DE2405671B2

DE2405671B2 - Schaltungsanordnung zum begrenzen von ueberspannungen

Info

Publication number: DE2405671B2
Application number: DE19742405671
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl.-Ing. 8014 Neubiberg Popp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-02-06
Filing date: 1974-02-06
Publication date: 1976-08-26
Also published as: DE2405671A1

Description

Löschung eines gezündeten Überspannungsbegrenzers erreicht, ohne daß die Restspannung zu Lasten des zu schützenden Verbrauchers unzulässig hohe Werte annehmen kann. Die im kalten Zustand sehr niederohmigen Kaltleiter verzögern den Anspnxhvorgang eines schnellen Spannungsbegrenzers nicht. Erst bei Erreichen einer für den Überspannungsbegrenzer gefährlichen Temperatur tritt ein Widerstandssprung ein, der zum Löschen und zum Überlastungsschutz d?s Überspannungsbegrenzers ausgenutzt werden kann. Die kleine Kapazität eines Überspannungsbegrenzers wird durch die Schaltungskombination von Überspannungsbegrenzer und Kaltleiter nicht erhöht.

Die Erfindung wird an Hand der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Überspannungsbegrenzeranordnung, die mittels eines Halbleiter-Kaltleiters im Nutzstromkreis durch Energiebegrenzung geschützt ist,

Fig. 2 ein Beispiel für die Verwirklichung der thermischen Kopplung zwischen einem Überspannungsbegrenzer A und einem Halbleiter-Kaltleiter KL,

Fig.3 Halbleiter-Kaltleiter in Reihenschaltung mit den vor Überlast zu schützenden Überspannungsbegrenzern im Querzweig einer Leitung,

Fig.4 eine Hilfsschaltung mit einem Halbleiter-Kaltleiter zum Schutz des Überspannungsbegrenzers im Prinzip,

F i g. 5 die Verwendung eines Halbleiter-Kaltleiters in Verbindung mit zwei Überspannungsbegrerizern, von denen einer eine Zcnerdiode ist.

In Fig. 1 verbindet eine gleichstromführende Leitung eine Gleichstromquelle E mit einer vor Überspannungen zu schützenden Einrichtung (Verbraucher V). Parallel zu den Anschlußklemmen der Leitung ist ein z. B. als Gasspannungsableiter ausgebildeter Überspannungsbegrenzer A vorgesehen, der äußere oder innere Überspannungen nach dessen Zündung auf die Restspannung (Brennspannung) des Überspannungsbegrenzers A begrenzt.

Überspannungsbegrenzer werden nach Zündung durch einen Überspannungsimpuls in der Regel im Brennzustand gehalten, wenn sie an einer Gleichspannung liegen, welche die minimale notwendige Brennspannung der Spannungsableiter überschreitet. Das Weiterbrennjn der Überspannungsbegrenzer kann infolge Überhitzung zur Zerstörung der Überspannungsbegrenzer führen. Ein sicheres Löschen nach einem Beeinflussungsvorgang kann erreicht werden, wenn entsprechend vor dem zu schützenden Überspannungsbegrenzcr A in die Stromversorg'ingsleitung ein geeigneter Halbleiter-Kaltleiter KL eingeschaltet wird.

Im Falle eines Nachbrennens des Überspannungsbegrenzers A fließt ein Folgestrom //■- über den Halbleiter-Kaltleiter KL und den Überspannungsbegrenzer A, so daß sowohl im Halbleiter-Kaltleiter als auch im Überspannungsbegrenzer Wärme erzeugt wird.

Der Überspannungsbegrenzer kann dabei in engem Wärmekontakt mit dem Halbleiter-Kailleiter angeordnet werden, so daß sich ein Teil der im Überspannungs- Cr begrenzer erzeugten Wärme auf den Halbleiter-Kaltleiter übertragen kann. Beim Erreichen der kritischen Temperatur wird der Halbleiter-Kaltleiter hochohmig und der Folgestrom so stark verringert, daß der Überspannungsbegrenzer löscht. Nach Abkühlen des Halbleiter-Kaltleiters ist die zu schützende Anlage wieder voll betriebsbereit. Während des Abkühlvoreangs bleibt der Überspannungsschutz voll erhalten.

Die Vorteile der Schaltung sind, daß die an der zu schützenden Einrichtung zu erwartenden Überspannungen nur vom Überspannungsbegrenzer A abhängen, da dieser unmittelbar parallel zu dem zu schützenden Gerät liegt. Die Ansprerhspannung des Überspannungsbegrenzers A kann so niedrig wie der Betrieb es zuläßt, gewählt werden. Auf das Löschverhalten des Überspannungsbegrenzers A braucht keine Rücksicht genommen zu werden. Man kann daher Überspannungsbegrenzer mit sehr niedriger Stoßansprechspannung, deren Löschverhalten meist nicht ausreichend ist, verwenden.

