DE9010246U1 - Surge protection device - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schütze elektrischer Geräte und Anlagen vor Oberspannungen, welche Vorrichtung wenigstens einen Varistor und thermische Schaltmittel umfaßt, als Ganzes eingebettet in einer Gußmasse aus thermisch isolierendem Material.The invention relates to a device for protecting electrical devices and systems against overvoltage, which device comprises at least one varistor and thermal switching means, embedded as a whole in a cast compound made of thermally insulating material.
In der Netzspannung, der Versorgungsspannung von elektronischen Geräten? in Telefon- «nd Dsfev^ilsitusgen, ±a KabglfSTn~ schnetzwerken usw. können elektrische Spannungsspitzen mit relativ großen Amplituden eintreten. Die Entstehensursache dieser äpänrnir?gsss>itz©ft rfti_;-- von elektrischen Entladung*·*! in der Atmosphäre, baispi lsweise nahe Strom-, Tslef n- ^der Kabelfernsehnetzen, bis ain zur Schaltung induktiv Belas ;gen, wie Elektromotoren, Ve^^rgungstransformatoren und ähnliches mehr. Diese Spannungsspitzen können sehr kurzzeitig sein ünikrosekunden) mit einer erheblich höheren Amplitude als die der normalen Betriebsspannung. Die Felgen dieser Spannungsspitzen reichen von Störungen im Ton und/oder im Bild beim Kabelfernsehnetz bis hin zur gestörten Funktion von Elektronikgeräten wie Computeranlagen, Meß- und Regelgeräten usw. Spannungsspitzen können die meisten Halbleiter wie Dioden, Transistoren, Thyristoren und integrierte Schaltkreise dauerhaft beschädigen.Electrical voltage peaks with relatively large amplitudes can occur in the mains voltage, the supply voltage of electronic devices - in telephone and television networks, in cable TV networks, etc. The cause of these peaks is anything from electrical discharges in the atmosphere, for example near power lines, in cable TV networks, to inductive loads such as electric motors, supply transformers and the like. These voltage peaks can be very short-lived (1 microseconds) with a considerably higher amplitude than that of the normal operating voltage. The effects of these voltage spikes range from disturbances in the sound and/or picture in the cable television network to the malfunctioning of electronic devices such as computer systems, measuring and control devices, etc. Voltage spikes can permanently damage most semiconductors such as diodes, transistors, thyristors and integrated circuits.
Un das Störungsrisiko durch Eintreten von Überspannungen herabzusetzen, ist die Anwendung von Überspannungsschutzvorrichtungen namentlich dann notwendig, wenn die jeweiligen Geräte oder Anlagen durch die Anwendung Bausteine, deren spezifizierter Spannungsbereich groß genug ist, um Beschädigung zu vermeiden, gar nicht oder nicht innerhalb angemessener Grenzen möglich ist. Eine der am meisten verwendeten Sicherungskomponenten für den Überspannungsschutz ist der zweipolige Metalloxidvaristor, meistens auf Zinkoxid-Grundlage. Metalloxid-varistoren sind spannungsabhängig^ Widerstände mit nicht-linearer Spannungs-Stromkennlinie. Mit Ansteigen der Spannung nimmt der Widerstand sehr schnell ab, derart, daß bei Überschreitung einer bestimmten Schwelle, der sogenannte 1 mA-Punkt des Varistors, die^r nahezu ein Kurzschluß bildet. Die Ansprechzeit von Varistoren liegt in der GrößenordnungIn order to reduce the risk of faults caused by overvoltages, the use of overvoltage protection devices is particularly necessary when the respective devices or systems cannot be protected at all or not within reasonable limits by using components whose specified voltage range is large enough to avoid damage. One of the most commonly used protection components for overvoltage protection is the two-pole metal oxide varistor, usually based on zinc oxide. Metal oxide varistors are voltage-dependent resistors with a non-linear voltage-current characteristic. As the voltage increases, the resistance decreases very quickly, so that when a certain threshold, the so-called 1 mA point of the varistor, is exceeded, a short circuit is almost formed. The response time of varistors is in the order of magnitude
von 25 ns und darunter.of 25 ns and below.
Obwohl Elektrizitätsgesellschaften die Anwendung von Überspannungsschutzanordnungen begrüßen und hin und wieder sogar vorschreiben, bleiben jedoch erhebliche Nachteile mit der Anwendung von Varistoren verbunden.Although electricity companies welcome and sometimes even require the use of surge protection arrangements, there remain significant disadvantages associated with the use of varistors.
