CN1674375A - 过电压保护元件和过电压保护元件的触发元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于瞬时过电压漏电的过电压保护元件，带有至少两个电极(1、2)，至少一个设置在电极(1、2)之间由绝缘材料制成的触发元件(3)和一个在电极(1、2)之间作用的空气击穿火花隙(4)，其中，在触发两个电极(1、2)之间的空气击穿火花隙(4)时产生电弧。依据本发明，过电压保护元件以特别简单的方式具有可以特别简单制造的触发元件(3)，其中，触发元件(3)这样设置和构成，使两个电极(1、2)之间具有一个得到减弱绝缘的区域(触发区)，并在向触发元件(3)施加电压时，触发元件(3)表面(5)上的放电导致两个电极(1、2)之间的导电连接，其中，导电连接具有很小的电流承受能力。

Description

过电压保护元件和过电压保护元件的触发元件

技术领域

本发明涉及一种用于瞬时过电压漏电的过电压保护元件，带有至少两个电极，至少一个设置在电极之间由绝缘材料制成的触发元件和一个在电极之间作用的空气击穿火花隙，其中，在触发两个电极之间的空气击穿火花隙时产生电弧。此外，本发明还涉及一种用于过电压保护元件上的触发元件。

背景技术

电的，但特别是电子的测量、控制、调节和开关电路，特别是还有通信装置和设备，对特别是通过大气放电，但还有通过供电网上的配电作业或者短路而可能产生的瞬时过电压非常敏感。这种敏感性随着特别是使用晶体管和晶闸管这种电子元件的程度而增加；尤其是所使用的集成开关电路受到瞬时过电压的威胁在很大程度上增长。过电压在很大程度上会毁坏电和电子装置和设备。这种毁坏在此方面不仅局限于工业和商业设备，而且还涉及到建筑物领域，直至私人家庭中日常使用的设备，如厨房设备、电话机、电视机和音响设备以及计算机等。没有有效防止过电压的保护措施，就要为相关装置和设备的修理和更新付出很高的代价。

电路正常状态下利用无损坏的额定电压这种为其专门配备的电压工作。如果出现过电压则无效。过电压是指高于额定电压上限的所有电压。属于此类的主要还有瞬时过电压，它们由于大气放电，但还有通过供电网上的配电作业或者短路而产生，并且电流、电感或者电容式与电路耦合。为防止电子的测量、控制、调节和开关电路，特别是还有始终所使用的通信装置和设备瞬时过电压，开发出过电压保护元件或过电压保护装置，而且二十多年来所公知。

这里所述类型的过电压保护元件的重要组成部分至少是一种火花隙，它在一定的过电压时起动动作电压，并防止受过电压保护装置保护的电路出现大于火花隙的动作电压的过电压。

开头详细介绍过，依据本发明的过电压保护元件具有两个电极和在两个电极之间存在或作用的空气击穿火花隙。空气击穿火花隙通常是指击穿火花隙；因此也包括两个电极之间存在的不是空气，而是其他气体的击穿火花隙。除了带有空气击穿火花隙的过电压保护元件外，还带有在起动时出现表面放电的空气火花放电火花隙的过电压保护元件。

带有空气击穿火花隙的过电压保护元件与带有空气火花放电火花隙的过电压保护元件相比的优点是较高的冲击电流承受能力，然而缺点是较高的-而且还有不是特别恒定的-动作电压。因此，已经提出了各种各样带有空气击穿火花隙的过电压保护元件，它们在动作电压方面得到了改进。在此方面，电极或电极之间作用的空气击穿火花隙的区域内以各种各样的方式实现一种辅助触发元件，例如这样构成，在电极之间具有至少一个引发表面放电的辅助触发元件，它至少部分伸入空气击穿火花隙内，接片式构成并由塑料组成(参阅例如DE 4141 681 A1，DE 42 44 051 A1或者DE 44 02 615 A1)。

在公知的过电压保护元件具有的前面谈到的辅助触发元件同样可以称为“被动的辅助触发元件”，之所以是“被动的辅助触发元件”，是因为它们本身不“主动”起动，而是只有通过主电极上出现的过电压才起动。

