der im vorliegenden Fall
aus einem MOS-Transistor mit P-Kanal besteht. Die
Eingangsspannung dieser Zelle, bestehend aus der Spannung an den
Klemmen der Reihenschaltung aus dem Kondensator C1 und dem
Widerstand R1 beträgt +V, wenn die Karte angeschlossen ist, oder 0
Volt, wenn die Karte abgeschaltet ist. Die Ausgangsspannung
der Integrierzelle, abgegriffen an den Klemmen des
Kondensators C1, bildete die Source-Gate-Spannung VSG des Transistors
T1, dessen Source an die Klemme 20 angeschlossen ist, während
das Gate an den der Kapazität C1 und dem Widerstand R1
gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossen ist. Der vom Transistor
T1 gelieferte Drain-Strom ID speist die Filterzelle L1-C2.
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Weiter ist eine Diode D1 zwischen den dem Kondensator
T1 und dem Widerstand R1 gemeinsamen Verbindungspunkt und der
Klemme 30 angeordnet.
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Die Wirkungsweise der Schutzvorrichtung ist folgende:
Beim Anschließen der mit der Schutzvorrichtung ausgerüsteten
Karte springt die Eingangsspannung der Integrierzelle R1-C1
plötzlich von 0 auf +V. Die Ausgangsspannung dieser
Integrierzelle, d.h., die Source-Gate-Spannung VSG des Transistors T1,
steigt dann langsam von 0 auf +V an. Ab einem bestimmten Wert
der Spannung VSG wird der anfänglich gesperrte Transistor T1
leitend.
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Der Drain-Gate-Scheinwiderstand des Transistors T1,
der anfänglich sehr groß ist (z.B. > 1 MΩ) verringert sich
dann nach und nach und der Kondensator C2 wird nach und nach
mit einem Strom geladen, der durch den Wert dieses
Widerstandes begrenzt wird.
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Wenn der Kondensator C1 völlig geladen ist, ist der
Transistor T1 gesättigt, so daß sein
Drain-Source-Scheinwiderstand dann sehr gering wird (z.B. etwa 100 mΩ). Die
Schutzvorrichtung ist damit "transparent".
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Wie ersichtlich muß, damit die Schutzvorrichtung
wirkungsvoll arbeitet, die Zeitdauer, während der der Ladestrom
des Kondensators C2 so gesteuert wird, viel größer (z.B. etwa
20 ms) als die Ladezeit des Kondensators C2 bei fehlender
Schutzvorrichtung sein (z.B. etwa 200 ps), um es der
Regelschleife des Gleichspannungswandlers zu ermöglichen, ihre
Funktion zu erfüllen, d.h., im vorliegenden Fall, einen
momentanen Abfall der Versorgungsspannung +V zu vermeiden.
Dementsprechend sind die Schaltungselemente R1, C1 und T1 bemessen.
Der Drain-Source-Scheinwiderstand des Transistors T1 im
gesättigten Zustand wird im übrigen in Abhängigkeit von dem Strom
bestimmt der benötigt wird, um die Karte zu speisen, wenn sie
im Standardbetrieb arbeitet.
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Vor dem Abschalten der Karte war der Kondensator C1
auf die Spannung +V aufgeladen. Beim Abschalten fällt
plötzlich das Potential, das an einer seiner Klemmen liegt, die an
die Klemme 20 angeschlossen ist, d.h., über die
Anschlußstekker 6 und 7 an den Anschluß 2, von +V auf 0, während das
Potential an seiner anderen Klemme, die an die Kathode der Diode
D1 angeschlossen ist (wobei die Anode der Diode D1 durch die
Steckverbinder 6 und 7 mit dem Anschluß 3 verbunden ist), in
Bezug auf das Potential von 0 Volt schlagartig negativ wird.
Die anfänglich gesperrte Diode D1 wird damit leitend. Der
Kondensator C1 entlädt sich also rasch über diese Diode,
während die Source-Gate-Spannung VSG des Transistors T1 sehr
schnell abnimmt, was die Sperrung des Transistors T1 zur Folge
hat. Diese Sperrung, die sehr rasch eintritt (praktisch in
einigen Nano-Sekunden), hindert jede Störung im Drain-Bereich
aufgrund der Filterzelle L1-C2 daran, auf die Seite der Source
des Transistors T1, d.h. der Quelle der
Gleichspannungsversorgung übertragen zu werden.
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Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform der
Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung entspricht dem Fall
einer Speisung der Karte mit einer positiven Spannung +V und
einer negativen Spannung -V, die an die mit 2' und 3'
bezeichneten Versorgungsanschlüsse angelegt sind, wobei das
Bezugspotential 0V an einen mit 10 bezeichneten Anschluß vorliegt.
Die Versorgungsquelle, die beiden Spannungen +V und -V liefert
und an die die Anschlüsse 2' und 3' und 10 angeschlossen sind,
ist mit 8' bezeichnet, während die Schutzvorrichtung selber
mit 1' bezeichnet ist.