Die nicht-lineare Sp«nn"->gs—Strom-Kennlinie eines Varistors kann tirch unter anderem kurz n&c .einander Auftreten von Spannungsspitzen oder durch Spannungsspitzen mit relativ hohem Energie-Inhalt als Foxge von Blitzeinschlag bleibend verändert werden. Dies kann einen ungewünschten Leckstron durch den Varistor zur Folge haben. Ein Leckstrom durch einen Varistor in beispielsweise eir.ee Elektrizitätsnetz von Phase zur Erde wird, je nach der Größe, das Ansprechen eines Erdschlußschutzschalters auslösen. Die elektrische Anlage oder eine Gruppe davon wird dann vom Elektrizitätsnetz abgeschaltet, was jedoch oft unerwünscht ist, weil dadurch ein Produktionsprozeß oder ein ähnlicher Vorgang eine Stagnierung erfahren könnte. Wenn der Ieckstrom durch den Varistor zwischen einem Phase- und einem Nulleiter einer elektrischen Anlage fließt, wird ein Erdschlußschutzschalter darauf nicht reagieren, wodurch der Varistor derart unzulässig erhitzt werden kann, daß Brand in den Geräten beziehungsweise in dem Raum, in dem die Geräte aufgestellt sind, nicht ausgeschlossen ist. Wenn ein Varistor kurzzeitig mit einem Strom überlastet wird, der das Zwei- oder Mehrfache des maximal zulässigen Stroms überschreitet, kenn das Varistorelement sogar explodieren, mit allen negativen daoiit einhergehenden Folgen für die Geräte oder die Umgebung des Varistors. Obwohl in vielen Fällen Überstrom- oder Kurzschlußstromschutzmittel in eine elektrische Anlage aufgenommen sind, werden diese im allgemeinen nicht auf den verhältnismäßig geringen Leckstrom durch den Varistor ansprechen.The non-linear voltage-current characteristic of a varistor can be permanently changed by , among other things, the occurrence of voltage peaks in short intervals or by voltage peaks with a relatively high energy content as a result of a lightning strike. This can result in an undesirable leakage current through the varistor. A leakage current through a varistor in, for example, an electricity network from phase to earth will, depending on the size, trigger an earth-fault circuit breaker. The electrical system or a group of them is then switched off from the electricity network, which is often undesirable, however, because it could cause a production process or a similar process to stagnate. If the leakage current flows through the varistor between a phase and a neutral conductor of an electrical system, an earth-fault circuit breaker will not react to it, which can cause the varistor to become so overheated that fire in the equipment or in the room in which the equipment is installed cannot be ruled out. If a varistor is overloaded for a short period of time with a current exceeding two or more times the maximum allowable current, the varistor element may even explode, with all the negative consequences that this entails for the equipment or the environment around the varistor. Although in many cases overcurrent or short-circuit current protection devices are incorporated into an electrical system, these will generally not respond to the relatively small leakage current through the varistor.
Aus der deutschen Patentanmeldung 3.606.287 isi eine Überspannungsschutzvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der in einer thermisch isolierenden Jußmasse, beispielsweise einem Gußharz, ein oder iu'lirere Varistoren und Schutzmittel in Fofffl eines oder mehrerer Überstromauslöser beziehungsweise -Degrenzer untergebracht sind. Die Gußmasse hat den Zweck, den thermiscnen Widerstand des Ganzen zu erhöhen, um die Brandgefahr /n verringern.From German patent application 3,606,287, an overvoltage protection device of the type mentioned above is known, in which one or more varistors and protective means are housed in a thermally insulating casting compound, for example a casting resin, in the form of one or more overcurrent releases or limiters. The casting compound is intended to increase the thermal resistance of the whole in order to reduce the risk of fire.
Weil die thermischen Schaltmittel und der wenigstens eine Varistor elektrisch und thermisch gegenseitig isoliert in der Kasse angebracht sind, bleibt die Gefahr der Erhitzt.y des Varistors durch einen Leckstrom unter dem Wert, auf den der überstromschutz anspricht, bestehen. Es hat sich gezeigt, daß ein relativ kleiner Lecketrom zur Folge haben kann, daß der Varistor rotglühend wird, wodurch trotz der thermisch isolierenden (iußmasse die Brandgefahr nicht in ausreichendem Maße eliminiert sein könnte.Because the thermal switching means and the at least one varistor are installed in the box in such a way that they are electrically and thermally insulated from one another, the risk of the varistor heating up due to a leakage current below the value to which the overcurrent protection responds remains. It has been shown that a relatively small leakage current can result in the varistor glowing red-hot, which may not sufficiently eliminate the risk of fire despite the thermally insulating mass.
Die Erfindung hat deshalb zur Aufgabe, eine Obeispannungsschutzvorrirhtung der eingangs genannten Art zu verschaffen, die in effektiver Weise gegen unzulässige Erhitzung des weniqp.tens einen Varistors im Falle eines dadurch hindurchfließenden ungewünschten Leckstrom geschützt ist.The invention therefore has the object of providing an overvoltage protection device of the type mentioned at the outset, which is effectively protected against undue heating of the at least one varistor in the event of an undesirable leakage current flowing through it.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die 'chaltmittel wenigstens einem in ein gesondertes Gehäuse aufgenommenes Schaltelement des Typs umfassen, der unter dem Einfluß von Umgebungswärme in nicht-umkehrbarer Weise aus dem normai loiteridpn in den nicht leitenden Zustand gebracht werden kann, wobei das Gehäuse in unmittelbarem thermischen Kontakt mit einer überfläche des wenigstens einen Varistors montiert ist und wobei der wenigstens eine Varistor und das Schaltelement elektrisch in Reihe geschaltet sind.According to the invention, this is achieved in that the switching means comprise at least one switching element accommodated in a separate housing of the type which can be brought from the normal conducting state to the non-conductive state in a non-reversible manner under the influence of ambient heat, the housing being mounted in direct thermal contact with a surface of the at least one varistor and the at least one varistor and the switching element being electrically connected in series.
