AT514791B1

AT514791B1 - Circuit arrangement for overvoltage protection

Info

Publication number: AT514791B1
Application number: ATA655/2013A
Authority: AT
Original assignee: Gerhard Dr Ing Rimpler
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2017-05-15
Also published as: AT514791A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit zumindest einem steuerbaren Schaltelement (1), das zwischen einem offenen und einem durchgeschalteten Zustand umschaltbar ist, und zumindest einem parallel geschalteten Überspannungsschutzelement (2), wobei eine Überspannungsdetektionseinheit (3) vorgesehen ist, die bei Detektion einer Überspannung das zumindest eine steuerbare Schaltelement (1) in den durchgeschalteten Zustand überführt und den durchgeschalteten Zustand nach Abklingen der Überspannung oder gegebenenfalls nach einer vorbestimmbaren Zeitspanne wieder beendet.Circuit arrangement for overvoltage protection with at least one controllable switching element (1) which can be switched between an open and a switched-through state, and at least one overvoltage protection element (2) connected in parallel, wherein an overvoltage detection unit (3) is provided which upon detection of an overvoltage the at least one controllable switching element (1) transferred into the through-connected state and the switched-through state terminates after the overvoltage ceases or, if appropriate, after a predeterminable period of time.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit zumindest einem steuerbaren Schaltelement zum Ein- und Ausschalten zumindest eines Laststromkreises, das zwischen einem offenen Zustand, in dem ein zugehöriger Lastwiderstand von einer Spannungsquelle getrennt ist, und einem durchgeschalteten Zustand, in dem der zugehörige Lastwiderstand mit der Spannungsquelle verbunden ist, umschaltbar ist, und zumindest einem parallel geschalteten Überspannungsschutzelement.Description: [0001] The invention relates to a circuit arrangement for overvoltage protection with at least one controllable switching element for switching on and off at least one load circuit which is connected between an open state in which an associated load resistor is disconnected from a voltage source and a switched-through state in which associated load resistor is connected to the voltage source, is switchable, and at least one parallel-connected overvoltage protection element.

[0002] In Wechselstromnetzen können aus unterschiedlichen Gründen kurzzeitige Überspannungen (Transienten) auftreten, die zur Beeinträchtigung oder Zerstörung von elektrischen Verbrauchern oder Schaltelementen führen können. Wenngleich viele elektrische Geräte relativ unempfindlich gegen Spannungspulse oder -spitzen sind, die durch Schaltvorgänge, Induktionsvorgänge, Blitzeinschläge oder dgl. hervorgerufen werden können, gilt dies für manche Bauelemente, z.B. Halbleiterbauelemente hingegen nicht.In AC networks, short-term overvoltages (transients) can occur for various reasons, which can lead to the impairment or destruction of electrical loads or switching elements. While many electrical devices are relatively insensitive to voltage pulses or spikes that may be caused by switching, induction, lightning or the like, this is true for some devices, e.g. Semiconductor devices, however, not.

[0003] Geeignete Überspannungsschutzelemente für empfindliche Bauteile sind z.B. spannungsabhängige Widerstände, Gasüberspannungsableiter wie etwa Varistoren, über welche die Überspannungen aufgrund der besonderen Strom/Spannungscharakteristik dieser Bauteile abgeleitet werden können. Nachteilig macht sich in manchen Fällen die relativ lange Ansprechzeit bemerkbar.Suitable overvoltage protection elements for sensitive components are e.g. voltage-dependent resistors, gas surge arresters such as varistors, over which the overvoltages can be derived due to the particular current / voltage characteristic of these components. A disadvantage is the relatively long response time noticeable in some cases.

[0004] Der Schutz empfindlicher Bauteile, wie z.B. steuerbarer Halbleiterschalter, und Eingänge geschieht daher vielfach mit Transient Voltage Suppressor Dioden (TVS-Dioden), die eine entsprechend schnelle Spannungsableitung gewährleisten und auch nach dem Überspannungsereignis ohne Austausch wieder einsetzbar sind.The protection of sensitive components, such as e.g. controllable semiconductor switch, and inputs are therefore often done with Transient Voltage Suppressor diodes (TVS diodes), which ensure a correspondingly fast voltage dissipation and can be used without replacement even after the surge event.

[0005] Nachteil derartiger Überspannungsschutzelemente ist die relative leichte thermische Zerstörbarkeit aufgrund einer zu hohen oder zu lange anliegenden energiereichen Überspannung.Disadvantage of such overvoltage protection elements is the relatively easy thermal destructibility due to too high or too long applied high-energy overvoltage.