德国公开专利文献198 03 636公开了一种过电压保护元件或过电压保护装置，带有两个电极，一个在两个电极之间作用的空气击穿火花隙和一个辅助触发元件。在这种公开的过电压保护装置中，辅助触发元件作为“主动的辅助触发元件”构成，也就是说，除了两个电极外-那里称为主电极-还有两个触发电极。这两个触发电极构成起到触发火花隙作用的第二空气击穿火花隙。在这种公开的过电压保护装置中，属于辅助触发元件的除了触发火花隙外还有带触发开关元件的触发电路。在向该公知的过电压保护装置上施加过电压情况下，带有触发开关元件的触发电路负责起动触发火花隙。触发火花隙或两个触发电极与两个主电极相关这样设置，通过起动触发火花隙使两个主电极之间的空气击穿火花隙起动。触发火花隙的起动导致电离空气击穿火花隙内存在的空气，从而-冲击式-在起动触发火花隙后也起动两个主电极之间的空气击穿火花隙。

在带有辅助触发元件的过电压保护元件前述公开的实施方式中，辅助触发元件产生一种得到改进的，也就是更低的和更恒定的动作电压。但是在主动辅助触发元件中的缺点是，需要一种带触发开关元件的附加触发电路，以便实现起动触发火花隙。在此方面存在的危险是，触发火花隙或带有触发开关元件的触发电路会受到闪电电流或者大多出现的电源续流的破坏。

发明内容

本发明的目的因此在于提供一种开头所述类型的过电压保护元件，其中，可以按照特别简单和有效的方式保证一种相当低的和尽可能恒定的动作电压。在此方面，为此使用的触发元件可以尽可能简单并因此成本低廉地制造。

上述目的在依据本发明的过电压保护元件中首先和基本上由此得以实现，即触发元件这样设置和构成，使两个电极之间具有一个得到减弱绝缘的区域(触发区)，并在向触发元件施加电压时，触发元件表面上的放电导致两个电极之间的导电连接，其中，导电连接具有很小的电流承受能力。

由此实现一种用于过电压保护元件上带有触发元件的全新的过电压保护元件或全新的触发元件，下面对其功能进行说明：

触发元件这样选择或确定尺寸，在施加大于过电压保护元件的动作电压时，使触发元件的表面上产生表面放电，它导致两个-邻接在触发元件上的-电极之间的导电连接。在带有漏电流的这种导电连接的负荷下，然后由于导电连接较低的电流承受能力造成导电连接的“燃烧”。通过这种“燃烧”触发区受到电离，从而-冲击式-造成触发两个电极之间的空气击穿火花隙。

通过空气击穿火花隙两个电极之间所希望出现的导电连接，依据本发明的过电压保护元件与公知的过电压保护元件存在着明显区别。从现有技术(参阅198 56 939 A1)中虽然公知在两个电极之间设置一个元件，但是该元件与其作为隔离支架的作用相应由一种绝缘材料组成，该材料即使在出现电弧时也能持续保证两个电极之间所希望的绝缘。DE 42 44 051 A1虽然同样公开了一种过电压保护元件，其中在两个电极之间设置一个绝缘材料的触发元件，但是在这种公开的过电压保护元件中，空气击穿火花隙只能通过在该触发元件上出现表面放电完成。在该公开的过电压保护元件中，通过在两个电极之间设置触发元件因此实现一种辅助空气火花放电火花隙；但两个电极之间却没有通过触发元件的导电连接。

触发元件的上述设置和构成最好由此完成，即得到减弱绝缘的区域(触发区)通过触发元件上的一个空隙实现。这种空隙例如简单的可以是在触发元件上加工的孔，其中，触发区完全由触发元件包围。但此外也可以在触发元件的边缘侧构成该触发区。

作为触发元件的材料最好使用具有相当低CTI值(Comperative TreckingIndex)的塑料。通过使用具有相当低CTI值-并因此还有较低的耐泄漏电流稳定性的-塑料，有助于触发元件的表面上构成所希望的导电连接。与此不同的是，在公知的过电压保护元件中，为设置在电极之间的隔离支架使用例如POM这种具有尽可能高CTI值的塑料。

依据本发明另一优选的构成，触发元件这样设置和构成，使电极之间出现电弧时触发元件的表面产生碳化。由此达到在重新出现过电压时，在触发元件的表面上重新存在两个电极之间较低电流承受能力导电连接的起始条件，从而再次产生空气击穿火花隙的起始触发和导电连接的“燃烧”并因此产生触发区的电离。由此提供一种过电压保护元件，它即使在时间上连续出现多个过电压的情况下，仍具有带较低动作电压的恒定动作参数特性。

