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Die
Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement mit einem
Gehäuse, mit mindestens zwei Anschlüssen zum elektrischen
Anschluß des Überspannungsschutzelements an die
zu schützenden Strom- oder Signalpfade und mit mindestens
einem im Inneren des Gehäuses angeordneten Ableiter, insbesondere
einem Varistor.
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Elektrische
Stromkreise und Anlagen arbeiten mit der für sie spezifizierten
Spannung, der Nennspannung, normalerweise störungsfrei.
Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen
gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der
Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannungen,
die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch
durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten
können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische
Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische
oder elektronische Stromkreise, insbesondere elektronische Meß-, Steuer-,
Regel- und Schaltkreise, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen
transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzelemente entwickelt
worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
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Die
Leitungen der Meß-, Steuer- und Regeltechnik bilden die
Nervenbahnen einer Industrieanlage. Deren reibungsloser Betrieb
setzt daher ein hohes Maß an Verfügbarkeit der übertragenen
Signale voraus. Die Schutzschaltungen entsprechender Überspannungsschutzgeräte
müssen dabei auf die verschiedenen Signal-, Meßprinzipien
angepaßt sein. Als Ableiter kommen dabei insbesondere Varistoren,
Suppressor-Dioden und gasgefüllte Überspannungsableiter
oder Funkenstrecken sowie Kombinationen der vorgenannten Bauelemente
zum Einsatz. Die einzelnen Ableiter können dabei u. a.
nach der Höhe des Ableitvermögens bzw. dem Schutzpegel unterschieden
werden. Während Varistoren in der Regel als Mittelschutzstufe
eingesetzt werden, dienen gasgefüllte Überspannungsableiter
und Funkenstrecken in der Regel als Grobschutz. Darüber
hinaus können die einzelnen Ableiter in spannungsbegrenzende
Elemente (Varistoren) einerseits und spannungsschaltende Elemente
(gasgefüllte Über spannungsableiter und Funkenstrecken)
andererseits unterteilt werden. Nachfolgend werden als Ableiter
insbesondere Varistoren betrachtet, ohne daß die Erfindung
darauf beschränkt sein soll.
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Aufgrund
von Alterung und zeitweise auftretenden Überspannungen
(TOV) im Sekundenbereich kommt es insbesondere bei Überspannungsschutzelementen
mit einem Varistor als Ableiter zu einer unerwünschten
Erhöhung des Leckstromes des Varistors bei Betriebsspannungen. Überspannungsschutzelemente
mit einem Varistor als Ableiter weisen daher heutzutage häufig
eine thermische Abtrennvorrichtung auf, durch die ein nicht mehr
einwandfrei funktionsfähiger Varistor elektrisch von dem
zu überwachenden Strompfad abgetrennt wird. Bei bekannten Überspannungsschutzelementen
erfolgt die Überwachung des Zustandes des Varistors nach dem
Prinzip eines Temperaturschalters, wobei bei Überhitzung
des Varistors – beispielsweise aufgrund aufgetretener Leckströme – eine
zwischen dem Varistor und einem Trennmittel vorgesehene Lötverbindung
aufgetrennt wird, was zu einem elektrischen Abtrennen des Varistors
führt.
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Eine
derartiges Überspannungsschutzelement ist beispielsweise
aus der
DE 695 03
743 T2 bekannt. Bei dem bekannten Überspannungsschutzelement,
das zwei parallel zueinander angeordnete Varistoren aufweist, ist
die thermische Abtrennvorrichtung zusätzlich noch mit einer
optischen Zustandsanzeige verbunden, so daß der Zustand
des Überspannungsschutzelements direkt vor Ort anhand der
optischen Zustandsanzeige abgelesen werden kann. Als optische Zustandsanzeige
weist dieses Überspannungsschutzelement einen im Gehäuse
angeordneten ersten Schieber auf, der von die Trennmittel bildenden
Trennzungen betätigt wird und dabei mit einem zweiten Schieber
zusammenwirkt, der in Abhängigkeit von der Position des
ersten Schiebers relativ zu einem Sichtfenster verschiebbar ist.
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Eine ähnliches Überspannungsschutzgerät mit
einer thermischen Abtrennvorrichtung ist auch aus der
DE 20 2004 006 227 U1 bekannt,
wobei auch hier gemäß einem Ausführungsbeispiel
(
5) ein Varistor als Ableiter eingesetzt
wird. Das aus der
DE 20
2004 006 227 U1 bekannte Überspannungsschutzgerät
besteht dabei aus einem mit Anschlußklemmen versehenen
Geräteunterteil und einem als "Schutzstecker" ausgebildeten Überspannungsschutzelement, welches
einfach auf das Geräteunterteil aufsteckbar ist. Zusätzlich
weist das bekannte Überspannungsschutzgerät noch
einen Wechslerkontakt als Signalgeber zur Fernmeldung des Zustandes
des Überspannungsschutzelements auf, wobei sowohl der Wechslerkontakt
als auch die optische Zustandsanzeige über ein gemeinsames
mechanisches Betätigungssystem betätigbar sind.
