DE102019109542A1

DE102019109542A1 - Mehrfach-Funkenstrecke in Stapelanordnung mit Multikontaktbauelement zur Kontaktierung und Triggerung

Info

Publication number: DE102019109542A1
Application number: DE102019109542.5A
Authority: DE
Inventors: Rainer Durth
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-10-15
Also published as: CN213401856U

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Mehrfach-Funkenstrecke (10;11;12;13) mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken in Stapelanordnung, wobei die Einzelfunkenstrecken jeweils durch zwei Elektroden (20;21;22) gebildet sind, die durch wenigstens ein Isolierstoffelement (30;31) voneinander getrennt sind. Es ist eine Triggereinrichtung (70;71;72;73) zum Zünden der Mehrfach-Funkenstrecke (10;11;12;13) vorgesehen, indem die Triggereinrichtung (70;71;72;73) durch direkte Kontaktierung von Elektroden (20;21;22) eine Zündspannung in die Mehrfach-Funkenstrecke (10;11;12;13) einspeist. Diese Triggereinrichtung (70;71;72;73) weist wenigstens ein multikontaktiertes elektrisches Bauelement (40) auf, welches wenigstens eine Eingangskontaktierung (41) zur Zuführung einer Zündspannung und wenigstens zwei Ausgangskontaktierungen (42) aufweist, über welche wenigstens zwei Elektroden (20;21;22) direkt kontaktiert sind. Dabei weist das elektrische Bauelement (40) eine Funktionskomponente (43) auf, die zwischen der wenigstens einen Eingangskontaktierung (41) und jeder Ausgangskontaktierung (42) jeweils eine Impedanz ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfach-Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei werden die Einzelfunkenstrecken jeweils durch zwei Elektroden gebildet, die durch wenigstens ein Isolierstoffelement voneinander getrennt sind. Es ist ferner eine Triggereinrichtung zur Einspeisung einer Zündspannung in die Mehrfach-Funkenstrecke vorgesehen.
Im Bereich des Überspannungsschutzes von elektrischen Geräten bzw. Anlagen werden Überspannungsschutzelemente eingesetzt, die bei einer bestimmten Überspannung ansprechen, welche bei einem Überspannungsereignis ansonsten zu Störungen und/oder Schäden in einem Stromkreis führen würde. Als solche Überspannungsschutzelemente können beispielsweise Überspannungsableiter eingesetzt werden, die auf Funkenstrecken basieren. Insbesondere zur Ableitung von sogenannten transienten Überspannungen mit sehr hohen Amplituden haben sich Funkenstrecken bewährt. Sobald eine Funkenstrecke gezündet hat, wird eine leitfähige Verbindung über die Lichtbogenstrecke der Funkenstrecke hergestellt, über welche der Hochspannungsimpuls dann abgeleitet wird.
Dabei kommen insbesondere Funkenstrecken zum Einsatz, die den Netzfolgestrom minimieren oder sogar netzfolgestromfrei betrieben werden. Der Netzfolgestrom ist der Teil eines Stromflusses, der nach dem Ableiten eines Überspannungsereignisses, vom Stromversorgungsnetz aus, durch eine Funkenstrecke fließt. Ein solcher Netzfolgestrom kann bis zu einigen Millisekunden andauern und die Intensität eines Kurzschlussstroms haben. Daher stellen Netzfolgeströme eine Belastung für die gesamte elektrische Installation dar, die es zu verhindern gilt.
Um eine Funkenstrecke netzfolgestromfrei zu betreiben, haben sich insbesondere Mehrfach-Funkenstrecken als vorteilhaft erwiesen, bei denen mehrere Einzelfunkenstrecken in Reihe geschaltet sind. Diese Mehrfach-Funkenstrecken werden auch als Multiarc-Funkenstrecken (MAFS) bezeichnet, die auf dem Prinzip der Lichtbogenvervielfältigung basieren. Zur Bildung einer Mehrfach-Funkenstrecke werden in bestimmten Ausführungsformen mehrere scheibenförmige Elektroden zu einem Stapel zusammengefügt, wobei diese Elektrodenscheiben beispielsweise aus Carbon oder Graphit bestehen. Zwischen den einzelnen Elektroden wird jeweils eine dünne Folie oder Scheibe aus einem Isolierstoff angeordnet. So ergeben sich mehrere Einzelfunkenstrecken zwischen den Elektroden, die über eine entsprechend ausgebildete Spannungssteuerung gezündet werden können.