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Die mit 4' bezeichnete Filterzelle setzt sich dann in
bekannter Weise aus zwei Filterzellen 41 und 42 für diese zwei
Spannungen zusammen. Diese beiden Zellen entsprechen im
vorliegenden Falle der Zelle 4 der Figur 2 und weisen somit je
eine Induktivität und einen Kondensator L11 und C21 bzw. L12
und C22 auf. Am Ausgang dieser beiden Zellen 41 und 42 sind
zwei Lasten 51 und 52 angeordnet, die Schaltungen der
betrachteten Karte darstellen, welche über die Schutzvorrichtung 1'
und entsprechend die Zellen 41 und 42 gespeist werden.
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Die Schutzvorrichtung 1', die über einen
Kartensteckverbinder 6' und einen Einschubsteckverbinder 7' an die
Versorgungsanschlüsse 2', 3' und 10 angeschlossen ist, setzt sich
ebenfalls aus zwei Vorrichtungen 11 und 12 zusammen, die je
wie die Schutzvorrichtung 1 der Figur 2 einen
Feldeffekt-Leistungstransistor T11 bzw. T12, eine Integrierzelle R11, C11
bzw. R12, C12 und eine Diode D11 bzw. D12 aufweisen, wobei es
jedoch die nachfolgenden Unterschiede gibt.
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Während der Transistor T11 der Vorrichtung 11, wieder
Transistor T1 der Vorrichtung 1 der Figur 2, ein
MOS-Transistor
mit P-Kanal ist, wobei seine Source über die
Steckverbinder 6' und 7' an den Versorgungsanschluß 2' und an das
positive Potential +V angeschlossen ist (und sein Drain an die
Eingangsklemme der Filterzelle 41 angeschlossen ist, die mit
der Induktivität L11 verbunden ist), ist der Transistor T12
der Vorrichtung 12 ein MOS-Transistor mit N-Kanal, wobei seine
Source über die Steckverbinder 6' und 7' an den
Versorgungsanschluß 3' und an das negative Potential -V angeschlossen
(und sein Drain ist an die Eingangsklemme der Filterzelle 42
angeschlossen, die mit der Induktivität L12 verbunden ist).
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Der dem Widerstand R11 und der Diode D11 gemeinsame
Verbindungspunkt auf Seiten der Anode der Diode, ist an den
Drain D des Transistors T12 angeschlossen, und in gleicher
Weise ist der dem Widerstand R12 und der Diode D12 auf Seiten
von deren Kathode gemeinsame Anschlußpunkt an den Drain D des
Transistor T11 angeschlossen. Dies ermöglicht es, beim
Abschalten der mit einer solchen Schutzvorrichtung ausgerüsteten
Karte die Dioden D11 und D12 schneller leitend zu machen und
anschließend die Transistoren T11 und T12 schneller zu
sperren, als im Falle der Schaltung der Figur 2.
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Im übrigen ist ein Widerstand R21 zwischen die Source
S und den Drain D des Transistors T11 geschaltet, und
desgleichen ist ein Widerstand R22 zwischen die Source S und den
Drain D des Transistors T12 geschaltet. Dies ergibt beim
Anschließen der mit der Schutzvorrichtung ausgerüsteten Karte
(d.h., beginnend bei einem Anfangszustand, bei dem die
Transistoren T11 und T12 gesperrt sind), eine Ladeschaltung für den
Kondensator C11, im vorliegenden Fall über den Widerstand R11
und den Widerstand R22, und ebenso eine Ladeschaltung für den
Kondensator C12, im vorliegenden Fall über den Widerstand R12
und den Widerstand R21.
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Um nicht das Leistungsvermögen der Schaltung zu
verschlechtern, müssen die Widerstände R21 und R22 einen hohen
Wert besitzen, beispielsweise 1 MΩ.
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Die Erfindung wurde im Rahmen einer Anwendung auf eine
Druckschaltungskarte beschrieben, die in einen Einschub eines
Gestells einer elektronischen Anlage einsteckbar ist, aber
selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung
beschränkt. Sie kann insbesondere bei jeder elektronischen
Einheit 'in einer Gruppe von elektronischen Einheiten
eingesetzt werden, die von einer gemeinsamen, elektrischen
Gleichspannungsversorgungsquelle gespeist werden und individuell an
diese Quelle anschließbar oder abtrennbar sind, und zwar mit
dem Ziel, im Moment des elektrischen Anschaltens oder
Abschaltens einer der Einheiten Störungen in der von dieser
gemeinsamen Quelle gelieferten Speisespannung und anschließend in
der Speisung der anderen Einheiten der Gruppe zu vermeiden,
die in diesem Moment an die Quelle angeschlossen sind.
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Wie ersichtlich, bleibt die Schutzvorrichtung gemäß
der Erfindung, die besonders im Falle der Verwendung von
individuellen Filterzellen bei der Versorgung dieser verschiedenen
elektronischen Einheiten wirkungsvoll arbeitet, dennoch auch
nützlich, wenn solche individuellen Filterzellen fehlen,
insbesondere um einen eventuellen Abfall der von der gemeinsamen
Versorgungsquelle dieser Einheiten gelieferten Speisespannung
beim Anschließen einer Einheit zu vermeiden.