[0006] In der US2007/0127179 A1 ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, die im Falle einer Überspannung die Last vor Schäden schützt. Die Schaltung besteht aus einer Netzversorgung, einem elektronischen Schalter mit einer Einheit zur Detektion von Überspannung und/oder Überstrom und einer elektrischen Last z.B. Glühbirne oder Motor. Der eingeschaltete elektronische Schalter wird im Falle einer Überspannung und/oder eines Überstroms von der Detektionseinheit über eine Kontrolllogik ausgeschaltet und somit wird die Last geschützt (Absatz [6], [21] und Anspruch 1). Somit wird in diesem Dokument die Last durch Ausschalten des elektronischen Schalters geschützt.US2007 / 0127179 A1 describes a circuit arrangement which protects the load from damage in the event of overvoltage. The circuit consists of a mains supply, an electronic switch with an overvoltage and / or overcurrent detection unit and an electrical load, e.g. Light bulb or engine. The switched on electronic switch is turned off in the event of overvoltage and / or overcurrent from the detection unit via a control logic and thus the load is protected (paragraph [6], [21] and claim 1). Thus, in this document, the load is protected by turning off the electronic switch.

[0007] Daher kommt in der Schaltungsanordnung gemäß US2007/0127179 A1 kein Überspannungsschutzelement zur Anwendung, welches durch eine zu lange andauernde Überspannung zerstört werden könnte.Therefore, in the circuit arrangement according to US2007 / 0127179 A1 no overvoltage protection element is used, which could be destroyed by an excessively long overvoltage.

[0008] Weiters ist in der EP2293403A1 eine ESD-Schutzschaltung geoffenbart, die zwischen einem I/O Port und einem Chipset angeordnet ist. Diese Schutzschaltung setzt sich aus zwei oder mehr parallel geschalteten Schutzmodulen 310a, 310b, 310c und einer Steuerschaltung 311 zusammen. Eingangsseitig befinden sich in den Schutzmodulen ESD-Bauteile PE3_a, PE3_b, PE3_c zur Ableitung der ESD- Störungen zur Masse, z.B. Kondensatoren, Dioden, Transistoren und zwischen den Eingängen und Ausgängen befinden sich Schalter zur Durchschaltung des Eingangssignals. Von der Steuerschaltung wird jeweils ein Schalter aktiviert und die Schalter der anderen Schutzmodule bleiben offen. Wenn bei aktiviertem Schalter kein Eingangssignal beim Chipset mehr ankommt, z.B. durch ESD zerstörten Schalter, wird von der Steuereinrichtung der Schalter im nächsten Schutzmodul angesteuert. Durch die Parallelschaltung der ESD-Bauteile PE3_a. PE3_b, PE3_c der Schutzmodule 310a, 310b, 310c ergibt sich eine Erhöhung der Schutzwirkung durch die Aufteilung der ESD-Ströme la, Ib, Ic und ein Reststrom fließt über den Schalter in das Chipset lre_a. In der EP2293403A1 wird somit der Schutz des Eingangs des Chipsets beschrieben, wobei Überspannungsimpulse über das ESD-Bauteil gegen Masse abgeleitet werden. Es sind sowohl redundante Schalter als auch parallele ESD-Schutzelemente erforderlich, weshalb sich ein relativ hoher schaltungstechnischer Aufwand ergibt.Further, EP2293403A1 discloses an ESD protection circuit arranged between an I / O port and a chipset. This protection circuit is composed of two or more parallel protection modules 310a, 310b, 310c and a control circuit 311. On the input side there are in the protection modules ESD components PE3_a, PE3_b, PE3_c for deriving the ESD interference to ground, e.g. Capacitors, diodes, transistors and between the inputs and outputs are switches for switching the input signal. One switch is activated by the control circuit and the switches of the other protection modules remain open. If, with the switch activated, no input signal arrives at the chipset, e.g. ESD destroyed switches, the control device controls the switches in the next protection module. Due to the parallel connection of the ESD components PE3_a. PE3_b, PE3_c of the protection modules 310a, 310b, 310c results in an increase of the protective effect through the division of the ESD currents Ia, Ib, Ic and a residual current flows via the switch into the chipset Ire_a. The protection of the input of the chipset is thus described in EP2293403A1, wherein overvoltage pulses are discharged via the ESD component to ground. Both redundant switches and parallel ESD protection elements are required, which results in a relatively high circuit complexity.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der eine thermische Überlastung der Überspannungsschutzelemente vermieden wird bzw. die thermische Belastung auf einfache Weise gering gehalten wird.The object of the invention is to provide a circuit arrangement with which a thermal overload of the overvoltage protection elements is avoided or the thermal load is kept low in a simple manner.

[0010] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass eine Überspannungsdetektionseinheit vorgesehen ist, die bei Detektion einer Überspannung das zumindest eine steuerbare Schaltelement in den durchgeschalteten Zustand überführt und den durchgeschalteten Zustand nach einer vorbestimmbaren Zeitspanne wieder beendet.According to the invention, this is achieved in that an overvoltage detection unit is provided which, upon detection of an overvoltage, converts the at least one controllable switching element into the switched-on state and terminates the switched-through state after a predeterminable period of time.