Dadurch, daß die Schaltmittel in der erfindungsgemäßen überspannungsschutzanordnung direkt thermisch im Kontakt mit einer Oberfläche des wenigstens einen Varistors sind, wird ein Leckstrom durch den Varistor, unabhängig von seiner Größe, bei Erreichen einer vorher zu bestimmenden Temperatur des Varistorel»ments durch das fchaLtelement unterbrochen. Weil das Schaltelement in nichtumkehrbarer Weise in den nicht leitenden Zustand gebracht werden kann, ist das erneute Einschalten des Varistors, nach seiner Abkühlung, ausgeschlossen. Das erneute Einschalten eines gestörten Varistors ist unerwünscht, weil dies erneut zu einem Leckstrom, zur Erhitzung und zur Abschaltung des betreffenden Varistors führen würde, mit der Gefahr weiterer Störungen, wie vollständiges Durchschlagen, des Varistors mit einem nicht gewünschten Überstrom oder Kurzschlußstrom als Ergebnis.Because the switching means in the overvoltage protection arrangement according to the invention are in direct thermal contact with a surface of at least one varistor, a leakage current through the varistor, regardless of its size, is interrupted by the switching element when a previously determined temperature of the varistor element is reached. Because the switching element can be brought into the non-conductive state in an irreversible manner, the varistor cannot be switched on again after it has cooled down. Switching on a faulty varistor again is undesirable because this would again lead to a leakage current, to heating and to the shutdown of the varistor in question, with the risk of further faults, such as complete breakdown of the varistor, resulting in an undesirable overcurrent or short-circuit current.
Die Kombination von Schaltmitteln in unmittelbarem ther-The combination of switching devices in direct thermal
mischem Kontakt mit einem oder mehreren Varistoren und einer thermisch isolierenden Gußmasso, in der das ganze eingebettet ist, erweist sich als in der Praxis zuverlässig und wirksam, welche Kombination die von Elektrizitätsgesellschaften und Prüfungsetellen gestellten Nonnen iiid Anforderung in diesem Punkt erfüllt. Obgleich in der Praxis verschiedene überstromsicherungen mit Schaltmitteln bekam t sind, erfüllen diese nicht die auferlegten Normen und Anforderungen £s wird gemeint, daß der Gußharz, durch seine thermisch isolierende Wirkung, eine derartige Wärmedämmung bildet, daß dadurch sogar die durch einen relativ geringen Leckstrom versursachte unerwünschte Erwärmung eines Varietorelement im Laufe der Zeit effektiv zum Abschältpn des Schaltelements und infolgedessen des Varistors oder der Varistoren führt. Auch in denjenigen Störungssituationen, in denen die Varistoroberfläche ungleich stark erwärmt wird, zum Beispiel nicht direkt oder relativ niedrig an die Stelle an der das Gehäuse des Schaltelements mit dem Varistor in Berührung istmixed contact with one or more varistors and a thermally insulating cast mass in which the whole is embedded, has proven to be reliable and effective in practice, which combination meets the standards and requirements set by electricity companies and testing bodies in this regard. Although various overcurrent protection devices with switching devices have been obtained in practice, these do not meet the standards and requirements imposed. It is believed that the cast resin, through its thermally insulating effect, forms such a thermal insulation that even the undesirable heating of a varistor element caused by a relatively low leakage current effectively leads to the switching element and consequently the varistor or varistors being switched off over time. Even in those fault situations in which the varistor surface is heated to an uneven degree, for example not directly or relatively low at the point where the housing of the switching element is in contact with the varistor
Die Anwendung eines, in ein gesondertes Gehäuse aufgenommenes Schaltelement hat darüber hinaus montage-technische Vorteile. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das genannte Gehäuse mittels thermisch leitendem Klebstoff auf der Oberfläche des wenigstens einen Varistors montiert. Varistoren sind meistens scheibenförmig im Handel erhältlich. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung reicht die einerseitige Positionierung der thermischen Schaltmittel aus, was ebenfalls einen montage-technischen Vorteil bringt. Im Hinnblick auf das große Ausmaß, in dem Überspannungsschutzanordnungen in der Praxis angewandt werden, haben montage-technische Vereinfachungen eine günstige Auswirkung auf den Preis der betreffenden überspannungsschutzanordnungen.The use of a switching element housed in a separate housing also has assembly-related advantages. In a preferred embodiment, said housing is mounted on the surface of at least one varistor using thermally conductive adhesive. Varistors are usually commercially available in disk form. In the device according to the invention, positioning the thermal switching means on one side is sufficient, which also has an assembly-related advantage. In view of the large extent to which overvoltage protection arrangements are used in practice, assembly-related simplifications have a positive effect on the price of the overvoltage protection arrangements in question.
Um Explosion des wenigstens einen Varistors unter dem Einfluß einer energiereichen Spannungsspitze, wie vorstehend genannt, zu verhindern und um im Falle des Durchschlagens des Varistorelements einen unerwünschten Überstrom wirksam zu eliminieren, sind in der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Schaltmittel ebenfalls dazu vorgesehen, um unter dem Einfluß eines durch das wenigstens eine Schaltelement hindurchfließenden Überstroms in den nicht-leitenden Zustand überIn order to prevent the explosion of the at least one varistor under the influence of a high-energy voltage peak, as mentioned above, and to effectively eliminate an undesirable overcurrent in the event of the varistor element breaking through, the switching means in the preferred embodiment of the device according to the invention are also provided to switch to the non-conductive state under the influence of an overcurrent flowing through the at least one switching element.
zu gehen. In dieser Weise wird einen effektiven Schutz gegen sowohl einen relativ niedrigen Leckstrom wie gegen überströme durch den V&.'istor erhalten.In this way, effective protection is obtained against both a relatively low leakage current and against overcurrents through the V&.'istor.