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Nachteilig
ist bei den bekannte Überspannungsschutzgeräten
bzw. den Überspannungsschutzelementen jedoch, daß jeder
sich öffnende Kontakt unter Betriebsspannungen größer
30 Volt und hohen Strombelastungen einen Lichtbogen erzeugen kann. Somit
kann es beim Auftrennen der Lötverbindung zu einem Lichtbogen
zwischen dem Varistor und dem Trennmittel kommen, was zu einer Beschädigung von
innerhalb des Überspannungsschutzelements angeordneten
Bauteilen oder des Überspannungsschutzelements insgesamt,
insbesondere des den Varistor umgebenden Kunststoffgehäuses
führen kann. Da derartige Überspannungsschutzelemente bzw. Überspannungsschutzgeräte
häufig zu mehreren benachbart zueinander und zu anderen
elektronischen Geräten in einem Schaltschrank angeordnet sind,
kann es aufgrund eines im Inneren des Gehäuses auftretenden
Lichtbogens auch zur Zerstörung oder Beschädigung
benachbarter Überspannungsschutzgeräte oder anderer
elektronischer Geräte kommen.
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Aus
der
DE 601 12 410
T2 ist ein Überspannungsschutzgerät bekannt,
das eine in einem Metallgehäuse angeordnete Varistorscheibe
(Wafer) aufweist, die mit Hilfe einer kolbenförmigen Elektrode gegen
den Boden des topfförmigen Gehäuses verspannt
ist. Das Gehäuse wird mit einem Deckel verschlossen, der
entweder in das topfförmige Gehäuse eingeschraubt
wird oder durch einen Federring bzw. einen Clip, der in einer Nut
in der Seitenwand des Gehäuses einrastet, befestigt wird.
Dabei ist im Deckel eine Öffnung vorgesehen, durch die
der Schaft der Elektrode aus dem Gehäuse zum elektrischen Anschluß der
Elektrode herausgeführt ist. Der zweite Anschluß zum
elektrischen Anschluß des Überspannungsschutzgeräts
an die zu schützenden Strom- oder Signalpfade ist dabei
am Gehäuse ausgebildet. Zur elektrischen Isolierung der
Elektrode gegenüber dem Gehäuse ist ein Isolationsring
vorgesehen, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und
ebenfalls eine Öffnung für den Schaft der Elektrode
aufweist.
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Gemäß einer
anderen Ausführung weist das aus der
DE 601 12 410 T2 bekannte Überspannungsschutzgerät
zwei Varistorscheiben auf, die jeweils mit Hilfe einer kolbenförmigen
Elektrode gegen eine Mittelwand des zylindrischen Gehäuses
verspannt sind. Zum Anschluß des Gehäuses ist
an dem Gehäuse eine Gehäuseelektrodenlasche ausgebildet.
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Durch
die Ausbildung des Gehäuses aus Aluminium wird zwar eine
Zerstörung des Gehäuses bei einem am Varistor
auftretenden Lichtbogen verhindert, die elektrische Kontaktierung
des Varistors sowie dessen Anordnung im Gehäuse und die
Anordnung und Ausgestaltung der Elektroden, insbesondere die Notwendigkeit
die Elektroden zum elektrischen Anschluß durch den Gehäusedeckel
bzw. die Endkappen elektrisch isoliert nach außen zu führen,
machen den Aufbau und die Montage des bekannten Überspannungsschutzgeräts
jedoch relativ aufwendig.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs
beschriebenes Überspannungsschutzelement so weiterzubilden, daß es
thermischen und dynamischen Belastungen besser gewachsen ist, so
daß es nicht zu nach außen auftretenden Schäden
des Überspannungsschutzelements kommt, insbesondere nicht
zur Gefährdung von Personen oder zur Beschädigung
von anderen Geräten. Dabei soll das Überspannungsschutzelement
möglichst einfach und kostengünstig aufgebaut und
montierbar sein.
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Diese
Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsschutzelement
dadurch gelöst, daß das Gehäuse zwei
aus Metall bestehende Gehäusehalbschalen aufweist, und
daß mindestens eine der beiden Gehäusehalbschalen
elektrisch mit einem Anschlußbereich des Ableiters verbunden ist.
Durch die Ausbildung des Gehäuses als Metallgehäuse,
das aus zwei Gehäusehälften bzw. Gehäusehalbschalen
besteht, erfolgt zunächst eine sichere und robuste Kapselung
des innerhalb des Gehäuses angeordneten Ableiters, bei
dem es sich insbesondere um einen Varistor handeln kann. Kommt es
aufgrund einer Überlastung des Varistors zum Zünden eines
Lichtbogens oder zur Zerstörung des Varistors, so führt
dies durch die robuste Metallkapselung nicht zu Schäden
außerhalb des Überspannungsschutzelements.
