DE102011050420B3 - Surge protection device for protection of electrical device against transient voltages, has temperature-dependent resistors arranged in series with current-controlled semiconductor components in a state thermally coupled to components - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absicherung vor transienten Spannungen und die Verwendung von stromgeführten Halbleiterbauelementen hierfür.The invention relates to a device for protection against transient voltages and the use of current-carrying semiconductor components for this purpose.
In gegenwärtigen Überspannungsschutzeinrichtungen für den Messung-/Steuerungs-/Regelungs-Bereich (MSR-Bereich) als auch für den Telekommunikationsbereich werden überwiegend Gasableiter (discharge tube – DT) eingesetzt.Current surge protection devices for the measurement / control (MSR) sector as well as for the telecommunications sector mainly use discharge tubes (DT).
Diese Gasableiter weisen dynamische Zündspannungen von einigen hundert Volt (circa 500 V–700 V) auf.These gas arresters have dynamic ignition voltages of a few hundred volts (about 500 V-700 V).
Da jedoch Schutzpegel am Ableitpfad von circa 10 Volt bis circa 200 Volt gefordert werden, welche von den Gasableitern DT auf Grund der hohen dynamischen Zündspannungen nicht erreicht werden, wird in einen Parallelpfad zum Ableitpfad eine Supressordiode (transient volatage suppressor – TVS) geschaltet. Die Supressordiode TVS muss daher großzügig dimensioniert sein.However, since protection levels at the discharge path of about 10 volts to about 200 volts are required, which are not achieved by the gas discharge line DT due to the high dynamic ignition voltages, a suppressor diode (transient volatage suppressor - TVS) is connected in a parallel path to the discharge path. The suppressor diode TVS must therefore be generously dimensioned.
Insbesondere im MSR-Bereich werden feste Längswiderstände R1, R2 für die Stromkummutierung von der Supressordiode TVS auf den Gasableiter DT eingesetzt.Especially in the MSR range, fixed series resistors R1, R2 are used for current rounding by the suppressor diode TVS to the gas arrester DT.
Diese Widerstände weisen jedoch eine nahezu konstante U-I-Kennlinie auf.However, these resistors have a nearly constant U-I characteristic.
Dies hat zur Folge, dass der Nennstrom in aller Regel stark begrenzt ist, da die akzeptable Verlustleistung eines Widerstandes 2 Watt in der Regel nicht überschreiten sollte.As a result, the nominal current is usually severely limited, since the acceptable power loss of a resistor should normally not exceed 2 watts.
Um die Überspannungsschutzeinrichtung als auch nachfolgende Verbraucher vor Strömen zu schützen, die über eine längere Dauer anliegen und höher als der Nennstrom sind, wird eine Vorsicherung benötigt (fuse – F1).In order to protect the overvoltage protection device as well as subsequent consumers from currents that are applied over a longer period of time and are higher than the rated current, a back-up fuse is required (fuse - F1).
Mit dieser Vorsicherung wird beispielsweise auch sichergestellt, dass die Verlustleistung an den Widerständen nicht überschritten wird.With this backup fuse, for example, it is also ensured that the power loss at the resistors is not exceeded.
Eine derartige Schaltung ist in
Neuerdings werden in einzelnen Technikbereichen Transient Blocking Units eingesetzt.Recently, transient blocking units have been used in individual technical areas.
Allerdings sind diese Elemente für den MSR-Bereich nachteilig, da sie lediglich geringe Ströme von circa 500 mA tragen können und zudem zum Zurücksetzen aus dem Sperrzustand einen Rückgang der Spannung auf 14 V und weniger benötigen.However, these elements are detrimental to the MSR range because they can only carry low currents of approximately 500 mA and, moreover, require a voltage drop to 14 V and less to reset from the off-state.
Um den Spannungsabfall zu reduzieren muss ein Parallelwiderstand an ein TBU geschaltet werden, der mit steigendem Nennstrom kleiner dimensioniert werden muss.In order to reduce the voltage drop, a parallel resistor must be connected to a TBU, which must be dimensioned smaller with increasing nominal current.
Mit anderen Worten, das Überspannungsschutzgerät muss aktiv wieder in seinen Ausgangszustand zurück geschaltet werden.In other words, the overvoltage protection device must be actively switched back to its initial state.
