DE102017218582B4

DE102017218582B4 - Bauraumbegrenztes Schutzmodul mit zumindest zwei Überspannungsschutzelementen in parallelen Stromzweigen

Info

Publication number: DE102017218582B4
Application number: DE102017218582.1A
Authority: DE
Inventors: Gernot FINIS; Christian Birkholz; Steffen Pförtner
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: US20190115745A1; DE102017218582A1; CN109687420A; CN109687420B; US10971916B2

Abstract

Bauraumbegrenztes Schutzmodul mit zumindest zwei Überspannungsschutzelemente (TVS1, TVS2) in parallelen Stromzweigen, wobei das Schutzmodul (1) eine lokale mehrstufige Anzeige zur Anzeige (A) von mindestens einem Betriebszustand, einem Warnzustand und einem Defektzustand aufweist, wobei die im Betriebszustand parallel geschalteten Überspannungsschutzelemente auf einer Platine (P) in elektrischer Verbindung mit Leiterbahnen der Platine (P) thermisch erweichbar haftend angeordnet sind, wobei dem ersten Überspannungsschutzelement (TVS1) ein erster Kraftspeicher (F1) zugeordnet und dem zweiten Überspannungsschutzelement (TVS2) ein zweiter Kraftspeicher (F2) zugeordnet ist, der im eingelöteten Zustand Kraft auf das jeweilige Überspannungsschutzelement (TVS1, TVS2) parallel zur Oberfläche der Platine (P) ausübt, sodass im Falle einer Erwärmung eines Überspannungsschutzelements über den Erweichungspunkt der thermischen Haftung das betreffende Überspannungsschutzelement seitlich verschoben wird, sodass eine elektrische Verbindung zu den Leiterbahnen der Platine (P) unterbrochen wird, wobei eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung des zweiten Überspannungsschutzelements (TVS2) immer als Defektzustand signalisiert wird während eine alleinige Unterbrechung der elektrischen Verbindung des ersten Überspannungsschutzelements (TVS1) als Warnzustand signalisiert wird, wobei die Überspannungsschutzelemente (TVS1, TVS2) eine unterschiedliche Charakteristik aufweisen, wobei beide Stromzweige im Betriebszustand elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei dem ersten Überspannungsschutzelement (TVS1) ein erster Schieber in der Anzeige (A) zugeordnet ist und wobei dem zweiten Überspannungsschutzelement (TVS2) ein zweiter Schieber in der Anzeige (A) zugeordnet ist, wobei durch ein räumliches Übergreifen des zweiten Schiebers sichergestellt werden kann, dass der Defektzustand den Warnzustand überdeckt und damit unabhängig vom Warnzustand angezeigt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein bauraumbegrenztes Schutzmodul mit zumindest zwei Überspannungsschutzelementen in parallelen Stromzweigen.
Hintergrund der Erfindung
Aus vielen Bereichen der Elektrotechnik ist es bekannt, dass zum Schutz von Analgen und/oder Verbrauchern Schutzeinrichtungen vorgesehen sind.
Dabei ist neben dem Schutz vor thermischer Überlastung z.B. durch zu starken Stromfluss der Überspannungsschutz zunehmend wichtig geworden.
Überspannungen können dabei unterschiedliche Ursachen haben. Beispielsweise können sie in Netzen durch das Schalten von Lasten oder aber durch elektrostatische Entladungen, wie z.B. Gewitter, hervorgerufen sein, um nur einige Beispiel zu nennen.
Allerdings können auch Überspannungseinrichtungen Fehlfunktionen aufweisen.
Insbesondere die Überbeanspruchung von elektronischen Bauelementen kann dazu führen, dass sie außerhalb des Nennbetriebsbereiches arbeiten. Der z.B. durch eine reduzierte Bauteilisolationsfestigkeit hervor gerufene Leistungsumsatz am geschädigten Bauelement führt zu einer unzulässigen Erwärmung. Wird die unzulässige Erwärmung des Bauelements nicht verhindert, kann es z.B. zur Schädigung umgebender Materialien, Entstehung von Rauchgasen und/oder zu einer Brandgefahr führen. Je nach verwendetem Bauelement kann es auch zu einer explosionsartigen Zerstörung kommen.
Um dies zu Vermeiden wurde in der Vergangenheit eine Temperatursicherung dem Bauelement zugeordnet, um eine Abschaltung bei einer bestimmten Erwärmung zu ermöglichen.
Aufgrund der begrenzten thermischen Ankopplungsmöglichkeit ist diese Anordnung für sehr schnelle Erwärmungsvorgänge jedoch nicht geeignet.
Zudem sind Signalisierungseinrichtungen auf diese Art und Weise nur schwer zu realisieren.
In der Mess- / Steuer- / Regel-Technik werden solche Überspannungsschutzelemente typsicherweise in Schutzmodule integriert. Diese Schutzmodule sind in aller Regel auf einer Tragschiene anordenbar. Dabei spielt die Baugröße eine herausragende Kontrolle.
Allen diesen Anordnungen ist es jedoch gemein, dass nach dem Auslösen der Temperatursicherung und dem damit verbunden Abtrennen des Überspannungsschutzelements die Schutzfunktion vor Überspannungen verloren geht.
Insbesondere bei größeren Anlagen ist jedoch die Schutzlosigkeit problematisch, da sie die Anlage an sich gefährdet, bis das entsprechende Schutzmodul getauscht ist.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 41 24 231 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der für den Fehlerfall eines ersten Varistors ein weiterer Varistor borgesehen ist. Der weitere Varistor wird bei einem Abtrennen des ersten Varistors als Alternative zu diesem eingeschaltet. Mit dem Einschalten des weiteren Varistors wird auch eine Signallame aktiviert. Wird der weitere Vasitor abgetrennt, so wird eine weitere Singallampe aktiviert.
Aus der EP 0 716 494 A1 ist eine weiter Anordnung mit zwei Varistoren bekannt. Dabei wird wiederum ein Varistor als Back-Up für einen anderen Varistor bereitgestellt.
Ebenso ist aus der DE 20 2016 102 862 U1 der Anmelderin eine bauraumoptimierte Abtrennvorrichtung für zwei zu überwachende elektronische Bauelemente bekannt.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt eine kostengünstige Lösung zur Verfügung zu stellen, die schnell und zuverlässig eine Abtrennung bereitstellen kann, und/oder die auch nach Auslösen der Abtrennung weiterhin eine Schutzfunktion zur Verfügung stellt.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren angegeben.
Kurzdarstellung der Figuren
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Figurenliste