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Als
Ableiter können grundsätzlich auch Suppressor-Dioden
oder gasgefüllte Überspannungsableiter verwendet
werden, wobei die nachfolgen beschriebenen Ausführungsformen
insbesondere bei Verwendung von Varistoren als Ableiter vorteilhaft sind,
so daß im folgenden zumeist von Varistoren als Ableitern
gesprochen wird, ohne das die Erfindung darauf beschränkt
sein soll.
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Dadurch,
daß mindestens eine der beiden Gehäusehalbschalen
elektrisch mit einem Anschlußbereich des Ableiters verbunden
ist, kann die elektrische Kontaktierung des Ableiters, d. h. die
Verbindung des Ableiters mit einem Anschluß des Überspannungsschutzelements
einfach über die Gehäusehalbschale erfolgen, so
daß kein mit dem Ableiter elektrisch verbundenes Anschlußelement,
beispielsweise eine separate Elektrode, aus dem Gehäuse herausgeführt
werden muß. Die beiden Gehäusehalbschalen können
beispielsweise als Frästeile, als Stanzteile, als Tiefziehteile
oder als Gußteile ausgebildet sein und auf verschiedene
Arten miteinander verbunden, insbesondere verschraubt, verschweißt oder
verlötet sein.
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Gemäß einer
grundsätzlich ersten Ausführungsform ist in dem
Gehäuse des Überspannungsschutzelements lediglich
ein Ableiter angeordnet. Hierbei besteht gemäß einer
Variante die Möglichkeit, daß die beiden Gehäusehalbschalen
elektrisch voneinander isoliert sind, wobei dann beide Gehäusehalbschalen
elektrisch mit je einem Anschlußbereich des Ableiters verbunden
sind. Vorzugsweise kann dabei der elektrische Anschluß des Überspannungsschutzelements
einfach dadurch realisiert werden, daß je ein Anschluß einstückig
mit einer der beiden Gehäusehalbschalen verbunden ist.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsvariante eines Überspannungsschutzelements
mit einem Ableiter sind die beiden Gehäusehalbschalen elektrisch
miteinander verbunden, wobei dann neben dem Ableiter eine von den
beiden Gehäusehalbschalen elektrisch isolierte Mittelelektrode
und ein Isolierkörper innerhalb des Gehäuses angeordnet
sind. Der erste Anschlußbereich des Ableiters ist dann
mit der ersten Gehäusehalbschale und der zweite Anschlußbereich
des Ableiters mit der Mittelelektrode elektrisch leitend verbunden,
die dadurch von der zweiten Gehäusehalbschale isoliert
ist, daß der Isolierkörper zwischen der Mittelelektrode
und der zweiten Gehäusehalbschale angeordnet ist. Bei dieser
Ausführungsvariante ist der eine Anschluß ist.
Bei dieser Ausführungsvariante ist der eine Anschluß des Überspannungsschutzelements
einstückig mit mindestens einer der beiden Gehäusehalbschalen
ausgebildet, während der andere Anschluß einstückig
mit der Mittelelektrode verbunden ist.
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Gemäß einer
grundsätzlich zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements
sind im Inneren des Gehäuses zwei zueinander elektrisch
parallel geschaltete Ableiter, insbesondere zwei Varistoren, angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform ist zwischen den beiden Ableitern
eine von den Gehäusehalbschalen elektrisch isolierte Mittelelektrode
angeordnet, wobei die beiden Gehäusehalbschalen elektrisch
miteinander verbunden sind. Der Aufbau eines derartigen Überspannungsschutzelements
ist dabei derart, daß der erste Anschlußbereich
des ersten Ableiters mit der ersten Gehäusehalbschale und
der zweite Anschlußbereich des ersten Ableiters mit dem
ersten Kontaktbereich der Mittelelektrode elektrisch leitend verbunden
ist. Entsprechend ist der erste Anschlußbereich des zweiten
Ableiters mit der zweiten Gehäusehalbschale und der zweite
Anschlußbereich des zweiten Ableiters mit dem zweiten Kontaktbereich
der Mittelelektrode elektrisch leitend verbunden. Die elektrische Verbindung
sowohl zwischen den Ableitern und den Gehäusehalbschalen
als auch zwischen den Ableitern und der Mittelelektrode kann dabei
vorteilhafterweise durch einen entsprechenden Kontaktdruck über
die Gehäusehalbschalen und damit ohne Schweiß-
oder Lötverbindungen realisiert werden, wodurch sich der
Montageaufwand verringert und gleichzeitig die Montagesicherheit
erhöht.
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Vorteilhafterweise
wird dabei die elektrische Verbindung zwischen mindestens einer
der beiden Gehäusehalbschalen und mindestens einem Anschlußbereich
eines Ableiters über mindestens ein federndes Kontaktelement
realisiert, das zwischen einer Innenfläche der Gehäusehalbschale
und einem Anschlußbereich des Ableiters angeordnet ist.
Die elektrische Verbindung wird dabei durch eine rein mechanische
Verbindung unter Ausnutzung der Federkraft des Kontaktelements sichergestellt.