为提高依据本发明的过电压保护元件在第一次施加过电压时的动作参数特性，依据一优选的构成，在触发元件的表面上涂覆较低电流承受能力的导电涂层。由此保证两个电极之间不取决于通过触发元件表面上放电产生碳化的导电连接。在此方面，该涂层例如通过在制造过电压保护元件时触发元件表面上的化学、热或者电热碳化实现。

因为在上述依据本发明的过电压保护元件中两个电极之间实现一种导电连接，或在施加过电压时通过触发元件表面上的放电实现，所以具有优点地与该过电压保护元件串联一个电压开关元件。在此方面，电压开关元件特别可以是充气过电压泄电器、压敏电阻或者抑制二极管。在此方面，通过该附加串联的电压开关元件防止在正常情况下，也就是在没有施加过电压的情况下电流通过过电压保护元件。在然后由依据本发明的过电压保护元件和附加的电压开关元件组成的这样一种过电压保护装置中，该电压开关元件这样选择或确定尺寸，使过电压保护装置的动作电压时导电，也就是“接通”。由此然后在该过电压保护装置上或在两个电极上施加过电压，然后导致空气击穿火花隙由触发元件引发的起始触发进行前面详细介绍的触发。

开头介绍的特别是可以在上述过电压保护元件上使用的触发元件由此可以特别简单和成本低廉地制造，即触发元件由至少两个导电层和至少一个设置在其间的绝缘层组成，其中，绝缘层通过粘贴或挤压与导电层连接并具有一个得到减弱绝缘的区域(触发区)。在此方面，依据本发明触发元件的制造可以与多层印刷电路板(Multilayer-Leiterplatten)公知的制造过程相应进行，其中，大多数情况下也可以使用由此公知的材料，即导电层使用铜箔，绝缘层使用聚合物膜或FR4膜。

使用导电层或者特别是铜箔这样的箔和例如聚合物膜这样的绝缘层，可以在非常窄的尺寸公差下使导电层之间产生非常小的距离。在此方面，导电层通过绝缘层彼此以这种程度相距或绝缘，使电绝缘明显高于最不利情况下过电压保护元件所预计的动作电压。在此方面，实践上无论是为导电层还是为绝缘层均可使用具有依据标准可供使用的35μm、50μm、70μm或者100μm厚度的铜箔或聚合物膜或FR4膜。但不言而喻，取代铜箔也可以使用其他的金属箔或者导电的塑料膜。

绝缘层上空气击穿火花隙进行无论是起始触发还是固有触发的得到减弱绝缘的区域(触发区)，可以简单地通过绝缘层上和需要时附加在一个或者两个导电层上的空隙或孔实现。在此方面，无论是在绝缘层上还是在两个导电层上构成的孔例如可以在各层压合之后简单地通过相应钻孔产生。

在相应确定导电层的尺寸时，该层直接承担过电压保护元件的电极功能，从而然后这种触发元件本身可以起到过电压保护元件的作用。但触发元件的导电层一般这样构成，通过它们可以直接触点接通过电压保护元件的电极。

附图说明

具体地说，依据本发明的过电压保护元件或依据本发明的触发元件存在着大量构成和进一步构成的可能性。为此一方面参阅权利要求1和8的从属权利要求，另一方面与附图相结合参阅优选实施例的下列说明。其中：

图1示出依据本发明过电压保护装置一实施例的原理图；

图2示出依据本发明触发元件的第一实施例；

图3示出依据本发明触发元件的第二实施例；

图4示出触发元件类似于图1结构的实施例；

图5示出带有大量导电层和绝缘层的触发元件的实施例；

图6示出带有大量导电层和绝缘层的触发元件的另一实施例；

图7示出用于多相过电压保护系统的触发元件的实施例；

图8示出用于多相过电压保护系统的触发元件的另一实施例。

具体实施方式

图1仅在其原理结构方面示出依据本发明的过电压保护元件。过电压保护元件包括第一电极1、第二电极2、设置在两个电极1和2之间的触发元件3和在两个电极1和2之间存在或作用的空气击穿火花隙4。在触发空气击穿火花隙4时，两个电极1和2之间出现-未示出的-电弧，所要泄漏的闪电电流从该电弧通过。

