DE3834514C2 - Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Geräte und Anlagen vor Überspannungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Geräte und Anlagen vor ÜberspannungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum
Schutz elektrischer Geräte und Anlagen vor Überspannun
gen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mit zunehmendem Einsatz der Mikroelektronik in elek
trischen Geräten und Systemen werden diese in wachsendem
Ausmaß durch Transienten beeinflußt. Transienten sind
kurzzeitig (< 8,5 ms) und zufällig auftretende Span
nungsspitzen. Die charakteristische Wellenform kann
sinus- oder exponentialförmig sein. Als Ursachen von
Überspannungen kommen Blitzentladungen (LEMP = Lightning
Electromagnetic Pulse), elektrostatische Entladungen
(ESD = Electrostatic Discharge), durch Schaltvorgänge
kapazitiv oder induktiv eingekoppelte elektromagnetische
Impulse (EMP = Electromagnetic Pulse), nuklear
elektromagnetische Impulse (NEMP = Nuclear-Electromagnetic
Pulse) sowie elektromagnetische Interferenz (EMI = Elec
tromagnetic Interference) in Frage.
Um unerwünschte Funktionsbeeinflussungen und Zerstö
rungen, insbesondere elektronischer Halbleiterschal
tungen zu vermeiden, werden herkömmlicher Weise - oft
auch als Funkenstrecke bezeichnete - gasgefüllte Über
spannungsableiter verwendet. In Wechselstromnetzen
löschen jedoch gasgefüllte Ableiter nach einer Ableitung
in der Regel nicht, weil die Zeit im Nulldurchgang der
Wechselspannung zu kurz ist, um den nachfließenden Strom
(Kurzschlußstrom) aus dem Netz zu unterbrechen. Um das
Löschen dennoch zu ermöglichen, werden daher den gasge
füllten Ableitern bekanntermaßen Varistoren in Serie
(sogenannte Ventilableiter) geschaltet.
Aus der DE-OS 36 11 793 und der DE-OS 36 06 287 sind
Überspannungsschutzeinrichtungen für elektrische Anlagen
bekannt, bei welchen die beiden Leitungen des Netzein
gangs eines elektronischen Apparats jeweils über einen
aus der Serienschaltung eines Varistors und eines
Überspannungsableiters (Entladungsstrecke) gebildeten
Ventilableiter an Schutzerde gelegt sind. Netzseitig
sind zusätzlich als Grobschutz dienende Überstrombe
grenzer (z. B. Schmelzsicherungen) in die Stromzulei
tungen eingeschleift.
Die im Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung
ist jedoch noch insofern nachteilig, als Überspannungen
mit sehr steilen Anstiegsflanken (hohe Spannungssteil
heit (dU/dt) oder Überspannungen, die unterhalb der
Varistor-Ansprechspannung liegen oder Überspannungen mit
hoher Frequenzfolge noch nicht ausreichend gedämpft
werden können.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es somit, die aus dem
Stand der Technik bekannte Überspannungsschutzanordnung
unter Vermeidung o.g. Nachteile so auszubilden, daß
sowohl Transienten hoher Spannungssteilheit und/oder
hoher Frequenzfolge und/oder unterhalb der Varistor-An
sprechspannung liegende Spannungsspitzen optimal ge
dämpft werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen
des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße RC-Beschaltung des Varistors
des jeweiligen Ventilableiters kann mittels einer auf
die zu erwartende Überspannung eingestellten Dimen
sionierung des Kondensators die auftretende Energie
aufgenommen werden und durch den mit dem Kondensator in
Reihe liegenden Widerstand einer eventuell auftretenden
Schwingungsneigung entgegenwirkt werden. Da Varistoren
bekanntlich aus Sinterkeramiken hergestellte
Halbleiterbauelemente sind, die einen
spannungsabhängigen nicht linearen Widerstand aufweisen,
wobei die U-I-Kennlinie der Kennlinie zweier in Serie
gegensinnig geschalteter Zener-Dioden ähnelt, kann die
erfindungsgemäße RC-Beschaltung gleichzeitig als
TSE-Schutz (TSE = Trägerstaueffekt) der Halbleiterventile
dienen.
Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß sowohl der
jeweilige Varistor als auch die jeweilige RC-Beschaltung
an die in die Stromversorgungsleitungen eingeschleiften
Temperatursicherungen thermisch angekoppelt sind.
Hierbei wird durch geeignete Dimensionierung erreicht,
daß die als Grobschutz dienende jeweilige Temperatur
sicherung schon vor dem Auftreten kritischer
Temperaturauswirkungen (Kennlinienveränderung, Bauele
ment-Zerstörung, Bauelement-Auslötung) den
Hauptstrompfad unterbricht.
Vorteilhafte Ausführungen des Erfindungsgegenstandes
sind in den Unteransprüchen näher gekennzeichnet.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs
beispiels soll die Erfindung näher erläutert und be
schrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
den modularisierten Baugruppen I, II,
Fig. 2 die Schaltungsanordnung der jeweiligen mo
dularisierten Baugruppe I, II nebst thermischer
Ankopplung der Bauelemente untereinander,
Fig. 3 eine Seitenansicht des räumlichen Aufbaus der
Bauelemente einer modularisierten Baugruppe
I, II,
Fig. 4 eine Aufsicht auf die auf einer Leiterplatte
aufgebauten Bauelemente einer modularisierten
Baugruppe I, II.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs
gemäßen Schaltungsanordnung zum Schutz elektronischer an
Netzwechselspannung anzulegender Geräte und Anlagen vor
Überspannungen. In einen Phasenleiter L ist zwischen
einer netzseitigen Anschlußstelle L′ und einer geräte
seitigen Anschlußstelle L′′ zwischen den Lötanschlüssen
A₁ und A₂ eine bis 10 kA stoßstromfeste Temperatur
sicherung SI₁ (ϑ) als Grobsicherung (10 A, Schaltpunkt
bei ϑcrit. = 104°C) eingeschleift. In gleicher Weise
ist in einen Null-Leiter N zwischen einer netzseitigen
Anschlußstelle N′ und einer geräteseitigen Anschluß
stelle N′′ zwischen Lötanschlüssen B₁ und B₂ eine zweite
Temperatursicherung SI₂ (ϑ) eingelötet. Zwischen die
Lötanschlüsse A₂ und B₂ ist eine Serienschaltung zweier
Varistoren VDR₁, VDR₂ gelegt, welche bei normalen
Netz-Betriebsspannungen hochohmig sind. Ein die beiden
Varistoren VDR₁, VDR₂ verbindender Lötanschluß E ist
über einen zwischengeschalteten, vorzugsweise edelgasge
füllten Überspannungsableiter ÜsAg (500 V/10 kA) an
einen geerdeten Schutzleiter SL gelegt. Der Über
spannungsableiter ÜsAg stellt eine gewisse Isolation der
Varistoren VDR₁, VDR₂ gegenüber der Schutzerde dar, um
erst ab einer definierten Überspannung einen Ableitstrom
zuzulassen. Im Falle eines Störfalls, bei welchem
gefährdende Überspannungsspitzen auf den Stromversor
gungsleitungen L, N auftreten, wird der jeweilige
Varistor VDR₁, VDR₂ niederohmig und der zugeordnete
gasgefüllte Überspannungsableiter ÜsAg kann nach Zündung
seiner Funkenstrecke das gefährdende Potential zur
Schutzerde hin ableiten.
Jedoch kann insbesondere bei Überspannungen mit sehr
steilen Anstiegsflanken dU/dt das auflaufende Potential
bereits zu einer Schädigung des zu schützenden elek
tronischen Geräts geführt haben, bevor der jeweilige
Varistor VDR₁, VDR₂ niederohmig wird. Die gleiche
Problematik tritt bei Überspannungen auf, die unterhalb
der Varistor-Ansprechspannung liegen sowie bei Tran
sienten mit hoher Frequenzfolge. Aus diesem Grunde ist
dem Varistor VDR₁ eine Reihenschaltung aus einem ersten
Widerstand R₁ und einem ersten Kondensator C₁ sowie dem
zweiten Varistor VDR₂ eine Reihenschaltung aus einem
zweiten Widerstand R₂ und einem zweiten Kondensator C₂
elektrisch parallel geschaltet. Hierdurch werden die an
stehenden Spannungsspitzen optimal gedämpft. Die Grenz
frequenz des RC-Glieds ist so niedrig wie möglich
anzusetzen, um im Bereich hoher Transienten-Frequenzen
eine Dämpfung, bzw. sogar ein Saugverhalten zu erzielen.