Um eine elektrische Anlage oder elektrische Geräte vor Längs- und Querspannungen zu sichern, das heißt, vor Überspannungen, die zwischen den Leitern einer elektrischen Anlage beziehungsweise zwischen der Erde auftreten, umfaßt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung wenigstens einen Stapel von zwei elektrisch in Reihe geschalteten Varistoren, die mit einer Oberfläche gegenseitig in unmittelbarem thermischem Kontakt montiert sind, wobei das Gehäuse des wenigstens einen SchaltPlementes in unmittelbarem thermiechem Kontakt mit einer Oberfläche eines der Varistoren eines Stapels montiert ist. Indem eine solche Reihenschaltung von Varistoren und Schaltelement zwischen einen Phase- und Nulleiter einer elektrischen Anlage geschaltet wird, wird ein effektiver Schutz vor Spannungsspitzen zwischen der Phase und dem Nulleiter bewirkt. Indem über ein Entladungselement, beispielsweise eine Gasentladungsröhre oder eine Funkenstrecke, die Verbindungsstelle der Varistoren mit der Erde verbunden wird, wird ein effektiver Schutz vor Überspannungen de^; Phasen- oder Nulleiters gegenüber der Erde bewi'kt. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die elektrische Verbindungsstelle der Varistoren in einem Stapel dazu als Anschlußklemme zum Anschließen eines Entladungselements zwischen dem Verbindungspunkt und der Signalerde ausgeführt.In order to protect an electrical system or electrical devices from longitudinal and transverse voltages, i.e. from overvoltages that occur between the conductors of an electrical system or between the earth, a further embodiment of the overvoltage protection device according to the invention comprises at least one stack of two varistors connected electrically in series, which are mounted with one surface in direct thermal contact with one another, the housing of the at least one switching element being mounted in direct thermal contact with a surface of one of the varistors in a stack. By connecting such a series connection of varistors and switching element between a phase and neutral conductor of an electrical system, effective protection against voltage peaks between the phase and the neutral conductor is achieved. By connecting the connection point of the varistors to the earth via a discharge element, for example a gas discharge tube or a spark gap, effective protection against overvoltages of the phase or neutral conductor relative to the earth is achieved. In a further embodiment of the device according to the invention, the electrical connection point of the varistors in a stack is designed as a connection terminal for connecting a discharge element between the connection point and the signal earth.
Weil ein abgeschalteter Varistor selbstverständlich nicht die beabsichtigte Schutzwirkung vor Überspannungen bietet, ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter rait Mitteln versehen, um den Betriebszustand anzuzeigen, welche Mittel eines oder mehrere mit dem wenigstens einen Schaltelement und/oder mit dem wenigstens einen Varistor parallel geschaltete elektro-optische Elemente umfaßt. Nach Wahl können also sowohl mit dem Schaltelement wie mit einem oder mehreren Varistoren elektro-optische Elemente parallel geschaltet werden, wie Glühlampen, LEDs, Gasentladongsleuchten und dergleichen mehr. Ein mit dem Schaltelement parallel geschaltetes optisches ElementBecause a switched-off varistor obviously does not offer the intended protection against overvoltages, another embodiment of the device according to the invention is further provided with means for displaying the operating state, which means comprises one or more electro-optical elements connected in parallel with the at least one switching element and/or with the at least one varistor. As desired, electro-optical elements can therefore be connected in parallel with both the switching element and one or more varistors, such as incandescent lamps, LEDs, gas discharge lamps and the like. An optical element connected in parallel with the switching element
wird ansprechen, wenn das Schaltelement in seinen nicht leitenden Zustand gebracht ist. Das Aufleuchten des optischen Elementes bedeutet somit, daß die überspannungsschutzvorrichtung defekt ist. Ein optisches Element, parallel mit einem Varistor geschaltet, wird während ungestörten Betriebs aufleuchten. Durch eine geeignete Farbenkombination des ausgestrahlten Lichtes, beispielsweise Kot bezjehungpweise Grün, wird eine effektive Anzeige des Betriebszustandß der Überspannungsschutzvorrichtung erhalten. Die Mittel zur Anzeige des Rptri^bszustands sind vorzugsweise ebenfalls in dei Gußmasse eingebettet, so da3 eine als ein Ganzes zu montierende Überspannungsschutzvorrichtung verschafft wird.will respond when the switching element is brought into its non-conductive state. The lighting up of the optical element thus means that the overvoltage protection device is defective. An optical element connected in parallel with a varistor will light up during normal operation. By a suitable combination of colors of the emitted light, for example black or green, an effective indication of the operating state of the overvoltage protection device is obtained. The means for indicating the operating state are preferably also embedded in the casting compound, so that an overvoltage protection device which can be assembled as a whole is provided.
Es hat sie:1 gezeigt, daß thermische Schaltmittel, die bei einer Ungebungstemperatur von 1000C odsr mehr oder bei einem überstrom von 5A oder mehr in nicht-leitenden Zustand geraten, einen wirksamen Schutz vor Überhitzung und vor Brandgefahr bieten. Für diesen öweck geeignete thermische Schaltmittel sind in Handel erhältlich unter der Bezeichnung "World Thermo" S-105, Fabrikant Tachibana Metal Co. Ltd..It has shown: 1 that thermal switching devices which become non-conductive at an ambient temperature of 100 0 C or more or at an overcurrent of 5 A or more provide effective protection against overheating and fire hazards. Thermal switching devices suitable for this purpose are commercially available under the designation "World Thermo" S-105, manufactured by Tachibana Metal Co. Ltd.