Darüber hinaus ist aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Vorrichtung zum Schutz vor transienten Spannungen bereitzustellen, die im MSR-Bereich ein verbessertes Schaltverhalten und/oder geringer Schutzpegel und/oder ein automatisches Zurückkehren in den Ausgangszustand ermöglichen.The invention is based on the object to provide a device for protection against transient voltages, which allow an improved switching behavior and / or low protection level and / or an automatic return to the initial state in the MCR range.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention by the features of the independent claim. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments.
Es zeigenShow it
Die
Diese Vorrichtung zum Schutz vor transienten Spannungen weist eine Eingangsseite IN und eine Ausgangsseite OUT auf.This transient voltage protection device has an input side IN and an output side OUT.
Auf der Eingangsseite IN ist ein Gasableiter DT angeordnet.On the input side IN, a gas discharge valve DT is arranged.
Auf der Ausgangsseite OUT ist eine Supressordiode TVS angeordnet.On the output side OUT a suppressor diode TVS is arranged.
Zwischen der Eingangsseite IN und der Ausgangsseite OUT befindet sich mindestens ein stromgeführtes Halbleiterbauelement SD1, SD2, SD3, SD4, welches im oberen oder unteren Zweig angeordnet ist. Die Anordnung im oberen oder unteren Zweig zwischen IN und OUT ist von keiner besonderen Wichtigkeit.Between the input side IN and the output side OUT is at least one current-carrying semiconductor component SD1, SD2, SD3, SD4, which is arranged in the upper or lower branch. The arrangement in the upper or lower branch between IN and OUT is of no particular importance.
Das stromgeführte Halbleiterbauelement SD1, SD2, SD3, SD4 ist Richtungsabhängig und begrenzt den Strom in einer Richtung.The current-carrying semiconductor device SD1, SD2, SD3, SD4 is direction-dependent and limits the current in one direction.
Diese Eigenschaft wird bei einem transienten Ereignis genutzt, d. h. bei Auftreten eines transienten Ereignisses wird der Strom begrenzt. Dieser Fall wird nachfolgend als strombegrenzender Fall bezeichnet werden.This property is used in a transient event, i. H. when a transient event occurs, the current is limited. This case will hereinafter be referred to as the current limiting case.
Im Normbetrieb ist das stromgeführte Halbleiterbauelement SD1, SD2, SD3, SD4 so ausgelegt, dass bei Normströmen keine wirksame Begrenzung auftritt.In standard operation, the current-carrying semiconductor device SD1, SD2, SD3, SD4 is designed so that no limitation occurs with standard currents.
Tritt der strombegrenzende Fall ein nimmt die Spannung am Gasableiter DT zu. Bei Erreichen der Zündspannung zündet der Gasbleiter DT und leitet das transiente Ereignis ab. Dieser Eintritt tritt im sub-Mikrosekundenbereich auf.If the current-limiting case occurs, the voltage at the gas discharge tube DT increases. When the ignition voltage is reached, the gas igniter DT ignites and derives the transient event. This entry occurs in the sub-microsecond range.
Bevorzugt weist die Vorrichtung zwei stromgeführte Halbleiterbauelemente SD1, SD2 und alternative oder zusätzlich SD3, SD4 auf. Diese zumindest zwei stromgeführten Halbleiterbauelemente sind bezogen auf ihre strombegrenzende Wirkung gegenläufig angeordnet.The device preferably has two current-carrying semiconductor components SD1, SD2 and alternative or additionally SD3, SD4. These at least two current-carrying semiconductor components are arranged in opposite directions with respect to their current-limiting effect.
Durch diese gegenläufige Anordnung können auch transiente Wechselspannungsereignisse/Wechselstromereignisse sicher aufgefangen werden.This reverse arrangement also allows transient AC events / AC events to be safely captured.
Die stromgeführten Halbleiterbauelement SD1, SD2, SD3, SD4 können beispielsweise als Stromregeldiode (engl. current regulation diode, CRD) oder als Strombegrenzerdiode (engl. current limiting diode, CLD) ausgeführt sein.The current-carrying semiconductor components SD1, SD2, SD3, SD4 can be designed, for example, as a current regulation diode (CRD) or as a current limiting diode (CLD).
