DE2320075A1 - Schutzschaltung fuer elektronische geraete und bauelemente - Google Patents

Schutzschaltung fuer elektronische geraete und bauelemente

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DE2320075A1
DE2320075A1 DE19732320075 DE2320075A DE2320075A1 DE 2320075 A1 DE2320075 A1 DE 2320075A1 DE 19732320075 DE19732320075 DE 19732320075 DE 2320075 A DE2320075 A DE 2320075A DE 2320075 A1 DE2320075 A1 DE 2320075A1
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diodes
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spark gap
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DE19732320075
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Manfred Dipl Ing Weinger
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Messwandler Bau GmbH
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Messwandler Bau GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/06Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using spark-gap arresters

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

  • Schutzschaltung für elektronische Geräte und Bauelemente Es ist eine Schaltung zum Schutz empfindlicher elektronischer Schaltelemente, wie Transistoren, Schaltdioden od. dgl., bekannt, die diese Schaltelemente gegen durch Starkstrombeeinflussung auf der Eingangsleitung hervorgerufene Überspannungen dadurch schützt, daß quer zur Übertragungsrichtung der zu schützenden Elemente ein Überspannungsableiter angeordnet ist, dem weitere Schutz elemente in Form von Dioden nachgeschaltet sind. Der Überspannungsableiter weist eine niedrige Ansprechspannung auf. Er ist als Grobschutz wirksam, da er beim-Auftreten von Uberspannungen zuerst anspricht, während die im Übertragungsweg nachgeschalteten Dioden nur mit der am Überspannungsableiter auftretenden Restspannung beaufschlagt werden (vergleiche DT-AS 1 517 026).
  • Nachteilig an dieser bekannten Schutzschaltung ist, daß kein Schutz gegen schnell ansteigende Überspannungen besteht, da der durch die Dioden gegebene Feinschutz erst nach dem Ansprechen des Uberspannungsableiters (Grobschutz) wirksam wird. Die Ansprechzeit von Uberspannungsableitern bei steilen Uberspannungen ist im Vergleich zur Ansprechzeit von elektronischen Bauelementen, wie z.B. Dioden, relativ groß, so daß hohe Überspannungsspitzen auftreten können, wodurch unter Umständen eine Zerstörung der in Sperrichtung beanspruchten Dioden bei den bekannten Schutzeinrichtungen möglich ist.
  • Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für elektronische Geräte und Bauelemente gegen steil ansteigende Überspannungen auf deren Eingangsleitungen, die nach einem völlig anderen Prinzip arbeitet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, empfindliche elektronische Geräte und Bauelemente gegen steil ansteigende Überspannungen, wie sie z.B. in Energieversorgungsnetzen, Hochspannungsanlagen und Versuchsaufbauten durch Über- oder Durchschläge von Isolier- oder Prüfanordnungen entstehen können, wirksam zu schützen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Eingangsleitungen durch eine schnell ansprechende elektronische Schalteinrichtung gesperrt und der fließende Kurzschlußstrom in ein Element höherer SLromtragfähigkeit (Funkenstrecke, Überspannungsableiter od. dgl.) kommutiert wird.
  • Das Prinzip der erfindungsgemäßen schnell ansprechenden elektronischen Überspannungsschutzeinrichtung beruht darauf, daß parallel zur Übertragungseinrichtung eine elektronische Schalteinrichtung beim Auftreten von Überspannungen den Ausgang der Schalteinrichtung sperrt. Die erwünschte kurze Ansprechzeit der Schalteinrichtung wird durch Verwendung von schnell schaltenden elektronischen Schaltelementen erreicht, deren Ansprechzeit im Nanosekundenbereich liegt. Der Spannungsabfall an einem im Zuge der Leitung eingeschalteten Längswiderstand; der-durch den während der Überspannung fließenden hohen Strom entsteht, zündet ein Element höherer Stromtragfähigkeit, beispielsweise einen Überspannungsableiter, wodurch der Strom von der elektronischen Schalteinrichtung in dieses Element höherer Stromtragfähigkeit kommutiert -wird.