Das federnde Kontaktelement kann dabei insbesondere als flaches
Federelement, beispielsweise als eine Art Tellerfeder oder Blattfeder
ausgebildet sein.
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Weist
das Überspannungsschutzelement zwei Ableiter, insbesondere
zwei Varistoren auf, so sind vorzugsweise auch zwei federnde Kontaktelemente
vorgesehen, die jeweils zwischen dem ersten Anschlußbereich
eines Varistors und einer gegenüberliegenden Innenfläche
einer Gehäusehalbschale angeordnet sind. Ein derartiges Überspannungsschutzelement
weist somit im wesentlichen nur die beiden Gehäusehalbschalen,
zwei Varistoren, zwei federnde Kontaktelemente und eine zwischen
den beiden Varistoren angeordnete Mittelelektrode auf. Zur leichteren
Positionierung der federnden Kontaktelemente können an
den Innenflächen der beiden Gehäusehalbschalen
entsprechende Vertiefungen oder Anlagepunkte für die Kontaktelemente
ausgebildet sein. Die Ausbildung der Varistoren ist dabei im Vergleich
zu den aus der Praxis bekannten Varistoren, die in einem Kunststoffgehäuse
angeordnet sind, wesentlich vereinfacht, da an den Varistoren keine Anschlußelemente
angeordnet werden müssen und darüber hinaus auf
eine Isolation der Varistoren durch eine Epoxid- oder Lackschicht
verzichtet werden kann.
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Sind
die beiden Gehäusehalbschalen gemäß der
bevorzugten Ausgestaltung des Überspannungsschutzelements
mit zwei Varistoren elektrisch miteinander verbunden, so sind die
Gehäusehalbschalen vorzugsweise spiegelsymmetrisch zueinander
ausgebildet, wobei dann beide Gehäusehalbschalen je einen
Steckkontakt aufweisen und die beiden Steckkontakte gemeinsam den
ersten Anschluß bilden. Selbstverständlich müssen
die Gehäusehalbschalen jedoch nicht spiegelsymmetrisch
ausgebildet sein, insbesondere können die beiden Gehäusehalbschalen
unterschiedliche tief ausgebildet sein.
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Der
zweite Anschluß des Überspannungsschutzelements
ist dabei – wie zuvor bereits ausgeführt – vorzugsweise
einstückig mit der Mittelelektrode verbunden, wobei auch
dieser Anschluß bevorzugt als Steckkontakt ausgebildet
ist. Zur Gewährleistung der elektrischen Isolierung zwischen
der Mittelelektrode und den beiden Gehäusehalbschalen ist dabei
zwischen den beiden Gehäusehalbschalen ein Isolierteil
angeordnet, durch daß der mit der Mittelelektrode verbundene
Steckkontakt aus dem Inneren des Gehäuses herausgeführt
ist.
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Durch
die zuvor beschriebene Ausgestaltung des Überspannungsschutzelements
mit einem aus zwei metallischen Gehäusehalbschalen bestehenden
Gehäuse wird ein Überspannungsschutzelement zur
Verfügung gestellt, das auch bei einer Überlastung
des bzw. der im Inneren des Gehäuses angeordneten Varistoren
eine hohe Sicherheit bietet. Daher kann ein derartiges Überspannungsschutzelement
grundsätzlich auch ohne eine thermische Abtrennung eingesetzt
werden, insbesondere dann, wenn in dem zu schützenden Strom-
oder Signalpfad zusätzliche Vorsicherungen, beispielsweise
in Form von Schmelzsicherungen vorgesehen sind. Gemäß einer
bevorzugten, besonders sicheren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements
ist dennoch eine thermische Abtrennvorrichtung vorgesehen, durch
die ein defekter oder nicht mehr einwandfrei funktionsfähiger
Varistor elektrisch von dem zu überwachenden Strompfad
abgetrennt werden kann.
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Die
thermische Abtrennvorrichtung kann dabei gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung dadurch einfach in das Gehäuse
integriert sein, daß in der Mittelelektrode mindestens
eine Öffnung ausgebildet ist, in der ein spezielles isolierendes
Element angeordnet ist, das sich bei einer bestimmten Temperatur ausdehnt,
wobei durch die Ausdehnung des isolierenden Elements der zweite
Anschlußbereich eines Ableiters oder beider Ableiter vom
korrespondierenden Kontaktbereich der Mittelelektrode weggedrückt wird.
Das in der Mittelelektrode angeordnete isolierende Element bewirkt
somit durch seine ab einer bestimmten Temperatur auftretende Ausdehnung
eine elektrische Trennung zwischen dem zweiten Anschlußbereichs
eines Ableiters und dem korrespondierenden Kontaktbereich der Mittelelektrode.
Die zuvor beschriebene Ausgestaltung der thermischen Abtrennvorrichtung
ist dadurch besonders vorteilhaft, daß sie besonders platzsparend
realisierbar ist, nämlich keinen zusätzlichen
Einbauraum innerhalb des Gehäuses benötigt.