Die Erfindung wird nachstehend weiter detailliert erläutert, anhand einer in der Zeichnung dargestellten Vorzugsausführungpform, darin zeigt:The invention is explained in more detail below, using a preferred embodiment shown in the drawing, in which:
Figur 1 das elektrische Schaltschema einer Reihenschaltung von zwei Varistoren und thermische Schaltmittel nach der Erfindung;Figure 1 shows the electrical circuit diagram of a series connection of two varistors and thermal switching means according to the invention;
Figur 2 schematisch eine Ansicht einer Anordnung von zwei scheibenförmigen Varistoren und Schaltmitteln gemäß dem Schema von Figur 1;Figure 2 shows a schematic view of an arrangement of two disc-shaped varistors and switching means according to the scheme of Figure 1;
Figur 3 schematisch, perspektivisch, teiH-r ' ^e aufgebrochen, die in einer Gußmasse eingebettete Anordnung nach Anspruch 2;Figure 3 shows schematically, in perspective, partially broken away, the arrangement according to claim 2 embedded in a casting compound;
Figur 4 das elektrische Schema nach Figur 1, ergänzt uxi elektro-optische Mittel zur Anzeige des Betriebszustandes; undFigure 4 shows the electrical diagram according to Figure 1, supplemented by electro-optical means for indicating the operating status; and
Figur 5a, b, c jeweils im Querschnitt das in der Vorzugsausführungsform angewandte Schaltelement in leitendem und in nichtleitendem Zustand, und eine Seitenansicht des Gehäuses davon.Figure 5a, b, c each show in cross section the switching element used in the preferred embodiment in a conductive and non-conductive state, and a side view of the housing thereof.
Figur 1 zeigt eine elektrische Reihenkette eines ersten 1 und zweiten 2 Varistors und thermischer Schaltmittel 3. Die freie Anschlußelektrode der Schaltmittel 3 bildet eine erste Anschlußklemme 4 und die freie Anschlußelektrode des zweiten Varistors 2Figure 1 shows an electrical series chain of a first 1 and second 2 varistor and thermal switching means 3. The free connection electrode of the switching means 3 forms a first connection terminal 4 and the free connection electrode of the second varistor 2
eine zweite Anschlußklenune 5 der erfinöüftgsc-yemäßen Überspannung'sschui-zvorrichtung. Die Schaltmittel 3 sind in thermischem Kontakt mit den Varistoren 1, 2 montiert, was mittels einer unterbrochenen doppelten Linie angegeben ist. Der Verbindungspunkt zwischen den Varistoren 1 und 2 bildet eine dritte Anschlußklenune 6 und der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Varistor 1 und den Schaltmittel 3 ist als vierte Anschlußklemme 7 ausgeführt.a second connection terminal 5 of the overvoltage protection device according to the invention. The switching means 3 are mounted in thermal contact with the varistors 1, 2, which is indicated by means of a broken double line. The connection point between the varistors 1 and 2 forms a third connection terminal 6 and the connection point between the first varistor 1 and the switching means 3 is designed as a fourth connection terminal 7.
Zum Schutz einer elektrischen Anlage oder elektrischen Geräten wird die Schaltung vorzugsweise mit ihrer ersten und zweiten Anschlußklenune 4, 5 an der Energieversorgungsseite der jeweiligen Anlage oder der Geräte zwischen beispielsweise dem Phase- und Nulleiter, im Falle einer Wechsel spannungsversorgung, oder dem Plus- und Minusleiter bei einer Gleichspannungsversorgung geschaltet. Eine Spannungscpitze bei einer der Anschlußklemmen 4, 5, eine sogenannte Längsüberspannung, wird dann effektiv von der Varistorkette 1, 2 unterdrückt. Eine Querüberspannung, das heißt eine Potentialerhöhung des Phase- und Nulleiters gegenüber der Erde, wird nicht durch die Varidtorkette 1, 2 unterdrückt. Indem über ein Entladungselement, wie eine Gasentladungsröhre oder eine Funkenstrecke, die Anschlußklemme 6 an Erde gelegt wird, werden Querüberspannungsspitzen ebenfalls effektiv begrenzt (nicht dargestellt).To protect an electrical system or electrical devices, the circuit is preferably connected with its first and second connection terminals 4, 5 on the power supply side of the respective system or devices between, for example, the phase and neutral conductors in the case of an alternating voltage supply, or the plus and minus conductors in the case of a direct voltage supply. A voltage peak at one of the connection terminals 4, 5, a so-called longitudinal overvoltage, is then effectively suppressed by the varistor chain 1, 2. A transverse overvoltage, i.e. an increase in the potential of the phase and neutral conductors compared to earth, is not suppressed by the varistor chain 1, 2. By connecting the connection terminal 6 to earth via a discharge element, such as a gas discharge tube or a spark gap, transverse overvoltage peaks are also effectively limited (not shown).