Beispielsweise offenbart die Patentschrift DE 1 256 306 eine solche Funkenstrecke bestehend aus einer Stapelanordnung mit einer Abfolge von scheibenförmigen Elektroden und Isolationsringen, welche jeweils einen radialen Überstand zu den Elektroden aus Graphit aufweisen und wie ein Rahmen für die Elektroden ausgebildet sind.
Die Multiarc-Funkenstrecken-Technologie hat den Vorteil einer sehr konstanten, stromunabhängigen Bogenspannung, die über die Anzahl der Elektrodenscheiben sehr gut an die Betriebsspannungsverhältnisse angepasst werden kann. So können Netzfolgeströme bei geeigneter Dimensionierung nahezu vollständig ausgeschlossen werden. Insbesondere im Hinblick auf einen Einsatz in Gleichstromnetzen ergeben sich so wesentliche Vorteile.
Wählt man typischerweise Elektroden aus Graphit, ergeben sich weitere Vorteile. Die Eigenschaft des Graphits bei Erhitzung zu sublimieren, erlaubt die Ausbildung sehr geringer Spaltabstände zwischen den Elektroden. Die daraus resultierenden sehr kurzen Lichtbögen in Verbindung mit einer relativ großen Oberfläche und der relativ hohen thermischen Masse von solchen Graphit-Stapel-Funkenstrecken gewährleisten ein robustes Verhalten im Fall der Impulsableitung.
In der Praxis zeigt sich allerdings, dass Multiarc-Funkenstrecken bei ausreichend hoher Anzahl an Einzelfunkenstrecken zur Unterdrückung von Netzfolgeströmen problematisch hinsichtlich ausreichend niedriger Schutzpegel sind. Die Vielzahl der in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken weist eine hohe Grundansprechspannung auf, die zusätzlich einer großen Streuung unterliegt.
Um dieses Problem zu lösen, sind daher eine Vielzahl von Schaltungsvarianten bekannt, bei denen mittels Ansteuerschaltungen bzw. Triggerschaltungen die Ansprechspannung von Multiarc-Funkenstrecken in Stapelanordnung reduziert wird. Oftmals handelt es sich dabei um Kettenschaltungen aus Reihen- und/oder Parallelschaltungen von Impedanzen, mit denen die einzelnen Funkenstrecken bzw. Elektroden kontaktiert werden. Das Durchzünden der gesamten Funkenstrecke erfolgt dann sukzessive, wobei dies in Summe jeweils unter dem vorgegebenen Schutzpegel erfolgt.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2011 102 941 A1 eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in einer Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, wobei die Elektroden der Funkenstrecke einzeln von einer Steuer- bzw. Zündhilfe kontaktiert sind.
Nachteilig ist jedoch, dass nahezu jeder Einzelfunkenstrecke (Stufe) einer Multiarc-Funkenstrecke eine oder mehrere solcher Impedanzen zugeordnet werden müssen. Hieraus ergibt sich eine Vielzahl von elektrischen Bauelementen, die in geeigneter Weise untereinander und zu den Elektroden der Funkenstrecke hin kontaktiert werden müssen. Zur Lösung dieser Aufgabe sind bereits Konstruktionen bekannt, bei denen diese diversen Bauelemente direkt mit den Elektroden der Multiarc-Funkenstrecke kontaktiert werden. In anderen Ausführungsformen sind die Bauelemente auf Leiterplatten montiert und die Potentiale werden durch geeignete Kontaktfedern an die Multiarc-Funkenstrecke weitergereicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Mehrfach-Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken bereitzustellen, bei der die Anzahl der Bauelemente für eine Triggerung der Mehrfach-Funkenstrecke möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Mehrfach-Funkenstrecke mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Mehrfach-Funkenstrecke ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-12.
