Telekommunikationsausrüstung muss in der Lage sein, die in den relevanten Normen definierten Überspannungen und Leistungsfehler zu überstehen. Dazu kann Schutz entweder dezentral oder an den Anschlüssen der Ausrüstung bzw. an beiden bereitgestellt werden. Zusätzlich bzw. alternativ ist ein Schutz dadurch möglich, die Ausrüstung widerstandsfähiger zu machen. Bei der Entwicklung einer Schaltungsschutzstrategie muss man stets das komplette System in Erwägung ziehen. Um die Kosten zu senken, kann man die Fähigkeiten des Schutzschemas reduzieren – dann muss man jedoch zur Kompensation andere Komponenten robuster ausführen. In solch einem Fall können die Kosten der Zuverlässigkeitsverbesserungen nachgeschalteter Komponenten die Kosteneinsparungen überschreiten, die durch weniger robuste Schutzvorrichtungen erzielt werden. Bei einer guten Anordnung lassen sich die Kompromisse optimieren. VDSL-Technik (Very-high-speed Digital Subscriber Line) vereinfacht die Lieferung von Informationen bei Geschwindigkeiten von bis zu 52 MBit/s. Bei der Standard-VDSL-Bereitstellung wird ein Frequenzspektrum von bis zu 12 MHz eingesetzt, während VDSL2 optional bis zu 30 MHz zulässt. Die Funktionen von VDSL hängen vom Abstand zwischen der Anwender- und Endkundenausrüstung sowie vom Zustand der bestehenden Kupferanlage und der Kupferinfrastruktur außerhalb der Anlage ab. Je nach Schleifenbedingungen kann VDSL verschiedene Bitraten und Dienste mit hohen Bandbreiten wie z. B. einen HDTV-Kanal über Telefonkupferaderpaare unterstützen. Weil VDSL-Ausrüstung mit der Kupferleitungs-Infrastruktur des öffentlichen Telefonnetzes (Public Switched Telephone Network, PSTN) verbunden ist, kann die Ausrüstung Überstrom- und Überspannungsgefahren ausgesetzt sein. Ursächlich für diese Risiken sind Kurzschlüsse zur Netzspannung, induktive Netzspannungs-Einkopplungen und durch Blitzschlag bedingte Spannungsanstiege. Rücksetzbare, polymerische, positive Temperaturkoeffizient-Überstrom-Schutzbausteine (Polymeric Positive Temperature Coefficient, PPTC) lassen sich in einem koordinierten Schutzschema zusammen mit Überspannungsschutzgeräten wie etwa Gasentladungsröhren (Gas Discharge Tubes, GDTs) und Thyristor-Überspannungsbegrenzern einsetzen, um Ausrüstungsausfälle und Garantiekosten zu reduzieren.
Kopplungs- und Rückflussverluste reduzieren
Die Erweiterung des Signalspektrums von 10 auf 30 MHz stellt VDSL-Systementwickler vor neue Herausforderungen. Die wichtigsten sind die Verminderung der Einfüge- und Reflexionsdämpfung und die Auswirkungen auf Reichweite und Bandbreiten in Hochgeschwindigkeits-Anwendungen. Im oberen Bereich des VDSL-Frequenzspektrums wird die Kapazität der Überspannungs-Schutzbausteine zum Problem, weil sie zu einer höheren System-Einfügedämpfung führen kann. In Tests bei Tyco Electronics zeigte sich, dass kapazitätsarme Thyristoren und Gasentladungsröhren für Schaltungen mit hoher Datenrate und damit auch für VDSL-Anwendungen geeignet sind. Abbildung 1 zeigt die Kapazitätsauswirkungen auf die Einfügedämpfung bei mehreren Überspannungsschutz-Konfigurationen. Darin ist ersichtlich, dass GDTs niedriger Kapazität (1 pF) die geringsten Einfügedämpfung aufweisen, wobei standardmäßige 50-A-Thyristoren (15 pF bei 50 VDC Vorspannung) und 100-A-Mikrokapazitäts-Thyristoren (20 pF bei 50VDC Vorspannung) eine etwas höhere Einfügungsdämpfung aufweisen. Die in diesem Testdiagramm dargestellten Einsatzmodule bestehen entweder aus einer 230-V-3-Pol-GDT oder zwei in Serie geschalteten 270-V-Thyristoren, die mit zwei 0,3 m langen Stücken Kat.-5e-Leiter mit verdrillten Leitungspaaren verbunden sind. Für die Messung der Einfügungsdämpfung hat man einen Vektornetzwerkanalysator 8753ES von Agilent mit zwei 0301BB-50:100-Ohm-Breitbandtransformatoren von North Hills eingesetzt. Die Transformatoren dienten zur Messung der Einfügungsdämpfung der Module bei einer Impedanz von 100 Ohm, was der Leitungsimpedanz über das VDSL-Frequenzspektrum hinweg entspricht. Die Kapazität bei 1 MHz ohne Vorspannung wurde mithilfe eines HP-4195-Niederfrequenz-Impedanzanalysators gemessen.