Figur 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer konstruktiven Ausführungsform der Schaltung von Figur 1, bei der scheibenförmige Varistoren 1, 2 angewandt sind. Die Anschlußelektroden der betreffenden Varistoren 1, 2 liegen auf beiden selten des scheibenförmigen Körpers. Die scheibenförmigen Varistoren 1 und 2 sind mit ihren einander gegenübergelegenen Anschlußelektroden durch Lötung elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden. Von der Verbindungsstelle der betreffenden Anschlußelektroden aus erstreckt sich ein Anschlußdraht, der die dritte Anschlußklemme 6 der Schaltung nach Figur 6 bildet. Von der anderen Elektrode des Varistors 1 beziehungsweise 2 aus erstrecken sich weitere Anschlußdräf'.te, die die vierte beziehungsweise zweite Anschlußklemme 7 bt>/. iehungsweise 5 der Schaltung von Figur 1 bilden. Mittels einer thermisch loitfähigen Klebstoffschicht 9 sind die Schaltmitte) 3 mit ihrrrn Onh.i'nse IO in direktem thermischen Kontakt auf derFigure 2 shows a schematic side view of a structural embodiment of the circuit of Figure 1, in which disk-shaped varistors 1, 2 are used. The connection electrodes of the respective varistors 1, 2 are located on both sides of the disk-shaped body. The disk-shaped varistors 1 and 2 are connected to each other in an electrically and thermally conductive manner by soldering with their opposite connection electrodes. A connection wire extends from the connection point of the respective connection electrodes, which forms the third connection terminal 6 of the circuit according to Figure 6. Further connection wires extend from the other electrode of the varistor 1 or 2, which form the fourth or second connection terminal 7 or 8 of the circuit of Figure 1. By means of a thermally solderable adhesive layer 9, the switching elements 3 are in direct thermal contact with their surfaces 10 on the
scheibenförmigen Oberfläche des Varistoirs"1 'montiert,'Vie gezeigt. Eine Anschlußelektrode 8 der Schaltmittel 3 ist mit dem, die vierte Anschlußklemme 7 bildenden Anschlußdraht des ersten Varistors 1 elektrisch verbunden, während eine andere Anschlußelektrode der Schaltmittel 3 die erste Anschlußklemme 4 der Schaltung von Figur 1 bildet.disk-shaped surface of the varistor"1," as shown. A connection electrode 8 of the switching means 3 is electrically connected to the connection wire of the first varistor 1, which forms the fourth connection terminal 7, while another connection electrode of the switching means 3 forms the first connection terminal 4 of the circuit of Figure 1.
Es ist selbstverständlich, daß die Schaltmittel i mit rhrem Gehäuse 10 auch in dirsktsa thermischem Kontakt mit einer scheibe förmigen Oberfläche des Varistors 2 aontiert werden können, jder erforderlichenfalls xn Berührung mit beiden Varistoren 1, 2 gw aciit werden . :;-men. Obgleich die Anwendung von thermisch leitendem Klebstoff 9 zu bevorzugen isü, ist es auch möglich, die Schaltmittel 3 mit ihrem gehäuse 10 in mechanischer Heise an der Oberf ItA-S eines oder beider Varistoren 1, 2 festzuhalten, beispielsweise mit geeigneten Kiemmitteln.It is self-evident that the switching means 3 with their housing 10 can also be mounted in direct thermal contact with a disk-shaped surface of the varistor 2, if necessary being brought into contact with both varistors 1, 2. Although the use of thermally conductive adhesive 9 is preferable, it is also possible to hold the switching means 3 with their housing 10 in mechanical heat to the surface of one or both varistors 1, 2, for example with suitable adhesives.
Die in Figur 2 gezeigte Konstruktion wird insgesamt in einer thermisch isolierenden Gußmasse 11 eingebettet, beispielsweise in einem Kunstharz oder ähnlichem Material, innerhalb einer Hülle 12, wie in Figur 5 gezeigt, in der ein Teil der Hülle 12 weggebrochenThe construction shown in Figure 2 is embedded in its entirety in a thermally insulating casting compound 11, for example in a synthetic resin or similar material, within a casing 12, as shown in Figure 5, in which part of the casing 12 is broken away. dargestellt ist. Vorzugsweise werden die Varistoren 1, 2 und die jjPreferably, the varistors 1, 2 and the jj
P Schaltmittel 3 auf einer Trägerplatte montiert (nicht gezeigt) in V P Switching means 3 mounted on a carrier plate (not shown) in V
der Hülle 12 eingebettet. Die Anschlußklemme 4, 5, 6 und 7 sind als |the casing 12. The connection terminals 4, 5, 6 and 7 are | aus der Hülle 12 nach außen heraussteckende Anschlußdrähte '"12 connecting wires protruding from the casing '" ausgeführt. Die Eckenkante der Hülle 12 bei der Anschlußklemme oderThe corner edge of the cover 12 at the terminal or -draht 4 ist zur Bezeichnung der Anschlußklemmen abgeflacht damit-wire 4 is flattened to indicate the terminals so that eine Fehlmontage vermieden wird. Es versteht sich daß auch andere .>incorrect assembly is avoided. It goes without saying that other .> geeignete Markierungen verwendet werden können, zum Beispiel |suitable markings can be used, for example |
-I Beschriftung der Hülle 12. Dies hat aber den Nachteil daß eine |-I labeling of the cover 12. This has the disadvantage that a | solche Marke durch Verschleiß oder sonstwie unerkennbar werden } kann.such mark may become unrecognizable through wear or otherwise.
Die Ausführung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung als ein integriertes Element hat den Vorteil, daß diese leicht auf einer Leiterplatte in die zu schützenden Geräte untergebracht werden kann.The design of the surge protection device according to the invention as an integrated element has the advantage that it can be easily accommodated on a circuit board in the devices to be protected.