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Neben
der zuvor beschriebenen thermischen Abtrennvorrichtung weist das Überspannungsschutzelement
gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung auch eine
mechanische oder optische Anzeigeeinrichtung zur Anzeige des Zustands
des Ableiters oder der Ableiter auf. Alternativ oder zusätzlich
kann auch eine Fernmeldung des Zustandes des Überspannungsschutzelements
vorgesehen sein, wozu dann an dem Überspannungsschutzelement
ein entsprechender Wechslerkontakt als Signalgeber ausgebildet ist.
Eine optische Anzeigeeinrichtung kann beispielsweise von einem Farbumschlag
oder einer auf dem Gehäuse aufgebrachten Lackschicht oder Folie
gebildet sein, deren Farbe sich in Abhängigkeit von der
Temperatur des Gehäuses ändert. Dabei ist es selbst verständlich
ausreichend, wenn eine entsprechende Lacksicht oder Folie nur auf
einem bestimmten, von außen besonders gut sichtbarem Bereich
des Gehäuses angebracht ist.
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Eine
mechanische Anzeigeeinrichtung kann ein bewegliches Anzeigeelement
und ein federndes Betätigungselement aufweisen, wobei das
Betätigungselement im Normalzustand des Ableiters über eine
Lötverbindung außen mit dem Gehäuse verbunden
ist. Beim Auftrennen der Lötverbindung aufgrund einer Erwärmung
des Ableiters und damit auch des Gehäuses gibt das Betätigungselement
das bewegliche Anzeigeelement frei, so daß das Anzeigeelement
eine Bewegung aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung
ausführen kann. Die zweite Stellung zeigt dabei einen fehlerhaften
Zustand des Überspannungselements an.
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Zusätzlich
zu einer thermischen Abtrennvorrichtung kann das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement
gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
auch einen Überlastschutz aufweisen, der eine Beschädigung
des Varistors innerhalb des Gehäuses dadurch verhindert,
daß der Varistor beim Anliegen einer unzulässig
hohen Spannung kurzgeschlossen wird.
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Gemäß einer
ersten Alternative kann ein derartiger Überlastschutz dadurch
realisiert werden, daß einerseits die Gehäusehalbschalen
in ihren Innenabmessungen und andererseits der Varistor oder die Varistoren
und die Mittelelektrode in ihren Außenabmessungen derart
aufeinander abgestimmt sind, daß der Abstand zwischen dem
Rand eines Varistors und einer Innenwand mindestens einer Gehäusehalbschale
und der Abstand zwischen dem Rand der Mittelelektrode und der Innenwand
der Gehäusehalbschale so gewählt ist, daß ein
bei einer am Ableiter anliegenden unzulässig hohen Spannung
am Rand des Ableiters auftretender Lichtbogen auf die Gehäusehalbschale
und über die Gehäusehalbschale auf die Mittelelektrode überspringt,
wodurch der Varistor kurzgeschlossen wird. Durch eine derartige
konstruktive Ausgestaltung des Gehäuses, welches die Varistoren
und eine zwischen den beiden Varistoren angeordnete Mittelelektrode
umschließt, wird den Varistoren quasi eine Funkenstreckenanordnung
parallelgeschaltet, ohne das zusätzliche Bauteile erforderlich sind.
Liegt an einem Varistor aufgrund einer unzulässig hohen
Stromamplitude eine zu hohe Spannung an, so tritt im allgemeinen
zunächst ein Überschlag im Randbereich der Varistoroberfläche
auf. Durch die geeignete Dimensionierung der Innenabmessungen der
Gehäusehalbschalen sowie der Abmessungen der Mittelelektrode
wird der durch den Lichtbogen fließende Strom über
die Gehäusehalbschale zur Mittelelektrode abgeleitet.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements wird
ein Überlastschutz eines Varistors dadurch realisiert,
daß innerhalb des Gehäuses ein federndes Metallelement
vorgesehen ist, dessen erstes Ende fest mit der Mittelelektrode
und dessen zweites Ende im Normalzustand des Überspannungsschutzelements über
eine Lötverbindung ebenfalls mit der Mittelelektrode verbunden
ist. Eine Erwärmung des Varistors führt zu einer
Erwärmung der Mittelelektrode, wodurch es zu einer Auftrennung
der Lötverbindung kommt. Das im Normalzustand des Überspannungsschutzelements
entgegen seiner Federkraft ausgelenkte zweite Ende des Federelements,
das durch die Lötverbindung am Varistor gehalten wird,
federt beim Auftrennen der Lötverbindung aufgrund der Federkraft
des Metallelement von der Mittelelektrode weg, bis es an einer Innenwand
einer Gehäusehalbschale anliegt und damit die Gehäusehalbschale elektrisch
kontaktiert. Auch hierdurch wird im Überlastfall der Ableiter
durch die niederimpedante Verbindung zwischen der Mittelelektrode
und der Gehäusehalbschale kurzgeschlossen.