1 einen ersten schematischen Schaltplan von Ausführungsformen der Erfindung,
2 einen zweiten schematischen Schaltplan von Ausführungsformen der Erfindung,
3 eine schematische Schnitttdarstellung von Ausführungsformen der Erfindung in einem ersten Zustand,
4 eine schematische Schnitttdarstellung von Ausführungsformen der Erfindung in einem zweiten Zustand, und
5 eine schematische Schnitttdarstellung von Ausführungsformen der Erfindung in einem dritten Zustand.

Ausführliche Darstellung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
In den Figuren ist ein bauraumbegrenztes Schutzmodul mit zumindest zwei Überspannungsschutzelementen TVS1, TVS2 in parallelen Stromzweigen gezeigt.
Das Schutzmodul weist eine lokale mehrstufige Anzeige zur Anzeige von mindestens einem Betriebszustand, einem Warnzustand und einem Defektzustand auf.
Die parallel geschalteten Überspannungsschutzelemente TVS1, TVS 2 sind auf einer Platine P in elektrischer Verbindung mit Leiterbahnen der Platine P thermisch erweichbar haftend angeordnet.
Dem ersten Überspannungsschutzelement TVS1 ist ein erster Kraftspeicher F1 zugeordnet und dem zweiten Überspannungsschutzelement TVS2 ist ein zweiter Kraftspeicher F2 zugeordnet. Der erste Kraftspeicher F1 und/oder der zweite Kraftspeicher F2 können beispielsweise mit federnden Elemente ausgestattet sein, die z.B. nach dem Verlöten des ersten Überspannungsschutzelements TVS1 bzw. des zweiten Überspannungsschutzelements TVS2 aktiviert oder eingesetzt werden. Beispielsweise kann hierzu eine Aufnahme - wie in den 3-5 angedeutet - auf der Platine P neben dem entsprechenden Element angeordnet sein. Der erste Kraftspeicher F1 und der zweite Kraftspeicher F2 üben im nichtausgelösten eingelöteten Zustand der Überspannungsschutzelemente TVS1, TVS2 - gemäß 3 - jeweils eine Kraft auf das zugeordnete Überspannungsschutzelement TVS1, TVS2 parallel zur Oberfläche der Platine Paus.
Im Falle einer Erwärmung eines Überspannungsschutzelements TVS1, TVS2 über den Erweichungspunkt der thermischen Haftung das betreffende Überspannungsschutzelements TVS1, TVS2 kann das so (an-) gelöste Überspannungsschutzelement seitlich (parallel zur Oberfläche der Platine P) verschoben werden, sodass eine elektrische Verbindung zu den jeweiligen Leiterbahnen der Platine P unterbrochen wird.
Eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung des zweiten Überspannungsschutzelements TVS2 - siehe 5 - wird dabei immer als Defektzustand signalisiert während eine alleinige Unterbrechung der elektrischen Verbindung des ersten Überspannungsschutzelements TVS1 - siehe 4 - als Warnzustand signalisiert wird.
Somit werden ein Warnzustand und ein Defektzustand ermöglicht. Die vorgestellte Erfindung ermöglicht es dabei bauraumoptimiert zu arbeiten, sodass herkömmliche Baugrößen aber auch geringere Baugrößen von weniger als 8 mm ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist für das erste Überspannungsschutzelement TVS1 eine Halteeinrichtung vorgesehen, die das abgetrennte erste Überspannungsschutzelement nach dem Abtrennen definiert räumlich fixiert.