Bei stärkerer Beeinflussung über längere Zeit könnte am Eingang der Schutzschaltung die Überspannung sehr hohe Werte annehmen, so daß dies zu Überschlägen führen würde. Die Überschläge können verhindert werden, wenn vor den Halbleiter-Kaltleiter eine billige Grobfunkenstrecke G geschaltet wird, die hoch belastbar ist und sicher löscht. In diesem Fall kann auch der Überspannungsbegrenzer A selbst dann sicher vor Überlastung geschützt werden, wenn seine Belastbarkeit nur gering ist, da bei jeder unzulässigen Erwärmung des Überspannungsbegrenzers der Halbleiter-Kaltleiter KL hochohmig wird und den Beeinflussungsstrom verringert.

Der Betriebsstrom verursacht am Halbleiter-Kaltleiter einen Spannungsabfall und erzeugt in ihm Wärmeenergie. Die Gleichstromquelle E muß die am Halbleiter-Kaltleiter abfallende Spannung liefern. Die durch Eigenerwärmung bestimmte Betriebstemperatur des Halbleiter-Kaltleilers muß noch unterhalt) einer kritischen Temperatur liegen. Die maximal zulässige Verlustleistung im Halbleiter-Kaltleiter bestimmt den Anwendungsbereich dieser einfachen Schutzschaltung.

Bei höheren Betriebsgleichströmen, die eine Verwendung der Schaltung nach Fig. 1 nicht mehr zulassen, kann die Schaltungsanordnung nach F i g. 3 ein Löschen der Spannungsableiter bei geringer Stoßansprechspannung sicherstellen und eine Überlastung der Ableiter verhindern.

Die Schaltung benutzt parallel zu den Eingangsklemmen des Verbrauchers V mehrere als Gasspannungsableiter ausgebildete Überspannungsbegrenzer AX_x Al. denen je ein niederohmiger Halbleiter-Kaltleiter KL 1, KL 2 im Querzweig in Serie geschalte! ist. Den Senenschaltungen ist eine Grobfunkenstrecke G parallel geschaltet. Die Überspannungsbegrenzer A 1 und A 2 weisen zweckmäßig sehr kleine Stoßansprechspannungen auf. Ihre Nennansprechspannung kann unterschiedlich gewählt werden. Die Ansprechspannung der Grobfunkenstrecke G ist höher als die der Überspannungsbegrenzer Ai, Λ 2. Die Überspannungsbegrenzer A 1, Λ 2 können in direktem Wärmekontakt mit den Halbleiter-Kaltleitern KLX, KL2 angeordnet werden. Die Verringerung der Beeinflussungsspannung nach Zünden des Überspannungsbegrenzers wird vom Leitungsinnenwiderstand Rl und vom Widerstand Rki. der Halbleiter-Kaltleiter bestimmt. Der Leitungsinnenwiderstand ist groß gegen den Halbleiter-Kaltlciterwiderstand.

Die Schaltung kann als Überspannungsbegrenzungseinrichtung für Schaltungen eingesetzt werden, für die eine hohe Betriebssicherheit gewünscht wird. Im Beeinflussungsfall wird die Restspannung am Eingang des Verbrauchers V vom Ableiter mit der geringsten Stoßansprechspannung bestimmt. Mit zunehmender Belastung werden nacheinander infolge des Spannungsabfalles an den Halbleiter-Kaltleitern auch die übrigen

Überspannungsbegrenzer ansprechen. An der Ableitung der Überspannung sind dadurch also mehrere Überspannungsbegrenzer beteiligt, so daß die Energie, die ein Überspannungsbegrenzer aufzunehmen hat nur ein Teil der Gesamtenergie ist. Infolge der Eigenerwärmung des Halbleiter-Kaltleiters und der Wärmeübertragung vom Überspannungsbegrenzer zum Halbleiter-Kaltleiter, wird der Überspannungsbegrenzer vor Überlastung geschützt und ein Kurzschluß durch Verschweißen der.Überspannungsbegrenzerelektroden vermieden. Nach dem Beeinflussungsvorgang ist daher die Schutzeinrichtung wieder betriebsfähig. Das Austauschen von Überspannungsbegrenzern ist nur in sehr seltenen Fällen erforderlich. Bei langdauernden stromstarken Beeinflussungsvorgängen wird infolge Ansteigens der Spannung an der Schutzeinrichtung die Grobfunkenstrecke G bei ihrer Nennansprechspannung ansprechen. Grobfunkenstrecken können überlastungssicher und löschsicher gebaut werden.

Die Schaltung nach Fig-3 ist nicht auf die Verwendung von zwei Überspannungsbegrenzern beschränkt; die Schaltung ist sowohl mit nur einem wie auch mit mehr als zwei Überspannungsbegrenzern mit zugehörigem Halbleiter-Kaltleiter betriebsfähig.

