Beschreibung
Schutzelement zum Ableiten von Überspannungen und Verwendung
Ein Schutzelement zum Ableiten elektrischer Überspannungen ist beispielsweise der DE 43 31 215 AI bekannt. Es besteht aus einer Parallelschaltung von einem Uberspannungsableiter, einer Luft -Funkenstrecke und einem Varistor, die in einer becherförmigen metallischen Hülse angeordnet sind. Der Varistor ist ringförmig ausgebildet und sitzt direkt auf dem Uberspannungsableiter auf. Durch die Öffnung des ringförmigen Varistors ist ein Kontaktstift geführt, der mit der oberen Elektrode des Überspannungsabieiters kontaktiert ist . Untere Elektrode des Überspannungsabieiters und obere Elektrode des Varistors sind mit der becherförmigen Hülse verbunden.
Ein solches Schutzelement aus parallel geschaltetem Varistor und Uberspannungsableiter hat den Vorteil, daß bei steil ansteigenden Überspannungen die Zündverzögerung des Überspannungsabieiters mit Hilfe des vorzeitig ansprechenden Varistors überbrückt wird. Auf diese Weise wird die Schutzwirkung des Schutzelements während der Ansprechzeit des Überspannungsabieiters verbessert .
Nachteilig an dem bekannten Schutzelement ist jedoch, daß der ringförmige Varistor eine hohe Eigenkapazität aufweist. Diese bestimmt das Dämpfungsverhalten des Schutzelements, wenn es in hochfrequenten Schaltungen eingesetzt wird. Eine höhere Kapazität führt dabei zu höherer Dämpfung, die wiederum die Leitungslänge verringert, die mit einem solchen Schutzelement realisiert werden kann.
In hochfrequenten Telekommunikationssystemen, wie beispielsweise ADSL, VDSL und anderen, besteht jedoch ein Bedürfnis nach Schutzelementen zum Ableiten von Überspannungen, die die Ansprechzeit des Überspannungsabieiters überbrücken können
und gleichzeitig eine niedrige Dämpfung aufweisen und damit insbesondere für die hochfrequenten Systeme geeignet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein solches Schutzelement anzugeben, welches die genannten Nachteile bekannter Schutzelemente vermeidet .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Schutzelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Schutzelements sowie vorteilhafte Verwendungen sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Im erfindungsgemäßen Schutzelement sind ein Varistor und ein Uberspannungsableiter übereinander in einem elektrisch leitenden Becher angeordnet und zwischen dem Becher und einem Kontaktstift elektrisch parallel verschaltet. Der Varistor ist dabei scheibenförmig ausgebildet und sitzt direkt auf einer ersten Elektrode des Überspannungsabieiters auf. Die zweite Elektrode des Überspannungsabieiters sitzt am Boden des Bechers auf und kontaktiert diesen elektrisch. Die obere Elektrode des Varistors ist mit dem Becher elektrisch leitend verbunden. Der Kontaktstift ist elektrisch leitend mit der ersten Elektrode des Überspannungsabieiters verbunden und ist zumindest teilweise im Raum zwischen dem Varistor und dem Becher geführt. Zwischen Varistor und Kontaktstift ist ein isolierendes Zwischenstück angeordnet.
Vorzugsweise sind Varistor und Uberspannungsableiter rotationssymmetrisch ausgebildet und konzentrisch bzw. koaxial zueinander im Becher angeordnet. Der Durchmesser des Bechers wird vom Durchmesser des Überspannungsabieiters bestimmt. Vorzugsweise weist der Querschnitt des Bechers im Bereich des Überspannungsabieiters eine stufenartige Erweiterung auf, so daß der Becher im Bereich der oberen Elektrode des Überspannungsabieiters von diesem beabstandet ist.
Vorzugsweise ist die obere Elektrode des Varistors mechanisch und elektrisch mit einem Spreizelement verbunden, welches zumindest zwei Arme aufweist, die gegen die Innenwand des Bechers verspreizt sind und die obere Elektrode des Varistors elektrisch leitend mit dem Becher verbinden. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, daß sowohl eine zentrierte Ausrichtung des Varistors als auch ein sicherer Halt des Varistors im Becher erzielt wird. Vorteilhaft ist auch ein Spreizelement mit mehr als zwei Armen, die gleichmäßig über einen Kreisbogen gegeneinander versetzt sind. So gelingt eine optimale Ver- spreizung .
Vorzugsweise weist der Kontaktstift zumindest zwei Füße auf, die seitlich zwischen Varistor und Innenwand des Bechers hin zur ersten Elektrode des Überspannungsabieiters geführt sind. Diese Füße sind dann gegen die Arme des Spreizelements versetzt, bzw. werden zwischen diesen hindurchgeführt.