Diese Halteeinrichtung kann z.B. eine räumliche Begrenzung, wie z.B. einen Anschlag und/oder ein Lötpad aufweisen. Lötpads können z.B. so ausgeführt sein, dass das verbleibende Lot an einem oder beiden Anschlüssen des ersten Überspannungsschutzelements TVS1 in Kontakt mit dem Lötpad erkaltet und damit das erste Überspannungsschutzelement TVS1 fixiert. Gleichermaßen kann dies aber auch alternative oder zusätzlich durch Anpressen des ersten Überspannungsschutzelements TVS1 an eine mechanische Aufnahme erreicht werden. Durch diese Ausgestaltung wird es vermieden, dass ein abgetrenntes erstes Überspannungsschutzelement TVS1 innerhalb des Moduls 1 vagabundiert und andere Schäden verursachen könnte.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist für das zweite Überspannungsschutzelement TVS2 eine Halteeinrichtung vorgesehen, die das abgetrennte erste Überspannungsschutzelement nach dem Abtrennen definiert räumlich fixiert.
Diese Halteeinrichtung kann z.B. eine räumliche Begrenzung, wie z.B. einen Anschlag und/oder ein Lötpad aufweisen. Lötpads können z.B. so ausgeführt sein, dass das verbleibende Lot an einem oder beiden Anschlüssen des zweiten Überspannungsschutzelements TVS2 in Kontakt mit dem Lötpad erkaltet und damit das zweite Überspannungsschutzelement TVS2 fixiert. Gleichermaßen kann dies aber auch alternative oder zusätzlich durch Anpressen des zweiten Überspannungsschutzelement TVS2 an eine mechanische Aufnahme erreicht werden. Durch diese Ausgestaltung wird es vermieden, dass ein abgetrenntes zweites Überspannungsschutzelement TVS2 innerhalb des Moduls 1 vagabundiert und andere Schäden verursachen könnte.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung - wie in 2 gezeigt - wird der Stromzweig des zweiten Überspannungsschutzelements TVS2 erst nach Abtrennen des ersten Überspannungsschutzelements TVS1 zugeschaltet, sodass im Betriebszustand nur der erste Stromzweig elektrisch leitend verbunden ist und im Warnzustand nur der zweite Stromzweig elektrisch leitend verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Überspannungsschutzelemente TVS1, TVS2 eine unterschiedliche Charakteristik auf, wobei das erste Überspannungsschutzelement TVS1 bei einer geringeren Überlast als das zweite Überspannungsschutzelement TVS2 unterbrochen wird, wobei beide Stromzweige im Betriebszustand elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die unterschiedliche Charakteristik eine unterschiedliche Ansprechspannung ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die lokale Anzeige durch mechanisch ausgelöste Schieber realisiert, die durch das seitliche Verschieben eines Überspannungsschutzelements mitverschoben werden.
In den 3-5 ist z.B. der Schieber, der dem ersten Überspannungsschutzelement TVS1 zugeordnet ist, durch Schraffur von links oben nach rechts unten dargestellt. Der Schieber, der dem zweiten Überspannungsschutzelement TVS2 zugeordnet ist, ist hingegen durch Schraffur von links unten nach rechts oben dargestellt.
Wird nun - wie in 4 gezeigt - das erste Überspannungsschutzelement TVS 1 ausgelöst, so verschiebt sich der Schieber in ein Anzeigefenster A im Gehäuse G. Wird hingegen - wie in 5 gezeigt - das zweite Überspannungsschutzelement TVS2 ausgelöst, so verschiebt sich der andere Schieber in das Anzeigefenster A im Gehäuse G.
Durch die Ausgestaltung der Schieber - hier eine räumliches Übergreifen - wird sichergestellt, dass z.B. der Defektzustand den Warnzustand überdeckt und damit unabhängig vom Warnzustand angezeigt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Überspannungsschutzelemente TVS1, TVS2 ausgewählt sind aus einer Gruppe aufweisend Transient Volatage Supressor-Diode (TVS-Diode), gasgefüllter Ableiter, Varistor. Dabei können die Überspannungsschutzelemente auch unterschiedlich gewählt sein.