[0011] Damit es bei Überspannung zu keiner leistungsmäßigen Überlastung des Überspannungsschutzelements kommt, wird bei detektierter Überspannung das steuerbare Schaltelement durchgeschaltet, dadurch wird das Überspannungsschutzelement leistungsmäßig entlastet und es ergibt sich eine Spannungsteilung zwischen dem Spannungsabfall an der Last, z.B. der Heizwicklung oder eines anderen Verbrauchers und dem geringen Spannungsabfall am durchgeschalteten Schaltelement gegenüber dem Überspannungsschutzelement.In order that there is no power overload of the overvoltage protection element in the event of overvoltage, the controllable switching element is switched through when the overvoltage is detected, thereby relieving the overvoltage protection element of its performance and resulting in a voltage division between the voltage drop across the load, e.g. the heating coil or another consumer and the low voltage drop at the switched-through switching element with respect to the overvoltage protection element.

[0012] Das Durchschalten des steuerbaren Schaltelements wird nach einer vorbestimmbaren Zeitspanne wieder beendet. Die Zeitspanne wird beispielsweise so gewählt, dass die genormten Uberspannungsimpulse damit abgedeckt sind. Bei länger andauernden Überspannungen wird der Schalter wieder geöffnet und die Detektionseinheit erkennt wieder Überspannung, wodurch das steuerbare Schaltelement abermals geschlossen wird. Während des kurzen Zustandes des offenen Schalters übernimmt das Überspannungsschutzelement in Kombination mit der Last den Überspannungsschutz.The switching of the controllable switching element is terminated after a predeterminable period of time again. The period of time is chosen, for example, so that the standardized overvoltage pulses are covered. For longer lasting overvoltages, the switch is opened again and the detection unit detects overvoltage again, whereby the controllable switching element is closed again. During the short state of the open switch, the overvoltage protection element in combination with the load takes over overvoltage protection.

[0013] Das mit einer geringen Ansprechzeit ausgebildete Überspannungsschutzelement kann in bevorzugter Weise durch eine oder mehrere TVS-Dioden gebildet sein. Es können aber auch andere Bauelemente mit geringer Ansprechzeit dafür vorgesehen sein.The trained with a low response time overvoltage protection element can be formed in a preferred manner by one or more TVS diodes. But it can also be provided with low response time other components.

[0014] Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können auch Parallelschaltungen zu dem Uberspannungselement von Dioden-, Widerstands- und Kondensatorkombinationen zur zusätzlichen Dämpfung der Überspannung oder von Spannungsspitzen hervorgerufen durch das Schalten des steuerbaren Schaltelements eingesetzt werden.According to an embodiment of the invention, parallel connections to the overvoltage element of diode, resistor and capacitor combinations for additional damping of the overvoltage or voltage peaks caused by the switching of the controllable switching element can be used.

[0015] Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das steuerbare Schaltelement ein Leistungshalbleiter, z.B. ein MOSFET mit einer internen antiparallelen Diode oder ein anderes Halbleiterschaltelement entsprechend der jeweiligen Ausbildung der Erfindung mit oder ohne einer internen oder externen antiparallelen Diode sein, mit dem hohe Spannungen bei hohen Strömen schaltbar sind.According to an embodiment of the invention, the controllable switching element may comprise a power semiconductor, e.g. be a MOSFET with an internal anti-parallel diode or other semiconductor switching element according to the respective embodiment of the invention with or without an internal or external antiparallel diode, with the high voltages at high currents are switchable.

[0016] In weiterer Ausbildung der Erfindung ist eine Überspannungsdetektionseinheit zur Detektion einer Überspannung vorgesehen, deren Schwellwert höher ist als die maximale Betriebsspannung oder kleiner als die maximal zulässige Spannungsfestigkeit des steuerbaren Schaltelements. Der Ausgang der Überspannungsdetektionseinheit steuert über eine Steuereinheit das steuerbare Schaltelement an.In a further embodiment of the invention, an overvoltage detection unit for detecting an overvoltage is provided whose threshold value is higher than the maximum operating voltage or less than the maximum permissible dielectric strength of the controllable switching element. The output of the overvoltage detection unit controls the controllable switching element via a control unit.

[0017] Die Überspannungsdetektionseinheit kann durch eine Serienschaltung einer TVS-Diode, eines ohmschen Widerstandes und einer Zenerdiode gebildet sein, die parallel zum steuerbaren Schaltelement geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und der Zenerdiode mit dem Eingang einer Steuereinheit verbunden ist, deren Ausgang mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements verbunden ist.The overvoltage detection unit may be formed by a series circuit of a TVS diode, an ohmic resistor and a Zener diode, which is connected in parallel to the controllable switching element, wherein the connection point between the resistor and the Zener diode is connected to the input of a control unit whose output is connected to the control input of the controllable switching element.

[0018] Der Eingang der Steuereinheit greift somit zwischen dem Widerstand und der Zenerdiode der Überspannungsdetektionseinheit das geteilte Überspannungssignal ab.The input of the control unit thus intervenes between the resistor and the Zener diode of the overvoltage detection unit from the shared overvoltage signal.

[0019] Die Überspannungsdetektionseinheit kann im Rahmen der Erfindung auch in einer anderen, dem Fachmann bekannten Weise gestaltet sein.The overvoltage detection unit can be designed in the context of the invention in another manner known to those skilled in the art.