Das elektrisch isolierende Zwischenstück ist vorzugsweise elastisch ausgebildet und weist eine derartige Ausformung auf, daß es in der Art eines Gummistopfens fest an der Innenwand des Bechers anliegen kann. Das Zwischenstück weist Öffnungen auf, durch die die Füße des Kontaktstifts geführt sind. Die Arme des Spreizelements sind an der Becherwand vorzugsweise nach oben gebogen, wobei vorteilhaft auch für die nach oben gebogenen Enden der Arme des Spreizelements Öffnungen im Zwischenstück vorgesehen sind. Anzahl der Füße und Arme des Spreizelements entsprechen einander vorzugsweise und sind dann paarweise bzw. alternierend angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführung weisen das Spreizelement drei Arme und der Kontaktstift drei Füße auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Zwischenstück einen scheibenförmigen Grundkörper auf, der in der Mitte auf zumindest einer Seite eine Vertiefung aufweist, die an den Durchmesser des Kontaktstifts und/oder des Varistors angepaßt ist, wobei Kontaktstift
und/oder Varistor zumindest teilweise in der Vertiefung des Zwischenstücks versenkt sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung bildet das Zwischenstück den oberen Abschluß des Bechers, wobei der Kontaktstift die Becherwand und das Zwischenstück überragt. Die Arme des Spreizelements enden unterhalb des oberen Becherrands und können in einer vorteilhaften Ausgestaltung vollständig vom oberen Bereich des Zwischenstücks überdeckt sein.
Becher und Kontaktstift sind vorteilhaft aus Messing ausgebildet.
Der Varistor ist vorteilhaft als an sich bekannter Metalloxidvaristor ausgebildet.
Auch der Uberspannungsableiter kann beliebig gewählt werden und ist in seiner genauen Ausgestaltung an sich bekannt. Vorteilhaft werden gasgefüllte Uberspannungsableiter eingesetzt, die einen Zündstrich aufweisen und bei Überspannung eine Gasentladung zu einer Ableitungselektrode ausbilden können.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen in teilweiser nicht maßstabsgetreuer und sche- matischer Darstellung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schutzelement im schematischen Querschnitt
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schutzelements im schematischen Querschnitt (Figur 2a) bzw. in der Draufsicht (Figur 2b)
Figur 3 zeigt in perspektivischer Explosionszeichnung Einzelteile eines erfindungsgemäßen Bauelements
Figur 4 zeigt die Teile von Figur 3 in zusammengesetzter Form
Figur 5 zeigt das Ausführungsbeispiel von Figur 4 innerhalb eines Bechers.
Figur 1 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Schutzelement den prinzipiellen Aufbau eines solchen. Das Schutzelement ist in einem Becher B angeordnet, welcher aus einer im wesentlichen zylindrischen Becherwand BW und einem Becherboden BB besteht . Innerhalb des Bechers B sind übereinander ein Uberspannungsableiter UA, ein Varistor V, ein Zwischenstück ZS und darüber ein Kontaktstift KS angeordnet. Der Uberspannungsableiter UA sitzt auf dem Becherboden BB auf und ist über seine zweite Elektrode E2 elektrisch mit diesem verbunden. Der Varistor V sitzt auf dem Uberspannungsableiter UA auf und ist über seine untere Elektrode mit der ersten Elektrode El des Überspannungsabieiters verbunden. Das Zwischenstück ist formschlüssig zwischen Kontaktstift und Varistor angeordnet und isoliert diese elektrisch gegeneinander. Die obere Elektrode des Varistors ist über eine elektrische Verbindung EV mit der Becherwand BW verbunden. Der Kontaktstift KS ist über einen Fuß mit der ersten Elektrode El des Überspannungsabieiters verbunden. Auf diese Weise ergibt sich eine elektrische Parallelverschaltung der beiden Schutzkomponenten des Schutzelements zwischen dem Kontaktstift KS und dem Becher B.