Gleichzeitig ist in vorteilhafter Weise mit dieser
vorstehend beschriebenen Beschaltung auch eine
Schutz-Beschaltung der Varistoren VDR₁, VDR₂ verbunden.
Da Varistoren den Varistorstrom in Abhängigkeit von der
Varistorspannung ändern und sich dieser Vorgang im
Nano-Sekundenbereich abspielt, steigt als Folge einer
steilen Überspannung der Strom im Varistor rasch an, so
daß sich aufgrund der Induktivität des Elementes und
seiner Anschlußdrähte ein als "Over-Shoot" bezeichneter
Einschwingvorgang der Varistorspannung ergibt. Dieser
ist bei Stromanstiegen von 100 A/ms unbedeutend, kann
aber bei 10 kA/ms je nach Varistortyp bis 50% der
eigentlichen Begrenzungsspannung ausmachen. Die meisten
Varistoren überstehen einen "Over-Shoot" von 30%, ohne
daß im Sintermaterial partielle Durchbrüche erfolgen und
sich dadurch die Varistorspannung im 1mA-Punkt ändert.
Es ist daher nicht auszuschließen, daß der Varistor in
Folge häufiger Beanspruchung seine Strom-Spannungs-Kenn
linie verändert, d. h. niederohmiger wird und dadurch
schon bei normaler Betriebsspannung einen unzulässigen
Leckstrom führt. Dieser Leckstrom führt zu einer unzu
lässig hohen Erwärmung des Varistors, die u. U. seine
Zerstörung herbeiführt. Insbesondere ist bei einer
solchen Veränderung der Varistor-Kennlinie aber auch die
Gefahr gegeben, daß am Varistor im Falle einer im
Störfall abzuleitenden Überspannungsspitze nicht mehr
ein hinreichend hoher Spannungsabfall entstehen kann. Da
die für den Überspannungsableiter ÜsAg erforderliche
Zündspannung an der Funkenstrecke dann auch nicht mehr
erreicht werden kann, ist die Ableitfunktion des Ventil
ableiters entscheidend gestört.
Aus diesem Grunde sind die in der Fig. 1 als Baugruppen
I, II gestrichelt umrandeten Bauelemente auf einer Lei
terplatte 1 modularisiert angeordnet und untereinander
sowie mit der jeweiligen Temperatursicherung SI₁ (ϑ),
SI₂ (ϑ) thermisch gekoppelt, so daß im Fall des Über
schreitens einer kritischen Temperatur die jeweilige
Temperatursicherung SI₁ (ϑ), SI₂ (ϑ) anspricht
(ϑcrit ≈ 104°C) und den jeweiligen Hauptstrompfad L, N
unterbricht. Hierbei wirkt sich sicherheitserhöhend aus,
daß das über vorzugsweise in einer Steckdosenleiste zu
integrierende, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
aufweisende Überspannungsschutzmodule zu schützende
elektrische Gerät (z. B. Fernsehapparat, PC, Stereo-Anlage
usw.) erst nach erfolgter Reparatur (z. B. Modulaus
tausch) wieder an die Stromversorgung angeschlossen
werden kann. Durch eine parallel zur jeweiligen Tempe
ratursicherung SI₁ (ϑ), SI₂ (ϑ) liegende und in
Durchlaßrichtung gepolte Reihenschaltung einer Diode
D₁, D₂, einer Leuchtdiode LED₁, LED₂ sowie eines zuge
hörigen LED-Strombegrenzungswiderstands R₃, R₄ wird der
Fehlerfall (thermische Überlast) angezeigt.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer modularisierten Bau
gruppe I, II nebst thermischer Kopplung der in diesen
Baugruppen I, II vorhandenen Bauelemente. Die am jewei
ligen Widerstand R (470 Ω, 1/4 W), am jeweiligen
Kondensator C (0,033 µF/250 V∼) sowie am jeweiligen Va
ristor VDR auftretende Umgebungstemperatur ϑ wird über
geeignete Materialien (Kupfer-Band, Wärmeleitpaste,
Vergußmaterial) an die jeweilige Temperatursicherung SI
(ϑ) weitergeleitet.