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Im
einzelnen gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das
erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf
die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche
als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
in perspektivischer Darstellung,
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2 das Überspannungsschutzelement gemäß 1 mit
einer abgenommenen Gehäusehalbschale,
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3 eine
weitere Darstellung eines noch nicht fertig montierten Überspannungsschutzelements,
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4 eine
Explosionsdarstellung des Überspannungsschutzgeräts
gemäß den 1 bis 3,
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Überspannungsschutzelements mit abgenommener Gehäusehalbschale,
in zwei unterschiedlichen Zuständen, und
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Überspannungsschutzelements,
mit einer abgenommenen Gehäusehalbschale.
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Bei
den in den Figuren dargestellten Überspannungsschutzelement 1 handelt
es sich um ein als "Schutzstecker" ausgebildetes Überspannungsschutzelement,
welches auf einem korrespondieren Geräteunterteil eines Überspannungsschutzgeräts aufgesteckt
werden kann. Neben einem derartigen Ausbildung des Überspannungsschutzelements 1 als Teil
eines zweiteiligen Überspannungsschutzgerät kann
das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement
auch als einteiliges Überspannungsschutzgerät
ausgebildet sein, d. h. kein separates Geräteunterteil
aufweisen.
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Das
in den Figuren darstellte Überspannungsschutzelement 1 besteht
aus einem Gehäuse 2, zwei elektrischen Anschlüssen 3, 4 zum
elektrischen Anschluß des Überspannungsschutzelements 1 an
die zu schützenden Strom- oder Signalpfade und zwei im
Inneren des Gehäuses 2 angeordneten Varistoren 5 als
Ableiter. Neben der in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausgestaltung
des Überspannungsschutzelements 1 mit zwei Varistoren 5, die
elektrisch parallel geschaltet und räumlich hintereinander
angeordnet sind, kann in dem Gehäuse 2 auch nur
ein Varistor 5 angeordnet sein.
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Das
Gehäuse 2 weist zwei aus Metall bestehende Gehäusehalbschalen 7, 8 auf,
die bei den in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen
jeweils einen an einer Seite abstehenden Steckkontakt aufweisen,
wobei die beiden Steckkontakte im montierten Zustand des Gehäuses 2 gemeinsam
den ersten Anschluß 3 des Überspannungsschutzelements 1 bilden.
Bei einer derartigen Ausgestaltung des Anschlusses 3 sind
die beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 somit
spielsymmetrisch zueinander ausgebildet. Selbstverständlich
ist es jedoch auch möglich, daß der Anschluß 3 nur
an einer der beiden Gehäuse halbschalen 7, 8 vorgesehen
ist, wobei dann an der anderen Gehäusehalbschale eine entsprechende
Ausnehmung für den Anschluß 3 ausgebildet
ist. Ebenso kann auf die Ausbildung von abstehenden Steckkontakten
auch ganz verzichtet werden, wenn das montierte Überspannungsschutzelement 1 beispielsweise
so in eine Kontaktaufnahme einsteckbar ist, daß direkt
die Außenseiten der beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 elektrisch
leitend kontaktiert werden.
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Bei
der in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsform
des Überspannungsschutzelements 2 mit zwei zwischen
den beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 angeordneten
Varistoren 5, 6 ist der erste Anschlußbereich 9 des
ersten Varistors 5 mit der ersten Gehäusehalbschale 7 und
der erste Anschlußbereich 10 des zweiten Varistors 6 mit
der zweiten Gehäusehalbschale 8 elektrisch leitend
verbunden. Darüber hinaus sind auch die beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 miteinander
elektrisch leitend verbunden, nämlich im montierten Zustand
beispielsweise miteinander über Schrauben oder Nieten verbunden.
Die beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 können
dabei als Frästeile, als Stanz-Tiefziehteile oder als Gußteile
ausgebildet sein.
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Wie
insbesondere aus der Explosionsdarstellung gemäß 4 ersichtlich
ist, ist zwischen den beiden Varistoren 5, 6 eine
Mittelektrode 11 angeordnet, die einen abstehenden Steckkontakt
aufweist, der den zweiten Anschluß 4 des Überspannungsschutzelements 1 bildet.
Im montierten Zustand des Überspannungsschutzelements 1 sind
die zweiten Anschlußbereiche 12, 13 der
beiden Varistoren 5, 6, die jeweils auf der dem
ersten Anschlußbereich 9, 10 gegenüberliegenden
Seite der Varistoren 5, 6 liegen, mit jeweils
einer Seite der Mittelelektrode 11 verbunden. Im einzelnen
ist der zweite Anschlußbereich 12 des ersten Varistors 5 mit
dem ersten Kontakbereich 14 der Mittelektrode 11 und
der zweite Anschlußbereich 13 des zweiten Varistors 6 mit
dem gegenüberliegenden zweiten Kontaktbereich 15 der
Mittelektrode 11 elektrisch verbunden.