In einer bevorzugten Verwendung des Schutzelements wird dieses über eine Federspannung zwischen zwei Kontakten gehalten, die mit dem Kontaktstift KS und dem Becherboden BB in Verbindung stehen. Auf diese Weise ist eine darüber hinausgehende mechanische Fixierung der Einzelteile des Schutzelements nicht erforderlich. Möglich ist es aber, daß Einzelteile des Schutzelements formschlüssig im Becher B eingebracht sind und auf diese Weise mechanisch mit diesem fixiert sind. Dabei
bietet sich an, den Uberspannungsableiter als die vom Volumen her größte Komponente des Schutzelements formschlüssig in den Becher einzupassen. Ebenfalls formschlüssig kann das Zwischenstück sein, insbesondere da dieses vorzugsweise aus einem elastischen Material, wie beispielsweise Gummi oder Silikonkautschuk gefertigt ist. Eine weitere Fixierung kann über die elektrische Verbindung EV erfolgen, die in einem Ausführungsbeispiel als Spreizelement ausgebildet ist, welches zumindest zwei Arme aufweist, die sich gegen die innere Becherwand BW verspreizen können. Der Fuß F des Kontaktstifts KS ist wie dargestellt durch das Zwischenstück ZS durchgeführt. Möglich ist es jedoch auch, das elektrisch isolierende Zwischenstück mit geringerem Durchmesser zu gestalten, wobei der Fuß dann am Zwischenstück vorbei hin zum Uberspannungsableiter UA geführt wird.
Figur 2a zeigt ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches dem in Figur 1 dargestellten Prinzip gehorcht. Genauer ausgeführt ist hier der Aufbau des Überspannungsabieiters UA. Dieser besteht im wesentlichen aus einer keramischen Hülse KH und zwei Elektroden El, E2 , die im Inneren des gasgefüllten Hohlraums der keramischen Hülse KH eine Funkenstrecke ausbilden.
Auf der ersten Elektrode El sitzt der Varistor V auf und ist hier in einer Vertiefung der ersten Elektrode El angeordnet. Dadurch läßt sich die Höhe des gesamten Schutzelements reduzieren. Innerhalb der Vertiefung ist der Varistor auf einer mesa-artigen abgeflachten Erhebung angeordnet, so daß nur ein zentraler Bereich der unteren Elektrode des Varistors mit der ersten Elektrode El des Überspannungsabieiters UA in Kontakt tritt. Damit wird sichergestellt, daß nur die Metallisierung des Varistors kontaktiert wird und unerwünschte Strompfade über die Mantelflächen des scheibenförmigen Varistors vermieden werden.
Die obere Elektrode des Varistors V ist mit einem metallischen Spreizelement SE verbunden, von dem in der Figur einer der insbesondere in dreifacher Ausfertigung vorhandenen Arme im Schnitt dargestellt ist. Diese bestehen beispielsweise aus metallischen Streifen, die am Ende nach oben gebogen sind und insgesamt formschlüssig in dem Becher einpaßbar sind. Über dem Varistor V bzw. dem mit diesem verbundenen Spreizelement SE ist ein elektrisch isolierendes Zwischenstück angeordnet. Dieses weist im Bereich der Becherwand eine durchgehende oder sacklochartige Öffnung auf, durch die das abgebogene Ende des Spreizelements SE geführt ist und dort an der Becherwand BW anliegt. Auf dem Zwischenstück ZS sitzt der Kontaktstift auf, der zumindest einen Fuß F aufweist, der durch eine weitere Öffnung des Zwischenstücks nach unten geleitet ist und mit der ersten Elektrode El des Überspannungsabieiters UA elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung kann als Anpreßkontakt ausgeführt sein.
Kontaktstift und Becher sowie die Füße und das Spreizelement SE sind insbesondere aus Messing ausgeführt . Die elektrische Verbindung zwischen Kontaktstift KS und dessen Fuß F ist vorzugsweise als Lötverbindung ausgeführt, ebenso die Verbindung zwischen der oberen Elektrode des Varistors und dem Spreizelement SE. Die elektrische Verbindung zwischen unterer Elektrode des Varistors und oberer Elektrode El des Überspannungsabieiters ist ebenfalls elektrisch leitend, beispielsweise eine Lötverbindung oder auch als elektrisch leitende Klebe erbindung ausgeführt. Möglich ist es jedoch auch, diese elektrische Verbindung als Preßkontakt auszuführen.
Ein weiteres vorteilhaftes Detail des in Figur 2a dargestellten Schutzelements ist eine stufenartige Erweiterung ST des Querschnitts des Bechers, die oberhalb der stufenartigen Erweiterung ST zu einem größeren Innendurchmesser führt . Dies hat zur Folge, daß sich zwischen dem äußeren Randbereich der ersten Elektrode El des Überspannungsabieiters UA und der Becherwand ein Luftspalt ausbildet, der zum einen diese Elek-
trode El von der Becherwand BW elektrisch isoliert und andererseits eine zusätzliche Luft-Funkenstrecke zur Verfügung stellt. Diese ermöglicht einen zweiten Strompfad, der im unwahrscheinlichen Fall eines Totalausfalls des Überspannungs- ableiters (z.B. bei Undichtigkeit) zum ungefährlichen Ableiten dieser Überspannung mittels Funkenüberschlag zur Becherwand führt .