Wird bei sehr großem Betriebsstrom eine kleine Restspannung an der zu schützenden Einrichtung verlangt, dann empfiehlt sich eine Schaltung nach Fig. 4.

Diese Schaltungsanordnung benutzt eine Hilfsschaltung, die von einem Halbleiter-Kaltleitcr KL 3, der mit einem Überspannungsbegrenzer A 3 thermisch gekoppelt ist, gesteuert wird. Der Überspannungsbegrenzer A 3 ist der zu schützenden Einrichtung über den Ruhekontakt reines Relais /?der Hilfsschaltung parallel geschaltet. Beim Auftreten einer Überspannung ist der Verbraucher V nur von der Stoßansprechspannung des Überspannungsbegrenzers beansprucht. 1st die Belastung des Überspannungsbegrenzers so groß, daß er sich auf eine unzulässige hohe Temperatur erwärmt, dann wird ein Halbleiter-Kaltleiter KL 3 im Sleuerkrcis eines Transistors Γ infolge der thermischen Kopplung mit dem Überspannungsbegrenzer in seinen hochohmigen Zustand übergeführt. Gleichzeitig steigt die Spannung in einer Zencrdiode Z an und steuert nach Erreichen ihrer Zenerspannung den Transistor T leitend. Das im Kollektorkreis angeordnete Relais R

ίο wird erregt, öffnet seinen Kontakt r und schaltet dadurch einen Halbleiter-Kaltleiter KL4 in Reihe mit dem Überspannungsbegrenzer A 3. so daß dieser löscht. Durch die Verwendung des zusätzlichen Halbleiter-Kaltleiters KL 4 wird verhindert, daß der Verbraucher V nach dem öffnen des Kontaktes r für eine gewisse Zeit völlig schutzlos ist. Wenn es die Betriebsbedingungen zulassen, kann der Kontakt r auch so angeordnet sein, daß der Überspannungsbegrenzer durch Kurzschließen gelöscht wird.

jo Bestehen die Überspannungsbegrenzer aus einem Halbleiterelement, z. B. Zenerdiode, weil eine Begrenzung auf sehr kleine Spannungen erforderlich ist, dann kann ein Überlastungsschutz entsprechend der Schaltung nach F i g. 5 ausgebildet werden. Zwischen zwei im

*5 Querzweig der an den zu schützenden Verbraucher V führenden Leitung angeordneten Überspannungsbegrenzern, von denen der erste als Entladungsstrccke und der zweite als Zenerdiode ausgebildet ist, ist im Längszweig ein Halbleiter-Kaltleiter KL5 angeordnet

der thermisch mit dem löschsicheren Überspannungsbegrenzer A 4 und/oder mit der Zenerdiode gekoppelt ist Bei Erreichen der kritischen Temperatur des Halbleiter-Kaltleiters wirkt dieser als Schutzwiderstand für die Zenerdiode. Gleichzeitig bietet diese Schaltung der Vorteil, daß Zenerdioden mit kleiner Verlustleistung verwendet werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: gekennzeichnet.daß der Halbleiter-Kaltleiter (KL 5) mit dem Überspannungsbegrenzer (Λ4) und der Zenerdiode ^thermisch gekoppelt ist (F i g. 5).

1. Schaltungsanordnung zum Begrenzen von Überspannungen an gleichstromführenden Leitungen unter Verwendung von wenigstens einem Überspannungsbegrenzer, der einer zu schützenden Einrichtung parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Überspannungsbegrenzer (A) ein im Längszweig {Nutzstromkreis) "> angeordneter Halbleiter-Kaltleiter (KL)Jn Reihe geschaltet ist, der nach Zündung des Überspannungsbegrenzers (A) infolge Eigen- oder Fremderwärmung von einem niederohmigen in einen hochohmigen Widerstandsbereich übergeht und die Löschung des Überspannungsbegrenztrs (A) bewirkt (F ig. 1).

2. Schaltungsanordnung zum Begrenzen von Überspannungen an gleichstromführenden Leitungen unter Verwendung von wenigstens einem *o Überspannungsbegrenzer, der einer zu schützenden Einrichtung parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Überspannungsbegrenzer (A 1, A 2) ein im Querzweig angeordneter Halbleiter-Kaltleiter (KL 1. KL .2) in Reihe geschaltet ist. der *5 nach Zündung des Überspannungsbegrenzers (A 1, A 2) infolge Eigen- oder Fremderwärmung von einem niederohmigen in einen hochohmigen Widerstandsbereich übergeht und die Löschung des Überspannungsbegrenzers (Ai, A 2) bewirkt, und daß in einem weiteren Querzweig eine nachbrennsichere Entladungsstrcckc (Grobfunkenstrecke G) vorgesehen ist, deren Nenn-Ansprechspannung über der der Überspannungsbegrenzer (A 1. A 2) liegt (Fig. 3).

