Zündkreis
Die Erfindung betrifft einen Zündkreis. Aus dem Stand der Technik sind Funkenstrecken bekannt.
Diese werden unter anderem zum Schutz von elektrischen Anlagen parallel zu diesen elektrischen Anlagen geschaltet. Tritt ein Überspannungsereignis ein, so soll die
Funkenstrecke zünden und die Überspannung an der
elektrischen Anlage vorbei ableiten. Dabei ist es Ziel den Spannungspegel, bei dem die Funkenstrecke zündet, so gering wie möglich zu halten. Dieser Spannungspegel wird auch als Schutzpegel bezeichnet. Um den Schutzpegel gering zu halten, werden Funkenstrecken mit einem Zündkreis ausgestattet.
Dabei stellen die Zündkreise typischerweise eine
Vorionisierung der Funkenst ecke zur Verfügung, so dass die Funkenstrecke bei wesentlich geringeren Spannungen im
Vergleich zu einer Funkenstrecke ohne Vorionisieren zündet. D.h. der Spannungspegel, der zum Zünden der Funkenstrecke notwendig ist, wird herabgesetzt. Die Vorionisierung wird durch eine Hilfselektrode erreicht, welche entweder mittig oder näher zu einer der Hauptelektroden der Funkenstrecke angeordnet ist. Dabei stellt die Hilfselektrode zusammen mit zumindest einer der Hauptelektroden der Funkenstrecke eine Hilfsfunkenstrecke dar, währende die Funkenstrecke zwischen der Hauptelektroden der Funkenstrecke häufig als Haupt funkenstrecke bezeichnet wird.
Allerdings kann es abhängig von der Bauform der
Funkenstrecke einige Zeit, z.B. einige Mikro-Sekunden dauern, bevor die Hauptfunkenstrecke zündet.
Da übliche Überspannungsimpulse mit sehr hohen Stromanstiegen
aufwarten, ist es während des
Stromanstieges besonders kritisch die geforderten
Schutzpegel einzuhalten. Aus diesem Grund kann parallel zur Funkenstrecke ein weiterer Schutzpfad bereitgestellt werden, der den Schutzpegel für kurze Zeiten entsprechend niedrig hält. Da dieser weitere Schutzpfad nur für kurze Zeit benötigt wird, kann er für geringere Anforderungen ausgelegt werden. Z.B. kann die Funkenstrecke ein Abieiter entsprechend Class I sein, während im weiteren Schutzpfad Abieiter entsprechend Class II eingesetzt werden.
Obwohl die vorstehenden Anordnungen bereits zu einer
Reduktion der Schutzpegel führen, sind diese immer noch relativ hoch. Weiterhin ist die Ausgestaltung der weiterenSchutzpfade häufig nachteilig, da hierdurch häufig eine nicht zu unterschätzende parasitäre induktive Komponente eingebracht wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Zündkreis zur Verfügung zu stellen, der die Nacheile aus dem Stand der Technik in erfinderischer Weise umgeht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 schematische Anordnungen von Funkenstrecken mit einem Zündkreis,
Fig. 2 ein Detail einer Funkenstrecke mit
Hilfselektrode,
Fig. 3 einen schematischen Aufbau eines
Mehrfachkontaktvaristor mit einem Abgriff,
Fig. 4 Funkenstrecken mit einem Zündkreis,
Fig. 5 Funkenstrecken mit einem Zündkreis,
Fig. 6 Reihenschaltungen von Funkenstrecken mit einem
Zündkreis gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
Fig. 7 Reihenschaltungen von Funkenstrecken mit einem
Zündkreis gemäß weiterer Ausführungsformen der
Erfindung, und
Fig. 8 Reihenschaltungen von Funkenstrecken mit einem
Zündkreis gemäß noch weiterer Ausführungsformen der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt schematische Anordnungen von
Funkenstrecken FSi mit einem Zündkreis Z. Die Funkenstrecke weist eine erste Zuleitung ZLi und eine zweite Zuleitung ZL2 auf. Der Zündkreis Z ist als zweiter Schutzpfad als