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Da
die beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 elektrisch
leitend miteinander verbunden sind ist es zur Vermeidung eines Kurzschlusses
der Varistoren 5, 6 erforderlich, daß die
Mittelelektrode 11 gegenüber den beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 elektrisch isoliert
ist. Zur Realisierung dieser elektrischen Isolierung ist zwischen
den beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 ein
Isolierteil 16 angeordnet, durch das der mit der Mittelektrode 11 verbundene
Anschluß 4 aus dem Inneren des Gehäuses 2 herausgeführt
ist.
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Die
elektrische Kontaktierung sowohl zwischen den Gehäusehalbschalen 7, 8 und
den Varistoren 5, 6 einerseits als auch zwischen
den Varistoren 5, 6 und der Mittelelektrode 11 andererseits
erfolgt einfach durch einen von den Gehäusehalbschalen 7, 8 im
montierten Zustand ausgeübten Kontaktdruck. Hierzu sind
vorzugsweise – jedoch nicht zwingend – zwei federnde
Kontaktelemente 17, 18 jeweils zwischen einer
Gehäusehalbschale 7, 8 und dem ersten
Anschlußbereich 9, 10 der beiden Varistoren 5, 6 angeordnet.
Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 und
den beiden Varistoren 5, 7 kann somit durch eine
rein mechanische Verbindung unter Ausnutzung der Federkraft der
federnden Kontaktelemente 17, 18 realisiert werden,
ohne das Schweiß- oder Lötvorgänge bei der
Montage des Überspannungsschutzelements 1 erforderlich
sind.
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Die
Montage des Überspannungsschutzelements 1 aus
den in 4 einzeln dargestellten Bauteilen kann einfach
dadurch erfolgen, daß die beiden Varistoren 5, 6,
die Mittelelektrode 11 und die beiden Kontaktfedern 17, 18 in
der entsprechende Reihenfolge in eine Gehäusehalbschale 8 eingelegt
und anschließend die beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 miteinander
verbunden werden. Zur Fertigstellung eines als "Schutzstecker" ausgebildeten Überspannungsschutzelements 1 ist
es danach dann nur noch erforderlich, daß das montierte
Metallgehäuse 2 von einem isolierenden Kunststoffgehäuse
umgeben wird, wobei das umgebende Kunststoffgehäuse entweder als
Kunststoffhaube oder ebenfalls als zweiteiliges Gehäuse
ausgebildet sein kann. Ein Vergießen des Inneren des Gehäuses 2 ist
nicht erforderlich, da im Unterschied zu den aus der Praxis bekannten Überspannungsschutzelementen
gerade eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Varistoren 5, 6 und
den beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 gewollt
ist.
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Bei
dem in den Figuren dargestellten Varistoren 5, 6 handelt
es sich um dünne Varistorscheiben, die weder eine isolierende
Umhüllung, insbesondere eine Epoxid-Umhüllung,
noch herstellungstechnisch aufwendig zu realisierende Anschlußlaschen
aufweisen. Bei den Varistoren 5, 6 handelt es
sich um einfa che gesinterte Scheiben, die auf beiden Seiten eine leitfähige
Beschichtung aufweisen, durch die die Anschlußbereiche
der Varistoren 5, 6 realisiert werden.
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Weist
das Überspannungsschutzelement 1 nur einen Varistor 5 auf,
so kann ein Aufbau des Überspannungsschutzelements 1 gewählt
werden, der sich von dem in 4 dargestellten
Aufbau im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß der zweite
Varistor 6 durch einen Isolierkörper ersetzt wird.
Darüber hinaus kann zumindest auf eine Kontaktfeder 18 verzichtet
werden.
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Bei
der in 5 dargestellten Ausführungsvariante
des Überspannungsschutzelements 1 ist zusätzlich
zur sicheren Kapselung der Varistoren 5, 6 durch
die beiden metallischen Gehäusehalbschalten 7, 8 eine
thermische Abtrennvorrichtung vorgesehen, die innerhalb des Gehäuses 2 integriert
ist. Hierzu sind in der Mittelektrode 11 zwei Öffnungen 19 ausgebildet,
in denen jeweils ein isolierendes Element 20 angeordnet
ist. Das isolierende Element 20 weist dabei die Eigenschaft,
daß es sich bei einer bestimmten Temperatur, beispielsweise
ab einer Temperatur von 120°C ausdehnt, wodurch die beiden
zunächst an der Mittelelektrode 11 anliegenden
Varistoren 5, 6 von der Mittelelektrode 11 weggedrückt
werden. Dadurch wird die elektrisch leitende Verbindung zwischen
dem zweiten Anschlußbereich 12 des ersten Ableiters 5 und
dem zweiten Anschlußbereich 13 des zweiten Ableiters 6 einerseits
und den korrespondierenden Kontaktbereichen 14, 15 der
Mittelelektrode 11 andererseits getrennt.