[0020] Die Steuereinheit kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch z.B. eine digitale oder analoge Zeitschaltung, ein Widerstands-Kondensator-Zeitglied oder einen monostabilen Multivibrator gebildet sein, dessen Ausgang auch bei veränderlicher Überspannung am Eingang einen definierten Ansteuerimpuls für das steuerbare Schaltelement liefert.The control unit may, according to an embodiment of the invention, be replaced by e.g. a digital or analog timer, a resistor-capacitor timer or a monostable multivibrator be formed, the output of which provides a defined drive pulse for the controllable switching element even with variable overvoltage at the input.

[0021] Schließlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Ausgang der Zeitschaltung der Steuereinheit mit dem einen Eingang einer Logik-Schaltung verbunden sein, deren Ausgang mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements verbunden ist. Der weitere Eingang der Logik-Schaltung kann dazu dienen, dass während der regulären Betriebsphase der Last die reguläre Ansteuerung der Logik-Schaltung erfolgt, indem der Ausgang der Logik-Schaltung ein Steuersignal an das steuerbare Schaltelement anlegt, sodass dieser Vorgang ebenfalls ein Durchschalten des steuerbaren Schaltelements bewirkt. Sofern während der Betriebsphase auch eine Überspannung auftritt, kann bei dem dann ohnehin durchgeschalteten steuerbaren Schaltelement und dem Überspannungsschutzelement die Überspannung keinen Schaden hervorrufen, da diese dann hauptsächlich an der Last auftritt.Finally, according to a further embodiment of the invention, the output of the timing circuit of the control unit can be connected to the one input of a logic circuit whose output is connected to the control input of the controllable switching element. The further input of the logic circuit can serve to ensure that during the regular operating phase of the load, the regular control of the logic circuit by the output of the logic circuit applies a control signal to the controllable switching element, so that this process also a switching of the controllable Switching effected. If an overvoltage also occurs during the operating phase, the overvoltage can cause no damage in the then anyway through-connected controllable switching element and the overvoltage protection element, since this then occurs mainly at the load.

[0022] Eine andere Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass das Überspannungselement aus einer Serienschaltung aus zwei oder mehreren TVS-Dioden gebildet ist, und dass ein Verbindungspunkt zwischen den oder zwei der TVS-Dioden mit dem Eingang der Überspannungsdetektionseinheit verbunden ist, deren Ausgang mit einem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements verbunden ist.Another variant of the invention may consist in that the overvoltage element is formed from a series circuit of two or more TVS diodes, and that a connection point between the two or more of the TVS diodes is connected to the input of the overvoltage detection unit whose output is connected to a control input of the controllable switching element.

[0023] Auf diese Weise kann das Auftreten einer Überspannung direkt an dem Überspannungselement detektiert werden bzw. aus dem Überspannungselement abgeleitet werden.In this way, the occurrence of an overvoltage can be detected directly on the overvoltage element or be derived from the overvoltage element.

[0024] Weiters betrifft die Erfindung ein Schaltungssystem zum Überspannungsschutz von Geräten zum Anschluss an Spannungsversorgungsleitungen, wobei an jeder Versorgungsleitung eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die jeweils zumindest aus einem steuerbaren Schaltelement, einem Überspannungsschutzelement, einer Steuereinheit und einer Detektionseinheit gebildet sein kann.Furthermore, the invention relates to a circuit system for overvoltage protection of devices for connection to power supply lines, wherein an inventive circuit arrangement is provided on each supply line, which may be formed in each case at least from a controllable switching element, an overvoltage protection element, a control unit and a detection unit.

[0025] Weiters betrifft die Erfindung eine Überspannungsschutzanordnung für zwei oder mehrere steuerbare Schaltelemente der Last, z.B. einem ohmschen Verbraucher unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Auf diese Weise kann das oder die steuerbaren Schaltelemente vor auftretenden Überspannungen geschützt und zugleich verhindert werden, dass das verwendete Überspannungsschutzelement während des Auftretens der Überspannung leistungsmäßig überlastet wird.Furthermore, the invention relates to an overvoltage protection arrangement for two or more controllable switching elements of the load, e.g. an ohmic consumer using the circuit arrangement according to the invention. In this way, the one or more controllable switching elements can be protected from occurring overvoltages and at the same time be prevented that the overvoltage protection element used is overloaded in terms of performance during the occurrence of the overvoltage.

[0026] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele eingehend erläutert. Es zeigt dabei [0027] Fig.1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung; [0028] Fig. 2 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und [0029] Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.The invention will be explained in detail with reference to the embodiments illustrated in the drawings. FIG. 1 shows a circuit diagram of an embodiment of the circuit arrangement according to the invention; FIG. Fig. 2 is a circuit diagram of another embodiment of the invention; and Fig. 3 is a circuit diagram of another embodiment of the invention.