  • Mit Vorteil besteht die elektronische Schalteinrichtung aus zwei entgegengesetzt geschalteten Dioden, denen je eine Zenerdiode entgegengesetzt in Reihe geschaltet ist, wobei die Dioden und Zenerdioden quer zur Ubertragungsrichtung vor dem zu schützenden elektronischen Gerät oder Bauelement angeordnet sind und wobei ferner quer zur Übertragungsrichtung und im Ubertragungsweg vor den Dioden neben einem Überspannungsableiter ein weiteres Schutzelement in Form einer Funkenstrecke vorgesehen ist.
  • Die Dioden und Zenerdioden können durch eine gesonderte Spannungsquelle vorgespannt sein.
  • Durch die Verwendung vorgespannter Schaltdioden als Schaltelement wird ein Ansprechen der elektronischen Schalteinrichtung bis zum Überschreiten eines durch die Zenerdioden vorgegebenen Spannungswertes ermöglicht und dadurch eine Begrenzung der Überspannung am Ausgang der Schutzschaltung bewirkt. Zum Schutz gegen Überspannungen unterschiedlicher Polarität ist ein Diodenpaar mit antiparallel geschalteten Dioden vorgesehen.
  • Durch die zusätzliche Vorspannung der kapazitätsarmen Schaltdioden in Sperrichtung ist kein wesentlicher Einfluß auf das Meßsignal auch bei Übertragung hoher Frequenzen (bis über 100 MKz) vorhanden.
  • Die von der elektronischen Schalt einrichtung zum Eingang eines Meßkabels geführten Leitungen sind zur Kompensation des Überschwingens günstigerweise gekreuzt geführt. Derartige Überschwingungen können mit zunehmender Steilheit der Überspannung während des Schaltvorganges der elektronischen Schalteinrichtung in der zwischen deren Klemmen und dem Eingang des Meßkabels gebildeten Meßschleife durch die dort induzierte Spannung -und durch den Spannungsabfall an der Eigeninduktivität der Schaltelemente entstehen.
  • Mit-Vorteil ist in der Eingangsleitung ein Kommutierungswiderstand vorgesehen und so wählbar, daß er zusammen mit dem Innenwiderstand des das Meßsignal liefernden Elementes als Kabelabschlußwiderstand dient.
  • Von Vorteil ist ferner, wenn dem einen statischen Schutz bildenden Überspannungsableiter, der bei relativ langsam ansteigenden Überspannungen anspricht, ein dynamischer Schutz in Form einer Funkenstrecke parallel geschaltet ist und die Funkenstrecke zur Verbesserung des Zündverhaltens als Gleitanordnung ausgeführt ist. Eine als Gleitanordnung ausgebildete Funkenstrecke besitzt eine niedrige Ansprechspannung und eine günstige Stoßkennlinie.
  • Für hohe Kurzschlußströme ist es vorteilhaft, wenn weitere Funkenstrecken mit höherer Schaltleistung im Übertragungsweg vor dem Überspannungsableiter bzw. der ersten Funkenstrecke quer zur Übertragungsrichtung angeordnet sind.
  • Auch die zusätzlichen Funkenstrecken werden mit Hilfe von Serienwiderständen angekoppelt, durch die der Strom aus den vorgeschalteten Schaltelementen (Funkenstrecke bzw. Überspannungsableiter) kommutiert wird. Damit erhält man ein stufenweises Fortschalten des infolge von Durchschlägen, Schalthandlungen od. dgl. auftretenden Überstromes in immer höher belastbare Schaltelemente, so daß neben der erforderlichen kurzen Ansprechzeit auch eine hohe Abschaltleistung gewährleistet ist.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung für elektronische Geräte und Bauelemente gemäß der Erfindung.
  • Fig. 2 zeigt eine Schutzschaltung gemäß der Erfindung mit erhöhter Abschaltleistung durch eine Folgeschaltung von Funkenstrecken.
