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Dokumentenidentifikation DE102006026803A1 13.12.2007
Titel Schutzschaltung für eine Eingangsstufe
Anmelder Deutsche Thomson-Brandt GmbH, 78048 Villingen-Schwenningen, DE
Erfinder Gries, Ulrich, 30419 Hannover, DE;
Schreiber, Ulrich, 30827 Garbsen, DE
DE-Anmeldedatum 07.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006026803
Offenlegungstag 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse H02H 9/04(2006.01)A, F, I, 20060607, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04R 3/00(2006.01)A, L, I, 20060607, B, H, DE   H03F 1/52(2006.01)A, L, I, 20060607, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Schutzschaltung weist eine Zenerdiode (D1, D2) auf, die über eine Diode (D3-D6) an einem Koppelkondensator (C1, C2) einer Eingangsstufe angeschlossen ist, wobei parallel zu der Zenerdiode (D1, D2) eine Kapazitäüt (C3, C4) angeordnet ist. Die Kapazität (C3, C4) ist beispielsweise ein Tantal-Elektrolytkondensator mit einem Kapazitätswert, der in dem Bereich des Wertes des Koppelkondensators liegt. Die Schutzschaltung kann insbesondere zum Schutz von empfindlichen Mikrophon-Vorverstärkern verwendet werden, die über den Koppelkondensator mit einem Kondensatormikrophon verbunden sind.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung mit einer Zenerdiode und einer Diode, die an einer Eingangsstufe angeschlossen ist. Eine Schutzschaltung dieser Art wird beispielsweise für Vorverstärker verwendet, die hochempfindliche Eingänge aufweisen, um diese vor ESD- und anderen Entladungs-Spannungspulsen, beispielsweise wenn ein Kondensatormikrophon an der Eingangsstufe angeschlossen ist, zu schützen.

Es ist bekannt, das Mikrophone, insbesondere Kondensatormikrophone, eine Betriebsspannung benötigen, beispielsweise 48 Volt. Für Kondensatormikrophone ist diese Betriebsspannung auch als „Phantom Power" bekannt. Diese Betriebsspannung wird über zwei Koppelkondensatoren von den Eingängen des Vorverstärkers isoliert. Um eine tief-frequente Wiedergabe bis unter 20 Hz zu gewährleisten, müssen die beiden Kondensatoren jedoch eine relativ hohe Kapazität aufweisen, beispielsweise jeweils 47 Mikrofarad. Aufgrund dieser Größe und der anliegenden Spannung speichern die Koppelkondensatoren daher eine beträchtliche Energie, sich die bei unsachgemäßem Hantieren, beispielsweise bei einem Kurzschluss des Eingangs, über den Eingang des Vorverstärkers entladen kann. Hierdurch kann dessen Eingangsstufe zerstört werden.

In dem Artikel G.K. Hebert und F.W. Thomas: "The 48 Volt Phantom Menace", Audio Engineering Society, Convention Paper 5335, 110th Convention 2001, May 12-15, Amsterdam, Niederlande, werden verschiedene Schutzschaltungen für Mikrophonvorverstärker vorgestellt und diskutiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, 20, wird als Schutzschaltung eine Schottky-Diodenbrücke verwendet, die zwei parallel geschaltete Diodenpaare mit je zwei parallelgeschalteten, gegensinnig gepolten Dioden zwischen den beiden Eingängen aufweist. Zur Ableitung von positiven und negativen Spannungsspitzen ist an jedem Verknüpfungspunkt zwischen den Diodenpaaren eine Zenerdiode angeschlossen, die über separate DC Spannungen vorgespannt sind. Als Zenerdioden werden TVS (Transient Voltage Suppresson) Dioden verwendet.

Durch die Schottky-Diodenbrücke werden die Zenerdioden von den Mikrophonsignalen entkoppelt, so dass keine kapazitive Rückwirkungen der TVS Dioden auf die Mikrophonsignale auftreten. Die Schottky-Dioden und die TVS Dioden sind derart gewählt, das in einem Fehlerfall die Spannung an den Vorverstärkereingängen auf maximal 15 Volt und die Spitzenströme in die Vorverstärkereingänge auf weniger als 10 Milliampere reduziert werden konnten.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzschaltung dieser Art weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Schutzschaltung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Schutzschaltung nach der Erfindung weist eine Zenerdiode auf, die über eine Diode mit einem Anschluss einer Eingangsstufe verbunden ist, wobei parallel zu der Zenerdiode eine Kapazität geschaltet ist. Die Zenerdiode ist insbesondere ein speziell für einen Überspannungsschutz geeignetes Zenerdioden-Array, beispielsweise ein TVS Zenerdiodenarray, und die Kapazität ein Tantal-Elektrolytkondensator.