[0030] Fig. 1 zeigt eine Überspannungsschutzanordnung für ein steuerbares Schaltelement 1 einer Heizpatrone 20 eines Elektroboilers, wobei das steuerbare Schaltelement 1 je nach Schaltzustand eine Widerstandsheizwicklung 9 der Heizpatrone 20 mit einer Phase L3 einer Wechselspannungsquelle verbindet.Fig. 1 shows an overvoltage protection arrangement for a controllable switching element 1 of a heating element 20 of an electric boiler, wherein the controllable switching element 1 depending on the switching state connects a Widerstandsheizwicklung 9 of the heating element 20 with a phase L3 of an AC voltage source.

[0031] Da die Heizpatrone 20 für drei Wechselstromphasen mit z.B. mit 400V Netzspannung ausgelegt ist, bestehen zwei weitere Zweige einer Sternschaltung, in denen in analoger Weise die Phasen L1, L2 über steuerbare Schalteinheiten 1', 1" mit jeweiligen Widerstandsheizwicklungen 9', 9" verbindbar sind.Since the heating cartridge 20 is suitable for three alternating current phases with e.g. is designed with 400V mains voltage, there are two other branches of a star connection, in which in an analogous manner, the phases L1, L2 are connected via controllable switching units 1 ', 1 "with respective Widerstandsheizwicklungen 9', 9".

[0032] Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Anzahl der Phasen, der Netzfrequenz und der Höhe der Wechselspannung zur Versorgung der Heizpatrone des Boilers nicht eingeschränkt.However, the invention is not limited in terms of the number of phases, the mains frequency and the height of the AC voltage to supply the heating cartridge of the boiler.

[0033] Die zwischen einem offenen und einem durchgeschalteten Zustand umschaltbaren, steuerbaren Schaltelemente 1, 1', 1" sind durch parallele Überspannungsschutzelemente 2, 2', 2" gegen Überspannungen geschützt.The switchable between an open and a switched state, controllable switching elements 1, 1 ', 1 "are protected by parallel overvoltage protection elements 2, 2', 2" against overvoltages.

[0034] Erfindungsgemäß ist eine Überspannungsdetektionseinheit 3 vorgesehen, die bei Detektion einer Überspannung das steuerbare Schaltelement 1 in den durchgeschalteten Zustand überführt und den durchgeschalteten Zustand nach einer vorbestimmbaren Zeitspanne wieder beendet. Auf diese Weise wird die Überlastung des Überspannungsschutzelements 2 verhindert, indem fast die gesamte Überspannung an der Widerstandsheizwicklung 9 abfällt, welche gegenüber solchen Überspannungen wenig empfindlich ist, während das eigentliche Überspannungsschutzelement 2 vor dem Auftreten einer zu hohen Verlustwärme geschützt wird.According to the invention, an overvoltage detection unit 3 is provided, which converts the controllable switching element 1 into the switched-through state upon detection of an overvoltage and terminates the switched-through state after a predeterminable period of time. In this way, the overload of the overvoltage protection element 2 is prevented by almost the entire overvoltage at the Widerstandheizwicklung 9 drops, which is little sensitive to such surges, while the actual overvoltage protection element 2 is protected from the occurrence of excessive heat loss.

[0035] Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit die erfin-dungsgemäße Schaltungsanordnung mit der Überspannungsdetektionseinheit 3 und mit Logik-Schaltung 8 nur für die Phase L3 dargestellt, sie könnte aber auch für die zwei anderen Phasen L1 und L2 genauso vorgesehen sein.For the sake of clarity, the circuit arrangement according to the invention with the overvoltage detection unit 3 and with logic circuit 8 is shown only for the phase L3 in the exemplary embodiment according to FIG. 1, but it could also be provided for the two other phases L1 and L2 be.

[0036] Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Überspannungsschutzelement 2 ein Überspannungsableiter, z.B. eine Transient Voltage Suppressor-Diode (TVS-Diode), kann aber auch durch andere Bauelemente, welche diese Funktion mit einer kurzen Ansprechzeit erfüllen, ersetzt werden. Die TVS-Diode geht in den leitenden Zustand, sobald eine bestimmte bauteilabhängige Schwellenspannung überschritten wird.In the embodiment shown, the overvoltage protection element 2 is a surge arrester, e.g. a transient voltage suppressor diode (TVS diode), but can also be replaced by other devices that fulfill this function with a short response time. The TVS diode goes into the conductive state as soon as a certain component-dependent threshold voltage is exceeded.

[0037] Das steuerbare Schaltelement 1 ist ein Leistungshalbleiter, z.B. ein MOSFET mit einer internen antiparallelen Diode, könnte aber auch ein anderes Bauelement, wie z.B. ein Halbleiterschalter entsprechend der jeweiligen Ausbildung der Erfindung mit einer internen oder externen antiparallelen Diode sein, der zu Schaltzwecken, insbesondere für hohe Spannungen und Ströme geeignet ist. Im vorliegenden Fall wird das Schaltelement 1 im regulären Betrieb während einer bestimmten Zeitspanne von einer nicht dargestellten Regeleinheit in den geschlossenen Zustand gesteuert, um ein Aufheizen des Boilers zu bewirken.The controllable switching element 1 is a power semiconductor, e.g. a MOSFET with an internal antiparallel diode, but could also be another device, such as e.g. a semiconductor switch according to the respective embodiment of the invention with an internal or external anti-parallel diode, which is suitable for switching purposes, in particular for high voltages and currents. In the present case, the switching element 1 is controlled in the regular operation during a certain period of time by a control unit, not shown, in the closed state, to cause a heating of the boiler.