Reihenschaltung zweier Varistoren VARi, VAR2 ausgebildet. Dabei wird die Reihenschaltung als eine Art Spannungsteiler betrieben, wobei der Abgriff des Spannungsteilers auf die Hilfselektrode Hi einer Funkenstrecke geführt ist. D.h. bei
einem Überspannungsereignis werden zunächst die Varistoren VARX, VAR2 leitfähig, und hierdurch bedingt über die
Hilfselektrode Hi zu einem baldigen Zünden der Funkenstrecke FSi. D.h. die Zeit bis zum Zünden der Funkenstrecke wird durch den zweiten Schutzpfad überbrückt. Eine Überlastung des zweiten Schutzpfades kann durch geeignete
Dimensionierung des Spannungsteilers und der Hilfselektrode vermieden werden, in dem die Funkenstrecke zu einem
frühzeitigen Zünden durch eine vorhandene Vorionisierung veranlasst wird. Die gleichzeitige Auslegung des
Zündkreises Z als paralleler Ableitpfad führt zu einer vorteilhaften Reduktion von benötigten Bauteilen.
Wie in Figur 1 auf der linken Seite gezeigt, kann die
Anordnung baulich vereinigt sein, oder aber wie auf der rechten Seite dargestellt, kann der Zündkreis Z verbindbar, z.B. steckbar, ausgeführt sein.
In Figur 2 ist ein Detail einer Funkenstrecke FSi mit
Hilfselektrode Hi gezeigt. Dieses Funkenstrecke FSi weist einen ersten Funkenstreckenanschluss FSAx und einen zweiten Funkenstreckenanschluss FSAi auf. Der erste
Funkenstreckenanschluss FSA2 ist mit einer ersten (Haupt- ) Elektrode der Funkenstrecke in Verbindung und der zweite Funkenstreckenanschluss FSA2 ist mit einer zweiten (Haupt- Elektrode der Funkenstrecke in Verbindung. Weiterhin weist die Funkenstrecke FSi eine Hilfselektrode Hi auf. Die
Hilfselektrode Hi kann dabei entweder mittig oder näher zu einer der beiden Hauptelektroden angeordnet sein, oder aber auch resistiv mit einer der Hauptelektroden verbunden sein.
In Figur 4 und 5 sind weitere Funkenstrecken mit einem Zündkreis dargestellt. Diese weisen im Unterschied zu Figur 3 weiterhin einen gasgefüllten Überspannungsabieiter, zu
Englisch gas discharge tube (GDT) , auf. Mit solch einem gasgefüllten Überspannungsabieiter GDT im Zündkreis kann erreicht werden, dass die Gesamtanordnung weiterhin einen hohen Isolationswert aufweist. Bei einer reinen
Varistorbeschaltung VARi, VAR2 des Zündkreises Z (wie er in Figur 1 gezeigt ist) ist dies nicht immer gegeben. Dabei zeigt sich die Anordnung gemäß Figur 5 als besonders vorteilhaft, da bei dieser Anordnung eine besonders gute Einstellung des jeweiligen Zündverhaltens möglich ist. So kann durch die Variation der Ansprechspannung des
gasgefüllten Überspannungsabieiter GDT und eine geeignete Wahl der Varistoren der Spannungsteiler in Bezug auf den Strom durch den Zündkreis so eingestellt werden, dass die Funkenstrecke vor Überlastung der Varistoren sicher
gezündet wird. Dabei zeigt sich auch günstig eine
asymmetrisch angeordnete Hilfselektrode (wie in den Figuren angedeutet) zu verwenden.
Um den induktiven Einfluss durch den Zündkreis zu
minimieren, kann vorteilhafterweise ein
Mehrfachkontaktvaristor M-VAR eingesetzt werden. Ein solcher Mehrfachkontaktvaristor M-VAR ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Dabei weist der
Mehrfachkontaktvaristor M-VAR, welcher durch einen
gestrichelten Rahmen dargestellt ist, einen ersten
Mehrfachkontaktvaristoranschluss M-VARAi und einen zweiten Mehrfachkontaktvaristoranschluss M-VARA2 auf.