Die Fig. 3, 4 zeigen die räumliche Anordnung der in
den Baugruppen I, II zusammengefaßten Bauelemente auf
einer Leiterplatte 1. Die thermische Kopplung der
Varistoren VDR₁, VDR₂, der Widerstände R₁, R₂ sowie der
Kondensatoren C₁, C₂ mit der jeweiligen Temperatur
sicherung SI₁ (ϑ), SI₂ (ϑ) wird im wesentlichen durch
ein vorzugsweise aus Kupfer gefertigtes Wärmeleitungs
band 5, welches zwischen dem jeweiligen Varistor VDR₁,
VDR₂ und dem jeweiligen Kondensator C₁, C₂ herausgeführt
ist und in innigem Kontakt mit den Varistoren VDR₁,
VDR₂, den Kondensatoren C₁, C₂ den Widerständen R₁, R₂
sowie den Temperatursicherungen SI₁ (ϑ), SI₂ (ϑ)
steht. Um einen möglichst optimalen Wärmeübergang von
den Bauelementen auf das Kupferband zu erreichen, kann
das Kupferband angelötet oder umgewickelt werden. In
eventuell verbleibende Zwischenräume kann auch eine
Wärmeleitpaste eingebracht werden. Nach Abdeckung der
Anordnung mit einer Abdeckkappe 2 wird der verbleibende
Hohlraum 3 mit einer elektrisch isolierenden und vor
zugsweise wärmeleitenden Vergußmasse 4 ausgegossen.
Neben einem hierdurch bewirkten mechanischen Schutz der
Überspannungsschutzmodule gegen Umwelteinflüsse (z. B.
Luftfeuchtigkeit) wird durch Einbringen der Vergußmasse
4 die Isolationsfestigkeit zwischen den Bauelementen auf
40 kV/min erhöht.
Bezugszeichenliste
1 Leiterplatte
2 Abdeckkappe
3 Hohlraum der Abdeckkappe 2
4 Vergußmasse
5 Wärmeleitungsband
SI₁ (ϑ) 1. Temperatursicherung
SI₂ (ϑ) 2. Temperatursicherung
VDR₁ 1. Varistor
VDR₂ 2. Varistor
C₁ 1. Kondensator
C₂ 2. Kondensator
R₁ 1. Widerstand
R₂ 2. Widerstand
ÜsAg edelgasgefüllter Überspannungsableiter
D₁ 1. Diode
D₂ 2. Diode
LED₁ 1. Leuchtdiode
LED₂ 2. Leuchtdiode
R₃ 1. LED-Strombegrenzungswiderstand
R₄ 2. LED-Strombegrenzungswiderstand
L Phasenleiter
N Null-Leiter
SL Schutzleiter
A₁, A₂,
A₃, A₄,
B₁, B₂, Lötanschlüsse
B₃, B₄,
E₁, E₂
ϑ Kopplungs-Temperatur
2 Abdeckkappe
3 Hohlraum der Abdeckkappe 2
4 Vergußmasse
5 Wärmeleitungsband
SI₁ (ϑ) 1. Temperatursicherung
SI₂ (ϑ) 2. Temperatursicherung
VDR₁ 1. Varistor
VDR₂ 2. Varistor
C₁ 1. Kondensator
C₂ 2. Kondensator
R₁ 1. Widerstand
R₂ 2. Widerstand
ÜsAg edelgasgefüllter Überspannungsableiter
D₁ 1. Diode
D₂ 2. Diode
LED₁ 1. Leuchtdiode
LED₂ 2. Leuchtdiode
R₃ 1. LED-Strombegrenzungswiderstand
R₄ 2. LED-Strombegrenzungswiderstand
L Phasenleiter
N Null-Leiter
SL Schutzleiter
A₁, A₂,
A₃, A₄,
B₁, B₂, Lötanschlüsse
B₃, B₄,
E₁, E₂
ϑ Kopplungs-Temperatur
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer
Geräte und Anlagen vor Überspannungen, mit jeweils einer
in eine erste Stromversorgungsleitung sowie in eine
zweite Stromversorgungsleitung des zu schützenden
elektrischen Geräts eingeschleiften Sicherung, mit einer
die geräteseitigen Anschlüsse der beiden Sicherungen
verbindenden Serienschaltung zweier Varistoren, wobei
eine die beiden Varistoren verbindende Anschlußstelle
über einen gasgefüllten Überspannungsableiter an einen
geerdeten Schutzleiter angeschlossen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Sicherungen als Tem
peratursicherungen (SI₁ (ϑ), SI₂ (ϑ)) ausgebildet sind,