触发元件3现在这样设置，使两个电极1和2之间构成一个得到减弱绝缘的区域(触发区)，里面在触发空气击穿火花隙4产生电弧。依据本发明触发元件3这样构成，在向触发元件3施加电压时，使触发元件3表面5上的放电导致两个电极1和2之间导电连接，其中，导电连接具有较低的电流承受能力。如果现在漏电流通过该导电连接，那么由于导电连接较低的电流承受能力，造成导电连接的燃烧并因此造成触发区的电离，从而导致冲击式触发空气击穿火花隙。

在适当确定触发元件3尺寸的情况下，在触发空气击穿火花隙4时出现的电弧的作用是在触发元件3的表面5上产生“碳化”。由此达到在重新出现过电压时，在触发元件的表面上重新存在两个电极1和2之间较低电流承受能力的导电连接，它在漏电流的负荷下再次导致燃烧并因此导致起始触发空气击穿火花隙4以及因此导致触发过电压保护元件。

因为在这种过电压保护元件中，即使在施加标准电压时-希望的-两个电极1和2之间也存在导电连接，所以依据图1与该固有的过电压保护元件串联一个例如压敏电阻和/或者充气过电压泄电器这样的附加电压开关元件6。在由依据本发明的过电压保护元件和附加电压开关元件6组成的这样一种过电压保护装置中，该电压开关元件6这样确定尺寸，使过电压保护装置的动作电压时导电。如果在该过电压保护装置上出现过电压，那么它导致接通电压开关元件6，从而然后两个电极1和2上施加过电压，导致空气击穿火花隙4由触发元件3电流触发引发的起始触发进行前面介绍的触发。在另一面上，电压开关元件6防止在正常情况下，也就是没有施加过电压的情况下-然后不希望的-电流通过过电压保护元件。

下面借助图2-8对依据本发明触发元件的优选实施例进行说明。

图2-4中所示的触发元件3由两个导电层7、8和一个设置在其间的绝缘层9组成，其中，得到减弱绝缘的区域通过绝缘层9上的空隙10实现。例如依据图1和3作为中心孔构成的空隙可以简单地通过钻孔或者铣削制造。在此方面-如与图2和4比较所示-空隙10或者仅在导电层7上或者在两个导电层7、8上构成。

依据本发明触发元件的制造现在由此特别简单，即可以使用从制造多层印刷电路板(Multilayer-Leiterplatten)公知的制造过程。例如可以是标准化铜箔的导电层7、8与绝缘层9通过压合连接。在此方面，为绝缘层9也适用于从制造多层印刷电路板中公知的材料，如聚合物膜或者FR-4膜，其可供使用的标准化的厚度从35到100μm。由此可以非常小但却非常精确地调整可直接与电极1和2连接的导电层7、8之间的距离，由此可以实现非常小的动作电压。

在实施例中所示的触发元件3圆形构成的情况下，绝缘层9具有略大于导电层7、8的外径，从而在触发元件3的边缘区域11上通过加长泄漏距离而提高了绝缘，由此防止在该区域内触发。

图5示出具有多个导电层7、8和多个绝缘层9的触发元件3的一个实施例。在此方面，在所示的实施例中，三个导电层7、7′和7″三个导电层8、8′和8″各自导电相互连接，从而虽然总计存在六个导电层7、7′、7″和8、8′、8″，但它们仅具有两个不同的电位，其中，两个电位各自彼此交替设置并各自通过一个绝缘层9分开。当然，取代所示的六个绝缘层9也可以交替利用两个不同电位设置更多的导电层。

通过图2中原理上示出的触发元件3这种简化的结构，可以补偿与绝缘层9的特性相关制造造成的变动并由此补偿在触发元件3动作电压方面造成的变动。在图5所示的触发元件3的实施例中，起始触发始终由分触发元件3′引起，从而具有最小的动作电压，也就是说，在其他特性相同的情况下，分触发元件3′具有最薄的绝缘层9。