Weiterhin weist der Mehrfachkontaktvaristor M-VAR einen Abgriff A auf.
Obwohl nur ein Abgriff dargestellt ist, können auch mehrere Abgriffe vorgesehen sein. Dabei stellt der
Mehrfachkontaktvaristor M-VAR schaltungstechnisch eine integrierte Reihenschaltung aus einem ersten Varistor VARi und einem zweiten Varistor VAR2 dar. Der Einsatz von
Mehrfachkontaktvaristoren M-VAR hat zudem den Vorteil, dass für diese Bauteile lediglich eine einzige
Temperaturüberwachung vorgesehen sein kann, während für eine diskrete Reihenschaltung in aller Regel mehrere
Temperaturüberwachungen vorgesehen sein müssen. Weiterhin ist durch die Verwendung eines Mehrfachvaristors immer sichergestellt, dass die Teilvaristoren aus einer Baucharge stammen. Weiterhin werden parasitäre Induktivitäten durch den integrierten Ansatz vermieden. Hierdurch kann das
Schaltverhalten positiv beeinflusst werden. Dabei ist zu vermerken, dass der Abgriff nicht notwendigerweise zu einer symmetrischen Spannungsteilung führen muss, sondern, dass die Teilvaristoren VARi und VAR2 auch unterschiedlich gewählt sein können. Weiterhin wird der Bauteileeinsatz minimiert, da nun nur noch ein Mehrfachkontaktvaristor M-VAR zum
Einsatz kommt.
Dieses Konzept kann auch auf Reihenschaltungen von
Funkenstrecken ausgeweitet werden. Durch eine
Reihenschaltung von Funkenstrecken kann eine
blit zstoßstromtragfähige und netzfolgestrombegrenzende Überspannungsschutzgerät 1 bereitgestellt werden.
In den Figuren 6 bis 8 sind Reihenschaltungen von
Funkenstrecken mit einem Zündkreis gemäß Ausführungsformen der Erfindung gezeigt.
Dabei wird jeweils ein Zündkreis Z für eine Reihenschaltung von zumindest zwei Funkenstrecken FSi, FS2 zur Begrenzung von Überspannungen mit mittlerer und hoher Leistung, insbesondere von Überspannungen entsprechend den
Impulsformen 8/20 und 10/350 s mit Amplituden von etwa 10 kA bis etwa 200 kA (Class I Abieiter) gezeigt. Die
Funkenstrecken FSi, FS2 sind jeweils mit zumindest einer Hilfselektrode Hi, H2 ausgestattet. Der Zündkreis Z weist einen ersten Varistor VARi und einen zweiten Varistor VAR2 auf. Der Zündkreis Z ist insbesondere zur Begrenzung von Überspannungen mit mittlerer Leistung, insbesondere von Überspannungen entsprechend der Impulsform 8/20 mit Amplituden von etwa 10 bis etwa 100 kA (Class II Abieiter) , geeignet. Der Zündkreis Z ist dabei zur Verbindung mit den Hilfselektroden Ηχ, H2 ausgelegt, wobei der Zündkreis Z zwei Teilzündkreise TZi, TZ2 aufweist, wobei der erste
Teilzündkreis ΤΖχ den ersten Varistor VARX aufweist und zur Zündung der ersten Funkenstrecke FSi ausgelegt ist, und wobei der zweite Teilzündkreis TZ2 den zweiten Varistor VAR2 aufweist und zur Zündung der zweiten Funkenstrecke FS2 ausgelegt ist.
Der in Figur 6 und Figur 7 gezeigte optionale gasgefüllte Überspannungsabieiter GDT stellte eine Isolation der
Anordnung, insbesondere des Zündkreises Z, dar, da die beiden Zündstrecken (Zündelektrode zu den beiden jeweils unteren Hauptelektroden) bei einer resistiven Anbindung keine Isolation aufweisen.