[0038] Unabhängig von diesem regulären Betrieb können Überspannungen auftreten, die zur Zerstörung des steuerbaren Schaltelements 1 führen können. Gegen diese Auswirkungen ist das steuerbare Schaltelement 1 durch das parallel geschaltete Überspannungsschutzelement 2 geschützt.Irrespective of this regular operation, overvoltages can occur which can lead to the destruction of the controllable switching element 1. Against these effects, the controllable switching element 1 is protected by the parallel-connected overvoltage protection element 2.

[0039] Die Überspannungsdetektionseinheit 3 ist durch eine Serienschaltung einer TVS-Diode 4, eines ohmschen Widerstandes 3 und einer Zenerdiode 6 gebildet, die parallel zum steuerbaren Schaltelement 1 geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 3 und der Zenerdiode 6 mit dem Eingang einer Steuereinheit 7 verbunden ist. Somit dient die zwischen dem Widerstand 3 und der Zenerdiode 6 abgegriffene Spannung als Eingangssignal für die Steuereinheit 7. Der Ausgang der Steuereinheit 7 steht über die Logik- und Treiber-Schaltung 8 mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements 1 in Verbindung.The overvoltage detection unit 3 is formed by a series circuit of a TVS diode 4, an ohmic resistor 3 and a zener diode 6, which is connected in parallel to the controllable switching element 1, wherein the connection point between the resistor 3 and the Zener diode 6 to the input of a Control unit 7 is connected. Thus, the tapped between the resistor 3 and the Zener diode 6 voltage serves as an input signal for the control unit 7. The output of the control unit 7 is connected via the logic and driver circuit 8 to the control input of the controllable switching element 1 in combination.

[0040] Im Falle einer auftretenden Überspannung an der Phase L3 geht das Überspannungsschutzelement 2 in den leitenden Zustand über, wodurch die Zerstörung des Schaltelements 1 durch die anliegende Überspannung verhindert wird. Zugleich beginnt die Verlustleistung an dem Überspannungsschutzelement 2 mit dem eintretenden Stromfluss schlagartig zu steigen und die Gefahr einer Überhitzung droht.In the event of an overvoltage occurring at the phase L3, the overvoltage protection element 2 is in the conductive state, whereby the destruction of the switching element 1 is prevented by the applied overvoltage. At the same time, the power loss at the overvoltage protection element 2 begins to rise abruptly with the incoming current flow and threatens the danger of overheating.

[0041] Durch die auftretende Überspannung an der Überspannungsdetektioneinheit 3 steigt aber auch die Spannung an der TVS-Diode 4, und diese gelangt in den leitenden Zustand, wodurch sich an der vorher gesperrten Zenerdiode 6 während der Überspannung die Durchbruchspannung einstellt, über welche die Steuereinheit 7, eine Zeitschaltung, z.B. ein monostabiler Multivibrator, getriggert wird.Due to the overvoltage occurring at the overvoltage detection unit 3 but also increases the voltage at the TVS diode 4, and this enters the conductive state, which adjusts the previously locked Zener diode 6 during the overvoltage, the breakdown voltage across which the control unit 7, a timer, eg a monostable multivibrator, is triggered.

[0042] Aufgrund der Verzögerungen in der Überspannungsdetektionseinheit 3, den Laufzeiten in der Steuereinheit 7 und der Einschaltverzögerung der steuerbaren Schalteinheit 1 geschieht das Durchschalten der steuerbaren Schalteinheit 1 mit einer geringen Zeitverzögerung, sodass die TVS-Diode 2 bereits auf ihren Spannungsschwellwert begrenzt, bevor die steuerbare Schalteinheit 1 in den leitenden Zustand kommt.Due to the delays in the overvoltage detection unit 3, the running times in the control unit 7 and the switch-on delay of the controllable switching unit 1, the switching of the controllable switching unit 1 is done with a small time delay, so that the TVS diode 2 already limited to its voltage threshold before the controllable switching unit 1 comes into the conductive state.

[0043] Für eine vorbestimmbare Zeitspanne geht dann die Steuereinheit 7 an ihrem Ausgang auf ihren logisch aktiven Zustand und bewirkt dabei einen Übergang der steuerbaren Schalteinheit 1 in den geschlossenen Zustand, sodass die Überspannung praktisch nur mehr an der Widerstandsheizwicklung 9 anliegt und das Überspannungsschutzelement 2 durch das parallele steuerbare Schaltelement 1 entlastet wird.For a predeterminable period then the control unit 7 goes at its output to its logically active state and thereby causes a transition of the controllable switching unit 1 in the closed state, so that the overvoltage practically rests only on the Widerstandheizwicklung 9 and the overvoltage protection element 2 by the parallel controllable switching element 1 is relieved.