在图6的实施例中，触发元件3也具有多个导电层7、7′、8、8′和多个绝缘层9，其中，导电层7、7′和8、8′导电相互连接，从而这里也仅存在两个不同的电位。但与图5实施例的区别在于，这里两个不同的电位没有多次交替设置。这种实施方式与图2实施方式相比的优点在于，在空气击穿火花隙4触发后，电弧直接跃到外置的导电层7、8上，从而出现更大的电弧。

图7和8最后示出触发元件3的两个实施例，带有三个水平重叠(图7)或四个水平并排设置的电位(图8)。这种触发元件3因此特别适合于在三相电源上使用的过电压保护元件上使用。在此方面，与图2实施例的区别在于，在图7的触发元件3上具有第三导电层13，它与第二导电层8通过第二绝缘层14分开，从而三个导电层7、8、13具有三个不同的电位。

在如图8所示的触发元件3中，除了一个圆形的导电层7和一个同样圆形的绝缘层9外，还有其他导电层8、13、15和16，它们各自导电不相互连接。在此方面，导电层8、13、15和16各自扇面式构成和并排设置，其中，圆形导电层7与它们相对设置。在第一导电层7和其他导电层8、13、15或者16之一之间出现过电压时，然后首先造成各自空气击穿火花隙4的起始触发，其中，由于各导电层8、13、15和16彼此或与导电层7的设置，完成所有空气击穿火花隙4的触发。在过电压保护元件的一种相应的电路中，由此确保不仅有源相导线(L1、L2、L3)和中性线(N)之间或中性线(N)和地线(PE)之间，而且确保所有线路分支之间所要求的安全电平。

Claims (13)

1.用于瞬时过电压漏电的过电压保护元件，带有至少两个电极(1、2)，至少一个设置在电极(1、2)之间由绝缘材料制成的触发元件(3)和一个在电极(1、2)之间作用的空气击穿火花隙(4)，其中，在触发两个电极(1、2)之间的空气击穿火花隙(4)时产生电弧，其特征在于，触发元件(3)这样设置和构成，使两个电极(1、2)之间具有一个得到减弱绝缘的区域(触发区)，并在向触发元件(3)施加电压时，触发元件(3)表面(5)上的放电导致两个电极(1、2)之间的导电连接，其中，导电连接具有很小的电流承受能力。

2.按权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，得到减弱绝缘的区域通过触发元件(3)内的空隙(10)实现。

3.按权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，触发元件(3)由塑料或者具有相当低CTI值的其他绝缘材料组成。

4.按权利要求1-3之一所述的过电压保护元件，其特征在于，导电连接仅在触发元件(3)的表面(5)上产生。

5.按权利要求1-4之一所述的过电压保护元件，其特征在于，触发元件(3)这样设置和构成，使电极(1、2)之间出现电弧时触发元件(3)的表面(5)产生“碳化”。

6.按前述权利要求1-5之一所述的过电压保护元件，其特征在于，触发元件(3)的表面(5)上涂覆一种较低电流承受能力的导电涂层。

7.按权利要求6所述的过电压保护元件，其特征在于，涂层通过化学、热或者电热碳化实现。

8.用于特别是按权利要求1-7之一所述的过电压保护元件的触发元件，其特征在于，触发元件(3)由至少两个导电层(7、8)和至少一个设置在其间的绝缘层(9)组成，其中，绝缘层(9)通过粘贴或挤压与导电层(7、8)连接并具有一个得到减弱绝缘(5)的区域(触发区)。

9.按权利要求8所述的触发元件，其特征在于，得到减弱绝缘的区域特别是通过钻孔或铣削通过绝缘层上的(9)和需要时附加在导电层(7)上的或在导电层(7、8)上的空隙(10)或孔实现。

10.按权利要求8或9所述的触发元件，带有至少三个导电层(7、7′、8、8′)和至少两个绝缘层(9)，其特征在于，至少两个导电层(7、7′、8、8′)相互导电连接。

11.按权利要求8-10之一所述的触发元件，其特征在于，作为导电层(7、8)使用铜箔，作为绝缘层(9)使用聚合物膜或者FR4膜。

12.按权利要求8-11之一所述的触发元件，其特征在于，在绝缘层(9)上绝缘加入例如纤维或者金属颗粒这样的导电成分。

13.按权利要求8-12之一所述的触发元件，其特征在于，导电层(7、8)和/或者绝缘层(9)具有小于0.2mm，最好35μm-70μm的厚度。

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