Über die drei Varistoren der Figur 6 wird ein weiter
Schutzpfad mit geringem Schutzpegel aufgebaut, der die Spannung so lange begrenzt, bis die beiden Funkenstrecken FSi, FS2 zünden. Gleichzeitig dienen die Varistoren als Zündvaristoren für die Funkenstrecken. Dabei kann es förderlich sein Varistoren mit unterschiedlichen
Nennspannungen zu verwenden, um das Zünden der
Funkenstrecken bei niedrigem Schutzpegel der
Gesamtanordnung zu optimieren.
Die Varistoren des Zündkreises können mit einer oder mehreren thermischen Abtrennvorrichtungen versehen werden. In der Ausführungsform gemäß Figur 7 wird im Unterschied zu Figur 6 lediglich eine Reihenschaltung aus zwei Varistoren eingesetzt. D.h. der Zündkreis kann nicht mehr ohne
weiteres als eigenständiger Schutzpfad gesehen werden. Über die zwei Varistoren VARi, VAR2 werden die beiden
Hilfselektroden Ηχ, H2 der Funkenstrecken FSi, FS2
angesteuert. Der Verzicht auf den dritten Varistor kann zum einen zur Folge haben, dass die beiden Funkenstrecken, insbesondere die untere Funkenstrecke, früher zünden, da der gesamte Anfangsstrom über die erste Funkenstrecke fließt. Da ein schnelles Zünden der Funkenstrecken generell positiv für den Schutzpegel ist, kann bei geeigneter
Dimensionierung der Varistoren ein verbesserter Schutzpegel eingestellt werden. In den Ausführungsformen gemäß Figur 6 und Figur 7 stellen der erste Teilzündkreis TZi und der zweite Teilzündkreis TZ2 des Zündkreises Z eine Reihenschaltung dar.
Diese Ausführungsformen eigenen sich in besonderer Weise, um Mehrfachkontaktvaristoren M-VAR einzusetzen. Ein Einsatz von Mehrfachkontaktvaristoren M-VAR führt wiederum zu den bereits zuvor beschriebenen Vorteilen. D.h. der erste
Varistor VARi und der zweite Varistor VAR2 sind Teil eines Mehrfachkontaktvaristors M-VAR mit zumindest einem Abgriff A. Der Abgriff A ist dann zur Verbindung mit der ersten Hilfselektrode Hx ausgelegt. In der Ausführungsform der Figur 6 kann auch ein Mehrfachkontaktvaristors M-VAR mit mehreren Abgriffen zum Einsatz kommen. Ein erster Abgriff ist dann zur Verbindung mit der ersten Hilfselektrode Ηχ
ausgelegt während ein weiterer Abgriff zur Verbindung mit der zweiten Hilfselektrode H2 ausgelegt ist. Natürlich kann hier aber auch ein einfacher Mehrfachkontaktvaristors M-VAR mit einem Abgriff A in Reihe mit einem diskreten weiteren Varistor verwendet werden.
In den Ausführungsformen gemäß Figur 6 und 8 ist der zweite Teilzündkreis TZ2 zur Verbindung mit einer zweiten Zuleitung ZL2 der Reihenschaltung von zumindest zwei Funkenstrecken FSi, FS2 ausgelegt. Dies entspricht dem Schaltungskonzept aus Figur 4.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen weist der
Zündkreis weiterhin einen gasgefüllten
Überspannungsabieiter GDT auf, wobei der erste
Teilzündkreis TZi den gasgefüllte Überspannungsabieiters GDT und den ersten Varistor VARX als Serienschaltung aufweist und zur Zündung der ersten Funkenstrecke FSi ausgelegt ist. Hierdurch kann die Gesamtisolation der Anordnung hoch gehalten werden.