  • Der Eingang 1 der in Fig. 1 dargestellten elektronischen Schutzschaltung 2 ist mit der Ableitung eines Prüflings 3, an dem beispielsweise eine Teilentladungsmessung vorgenommen wird, verbunden. Der Ausgang 4 der Schutzschaltung 2 kann über ein Meßkabel 5 an einen zeichnerisch nicht dargestellten Kathodenstrahloszillographen, der das zu schützende Bauelement darstellt, angeschlossen sein. Die Schutzschaltung 2 weist zwei entgegengesetzt gepolte (Schalt-)Dioden 6, 7 auf, denen je eine Zenerdiode 8, 9 entgegengesetzt in Reihe geschaltet ist. An die- Verbindungsleitungen der Diode 6 und der Zenerdiode 8 einerseits sowie der Diode 7 und der Zenerdiode 9 andererseits sind Ableitwiderstände 10 bzw. 11 in Reihe mit Blockkondensatoren 12 bzw. 13 angeschlossen. Zwischen den Ableitwiderständen 10, 11 befindet sich eine Spannungsquelle 14, durch die die Dioden 6, 7 mit Hilfe der Zenerdioden 8, 9 an eine Vorspannung gelegt sind. Die Dioden 6, 7 bzw. Zenerdioden 8, 9 sind quer zur Übertragungsrichtung an die Eingangsleitung 15 für das zu schützende Bauelement angeschlossen und begrenzen die Überspannung auf den Wert der Vorspannung. Im Übertragungsweg sind vor den Dioden 6, 7 bzw. Zenerdioden 8, 9 quer zur Übertragungsrichtung ein Überspannungsableiter 16 und eine Funkenstrecke 17 vorgesehen, die über einen in die Eingangsleitung 15 geschalteten Kommutierungswiderstand 18 mit den Dioden 6, 7 bzw. Zenerdioden 8, 9 gekoppelt sind. Die Ansprechzeit der Schaltdioden 6, 7 liegt im Nanosekundenbereich (beispielsweise bei 1.. ns), während die Ansprechzeit des Überspannungsableiters 16 6 (beispielsweise ca. 1 ps) und der Funkenstrecke 17 (beispielsweise ca. 100 ns) um mindestens eine Größenordnung höher ist. Die Ansprechspannung der Zenerdioden 8, 9 ist der Meßspannung in dem Prüflingszweig (Spannung ue am Meßwiderstand Re in Fig. 1) angepaßt, so daß-unter Normalbedingung-en---die Schutzeinrichtung sich gegenüber dem zu schützenden elektronischen Gerät oder Bauelement durch die geringe Eigenkapaität der Schaltdioden 6, 7 neutral verhält. Im Falle eines Durchschlages des Prüflings 3 treten jedoch hohe Überspannungen auf, die das zu schützende Gerät oder Bauelement, beispielsweise empfindliche Meßeinrichtungen, wie KathodenstrahIoszillographen, gefährden oder gar zerstören können. Hier schafft die Erfindung Abhilfe.
  • Durch die elektronischen Schalter (Dioden 6, 7) wird nämlich mit einer praktisch vernachlässigbaren Zeitverzögerung von nur wenigen Nanosekunden der in der Meßschleife fließende Strom begrenzt. Da die Schaltdioden 6, 7 nur kurzzeitig hohe Ströme führen können, wird mit Hilfe des Spannungsabfalles am Serienwiderstand 18 der Strom in den Überspannungsableiter 16 (statischer Schutz) bzw. in die Funkenstrecke 17 (dynamischer Schutz) kommutiert.
  • Für sehr hohe Kurzschlußströme bzw. Überströme, d.h. für hohe Abschaltleistungen kann'es von Vorteil sein, wenn eine oder mehrere weitere Funkenstrecken F51. . FS vorgesehen sind, in die mittels weiterer in die Eingangsleitung 15 eingeschalteter Serienwiderstände R1... Rn der Strom aus der jeweils vorhergehenden Funkenstrecke kommutiert wird (Fig. 2). Dadurch erhält man eine mehrstufige Schutzanordnung, die für hohe Abschaltleistungen geeignet ist.