[0044] Da das steuerbare Schaltelement 1 üblicherweise nur einen Steuereingang aufweist, der für die Ansteuerung des Schaltelements 1 zum Zwecke des Boiler-Aufheizens vorgesehen ist, ist eine Logik-Schaltung 8 vorgesehen, die beide Ansteuerarten, die Aufheiz-Ansteuerung und die Überspannungsschutzansteuerung ermöglicht.Since the controllable switching element 1 usually has only one control input, which is provided for the control of the switching element 1 for the purpose of boiler heating, a logic circuit 8 is provided which allows both types of drive, the heating control and overvoltage protection control ,

[0045] Zu diesem Zweck ist der Ausgang der Steuereinheit 7, also des z.B. monostabilen Multivibrators mit dem einen Eingang der Logik-Schaltung 8 verbunden. Deren Ausgang ist mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements 1 verbunden. Der andere Eingang der Logik-Schaltung 8 ist für die Ansteuerung zu Heizzwecken vorgesehen.For this purpose, the output of the control unit 7, that is, e.g. monostable multivibrator connected to the one input of the logic circuit 8. Its output is connected to the control input of the controllable switching element 1. The other input of the logic circuit 8 is provided for driving for heating purposes.

[0046] Es kann z.B. auch nur eine Widerstandsheizwicklung mit nur einer Wechselstromphase ausgebildet sein oder auch in Gleichstromnetzen angewandt werden. In ersterem Fall ist je Anschlussleitung eine Kombination aus steuerbarem Schaltelement 1, Überspannungsschutzelement 2, Überspannungsdetektionseinheit 3 und Logik-Schaltung 8 vorzusehen. In letzterem Fall reicht die Anordnung in der Plus- oder Minusleitung.It may e.g. Also, only one Widerstandsheizwicklung be formed with only one AC phase or be applied in DC networks. In the former case, a combination of controllable switching element 1, overvoltage protection element 2, overvoltage detection unit 3 and logic circuit 8 is to be provided per connecting line. In the latter case, the arrangement in the plus or minus line is sufficient.

[0047] Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel für den Überspannungsschutz der steuerbaren Schalteinheit einer Boiler-Heizpatrone beschrieben, ist aber auch für jegliche andere Vorrichtungen verwendbar.The circuit arrangement according to the invention is described according to this embodiment for the overvoltage protection of the controllable switching unit of a boiler immersion heater, but can also be used for any other devices.

[0048] Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 ist ein Schaltungssystem mit zwei Phasen L2 und L3 mit Lastwiderständen 9, 9" gezeigt, für die jeweils ein Überspannungsschutzelement 2, 2" und jeweils eine Überspannungsdetektionseinheit 3, 3" vorgesehen sind, wobei die Überspannungsdetektionseinheiten 3, 3" baugleich wie in Fig.1 ausgebildet sein können und insbesondere zur Detektion einer Überspannung vorgesehen sind, deren Wert höher ist als die maximale Betriebsspannung.2 shows a circuit system with two phases L2 and L3 with load resistors 9, 9 ", for each of which an overvoltage protection element 2, 2" and one overvoltage detection unit 3, 3 "are provided, the overvoltage detection units 3 3 "can be constructed identically as in FIG. 1 and, in particular, are provided for detecting an overvoltage whose value is higher than the maximum operating voltage.

[0049] Während eines Überspannungsimpulses zwischen den Phasen, z.B. L3 und L2, wobei der positive Impuls an L3 eintrifft, ergibt sich ein Stromfluss von L3, der Parallelschaltung Überspannungsschutzelement 2 bzw. Schaltelement 1, Lastwiderstände 9, 9", antiparallele Diode des Schaltelements 1" und L2.During an overvoltage pulse between the phases, e.g. L3 and L2, the positive pulse arrives at L3, there is a current flow of L3, the parallel circuit overvoltage protection element 2 or switching element 1, load resistors 9, 9 ", anti-parallel diode of the switching element 1" and L2.

[0050] Die steuerbaren Schaltelemente 1,1" sind in diesem Ausführungsbeispiel Leistungshalbleiter, die jeweils durch einen MOSFET mit einer internen antiparallelen Diode gebildet sind.The controllable switching elements 1,1 "are in this embodiment power semiconductors, each formed by a MOSFET with an internal anti-parallel diode.

[0051] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.3 gezeigt.A further embodiment of the invention is shown in FIG.

[0052] Die steuerbaren Schaltelemente 1,1' und 1" der Phasen L1, L2 und L3 sind jeweils durch das aus einer Serienschaltung aus drei TVS-Dioden 2, 20, 21, und 2', 20', 21', sowie 2", 20", 21" gebildete Überspannungsschutzelement gegen Überspannungen geschützt.The controllable switching elements 1,1 'and 1 "of the phases L1, L2 and L3 are in each case by a series circuit of three TVS diodes 2, 20, 21, and 2', 20 ', 21', and 2 ", 20", 21 "formed overvoltage protection element protected against overvoltages.

