DE3425533C1 - Schaltungsanordnung zum selbsttätigen Schließen einer unterbrochenen Fernspeiseschleife vor einer Unterbrechungsstelle - Google Patents

Description

• In diesem Zusammenhang ist ein mit Halbleiterelementen aufgebauter Querzweig von Vorteil, da die Vorschaltdrossel dann im wesentlichen nur zur di/dt-Begrenzung benötigt wird und daher vergleichsweise klein sein kann. Außerdem erlaubt der vergleichsweise große zulässige Stoßstrom einen relativ kleinen Ohm-Wert des Widerstandes im Querzweig. Dadurch ergibt sich eine geringe Wärmeerzeugung im Fehlerfall, bei dem der Fernspeisestrom über den Querzweig fließt.
• Allerdings erfordern Thyristoren zu ihrer Ansteuerung vergleichsweise große Steuerströme. Da weiterhin am Querzweig der Schaltungsanordnung Spannungen verschiedener Größe liegen können, kann die Bemessung der Widerstände im Steuerkreis Schwierigkeiten bereiten, da einerseits die Verlustleistung bei hoher Spannung gering und andererseits der Steuerstrom bei niedrigen Spannungen ausreichend groß sein soll.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sich der im Querzweig befindliche erste Schalter als elektronischer Schalter möglichst sicher und verlustarm steuern läßt. Insbesondere soll die Schaltungsanordnung dabei in der Lage sein, ungewollte Querverbindungen über den Querzweig, die durch Beeinflussungsspannungen oder -ströme entstehen können, selbsttätig aufzuheben.
• Gemäß der Erfindung wird die Schaltungsanordnung zur Lösung dieser Aufgabe in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Weise ausgebildet. Der nichtlineare Zweipol nach Art einer Z-Diode kann dabei z. B. eine Serienschaltung von Dioden sein, wobei die Summe der Schwellenspannungen der Dioden wirksam ist. Vorzugsweise finden eine oder mehrere Z-Dioden Verwendung.
• Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders verlustleistungsarme und zuverlässig arbeitende Schaltungsanordnung.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung wird anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
• In der Figur ist eine Schaltungsanordnung zum Schließen der Fernspeiseschleife bzw. ein sogenannter Schaltzusatz für reihengespeiste Zwischenverstärker bzw. -regeneratoren bei Streckenunterbrechungen dargestellt. Ein solcher Schaltzusatz sorgt dafür, daß der fehlerfreie Teil der Strecke in Betrieb bleiben kann. Mit Hilfe der Schaltungsanordnung wird die Fernspeiseschleife 17 so geschlossen, daß keine gefährlichen Dauerspannungen vor der Unterbrechungsstelle entstehen.
• Bei intakter Strecke ist die Schaltungsanordnung in der Lage, ungewollte Querverbindungen, welche durch Beeinflussungsspannungen oder -ströme entstehen können, selbsttätig aufzuheben.
• Bei dem in der Figur gezeigten Fernspeisekreis 17 werden mit Hilfe der Konstantstromquelle 1 einer Speisestelle über den Fernspeisekreis 17 mehrere Zwischenstellen einer Nachrichtenübertragungsstrecke ferngespeist. Von den Zwischenstellen sind jeweils die ferngespeisten Verbraucher 31 ... 3n dargestellt, die in den Fernspeisestrompfaden 17, und 172 der Fernspeiseschleife 17 liegen und die insbesondere durch Speiseeingänge von Zwischenverstärkern bzw. Regeneratoren gebildet sind. Gegebenenfalls kann je Zwischenstelle ein einziger Speiseeingang vorgesehen sein.
• Auf der der Speisestelle abgewandten Seite der gezeigten Verstärkerstelle, d. h. im weiterführenden Teil der Fernspeiseschleife ist in die Ader 172 der Meßwiderstand 20 eingefügt. Zwischen den Verbrauchern 3, und dem Meßwiderstand 15 ist zwischen den beiden Adern 171 und 172 ein Querzweig Q vorgesehen, der die Speiseeingänge der Regeneratoren 31 miteinander verbindet und aus der Serienschaltung der Drossel 8, des Widerstandes 9, des Thyristors 11, der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 10 und des Widerstandes 12 besteht. Dabei ist die Drossel 8 durch die für die Fernspeisespannung in Sperrichtung gepolte Diode 18 überbrückt.