daß dem ersten Varistor (VDR₁) sowie dem zweiten Va
ristor (VDR₂) jeweils eine RC-Serienschaltung aus einem
ersten Widerstand (R₁) und einem ersten Kondensator (C₁)
bzw. aus einem zweiten Widerstand (R₂) und einem zweiten
Kondensator (C₂) elektrisch parallel geschaltet ist und
daß sowohl die in einer modularisierten ersten Baugruppe
(I) angeordneten elektrischen Bauelemente (SI₁ (ϑ),
VDR₁, R₁, C₁) als auch die in einer modularisierten
zweiten Baugruppe (II) angeordneten elektrischen Bauele
mente (SI₂ (ϑ), VDR₂, R₂, C₂) untereinander thermisch
leitend gekoppelt sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Varistoren (VDR₁, VDR₂) Zink
oxid-Varistoren sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die modularisierten Baugruppen
(I, II) eine Leiterplatte (1) aufweisen,
auf welcher die jeweils zugeordneten Bauelemente (SI₁
(ϑ), VDR₁, R₁, C₁; SI₂ (ϑ), VDR₂, R₂, C₂) angeordnet und
durch eine Abdeckkappe (2) abgedeckt sind, wobei jeweils
Lötanschlüsse (A₁, B₁, E₁; A₂, B₂, E₂) nach außen herausge
führt sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den
Baugruppen (I, II) vorliegende thermische Kopplung durch
ein aus wärmeleitfähigem Material bestehendes Wärmeleitungs
band (5) und/oder eine einen Hohlraum (3) der Abdeck
kappe (2) ausfüllende wärmeleitende sowie elektrisch
isolierende Vergußmasse verwirklicht ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige
Varistor (VDR₁, VDR₂) und der jeweilige Kondensator
(C₁, C₂) der Baugruppen (I, II) unmittelbar benachbart
angeordnet sind, und daß das zwischen dem jeweiligen
Varistor (VDR₁, VDR₂) und dem jeweiligen Kondensator
(C₁, C₂) herausgeführte sowie auf diesen Bauelementen
(VDR₁, C₁; VDR₂, C₂) jeweils im innigen Kontakt aufliegende
Wärmeleitungsband (5) um die jeweilige Temperatursich
erung (SI₁ (ϑ); SI₂ (ϑ)) herumgewickelt ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch
parallel zur jeweiligen Temperatursicherung (SI₁ (ϑ);
SI₂ (ϑ)) jeweils eine Serienschaltung (D₁, LED₁, R₃; D₂,
LED₂, R₄) einer Diode (D₁; D₂), einer Leuchtdiode (LED₁;
LED₂) sowie eines LED-Strombegrenzungswiderstands
(R₃; R₄) geschaltet ist, wobei die Dioden (D₁; D₂) und die
Leuchtdioden (LED₁; LED₂) netzseitig gesehen in Durchlaß
richtung gepolt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883834514 DE3834514C2 (de) | 1988-10-11 | 1988-10-11 | Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Geräte und Anlagen vor Überspannungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883834514 DE3834514C2 (de) | 1988-10-11 | 1988-10-11 | Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Geräte und Anlagen vor Überspannungen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3834514A1 DE3834514A1 (de) | 1990-04-12 |
DE3834514C2 true DE3834514C2 (de) | 1996-02-01 |
Family
ID=6364816
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19883834514 Expired - Fee Related DE3834514C2 (de) | 1988-10-11 | 1988-10-11 | Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Geräte und Anlagen vor Überspannungen |
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