  • Die Dioden 6, 7 besitzen eine im Vergleich zu den Zenerdioden 8, 9 sehr geringe Eigenkapazität. Durch die Reihenschaltung der Dioden 6, 7 mit den Zenerdioden 8, 9 wird sichergestellt, daß eine Herabsetzung der oberen Grenzfrequenz durch die Eigenkapazität der Dioden am Ausgang der Schutzschaltung vernachlässigbar bleibt.
  • Bei steilen Überspannungen tritt beim Ansprechen der Schaltdioden 6, 7 ein schneller Stromanstieg auf, der in der Meßschleife eine Spannung induziert, die sich als Überschwingen vor der Begrenzung bemerkbar macht. Dieses Überschwingen läßt sich auf einfache Weise durch entsprechenden Aufbau der Meßschleife kompensieren. Das wird dadurch erreicht, daß die einen Teil der Meßschleife bildenden Eingangs- und Erdleitungen 19, 20, wie in Fig. 1 schraffiert dargestellt, gekreuzt zu dem Meßkabel 5 des zu schützenden Bauelementes geführt sind.
  • Der schnelle elktronische Überspannungsschutz bietet nicht nur empfindlichen Meßeinrichtungen, wie Kathodenstrahloszillographen, digitalen Meßeinrichtungen usw., einen wirksamen Schutz, sondern ist überall dort anwendbar, wo empfindliche elektrische bzw. elektronische Geräte und Bauelemente vor Überspannungen bzw. -strömen geschützt werden müssen. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Meß- und Prüfvorgänge, bei denen die Gefahr von Durch- oder Überschlägen des Prüfobjektes nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden können, sowie Einrichtungen in Energieversorgungsnetzen, die mit elektronischen Bauelementen bestückt sind, wie selektive Schutz- oder Meßeinrichtungen, und durch den Einsatz im Netz besonders durch Überspannungen gefährdet sind.

Claims (7)

Patentansprüche
1.)Schutzschaltung für elektronische Geräte und Bauelemente gegen steil ansteigende Überspannungen auf deren Eingangsleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsleitungen durch eine schnell ansprechende elektronische Schalteinrichtung (2) gesperrt und der fließende Kurzschlußstrom in ein Element höherer Stromtragfähigkeit (Funkenstrecke, Überspannungsableiter od. dgl.) kommutiert wird.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung (2) aus zwei entgegengesetzt geschalteten Dioden (6, 7) besteht, denen je eine Zenerdiode (8, 9) entgegengesetzt in Reihe geschaltet ist, daß die Dioden (6, 7) und Zenerdioden (8, 9) quer zur Übertragungsrichtung vor dem zu schützenden elektronischen Gerät oder Bauelement angeordnet sind und daß quer zur Übertragungsrichtung und im Ubertragungsweg vor den Dioden (6, 7) neben einem Überspannungsableiter (16) ein weiteres Schutzelement in Form einer Funkenstrecke (17) vorgesehen ist.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (6, 7) und Zenerdioden (8, 9) durch eine gesonderte Spannungsquelle (14) vorgespannt sind.
4. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der elektronischen Schalteinrichtung (2) zum Eingang eines Meßkabels (5) geführten Leitungen (19, 20) zur Kompensation des Überschwingens gekreuzt geführt sind.
5. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Eingangsleitung ein Kommutierungswiderstand (18) vorgesehen und so wählbar ist, daß er zusammen mit dem Innenwiderstand (Re) des das Meßsignal liefernden Elementes (ue) als Kabelabschlußwiderstand dient.
6. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem einen statischen Schutz bildenden Überspannungsableiter (16), der bei relativ langsam ansteigenden Überspannungen anspricht, ein dynamischer Schutz in Form einer Funkenstrecke (17) parallel geschaltet ist und daß die Funkenstrecke (17) zur Verbesserung des Zündverhaltens als Gleitanordnung ausgeführt ist.
7. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Funkenstrecken ....... FSn) mit höherer Schaltleistung im Übertragungsweg vor dem Überspannungsableiter (16) bzw. der ersten Funkenstrecke (17) quer zur Übertragungsrichtung angeordnet sind.
L e e r s e i t e
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