• Parallel zur Drain-Source-Strecke liegt die für die Fernspeisespannung in Sperrichtung gepolte Z-Diode 15. Die Kathode des Thyristors 11 liegt an der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 10.
• Die Steuerelektrode des Thyristors 11 ist über die Z-Dioden-Serienschaltung 21 an den Fernspeisestrompfad 171 und über die Vierschichtdiode 7 an einen Schaltungspunkt geführt, der einerseits über den Kondensator 6 an die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 10 und andererseits über die Diode 5 an die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 10 gelegt ist. Die Diode 5 ist für die Fernspeisespannung in Durchlaßrichtung gepolt. Die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 10 ist außerdem über den Widerstand 4 an den Fernspeisestrompfad 17 angeschlossen.
• Parallel zur Gate-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 10 liegt die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 16, der mit seiner Basis an den dem Querzweig abgewandten Ende des Meßwiderstandes 20 angeschlossen ist, so daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 16 an der Serienschaltung aus dem Widerstand 20 und dem Widerstand 12 liegt. Der Kollektor des npn-Transistors 16 liegt unmittelbar am Gate des Feldeffekttransistors, der vom n-Typ ist und ist über den Widerstand 14 an den Fernspeisestrompfad 17 geführt.
• Parallel zur Gate-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 10 liegen die Z-Diode 19 und der Kondensator 13.
• Es wird zunächst Normalbetrieb angenommen, bei dem sich auf der der Konstantstromquelle 1 abgewandten Seite des Querzweiges Q weitere Streckenfelder befinden, so daß der gesamte Fernspeisestrom IF durch den Meßwiderstand 20 fließt.
• Der Spannungsabfall am Widerstand 20 ist so groß, daß durch die Basis-Emitter-Strecke des bipolaren Transistors 16 soviel Strom fließt, daß der Transistor 16 voll durchgesteuert ist. Das Gate des Feldeffekttransistors 10, der ein MOS-FET-Transistor ist, hat gegenüber seiner Source-Elektrode die Spannung Null. Der Feldeffekttransistor 10 ist daher gesperrt.
• Der Kondensator 6 ist über die Diode 5 und den sehr hochohmigen Widerstand 4 höchstens auf die Spannung, die von Z-Diode 15 vorgegeben ist, aufgeladen.
• Der Thyristor 11 befindet sich im sperrenden Zustand.
• Die Spannung zwischen den Anschlüssen a 1 und a 2 der Konstantstromquelle 1 teilt sich auf den Feldeffekttransistor 10 und den Thyristor 11 auf. Die Spannungsaufteilung wird vorgegeben durch den Widerstand 4 und die Z-Diode 15. Der Widerstand 12 übernimmt eine nur sehr geringe Spannung, die im betrachteten Zusammenhang vernachlässigt werden kann, da er sehr niederohmig ist.
• Auf diese Weise wird dem Feldeffekttransistor 10 eine, mit Hilfe der Z-Diode 15 nur geringe Spannung zugeordnet. Der größte Teil der Spannung wird vom Thyristor 11 übernommen.
• Wird die Fernspeiseschleife auf der der Konstantstromquelle 1 abgewandten Seite des Querzweiges Q unterbrochen, so wird der Widerstand 20 stromlos, der Transistor 16 sperrt, das Gate des Feldeffekttransistors 10 bekommt eine Spannung, die von der Z-Diode 19 und dem sehr hochohmigen Widerstand 14 bestimmt wird.
• Der Feldeffekttransistor 10 wird leitend. Der Kondensa- tor 6 kann sich über die Vierschichtdiode 7, über die Steuerstrecke des Thyristors 11 und über den Feldeffekttransistor 10 entladen. Der Entladestrom zündet den Thyristor 11 und der Querzweig Q wird leitend und übernimmt nach Entladung der Streckenkapazitäten 21, 22 den Fernspeisestrom IF: Die Vierschichtdiode 7 kann entfallen, wenn der Spannungsanstieg am Gate des Feldeffekttransistors 10 rasch genug vor sich geht. Mit der Vierschichtdiode 7 ist aber auch bei einem langsamen Durchschalten des Feldeffekttransistors 10 ein sicheres Zünden des Thyristors 11 gewährleistet.