Mittels des Schutzmoduls 1 ist es möglich bei unzulässiger Erwärmung eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Überspannungsschutzelementes, eine Abtrennung des Bauelements durchzuführen. Auch nach Abtrennung des Bauelements bleibt weiterhin eine Schutzfunktion bestehen. Dies ist je nach Ausgestaltung der Bauelemente TVS1, TVS2 auch eine Redundanzfunktion.
Beide Überspannungsschutzelemente TVS1, TVS2 sind mit einer Abtrennvorrichtung (thermische Ablösung - dargestellt als Schalter S1, S2 bzw. S1.1. - versehen, die das betreffende Überspannungsschutzelement im Fehlerfall in einen sicheren Betriebszustand überführt.
Der erforderliche Bauraum ist dabei minimiert und erlaubt auch bei großen Temperaturanstiegen eine sichere Abschaltung. Zudem ist das Schutzmodul kostengünstig herstellbar.
Das Abtrennung eines Überspannungsschutzelements TVS1, TVS2 kann sowohl lokal in einer Anzeige A als auch über eine Fernmeldeeinrichtung (nicht dargestellt - z.B. über Schalter am Kraftspeicher F1, F2 und/oder an den Schiebern) signalisieren werden und zwar in der Art und Weise, dass das Abtrennen eines ersten Überspannungsschutzelements mit einer ersten Farbe (z.B. orange/gelb) signalisiert wird und das Abtrennen des zweiten Überspannungsschutzelements mit einer zweiten Farbe (z.B. rot) signalisiert wird.
Die zwei Überspannungsschutzelement TVS1, TVS2 können auf einer Platine P mit niedrig schmelzendem Lot befestigt sein. Eine Feder F1 bzw. F2 (z.B. eine Druckfeder) übt kontinuierlich eine Kraft auf das jeweilige Überspannungsschutzelement TVS1, TVS2 aus. Erwärmt sich ein Überspannungsschutzelement TVS1, TVS2 im Fehlerfall wird es entlang der Oberfläche der Platine P verschoben.
In der 1 ist ein zweites Überspannungsschutzelement TVS2, welches dem ersten Überspannungsschutzelement TVS1 parallel geschaltet ist, so bemessen, dass es bei einer Überlastung des ersten Überspannungsschutzelements TVS vergleichsweise geringer überlastet wird und somit auch nach Abtrennen des überlasteten ersten Überspannungsschutzelements TVS1 weiterhin eine Schutzfunktion bereitstellt.
Wird nun zu einem späteren Zeitpunkt das zweite Überspannungsschutzelement TVS2 überlastet, wird das zweite Überspannungsschutzelement TVS2 ebenfalls entlang der Oberfläche der Platine P verschoben.
Diese Bauteilbemessung der beiden elektronischen Überspannungsschutzelement TVS1, TVS2 kann z.B. durch die Wahl der Ansprechspannung realisiert werden. Dabei wird ein zweites Überspannungsschutzelement TVS so bemessen, dass die Ansprechspannung des Überspannungsschutzelement TVS2 höher gewählt wird jedoch so niedrig, dass die an die Begrenzungsspannung gestellten Anforderungen weiterhin erfüllt werden.
Das Abtrennen und Verschieben des ersten elektronischen Überspannungsschutzelement TVS1 wird mit einer ersten Farbe (z.B. orange oder gelb) signalisiert. So kann der Kunde die Vorschädigung erkennen.
Das Abtrennen und Verschieben des zweiten Überspannungsschutzelement TVS2 wird mit einer zweiten Farbe (z.B. rot) signalisiert. So kann der Kunde den Defekt des Surge Protective Devices (SPD) erkennen.
Alternativ zu der unterschiedlichen Bemessung der parallel ausgeführten Schutzelemente, wie sie oben beschrieben wird, kann das Abtrennen und Verschieben des ersten elektronischen Überspannungsschutzelement TVS1 eine Anschaltung des zweiten elektronischen Überspannungsschutzelement TVS2 - wie in 2 gezeigt - herstellen. Dieses zweite Überspannungsschutzelement TVS2 übernimmt dann die Schutzfunktion. In dieser alternativen Ausgestaltung können die beiden elektronischen Bauelemente identisch bemessen werden.
Bezugszeichenliste