Die Schutzschaltung kann beispielsweise für empfindliche Mikrophon-Vorverstärker verwendet werden, die über einen Koppelkondensator mit einem Kondensatormikrophon betrieben werden. Mikrophonvorverstärker dieser Art müssen eingangsseitig je nach Ausführung auf Eingangssignale kleiner gleich 5 Volt begrenzt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass auch ein speziell für einen Überspannungsschutz konstruiertes TVS-Zenerdiodenarray mit vier Zenerdioden, das über eine Schottky-Diode eingangsseitig angeschlossen ist, eventuell nicht ausreicht, wenn ein Koppelkondensator aus Versehen kurzgeschlossen wird.

Durch die Verwendung einer zusätzlichen Kapazität, insbesondere eines Kondensators, parallel zu dem Zenerdiodenarray kann jedoch die Schutzwirkung dieses Arrays erheblich verbessert werden. Das Zenerdiodenarray braucht offenbar eine gewisse Zeit zum Durchschalten, und der anfängliche Teil des Spannungspulses kann durch die parallel geschaltete Kapazität abgefangen werden, bis das Array durchschaltet. Der Kapazitätswert dieser Kapazität liegt beispielsweise in der Größenordnung des Kapazitätswerts des eingangsseitigen Koppelkondensators.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur eine Schutzschaltung für einen symmetrischen Eingang mit zwei Koppelkondensatoren.

In der Figur ist eine Schaltungsanordnung mit einer Eingangsstufe, die einen symmetrischen Eingang mit Anschlüssen 1 und 2 sowie Koppelkondensatoren C1, C2 aufweist, dargestellt. Die Eingangsstufe ist einem integrierten Vorverstärker, nicht dargestellt, vorgeschaltet, der eingangsseitig zwei Anschlüsse 7 und 8 aufweist. Der Vorverstärker ist beispielsweise ein Mikrophon-Vorverstärker vom Typ PGA2500, erhältlich von Texas Instruments. Dieser IC muss mit zwei Versorgungsspannungen von maximal +/– 5 Volt betrieben werden. Die Eingänge dieses Vorverstärkers sind empfindlich auf elektrostatische Entladungen und die Eingangssignale dürfen insbesondere nicht wesentlich über beziehungsweise unter den verwendeten Versorgungsspannungen liegen.

Die Eingänge 7, 8 des Vorverstärkers sind durch die Koppelkondensatoren C1, C2 mit den Eingängen 1 und 2 wechselspannungsgekoppelt und die Eingangsstufe kann daher mit einem Mikrophon verbunden werden, das eine eigene Versorgungsspannung benötigt. Insbesondere Kondensatormikrophone benötigen eine Versorgungsspannung von +48 Volt. Da von Mikrophon-Vorverstärkern üblicherweise eine Wiedergabe bis herunter zu 20 Hz praktisch ohne Wiedergabeverluste gefordert wird, müssen die Kondensatoren C1, C2 hohe Kapazitätswerte aufweisen, beispielsweise 47 Mikrofarad, da diese in der Schaltungsanordnung als Tiefpassfilter wirken. Die Koppelkondensatoren speichern daher bei Verwendung mit einem Kondensatormikrophon eine vergleichsweise hohe Energie.

Beim unsachgemäßen Handtieren mit den eingangsseitigen Verbindungskabeln kann es jedoch passieren, das einer der Eingänge 1, 2 kurzgeschlossen wird, beispielsweise gegen Masse. Hierdurch wird der betreffende Koppelkondensator C1 oder C2 in sehr kurzer Zeit entladen, wobei Ströme im Amperebereich auftreten können. Dies führt zu Störspannungen, die den Vorverstärker, insbesondere dessen Eingangsstufe, zerstören.

Zum Schutz des Vorverstärkers ist daher eine Schutzschaltung zwischen die Koppelkondensatoren C1, C2 und die Eingänge 7, 8 des Vorverstärkers geschaltet. Diese weist eine Diodenbrücke mit zwei Diodenpaaren, Dioden D3-D6, auf, die zwischen zwei Knoten 3 und 4 angeschlossen sind. Jedes Diodenpaar weist zwei in Serie geschaltete gegensinnig gepolte Dioden auf mit Verknüpfungspunkten 5, 6, wobei das Diodenpaar 3, 4 derart gepolt ist, das eine positive Überspannung über den Knoten 5 abgeleitet wird, und das Diodenpaar 5, 6 derart gepolt ist, das eine negative Überspannung über den Knoten 6 abgeleitet wird. An den Knoten 5 bzw. 6 ist jeweils eine Zenerdiode D1, D2 angeschlossen, durch deren Schwellwerte bestimmt wird, wenn die Dioden D3-D6 durchschalten. Die Dioden D3-D6 sind insbesondere schnelle Schottky-Dioden. Zur Strombegrenzung ist weiterhin jeweils ein Widerstand R1, R2 mit zehn Ohm zwischen jeden Koppelkondensator C1, C2 von dem betreffenden Anschluss 7, 8 geschaltet zur Strombegrenzung.