[0053] Jeweils ein Verbindungspunkt zwischen zwei der TVS-Dioden 2, 20 und 2', 20' und 2", 20" ist mit dem Eingang der Überspannungsdetektionseinheiten 30, 30', 30" verbunden, deren Ausgang jeweils mit einem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements 1, T, 1" verbunden ist. Somit wird die Spannung an diesen Verbindungspunkten überwacht und das Auftreten der Überspannung unmittelbar an einer der TVS-Dioden detektiert. Die Ansteuerung der steuerbaren Schaltelemente 1, T, 1" erfolgt über die Ausgänge der Überspannungsdetektionseinheiten 30, 30', 30".In each case, a connection point between two of the TVS diodes 2, 20 and 2 ', 20' and 2 ", 20" is connected to the input of the overvoltage detection units 30, 30 ', 30 "whose output is in each case connected to a control input of the controllable Switching element 1, T, 1 "is connected. Thus, the voltage at these connection points is monitored and the occurrence of the overvoltage detected directly on one of the TVS diodes. The control of the controllable switching elements 1, T, 1 "via the outputs of the overvoltage detection units 30, 30 ', 30".

[0054] In Fig.3 wurden Logikelemente, wie sie in Fig. 1 und 2 gezeigt sind, der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen, können aber in gleicher Weise vorgesehen sein.In Fig. 3, logic elements as shown in Figs. 1 and 2 have been omitted for the sake of clarity, but may be provided in the same manner.

[0055] Weiters sind Parallelschaltungen zu den Überspannungsschutzelementen 2, 2', 2", 20, 21,20', 21', 20", 21" von Dioden-, Widerstands- und Kondensatorkombinationen 60, 70, 71,72, 73, 80 vorgesehen, die zur zusätzlichen Dämpfung der Überspannung oder von Spannungsspitzen hervorgerufen durch das Schalten des steuerbaren Schaltelements eingesetzt werden.Furthermore, parallel circuits to the overvoltage protection elements 2, 2 ', 2 ", 20, 21, 20', 21 ', 20", 21 "of diode, resistor and capacitor combinations 60, 70, 71, 72, 73, 80 provided, which are used for additional damping of the overvoltage or voltage spikes caused by the switching of the controllable switching element.

Claims

claims

1. Circuit arrangement for overvoltage protection with at least one controllable switching element (1, 1 ', 1 ") for switching on and off of at least one load circuit, between an open state, in which an associated load resistor (9', 9", 9) of a Voltage source (L1, L2, L3) is disconnected, and a through-connected state in which the associated load resistor (9 ', 9 ", 9) connected to the voltage source (L1, L2, L3) is switchable, and at least one parallel switched overvoltage protection element (2, 2 ', 2 ", 20, 21, 20', 21 ', 20", 21 "), characterized in that an overvoltage detection unit (3, 3", 30, 30', 30 ") is provided which, upon detection of an overvoltage, converts the at least one controllable switching element (1, 1 ', 1 ") into the through-connected state and terminates the switched-through state after a predeterminable period of time.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the overvoltage protection element (2, 2 ', 2 ", 20, 21, 20', 21 ', 20", 21 ") is formed by one or more TVS diodes.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the controllable switching element (1,1 ', 1 ") is a power semiconductor.

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the power semiconductor is a MOSFET with an internal anti-parallel diode.

5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that parallel connections to the overvoltage element (2, 2 ', 2 ", 20, 21, 20', 21 ', 20", 21 ") of diode, resistance, and capacitor combinations (60, 70, 71, 72, 73, 80) for additional attenuation of the overvoltage or voltage spikes caused by the switching of the controllable switching element.

6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the overvoltage detection unit is provided for detecting an overvoltage whose value is higher than the maximum operating voltage or less than the maximum permissible dielectric strength of the switching element.

7. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the overvoltage detection unit (3, 3 '') by a series circuit of a TVS diode (4), an ohmic resistor (5) and a Zener diode (6) is formed, which is connected in parallel to the controllable switching element (1), wherein the connection point between the resistor and the Zener diode is connected to the input of a control unit (7) whose output is connected to a control input of the controllable switching element (1).

8. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the control unit (7) is formed by a timer.

9. Circuit arrangement according to claim 8, characterized in that the output of the control unit (7) is connected to the input of a logic circuit (8) whose output is connected to the control input of the controllable switching element (1).

10. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the overvoltage element from a series circuit of two or more TVS diodes (2, 20, 21, 2 ', 20', 21 ', 2 ", 20", 21 "), and in that a connection point between the or two of the TVS diodes is connected to the input of the overvoltage detection unit (30, 30 ', 30") whose output is connected to a control input of the controllable switching element (1, 1', 1 "). ) connected is.

11. Circuit system for overvoltage protection of devices for connection to power supply lines, wherein on each supply line, a circuit arrangement according to one of claims 1 to 10 is provided.

12. Overvoltage protection arrangement for a controllable switching element (1) of the immersion heater (20) of an electric boiler using a circuit arrangement according to one of claims 1 to 10. For this 3-sheet drawings