Niedrigkapazitätslösung für VDSL implementieren
Die VDSL-Lösung im Schaltplan in Abbildung 2 zeigt ein optimiertes Schaltungsschutz-Konzept und zeichnet sich durch eine verringerte Kapazität und einen geringeren Energiedurchlass aus. Wie im Schaltplan zu sehen ist, bietet die Gasentladungsröhre GDT1 den primären Schutz (bei 350 bis 1.000 V). GDT2 und GDT3 sind in Serie mit den Thyristoren geschaltet. In diesem Aufbau hilft der Thyristor bei der Verminderung der GDT-Durchbruchsspannung und verringert die Durchlassenergie im Falle von Spannungsstößen. Die PolySwitch-PPTCs (Polymeric Positive Temperature Coefficient) helfen bei der Koordination der primären und sekundären Schutzfunktionen. Die Abbildungen 3, 4 und 5 zeigen Testergebnisse für diese Schutzmethode und belegen, dass die Kombination von GDT und Thyristor unter Rufsignalspannung nicht durchbricht und die Rufsignalspannung nicht begrenzt. Auf dem in Abbildung 3 aufgenommenen Oszilloskopbildschirm beträgt die Eingangsspannungsrate 100 V/s. Die DC-Durchbruchsspannung wird bei 287 V erzielt, was höher liegt als die Rufsignalspannung von 200 V. Abbildung 4 zeigt die Daten aus einem mit einem AC-Spannungseingang von 150 Vrms durchgeführten Test. Die Ergebnisse zeigen keine Spannungsbegrenzung an, was darauf hindeutet, dass die Kombination GDT/Thyristor unter der Rufsignalspannung nicht durchbricht und diese nicht begrenzt. Hier bestimmt die Thyristor-Komponente den statischen Durchbruch. In Abbildung 5 hat man den gleichen Test gemäß ITU K.20 10/700μS bei 4 kV durchgeführt. Die Oszilloskopwerte zeigen die Durchbruchspannung der Kombination GDT/Thyristor bei 392 V an. Ebenfalls angegebene Spannungen sind die GDT-Durchbruchsspannung von 330 V sowie die Thyristor-Durchbruchsspannung von 250 V. Hier wird die dynamische Durchbruchspannung durch die GDT bestimmt.
Fazit
Gasentladungsröhren werden oft eingesetzt, um empfindliche Telekommunikationsausrüstung vor durch Transienten und Überspannungen verursachten Beschädigungen zu schützen, die sich auf Blitzschlag oder Ausrüstungsschaltvorgänge zurückführen lassen. GDTs werden vor und parallel zur empfindlichen Ausrüstung geschaltet und fungieren als Hochimpedanz-Komponente, während sie im normalen Betrieb das Signal nicht beeinflussen. Aufgrund ihrer niedrigen Kapazität weisen GDTs eine geringere Einfügungsdämpfung auf als viele andere Überspannungsschutz-Techniken. Aufgrund ihrer schnellen und präzisen Durchbruchspannung sind GDTs für Anwendungen wie MDF(Main Distribution Frame)-Module, Telekommunikationsanwendungen bei einer hohen Datenrate (z. B. VDSL und xDSL) sowie für den Schutz von Stromleitungen vor rapiden Spannungsanstiegen geeignet. Wenn sie in einem koordinierten Schutzschema mit PPTC-Bausteinen und Thyristoren eingesetzt werden, können Gerätehersteller dadurch auch sehr strikte Normen und Vorgaben einhalten.
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