TVS1, TVS2: Überspannungsschutzelement
P: Platine
F1, F2: Kraftspeicher
A: Anzeige
G: Gehäuse
S1,S1.1,S1.2: Schalter
S2: Schalter

Claims

Bauraumbegrenztes Schutzmodul mit zumindest zwei Überspannungsschutzelemente (TVS1, TVS2) in parallelen Stromzweigen, wobei das Schutzmodul (1) eine lokale mehrstufige Anzeige zur Anzeige (A) von mindestens einem Betriebszustand, einem Warnzustand und einem Defektzustand aufweist, wobei die im Betriebszustand parallel geschalteten Überspannungsschutzelemente auf einer Platine (P) in elektrischer Verbindung mit Leiterbahnen der Platine (P) thermisch erweichbar haftend angeordnet sind, wobei dem ersten Überspannungsschutzelement (TVS1) ein erster Kraftspeicher (F1) zugeordnet und dem zweiten Überspannungsschutzelement (TVS2) ein zweiter Kraftspeicher (F2) zugeordnet ist, der im eingelöteten Zustand Kraft auf das jeweilige Überspannungsschutzelement (TVS1, TVS2) parallel zur Oberfläche der Platine (P) ausübt, sodass im Falle einer Erwärmung eines Überspannungsschutzelements über den Erweichungspunkt der thermischen Haftung das betreffende Überspannungsschutzelement seitlich verschoben wird, sodass eine elektrische Verbindung zu den Leiterbahnen der Platine (P) unterbrochen wird, wobei eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung des zweiten Überspannungsschutzelements (TVS2) immer als Defektzustand signalisiert wird während eine alleinige Unterbrechung der elektrischen Verbindung des ersten Überspannungsschutzelements (TVS1) als Warnzustand signalisiert wird, wobei die Überspannungsschutzelemente (TVS1, TVS2) eine unterschiedliche Charakteristik aufweisen, wobei beide Stromzweige im Betriebszustand elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei dem ersten Überspannungsschutzelement (TVS1) ein erster Schieber in der Anzeige (A) zugeordnet ist und wobei dem zweiten Überspannungsschutzelement (TVS2) ein zweiter Schieber in der Anzeige (A) zugeordnet ist, wobei durch ein räumliches Übergreifen des zweiten Schiebers sichergestellt werden kann, dass der Defektzustand den Warnzustand überdeckt und damit unabhängig vom Warnzustand angezeigt werden kann.
Schutzmodul nach Anspruch 1, wobei weiterhin für das erste Überspannungsschutzelement eine Halteeinrichtung vorgesehen ist, die das abgetrennte erste Überspannungsschutzelement nach dem Abtrennen definiert räumlich fixiert.
Schutzmodul nach Anspruch 2, wobei die Halteeinrichtung ein Lötpad aufweist.
Schutzmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, wobei die Halteeinrichtung eine mechanische Aufnahme aufweist, gegen die das erste abgetrennte Überspannungsschutzelement durch den ersten Kraftspeicher (F1) gehalten wird.
Schutzmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Überspannungsschutzelement (TVS1) bei einer geringeren Überlast als das zweite Überspannungsschutzelement (TVS2) unterbrochen wird.
Schutzmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unterschiedliche Charakteristik eine unterschiedliche Ansprechspannung ist.
Schutzmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lokale Anzeige durch mechanisch ausgelöste Schieber realisiert wird, die durch das seitliche Verschieben eines Überspannungsschutzelements mitverschoben werden.
Schutzmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überspannungsschutzelemente ausgewählt sind aus einer Gruppe aufweisend TVS-Diode, gasgefüllter Ableiter, Varistor.