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Das
isolierende Element 20 kann beispielsweise aus einem Kunststoffelement
bestehen, der ab einer bestimmten Temperatur aufschäumt,
wobei die durch das Aufschäumen erfolgte Volumenvergrößerung
des isolierenden Elements 20 die Varistoren 5, 6 entgegen
der Federkraft der federnden Kontaktelemente 17, 18 von
der Mittelelektrode 11 wegdrücken. Neben einem
isolierenden Element 20, dessen Ausdehnung auf einem chemischen
Effekt beruht, können als isolierende Elemente auch Bi-Metallstreifen oder
Memory-Metallstreifen eingesetzt werden. Bei Verwendung von Bi-Metallstreifen
oder Memory-Metallstreifen muß selbstverständlich
dafür gesorgt werden, daß die Metallstreifen zumindest
in den Bereichen, in denen sie die Varistoren kontaktieren, isoliert sind,
so daß es nicht zu einer elektrischen Verbindung zwischen
den Varistoren 5, 6 und der Mittelelektrode 11 über
die Elemente 20 kommt, obwohl die Varistoren 5, 6 aufgrund
der Ausdehnung der Elemente 20 von der Mittelelektrode 11 weggedrückt
worden sind.
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Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
des Überspannungsschutzelements ist neben der zuvor beschriebenen
thermischen Abtrennvorrichtung zusätzlich noch ein Überlastschutz
für die Varistoren 5, 6 ausgebildet.
Hierbei ist ein federndes Federelement 21 in Form eines
Federbügels mit seinem ersten Ende 22 fest und
mit seinem zweiten Ende 23 über eine Lötstelle
mit der Mittelelektrode 11 verbunden. Im in 5a gezeigten
Normalzustand des Überspannungsschutzelements 1 bzw.
der Varistoren 5, 6, bei der sich die Varistoren 5, 6 noch
nicht übermäßig erwärmt haben,
wird das zweite Ende 23 entgegen der Federkraft des ausgelenkten
Metallelements 21 durch die Lötstelle an der Mittelelektrode 11 gehalten.
Kommt es zu einer Erwärmung der Varistoren 5, 6,
beispielsweise aufgrund eines unzulässigen Leekstroms,
so führt dies zunächst auch zu einer Erwärmung
der Mittelelektrode 11. Ab einer bestimmten Temperatur
führt die Erwärmung der Mittelelektrode 11 dann
dazu, daß die Lötverbindung auftrennt, so daß sich
das zweite Ende 23 des Metallelements 21 aufgrund
seiner Federkraft von der Mittelelektrode 11 löst
und gegen eine Innenwand einer Gehäusehalbschale 7 federt
(5b). Dadurch wird die Mittelelektrode 11 über
das Metallelement 21 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 2 verbunden,
so daß die Varistoren 5, 6 durch diese
niederimpendante Verbindung zwischen der Mittelelektrode 11 und
dem Gehäuse 2 kurzgeschlossen sind. Der Querschnitt
des federnden Metallelements 21 wird dabei so gewählt, daß im Überlastfall
der auftretende Kurzschlußstrom über das Metallelement 21 fließen
kann, ohne daß dabei das Metallelement 21 zerstört
wird.
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Neben
einer thermischen Abtrennvorrichtung und einem Überlastschutz
kann das Überspannungsschutzelement 1 zusätzlich
auch noch eine mechanische oder optische Anzeigeeinrichtung zur Anzeige
des Zustandes der Ableiter 5, 6 aufweisen. Eine
Realisierungsmöglichkeit einer mechanischen Anzeigeeinrichtung
wird dabei anhand von 6 noch kurz erläutert.
Hierbei weisen die beiden federnde Kontaktelemente 17, 18 jeweils
eine Verlängerung 24, 25 auf, die durch
einen Schlitz 26 in den beiden Gehäusehalbschalen 7, 8 aus
dem Inneren des Gehäuses 2 herausragen.
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Wenn
nun aufgrund der zuvor im Zusammenhang mit 5 beschriebenen
thermischen Abtrennvorrichtung die beiden Varistoren 5, 6 von
der Mittelelektrode 11 weggedrückt werden, so
erfolgt dieses Auseinanderdrücken der Varistoren 5, 6 entgegen
der Federkraft der beiden Kontaktelemente 17, 18.
Somit werden beim Auseinanderdrücken der Varistoren 5, 6 auch
die Kontaktelemente 17, 18, und damit insbesondere
auch deren Verlängerungen 24, 25, auseinandergedrückt.
Bei einer entsprechenden Ausgestaltung des das Gehäuse 2 umgebenden Kunststoffgehäuses
ist diese Positionsveränderung der beiden Verlängerungen 24, 25 der
Kontaktelemente 17, 18 von außen erkennbar.
Neben der Ausbildung eines einfachen Sichtfensters in dem umgebenden
Kunststoffgehäuse können die Verlängerungen 24, 25 der
Kontaktelemente 17, 18 auch mit einem zusätzlichen
Anzeigeelement verbunden sein, wobei eine Positionsveränderung
der beiden Verlängerungen 24, 25 zu einer Änderung
der Stellung des Anzeigeelements führt, was von außen
gut erkennbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 69503743
T2 [0005]
- - DE 202004006227 U1 [0006, 0006]
- - DE 60112410 T2 [0008, 0009]