Figur 4 zeigt das Schaltschema nach Figur 1, ergänzt um elektro-optische Mittel zur Siynali"ierung des Betriebszustands der Schaltung. Mit den Schaltmitteln 3 ist «in erstes elektro-Figure 4 shows the circuit diagram according to Figure 1, supplemented by electro-optical means for signaling the operating state of the circuit. The switching means 3 are used to "first electro-
optisches Element 13 parallel geschaltet* und miV de'r ReihenkVtte des ersten und zweiten Varistors 1, 2 ist ein zweites elektrooptisches Element 14 parallel geschaltet. Während des normalen Betriebszustands, in dem sich die Schaltmittel 3 in dem leitenden Zustand befinden, ist das erste elektro-optische Element 13 kurzgeschlossen und liegt an der Reihenkette des ersten und zweiten Varistors 1, 2 die zu schützende Spannung, beispielsweise die Netzspannung eines elektrischen Niederspannungsxietzes. Das zweita elektro-optische Element 14 wird als Folge der angeleoten Spannung ein optisches Signal abgeben. Bei in nicht-leitenden Zustand Geraten der Schaltmittel 3, als Folge einer zu hohen «s^ss-Entwicklung sr. .: der Vi.,istoren 1, 2 odar als Folge eines Übers'' roms durch einen oäex. durch beid? Varistoren 1, 2 »ceht die zu schützende- Spannung ui^r das iii C t-leitende Schaltelement 3, i.".ii,i.gedessen das erste elektro-optische Element 13 eine optisches Signal abgeben wird, um eine Fehler»xtuat^on anzuzeigen.optical element 13 is connected in parallel* and with the series chain of the first and second varistors 1, 2 a second electro-optical element 14 is connected in parallel. During the normal operating state, in which the switching means 3 are in the conductive state, the first electro-optical element 13 is short-circuited and the voltage to be protected, for example the mains voltage of a low-voltage electrical network, is applied to the series chain of the first and second varistors 1, 2. The second electro-optical element 14 will emit an optical signal as a result of the applied voltage. If the switching means 3 becomes non-conductive as a result of too high a voltage development of the varistors 1, 2 or as a result of an overcurrent due to an overcurrent through both? Varistors 1, 2 supply the voltage to be protected to the C-conductive switching element 3, whereupon the first electro-optical element 13 will emit an optical signal to indicate a fault.
Als elektro-optische Elemente können für die betreffende angelegte Spannung geeignete Glühlampen, Gasentladungsröhren oder LEDs erforderlichenfalls in Reihe geschaltet mit einer Vorschaltimpedanz 15, 16 angeschlossen werden. Das erste elektro-optische Element 13 kann beispielsweise zum Abgeben von rotem Licht eingerichtet sein, während das zweite elektro-optische Element 14 für die Abgabe von grünem Licht eingerichtet sein kann.As electro-optical elements, incandescent lamps, gas discharge tubes or LEDs suitable for the relevant applied voltage can be connected in series with a ballast impedance 15, 16 if necessary. The first electro-optical element 13 can, for example, be designed to emit red light, while the second electro-optical element 14 can be designed to emit green light.
Geeignete thermische Schaltmittel für Anwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Figur 5 gezeigt.Suitable thermal switching means for use in the device according to the invention are shown in Figure 5.
Figur 5a zeigt einen Querschnitt von in der Vorzugsausführungsform der Erfindung angewandten thermischen Schaltmittel des Typs "World Thermo", Fabrikant Tachibana Metal Co. Ltd., namentlich Typ S-105.Figure 5a shows a cross section of thermal switching means of the type "World Thermo", manufactured by Tachibana Metal Co. Ltd., namely type S-105, used in the preferred embodiment of the invention.
Innerhalb des U-förmigen Kunststoffgehäuses 10 befindet sich ein Schaltelement, das aus einem Kontaktstab 17 besteht, dessen Ende jeweils in dem gehäuse befindliche Enden von Anschlußelektroden 18, 19 anschließen, deren jeweils andere Ende außerhalb des Gehäuses 10 heraussteckt, um die Schaltmittel elektrisch zu verbinden. Zwischen den in dem Gehäuse 10 gelegenen Teilen der Anschlußelektroden 18, 19 erstreckt sich von der Seite aus, an der die Anschlußelektroderi aus dem Gehäuse herausstecken, ein Auflage-Inside the U-shaped plastic housing 10 there is a switching element consisting of a contact rod 17, the end of which connects to ends of connecting electrodes 18, 19 located in the housing, the other end of which protrudes outside the housing 10 in order to electrically connect the switching means. Between the parts of the connecting electrodes 18, 19 located in the housing 10, a support extends from the side on which the connecting electrodes protrude from the housing.
rungskörper 20 aus elektrisch isolierendem* Material, Deispi'elsweise Kunststoff. Von der nahe den Enden der Anschlußelektroden 18, 19 gelegenen Seite aus ist der Auflagerungskörper 20 mit einer Blindbohrung 21 versehen. In dieser Bohrung erstreckt sich ein Stift 22, der an dem aus dem Auflagerungskörper 20 heraussteckenden Ende mit einem Anschlag 23 versehen ist. Zwischen diesem Anschlag 23 in:*} dem Srids der Bohrung &egr;&iacgr;&idigr;&kgr;'; edermittel angebracht, beispielsweise "line sich um den Stift 22 erstreckende zylindrische Druckfeder 24. D\-3e Druckfeder 24 übt auf den Anschlag 23 eine Kraft in. der Richtung aus, die von dem Auflagerungskörper 20 abgewendet ist, wobei der Anschlag 23 gegen den Kontaktstab 17 dxiickt. Auf der Seite, an der die Anschlußelektroden aus dem rjhäuse 10 herausstecken, ist dieses mittels einer Harzschicht 25 flüssigkeitsdicht geschlossen, um zu vermeiden, daß in dem Gehäuse 10, um den Kontaktstab 17 vorhandenes Wachs 26 aus dem Gehäuse austreten kann..supporting body 20 made of electrically insulating material, for example plastic. From the side near the ends of the connecting electrodes 18, 19, the supporting body 20 is provided with a blind bore 21. A pin 22 extends into this bore and is provided with a stop 23 at the end protruding from the supporting body 20. Between this stop 23 in:*} the side of the bore &egr;&iacgr;&idigr;&kgr;'; A spring is attached to the stop 23, for example a cylindrical compression spring 24 extending around the pin 22. The compression spring 24 exerts a force on the stop 23 in the direction facing away from the support body 20, whereby the stop 23 presses against the contact rod 17. On the side on which the connection electrodes protrude from the housing 10, the latter is sealed in a liquid-tight manner by means of a resin layer 25 in order to prevent wax 26 present in the housing 10 around the contact rod 17 from escaping from the housing.