Ohne weiteres kann der vorstehend skizzierte Zündkreis Z integriert (so dargestellt auf der linken Seite der Figuren 6 bis 8) oder verbindbar (so dargestellt auf den rechten Seiten der Figuren 6 bis 8) ausgeführt sein. In der
integrierten Bauweise kann so ein Überspannungsschutzgerät 1 bereitgestellt werden, dass blitzstoßstromtragfähige und netzfolgestrombegrenzende Eigenschaften besitzt.
Andererseits kann die steckbare Variante zu einem
nachrüstbaren Schutz bei verbessertem Zündverhalten
verwendet werden. Somit ist es ohne weiteres möglich ein kostengünstiges Kombiprodukt anzubieten, dass auf
einfachste Art und Weise an die Bedürfnisse angepasst werden kann.
In der Ausführungsform, welche in Figur 8 dargestellt ist, sind die zwei Teilzündkreise getrennt voneinander
ausgeführt. Dabei ist der erste Teilzündkreis TZi zur
Verbindung mit einer ersten Zuleitung ZLi der
Reihenschaltung von zumindest zwei Funkenstrecken FSi, FS2 ausgelegt. In entsprechender Weise ist auch der zweite Teilzündkreis TZ2 zur Verbindung mit einer zweiten Zuleitung ZL2 der Reihenschaltung von zumindest zwei Funkenstrecken FSi, FS2 ausgelegt. Abschließend wird in Bezug auf Figur 8 noch darauf hingewiesen, dass die Anordnung der
Hilfselektroden in Bezug auf die Zuleitungen bei
asymmetrischer Anordnung oder resistiver Ankopplung so gestaltet sein kann, dass die Elektroden, welche zu den Hilfselektroden den geringsten Abstand aufweisen,
elektrisch kontaktiert sind. Dies ist besonders
vorteilhaft, wenn die Hilfselektroden resistiv an eine der Hauptelektroden der jeweiligen Funkenstrecke angebunden sind. Durch diese Anordnung sind die jeweils nicht resistiv angebundenen Elektroden auf den außen liegenden
Zuleitungsseiten angeordnet und stellen somit eine
verbesserte Isolation zur Verfügung.
Soweit vorstehend von Class I bzw. Class II Abieitern gesprochen wird sind damit lediglich Eigenschaften der entsprechenden Abieiter referenziert . Auf eine tatsächliche Normkompatibilität kommt es nicht an.
Weiterhin können die Varistoren auch als
Multikontaktvaristoren ausgeführt sein. Solche
Multikontaktvaristoren sind beispielsweise Gegenstand der deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 011 241 auf die hier explizit verweisen wird. Bei dieser Ausführungsform der Varistoren weist der Varistor eine Parallelschaltung von
Teilvaristoren auf, bei der viele Einzelkontakte
nebeneinander eine gemeinsame Varistorkeramik parallel kontaktieren. So kann beispielsweise eine Zuleitungsseite eines Varistors und/oder ein Abgriff A in Bezug auf einen oder beide daran anschließenden Teilvaristoren als
Multikontakt ausgelegt sein.
Diese Multikontaktvaristoren erlaubt es eine weitere Reduzierung der Schutzpegel bereitzustellen während zugleich die Sicherheit gegenüber einem Durchlegieren erhöht wird. Eine solche Bauform kann auch mit einer Reihenschaltung wie zuvor beschrieben kombiniert sein, so dass ein Mehrfach-Multikontaktvaristor verwendet wird.
Bezugs zeichenliste
Abgriff A Funkenstrecken FSX, FS2 Funkenstreckenanschluss FSAi, FSA2 gasgefüllten Überspannungsabieiter GDT Hilfselektrode Hi, H2 Teil zündkreise TZX, TZ2 Varistor VARx, VAR2 Zündkreis Z Zuleitung ZLi, ZL2
Mehrfachkontaktvaristor M-VAR
Mehrfachkontaktvaristoranschluss M-VARAi , M-VARA2
ÜberSpannungsschützgerät 1