Figur 2b zeigt das Bauelement von Figur 2a in der Draufsicht . Aus der Draufsicht wird klar, daß das Schutzelement vorzugsweise rotationssymmetrisch mit einer zentralen Symmetrieachse A ausgebildet ist, die hier eine dreizählige Symmetrie aufweist. Diese Symmetrie betrifft insbesondere Anzahl und Anordnung der Arme des Spreizelements SE bzw. der Füße F des Kontaktstifts KS . Aus der Draufsicht wird auch klar, daß die Arme des Spreizelements sowie die Füße alternierend gegeneinander versetzt sind und durch voneinander beabstandete Öffnungen des Zwischenstücks ZS geführt sind. Zwischen den Öffnungen schließt das Zwischenstück ZS vorzugsweise formschlüssig mit der inneren Becherwand BW ab. Der Kontaktstift KS ist vorzugsweise in eine Vertiefung des Zwischenstücks eingepaßt, welches also im Inneren eine geringere Dicke aufweist als zwischen den Öffnungen.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Kontaktstifts KS mit Füßen F, eines Zwischenstücks ZS und eines mit einem Spreizelement SE verbundenen Varistors V. Aus der Figur wird klar, daß Varistor und Spreizelement eine vorzugsweise durch eine Lötverbindung LV verbundene Einheit bilden, ebenso wie Kontaktstift KS und den mit diesem über eine Lötverbindung LV verbundenen Füßen.
Das von der Grundform her scheibenförmig ausgebildete Zwischenstück weist im Randbereich Öffnungen auf, durch die von verschiedenen Seiten her die Füße F bzw. die Arme des Spreizelements SE durchgesteckt werden können.
Figur 4 zeigt in ebenfalls perspektivischer Darstellung die drei in Figur 3 dargestellten Komponenten in zusammengebauter Form, wie sie auch im fertigen Schutzelement angeordnet sind. Aus dieser Darstellung wird klar, daß das Zwischenstück ZS zur elektrischen Isolation zwischen Kontaktstift und Varistor dient, bzw. zur elektrischen Isolation der Füße F gegen die Arme des Spreizelements SE . Die Füße F sind ebenso vom Varistor beabstandet, wie die Arme des Spreizelements SE vom Kontaktstift .
Figur 5 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht, wie das in Figur 4 dargestellte Teil in den Becher B formschlüssig eingepaßt ist. Aus der Figur wird klar, daß das Zwischenstück ZS formschlüssig mit dem Becher B abschließt. Ebenso wird klar, daß die Arme des Spreizelements SE gegen die Becherwand verspreizt sind und auf diese Weise einen elektrischen Kontakt zu dieser herstellen.
Obwohl die Erfindung nur anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wurde, ist sie doch nicht auf dieses beschränkt. Da sie im wesentlichen Anordnung und Verschaltung von Varistor und Kontaktstift mittels elektrisch isolierendem Zwischenstück, Füßen und Spreizelement darstellt, ist die genaue Ausführung des Überspannungsabieiters UA sowie des Varistors V für die Erfindung ohne Bedeutung. Wesentlich ist nur, daß der Varistor scheibenförmig ausgebildet ist, wobei obere und untere Hauptfläche metallisiert sind und so obere und untere Elektrode darstellen. Ein solcher Varistor hat eine geringe Kapazität und erlaubt den Einsatz des Schutzelements in hochfrequenten Systemen, insbesondere für hochfrequente Kommunikationssysteme wie beispielsweise ADSL, VDSL, etc. Die Erfindung zeichnet sich durch den geringen Raumbedarf, den einfachen Aufbau und den sicheren Zusammenhalt über die spezielle geometrische Ausgestaltung aus. Weitere mögliche Variationen der Erfindung ergeben sich aus der Auswahl unterschiedlicher Uberspannungsableitertypen, unterschiedlicher Materialien für
die einzelnen Komponenten sowie einer von der dargestellten räumlichen Ausgestaltung abweichenden geometrischen Ausführung .
Bezugszeichenliste
B Becher
V Varistor
UA Uberspannungsableiter
KS Kontaktstift
E1,E2 erste und zweite Elektrode des Uberspannungsablei- ters
BB Boden des Bechers
BW Becherwand
ZS elektrisch isolierendes Zwischenstück
EV elektrische Verbindung der oberen Elektrode des Varistors mit dem Becher
SE Spreizelement
F Füße des Kontaktstifts
A Symmetrieachse
LV,LV Lötverbindung
KH Keramische Hülse
ST Stufenartige Erweiterung der Becherwand