Das Schaltelement ist in Figur 5a in dem normal leitenden Zustand gezeigt, wobei der Kontaktstab 17 mittels eines niedrigschmelzbaren Metall-Legierung 27 mit den Anschlußelektroden 18, 19 verbunden ist. Unter dem Einfluß der Umgebungswärme oder unter dem Einfluß eines durch die Metall-Legierung hindurchfließenden Überstroms wird, je nach ihren Zusammensetzung, die Legierung und das Wachs bei einer bestimmten Temperatur schmelzen, wodurch der Kontaktstab 17 unter dem Einflup des Stifts 22 in die Richtung verstellt wird, die von den in dem Gehäuse heraussteckenden Enden der Anschlußelektroden 16, 19 abgewandt ist, wie im Querschnitt in Figur 5b dargestellt ist. Etwaige Lichtbogen beim Unterbrechen der Verbindung werden von dem Wachs 26 wirksam gelöscht. Wie in Figur 5b deutlich zu erkennen ist, ist der Übergang von dem leitenden in den nicht-leitenden Zustand unumkehrbar. In dieser Situation bilden die Enden der Anschlußelektrojeu 18, 19 in dem Gehäuse einerseits und über den Kontaktstab 17 andererseits eine Entladun'jsstrecke über die sich extrem hohe Überspannungen (< 3000 V) entladen können, so daß auch in nicht-leitendem Zustand das Schaltelement einen gewissen Schutz vor hohen Überspannungen bietet.The switching element is shown in Figure 5a in the normally conductive state, with the contact rod 17 being connected to the connecting electrodes 18, 19 by means of a low-melting metal alloy 27. Under the influence of the ambient heat or under the influence of an excess current flowing through the metal alloy, depending on their composition, the alloy and the wax will melt at a certain temperature, whereby the contact rod 17 is adjusted under the influence of the pin 22 in the direction facing away from the ends of the connecting electrodes 16, 19 protruding from the housing, as shown in the cross section in Figure 5b. Any arcs when the connection is interrupted are effectively extinguished by the wax 26. As can be clearly seen in Figure 5b, the transition from the conductive to the non-conductive state is irreversible. In this situation, the ends of the connecting electrodes 18, 19 in the housing on the one hand and via the contact rod 17 on the other hand form a discharge path over which extremely high overvoltages (< 3000 V) can be discharged, so that even in a non-conductive state the switching element offers a certain degree of protection against high overvoltages.
Figur 5c zeigt eine Ansicht des Gehäuses 10, gesehen von der Linie V-c - V-c in Figur 5b. Die Abmessungen des Gehäuses 10 des Scnaltelements betragen etwa 10 &khgr; 6 &khgr; 3 mm. Durch di^se AbmessungenFigure 5c shows a view of the housing 10, seen from the line V-c - V-c in Figure 5b. The dimensions of the housing 10 of the switching element are approximately 10 x 6 x 3 mm. These dimensions
kann das Element geeignet auf handelßdbiichen'varistorscheYben montiert werden, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 5-35 mm aufweisen können. Durch diese relative ('leinen Abmessungen kann ein Systum mit ausreichend kleinen Abmessungen für Montage auf Leiterplatten und dergleichen verschafft werden.The element can be suitably mounted on commercially available varistor plates, which can have a diameter in the order of 5-35 mm. These relatively small dimensions make it possible to obtain a system with sufficiently small dimensions for mounting on printed circuit boards and the like.
Obwohl die Erfindung anhand einer Vorzugsausführungsform beschrieben ist, die aus zwei elektrisch und thermisch in Reihe geschalteten Varistorelementen besteht, ist der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke, nämlich die Anwendung eines thermischen Schaltelements, das auf Umgebungswärme reagiert und erforderlichenfalls auf überstrom in direktem thennischem Kontakt mit einem Varistorelement und als ganzes eingebettet in einer Gußmasse aus thermisch isolierendem Material, mit demselben Vorteil bei einer Varistorschaltung anwendbar, die aus nur einem einzigen V \ristorelement oder aus mehr als zwei Varistorelementen besteht. Selbstverständlich kann auch mehr als ein Schaltelement zur erfindungsyemäßen Schutz einer Varistor schaltung angewandt werden.Although the invention is described using a preferred embodiment consisting of two varistor elements connected electrically and thermally in series, the idea underlying the invention, namely the use of a thermal switching element that reacts to ambient heat and, if necessary, to excess current in direct thermal contact with a varistor element and embedded as a whole in a cast compound made of thermally insulating material, can be used with the same advantage in a varistor circuit consisting of only a single varistor element or of more than two varistor elements. Of course, more than one switching element can also be used to protect a varistor circuit according to the invention.
Claims (1)
ist.between this terminal (6) and dar. 'Siynal/ardq,
is.
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