• Mit einem langsamen Durchschalten des Feldeffekttransistors ist bei folgendem Vorgang zu rechnen: Das Fernspeisegerät 1, an welchem eine Fernspeiseschleife 17 mit einer Unterbrechung im zweiten Feld angeschlossen ist, wird eingeschaltet. Die Schaltungsanordnung nach der Figur, die zunächst spannungslos ist, soll die Querverbindung über den Querzweig Q herstellen.
• Es muß nun die Zeitkonstante, bestimmt durch den Widerstand 4 und den Kondensator 6, wesentlich kleiner sein als die Zeitkonstante, die durch den Kondensator 13 und den Widerstand 14 bestimmt ist. Der Kondensator 6 muß ausreichend aufgeladen sein, bevor das Gate des Feldeffekttransistors 10 Spannung annimmt, damit für die Zündung des Thyristors 11 ausreichend Energie bereitgestellt wird. Aufgrund der dadurch notwendigen großen Zeitkonstante des RC-Gliedes 14, 13 und dem relativ langsamen Ansteigen der Spannung des Fernspeisegerätes zwischen a 1 und a 2 wird der Feldeffekttransistor 10 langsam durchschalten. Ohne die Vierschichtdiode 7 würde aufgrund der langsamen Veränderung der Spannung am Feldeffekttransistor 10 der Entladestrom des Kondensators 6 zu klein sein, um den Thyristor 11 zu zünden. Die Vierschichtdiode 7 gewährleistet jedoch eine rasche Änderung des Zündkreiswiderstandes und zündet daher den Thyristor 11. Damit ist die Querverbindung über den Querzweig Q hergestellt.
• Die Drossel 8 dient der di/dt-Begrenzung, die Diode 18 zur Rückmagnetisierung der Drossel 8.
• Wird die Unterbrechungsstelle auf der der Konstantstromquelle 1 abgewandten Seite des Querzweiges Q wieder hergestellt, so kann im Widerstand 2Q wieder ein Strom fließen. Der Transistor 16 wird leitend und die Spannung am Gate des Feldeffekttransistors 10 wird Null. Der Feldeffekttransistor 10 sperrt und übernimmt die Spannung, die an den Fernspeisestrompfaden 17r und 172 der Konstantstromquelle 1 vorhanden ist. Diese Spannung ist vor dem Sperren des Querzweiges Q bestimmt durch den konstanten Fernspeisestrom und den Widerstand 9. Nach dem Sperren des Querzweiges Q steigt diese Fernspeisespannung infolge der schrittweisen Inbetriebnahme der nachfolgenden Schaltzusätze mit endlicher Geschwindigkeit an.
• Die Zenerspannung der Z-Diode 15 ist derart bemessen, daß sie größer ist als die Fernspeisespannung, die am Querzweig nach seinem Sperren und vor Sperren des Querzweiges eines darauffolgenden Schaltzusatzes anliegt. Durch den Thyristor 11 und über die Z-Diode 15 kann daher in diesem Betriebszustand kein Strom fließen. Außerdem ist sichergestellt, daß der während dieses Vorgangs auftretende Ladestrom des Kondensators 6 kleiner ist als der Haltestrom des Thyristors 11. Der Thyristor 11 geht daher in den sperrenden Zustand über.
• Der gesperrte Thyristor 11 ist dann in der Lage, den Anteil der über die Zenerspannung der Z-Diode 15 weiter ansteigenden Fernspeisespannung aufzunehmen.
• Der gesamte Querzweig ist wieder gesperrt.
• Ereignet sich - vom Normalbetrieb ausgehend - eine Spannungsüberhöhung durch Blitzbeeinflussung zwischen den Fernspeisestrompfaden 171, 172, SO kann durch die Z-Dioden 7 und 15 ein Zündstrom über das Gitter des Thyristors 11 fließen. Die Streckenkapazitäten 2 und 22 entladen sich über den Thyristor 11, die Z-Diode 15 und den Widerstand 12. Durch den Spannungsabfall am Widerstand 12 sperrt der Transistor 16 und der Feldeffekttransistor 10 wird ebenfalls leitend. Er entlastet die Z-Diode 15 und hält sich selbst leitend, solange der Entladestrom fließt. Mit Ausklingen des Endladestromes überwiegt wieder der Einfluß des Stromes am Widerstand 20. Der Transistor 16 wird leitend und der Feldeffekttransistor 10 sperrt. In weiterer Folge erlangt der Thyristor 11 wieder auf die gleiche Weise seine Sperrfähigkeit wie vorstehend beschrieben. Die Querverbindung Q sperrt wieder. Durch die Z-Dioden 7 und 15 ist sowohl der Feldeffekttransistor 10 als auch der Thyristor 11 vor Überspannungen, insbesondere vor Blitzbeeinflussungen geschützt.