Die Zenerdiode D1 ist anodenseitig mit Masse verbunden und kathodenseitig über einen Widerstand R3 und eine positive Betriebsspannung +5 Volt auf eine positive Spannung vorgespannt. Die Zenerdiode D2 ist entsprechend über einen Widerstand R4 und eine negative Betriebsspannung –5 Volt auf eine negative Spannung vorgespannt. Die Zenerdioden D1, D2 weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Durchbruchsspannung von 3,3 Volt auf, so dass die Dioden D3-D6 bereits bei Eingangsspannungen von etwa + bzw. –4 Volt durchschalten.

Die Zenerdioden D1, D2 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Zenerdioden-Arrays ausgebildet. Hierdurch können höhere Ströme verarbeitet, beziehungsweise hohe Spannungen schneller abgeleitet werden. Das Zenerdioden-Array ist hierbei eine spezielle, zum Schutz vor Überspannungen ausgebildete Schaltung für empfindliche Eingänge, ein so genanntes TVS Zenerdioden-Array.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch ein Zenerdiodenarray mit vier parallel geschalteten Zenerdioden unter bestimmten Umständen nicht ausreicht für einen effektiven Schutz des Vorverstärkers. Nach der Erfindung ist deshalb jeweils ein Kondensator C3, C4 zu jedem Zenerdiodenarray D1, D2 parallel geschaltet, in diesem Ausführungsbeispiel jeweils ein Tantal-Elektrolytkondensator mit 47 Mikrofarad. Der Kapazitätswert der Kondensatoren C3, C4 liegt hierbei in diesem Ausführungsbeispiel in der Größenordnung des Kapazitätswerts der Koppelkondensatoren C1, C2. Hierdurch ist die Schutzschaltung in der Lage, jegliche Störspannungsspitzen, die bei einem Kurzschluss an dem symmetrischen Eingang 1, 2 auftreten können, sicher abzuleiten für einen zuverlässigen Schutz des angeschlossenen Vorverstärkers.


Anspruch[de]
Schutzschaltung mit einer Zenerdiode (D1, D2), die über eine Diode (D3-D6) an einer Eingangsstufe angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Zenerdiode (D1, D2) eine Kapazität (C3, C4) angeordnet ist. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (C3, C4) ein Elektrolytkondensator, insbesondere ein Tantal-Elektrolytkondensator, ist. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe einen Koppelkondensator (C1, C2) aufweist. Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, und dass der Kapazitätswert der Kapazität (C3, C4) in der Größenordnung des Kapazitätswerts des Koppelkondensators (C1, C2), insbesondere in einem Bereich +/–50% dieses Kapazitätswerts, liegt. Schutzschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Diode (D3-D6) und dem Koppelkondensator (C1, C2) ein Strombegrenzungswiderstand (R1, R2) angeordnet ist. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe einen symmetrischen Eingang mit zwei Anschlüssen (1, 2) aufweist, an denen jeweils ein Koppelkondensator (C1, C2) angeordnet ist, dass die Schutzschaltung eine Diodenbrücke (D3-D6) mit zwei jeweils parallel geschalteten Diodenpaaren und gegenpolig angeordneten Dioden aufweist, die an Knoten (3, 4) nach den Koppelkondensatoren (C1, C2) angekoppelt sind, und dass an Koppelpunkten (5, 6) zwischen jedem Diodenpaar (D1-D6) jeweils eine Zenerdiode (D1, D2) angekoppelt ist. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdiode (D1, D2) ein Überspannungsschutz-Zenerdioden-Array, insbesondere ein TVS Zenerdioden-Array, ist. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdiode (D1, D2) mittels einer DC-Spannung (+5V, –5V) vorgespannt ist. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung einem Eingang (7, 8) eines Vorverstärkers, insbesondere eines Mikrophonvorverstärkers, vorgeschaltet ist. Schaltungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Eingangsstufe mit mindestens einem Koppelkondensator (C1, C2), einen Verstärker und eine zwischen der Eingangsstufe und dem Verstärker angeordnete Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1- 9 aufweist.






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