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand R1, R2 aufweist.Furthermore, the invention provides that the device has at least one temperature-dependent resistor R1, R2.
Der temperaturabhängigen Widerstand R1 ist in Serie mit dem Halbleiterbauelement SD1 und/oder SD2 zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite angeordnet.The temperature-dependent resistor R1 is arranged in series with the semiconductor device SD1 and / or SD2 between the input side and the output side.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung auch einen temperaturabhängigen Widerstand R2 aufweisen, der in Serie mit dem Halbleiterbauelement SD3 und/oder SD4 zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite angeordnet.Alternatively or additionally, the device may also have a temperature-dependent resistor R2, which is arranged in series with the semiconductor device SD3 and / or SD4 between the input side and the output side.
Der temperaturabhängigen Widerstand R1, R2 wird thermisch mit einem oder mehreren der Halbleiterbauelemente gekoppelt.The temperature dependent resistor R1, R2 is thermally coupled to one or more of the semiconductor devices.
Im strombegrenzenden Fall erwärmen sich die Halbleiterbauelemente und hierdurch kann der Widerstand R1, R2 verändert werden.In the current-limiting case, the semiconductor components heat up and, as a result, the resistor R1, R2 can be changed.
Beispielsweise kann der Widerstand R1, R2 ein PTC sein, der mit zunehmender Temperatur einen höheren Widerstand aufweist. Durch Anordnung eines temperaturabhängigen Widerstandes R1, R2 können auch länger andauernde Ereignisse (länger als einige Millisekunden) begrenzt werden.For example, the resistor R1, R2 may be a PTC having a higher resistance with increasing temperature. By arranging a temperature-dependent resistor R1, R2, longer-lasting events (longer than a few milliseconds) can also be limited.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei Wegfall des transienten Ereignisses automatisch eine Abkühlung eintritt, die die Vorrichtung wieder in den Normalzustand überführt.The advantage of this arrangement is that when the transient event ceases, cooling automatically occurs, which returns the device to its normal state.
Es versteht sich dabei von selbst, dass bei dieser Anordnung der Widerstand im Normbetrieb so gewählt ist, dass nur eine sehr geringe Verlustleistung am temperaturabhängigen Widerstand R1, R2 anfällt, während die Erwärmung im Fall eines transienten Ereignisses ein äußere Wärmeeintrag ist, der von einem oder mehreren der stromgeführte Halbleiterbauelement SD1, SD2, SD3, SD4 stammt.It goes without saying that in this arrangement, the resistance in normal operation is chosen so that only a very small power loss on the temperature-dependent resistor R1, R2 is obtained, while the heating in the case of a transient event is an external heat input, the one or more of the current-carrying semiconductor device SD1, SD2, SD3, SD4 comes.
Hierdurch wird die Verlustleistung im normalen Betrieb gering gehalten.As a result, the power loss is kept low during normal operation.
Die im Fall eines andauernden transienten Ereignisses erzeugte Wärme kann je nach Dimensionierung von einem oder mehreren der stromgeführten Halbleiterbauelement SD1, SD2, SD3, 8D4 stammen und an einen oder mehrere temperaturabhängige Widerstand R1, R2 geführt werden.Depending on the dimensioning, the heat generated in the case of a continuous transient event can originate from one or more of the current-carrying semiconductor components SD1, SD2, SD3, 8D4 and be conducted to one or more temperature-dependent resistors R1, R2.
Wenn das stromgeführte Halbleiterbauelement SD1, SD2, SD3, SD4 eine Stromregeldiode (engl. current regulation diode, CRD) ist, kann diese einen Normally-on-Transistor aufweisen.When the current-carrying semiconductor device SD1, SD2, SD3, SD4 is a current regulation diode (CRD), it may have a normal-on-transistor.