Claims (9)

1. Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zum selbsttätigen Schließen einer unterbrochenen Fernspeiseschleife vor einer Unterbrechungsstelle, für Fernspeiseeinrichtungen, die elektrische Verbraucher (31 ... 3n) mittels Gleichstrom-Reihenspeisung speisen, wobei in einem Querzweig (Q) eine eine Serienschaltung zweier steuerbarer Schalter und einen Widerstand (9) enthaltende Serienschaltung angeordnet ist, wobei der erste Schalter durch den in einem (172) der Fernspeisestrompfade (17s, 172) fließenden Strom derart steuerbar ist, daß er bei Strömen oberhalb eines vorgegebenen Bruchteils vom Nennwert des Fernspeisestromes (IF) geöffnet und bei Strömen unter einem vorgegebenen Bruchteil vom Nennwert des Fernspeisestromes (IF) geschlossen ist und der zweite Schalter durch einen Thyristor (11) gebildet und mittels einer an eine Steuerelektrode angeschlossenen Steuereinrichtung steuerbar ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der erste steuerbare Schalter durch einen mit der Source-Drain-Strecke im Querzweig liegenden Feldeffekttransistor (10) gebildet ist, dessen Source-Drain-Strecke durch einen nichtlinearen Zweipol (15) nach Art einer für die zwischen den Fernspeisestrompfaden (171, 172) liegende Spannung in Sperrichtung gepolten Z-Diode überbrückt ist und mit seiner Drain-Elektrode über einen Widerstand (4) an den einen Fernspeisestrompfad (171) geführt ist und daß die zur Steuerung des Thyristors (11) vorgesehene Steuereinrichtung eine parallel zur Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors (10) angeordnete Serienschaltung aus einer für den Fernspeisestrom in Durchlaßrichtung gepolten Diode (5) und einem Kondensator (6) enthält und daß die Steuerelektrode des Thyristors (11) an den Verbindungspunkt von Diode (5) und Kondensator (6) angeschlossen ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verbindungspunkt von Diode (5) und Kondensator (6) und der Steuerelektrode des Thyristors (11) ein weiterer nichtlinearer Zweipol (7) nach Art einer Vierschichtdiode angeordnet ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Steuerstrecke des Feldeffekttransistors (10) die Emitter-Kollektor-Strecke eines bipolaren Transistors (16) liegt, der durch den in einem der Fernspeisestrompfade (172) fließenden Strom derart steuerbar ist, daß er bei Strömen oberhalb des vorgegebenen Bruchteils vom Nennwert des Fernspeisestromes (IF) leitend und bei Strömen unter dem vorgegebenen Bruchteil vom Nennwert des Fernspeisestromes (IF) gesperrt ist und daß die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors (10) über einen ersten Widerstand (14) an den anderen Fernspeisestrompfad (171) geführt ist
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des bipolaren Transistors (16) unmittelbar mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors (10) und über einen Widerstand (12) an den einen Fernspeisestrompfad (172) geführt ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Steuerstrecke des Feldeffekttransistors (10) eine für die zwischen den Fernspeisestrompfaden (17i, 172) liegende Spannung in Sperrichtung gepolte Z-Diode (19) angeordnet ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Steuerstrecke des Feldeffekttransistors (10) ein Kondensator (13) angeordnet ist.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Querzweig (Q) zwischen der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors (10) und dem einen Fernspeisestrompfad (172) ein Widerstand (12) angeordnet ist.
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Querzweig (Q) zwischen dem Thyristor (11) und dem einen Fernspeisestrompfad (171) eine Drossel (8) angeordnet ist, die durch eine für die an den Fernspeisestrompfaden (171, 172) liegende Spannung in Sperrrichtung gepolte Diode überbrückt ist.
9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Thyristor (11) und dem einen Fernspeisestrompfad (-17l) zusätzlich zur Drossel (8) ein Widerstand (9) angeordnet ist.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebene Schaltungsanordnung.

   Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus der DE-PS 12 67 267 bekannt. Bei der bekannten Schaltungsanordnung handelt es sich um einen sogenannten Schaltzusatz, bei dem im Querzweig ein Relaiskontakt und ein Thyristor in Serie geschaltet sind. Der Relaiskontakt gehört zu einem Relais, das den Strom mißt, der im Fernspeisekreis auf der Seite des Querzweiges fließt, die der Speisequelle abgewandt ist. Der Thyristor liegt mit seiner Steuerelektrode an einem RC-Glied, das parallel zur Anoden-Kathodenstrecke des Thyristor angeordnet ist. Infolge der verzögerten Zündung des Thyristors braucht der Relaiskontakt den Fernspeisestrom nicht zu schalten. Sobald die Störung beseitigt ist, unter bricht der Relaiskontakt den Schleifenquerzweig und löscht dadurch zwangsläufig den Thyristor. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Relais mit einer geringeren Schaltleistung auskommt bzw. die schwer zu erfüllende Forderung nach hoher Schaltleistung bei sehr niedriger Ansprechleistung entfällt.

   Weiterhin ist aus der DE-OS 32 27 866 bereits ein Schaltzusatz bekannt, der im Querzweig keinen mechanischen Kontakt benötigt. Dabei ist der Querzweig mit Hilfe von Thyristoren, d. h. mit Halbleitern realisiert.

   Bei derartigen Schaltungsanordnungen werden bei dem Einschalten des Querzweiges über einen Querwiderstand Punkte der Fernspeisestrecke miteinander verbunden, die im Normalbetrieb Spannungen in der Größenordnung bis zu 103V gegeneinander führen können. Dies verursacht einen Entladestrom der Kabelkapazitäten, welcher z. B. bis über 10 A ansteigen und einige 100 usec anstehen kann.