3.Schaltungsanordnung nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Kaltleiter (KL 5) im Längszweig zwischen zwei im Querzweig liegenden Überspannungsbegrenzern (A 4, Zenerdiode Z) angeordnet ist, von denen der erste als Entladungsstrecke (Überspannungsbegrenzer A 4) und der zweite als Zenerdiode (Z) ausgebildet ist (Fig. 5).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Kaltleiter (KL 4) im Querzweig durch den Kontakt feines Relais (R) kurzgeschlossen ist und daß ein weiterer mit dem Überspannungsbegrenzer (A 3) thermisch gekoppelter Halbleiter-Kaltleiter (KL3) im Steuerkreis einer Auswertcschaltung (R. T, W, Z) vorgesehen ist, der nach Zündung des Überspannungsbegren/ers (A 3) und Erwärmung des Halbleiter-Kaltleiters (KL 1) über die Auswerteschaltung (R, T. W. Z) den Kontakt (/^öffnet (F i g. 4).

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kritische Temperatur des Halbleiter-Kaltleiters

(Kl KL 5) oberhalb der Betriebstemperatur liegt

und so gewählt ist, daß der Widerstandssprung bei einer Temperatur einsetzt, die die Überspannungsbegrenzer (A ... 44) thermisch noch nicht gefährdet.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Kaltleiter (KL... KLZ) mit dem zugehörigen Überspannungsbegrenzer (A ... A3) thermisch gekoppelt ist (F i g. I bis 4).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch

Die Erfindung beziehi sich auf eine Schaltungsanordnung zum Begrenzen von Überspannungen an gleichstromführenden Leitungen unter Verwendung von wenigstens einem Überspannungsbegrenzer, der einer zu schützenden Einrichtung parallel geschaltet ist.

Um für den Überspannungsschutz von spannungsempfindlichen Einrichtungen die größtmögliche Sicherung zu erreichen, ist es erforderlich, eine nach der Zündung auftretende Überlastung von Überspannungsbegrenzern, die zu vorzeitigem Verschleiß oder zu ihrer Zerstörung führen kann, zu vermeiden. Bei Verwendung von Überspannungsbegrenzern zum Schutz gegen innere Überspannungen an wechselstromführenden Leitungen ist es bereits bekannt, den Strom im Ableiter durch Reihenschaltung mit einem Thermistor /u begrenzen (US-PS 3bb0 719). Wegen des stetigen Kennlinienverlaufes kann hier eine Widerstandserhöhung, die zur Löschung des Ableiters führt, nicht eintreten. Die Löschung erfolgt beim Nulldurchgang der Spannung. Für Gleichstrom führende Leitungen isi diese Schaltungsanordnung daher nicht geeignet.

Das Löschen von Überspannungsbegrenzern, die an einer gleichspannungführenden Leitung liegen, ist bei kleinen Stoßspannungen bisher nur schwer möglich. falls die anliegende Gleichspannung die minimal notwendige Brennspannung der Überspannungsbc grenzer überschreitet. Der nach einem kurzen Über spannungsimpuls, der zur Zündung des Überspannungsbegrenzers geführt hat. von einer Gleichspannungsquelle aufrechterhaltene Folgestrom führt im allgemeinen schnell zur thermischen Zerstörung des Uberspannungsbegrenzers. Es ist auch bereits bekannt, in einem Überspannungsschutzkreis mit einer Funkenstrecke für Gleichspannungen der Funkenstrecke einen spannungsabhängigen Widerstand in Reihe zu schalten (DT-PS 9 27 103. FR-PS 14 70 002). Der spannungsabhängige Widerstand erfüllt hier die Aufgabe, zusammen mit einem Kondensator einen Parallclschwingkreis zu bilden, der zu Schwingungen angeregt, einen Nulldurchgang der Spannung erzwingen soll. Die Verwendung von spannungsabhängigen Widerständen (Varistoren) hat jedoch den Nachteil, daß der zu schützende Verbraucher einer erhöhten Stoßnnsprechspannung ausgesetzt ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Varistoren bei schnellem Spannungsanstieg emc Erhöhung ihrer Stoßspannung aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Überlastungsschutz für Überspannungsbegrenzer unter Vermeidung von Nachteilen für den zu schützenden Verbraucher weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Die Auswahl der Halbleiter-Kaltleiter erfolgt dabei so, daß ihre kritische Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur liegt, und daß der Widerstandssprung bei einer Temperatur einsetzt, bei der die Überspannungsbegrenzer thermisch noch nicht gefährdet sind.

Unter Ausnutzung des scharfen Kennlinienknicks von Kaltleitern wird mit geringem Aufwand eine sichere