Weiterhin, wenn das stromgeführte Halbleiterbauelement SD1, SD2, SD3, SD4 eine Stromregeldiode (engl. current regulation diode, CRD) ist, kann die Stromregeldiode einen Feldeffekttransistor (FET) aufweisen. Eine derartige Ausführungsform ist beispielsweise in
Beispielsweise kann mittels eines Depletion-MOSFET bzw. auch mit einem JFET bei Verbindung des Gate-Anschlusses mit dem Source-Anschluss ein Verhalten nachgebildet werden, dass dem Verhalten einer CRD-Diode entspricht. Hierdurch können erheblich höhere Ströme von 500 mA bis zu 10 A getragen werden.For example, by means of a depletion MOSFET or else with a JFET when connecting the gate terminal to the source terminal, a behavior can be reproduced that corresponds to the behavior of a CRD diode. As a result, significantly higher currents of 500 mA up to 10 A can be carried.
Weiterhin kann als zusätzliche Absicherung noch eine Vorsicherung F1 vorgesehen sein.Furthermore, a backup fuse F1 can be provided as additional protection.
Insgesamt kann festgehalten werden, dass die Vorrichtung in ihren unterschiedlichen Ausformungen so aufgebaut ist, dass die Vorrichtung nach Wegfall des transienten Ereignisses automatisch in den normalen Betriebsfall zurückkehrt.Overall, it can be stated that the device is constructed in its different embodiments so that the device automatically returns to normal operation case after the transient event has ceased.
Insofern wird auch die Verwendung von stromgeführten Halbleiterbauelementen SD1, SD2, SD3, SD4 zur Absicherung vor transienten Spannungen im MSR-Bereich vorgeschlagen.In this respect, the use of current-carrying semiconductor components SD1, SD2, SD3, SD4 to protect against transient voltages in the MSR range is also proposed.
Vorrichtung zur Absicherung vor transienten Spannungen und die Verwendung von stromgeführten Halbleiterbauelementen hierfür.Device for securing against transient voltages and the use of current-carrying semiconductor components therefor.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absicherung vor transienten Spannungen und die Verwendung von stromgeführten Halbleiterbauelementen hierfür.The invention relates to a device for protection against transient voltages and the use of current-carrying semiconductor components for this purpose.
Durch die Erfindung werden niedrige Schutzpegel im Bereich von wenigen Volt bis zu 200 Volt erreicht.The invention achieves low levels of protection ranging from a few volts to 200 volts.
Zum anderen wird durch die Erfindung ermöglicht auch höhere Nennströme von mehr als 500 mA zu tragen.On the other hand, the invention also makes it possible to carry higher rated currents of more than 500 mA.
Weiterhin erlaubt die Erfindung eine sichere Strombegrenzung während die Verlustleitung im Normbetrieb auf Grund der nicht-linearen Eigenschaften der Halbleiterbauelemente als auch eventueller temperaturabhängiger Widerstände gering ist.Furthermore, the invention allows a safe current limitation while the loss of conduction in normal operation due to the non-linear properties of the semiconductor devices as well as any temperature-dependent resistors is low.
Durch den Einsatz von Halbleiterbauelemente sowie optionaler temperaturabhängiger Widerstände kann eine Vorsicherung F1 – soweit überhaupt nötig – geringer dimensioniert werden.Through the use of semiconductor components and optional temperature-dependent resistors, a pre-fuse F1 can - if at all necessary - be dimensioned smaller.
Dies führt zu einer weiteren Kostenersparnis.This leads to a further cost savings.
Weiterhin kann die Supressordiode TVS bei den Ausführungsformen der Erfindung kleiner dimensioniert werden, nämlich im Wesentlichen so, dass sie den maximalen Begrenzungsstrom der Halbleiterbauelemente im strombegrenzenden Fall sicher tragen können.Furthermore, the suppressor diode TVS can be dimensioned smaller in the embodiments of the invention, namely essentially such that they can safely carry the maximum limiting current of the semiconductor components in the current-limiting case.
Auch dies führt zu einer weiteren Kostenersparnis.This also leads to a further cost savings.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- ININ
- Eingangsseiteinput side
- OUTOUT
- Ausgangsseiteoutput side
- DTGDTG
- Gasableitergas arrester
- TVSTVS
- Supressordiodesuppressor diode
- SD1, SD2, SD3, SD4SD1, SD2, SD3, SD4
- stromgeführtes Halbleiterbauelementcurrent-carrying semiconductor component
- R1, R2R1, R2
- temperaturabhängigen Widerstandtemperature-dependent resistance
- 33
- Gehäusecasing
- 55
- Oberseitetop
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