Die erfindungsgemäße Mehrfach-Funkenstrecke weist mehrere in Reihe geschaltete Einzelfunkenstrecken auf, die sich in einer Stapelanordnung befinden. Die Mehrfach-Funkenstrecke basiert auf dem Prinzip der Lichtbogenvervielfältigung. Dabei werden die Einzelfunkenstrecken jeweils durch zwei Elektroden ausgebildet, die durch wenigstens ein Isolierstoffelement voneinander getrennt und so auf Abstand gehalten sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den Elektroden um Elektroden aus Graphit, d.h. um Graphitscheiben. Die Elektroden können somit insbesondere scheibenförmig ausgebildet sein. Als Isolierstoffelemente können dünne Scheiben oder Folien aus einem bekannten Isolierstoff wie Vulkanfiber eingesetzt werden. Die Isolierstoffelemente sind ringförmig ausgebildet, so dass sich zwischen zwei Elektroden die erforderliche Distanz für eine Einzelfunkenstrecke bildet, die durch eine Öffnung in einem Isolierstoffelement führt. Dies stellt jedoch nur eine mögliche Ausführungsform dar und die Erfindung ist auch bei anders ausgestalteten Mehrfach-Funkenstrecken einsetzbar.
Die Mehrfach-Funkenstrecke weist eine Triggereinrichtung zum Zünden der Mehrfach-Funkenstrecke auf, indem die Triggereinrichtung durch direkte Kontaktierung von Elektroden eine Zündspannung in die Mehrfach-Funkenstrecke einspeist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Triggereinrichtung wenigstens ein multikontaktiertes elektrisches Bauelement aufweist, welches wenigstens eine Eingangskontaktierung zur Zuführung einer Zündspannung und wenigstens zwei Ausgangskontaktierungen aufweist, über welche wenigstens zwei Elektroden direkt kontaktiert sind. Das elektrische Bauelement weist eine Funktionskomponente auf, die zwischen der wenigstens einen Eingangskontaktierung und jeder Ausgangskontaktierung jeweils eine Impedanz ausbildet. Vorzugsweise unterscheiden sich die so ausgebildeten Impedanzen in ihrer Höhe. Die Impedanzen sind insbesondere so gewählt, dass eine dem multikontaktierten Bauelement zugeführte Zündspannung gezielt dazu genutzt werden kann, um Elektroden über die Ausgangskontaktierungen nacheinander anzutriggern. Das resultierende, sukzessive Durchzünden der MAFS erfolgt in Summe jeweils unter dem vorgegebenen Schutzpegel.
Bei dem elektrischen Bauelement handelt es sich somit um ein nach außen einstückig wirkendes Bauteil, welches zwar in seinem Inneren mehrere Impedanzen ausbildet. Hierzu müssen im Bauelement jedoch nicht zwingend mehrere diskrete Bauteile vorhanden sein, welche die jeweilige Impedanz erzeugen. Dies kann in einzelnen Ausführungsformen der Fall sein, aber in anderen Ausführungsformen ist die Funktionskomponente eines multikontaktierten Bauelementes physikalisch oder elektrisch so ausgebildet, dass sich auf der Verbindung zwischen wenigstens einer Eingangskontaktierung und mehreren Ausgangskontaktierungen jeweils eine Impedanz ergibt.
Auf diese Weise kann eine Triggereinrichtung mit direkter Kontaktierung von Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke bereitgestellt werden, bei der statt mehrerer einzelner Bauelemente lediglich ein multikontaktiertes elektrisches Bauelement zur Kontaktierung und Triggerung mehrerer Elektroden verwendet wird. Die Elektroden werden durch Kontakte direkt an dem elektrischen Bauelement kontaktiert. So lässt sich die Anzahl der Einzelbauteile erheblich reduzieren, was zu einer Kostenersparnis führt. Ferner ist das multikontaktierte elektrische Bauelement bei entsprechender Ausformung und Anordnung leichter zu montieren als eine Vielzahl von Einzelbauelementen.
Die Triggereinrichtung ist dazu ausgebildet, eine Zündspannung über das multikontaktierte Bauelement direkt auf die Elektroden weiterzuleiten. Es wirkt somit keine Schaltung auf eine innerhalb einer Hauptfunkenstrecke angeordnete Nebenfunkenstrecke, die durch eine zusätzliche „dritte“ Zündelektrode und eine der Hauptelektroden gebildet wird, sondern eine Zündspannung wird bei der erfindungsgemäßen Mehrfach-Funkenstrecke direkt in jeweils eine Elektrode eingebracht. Die Zündspannung kann beispielsweise durch ein Überspannungspotential an der Mehrfach-Funkenstrecke bereitgestellt werden. Ferner kann eine Zündspannung auch durch eine gesonderte Spannungsimpulsquelle bereitgestellt werden, welche einen Spannungsimpuls erzeugt. Durch das multikontaktierte elektrische Bauelement kann eine Zündspannung an wenigstens zwei, vorzugsweise an mehr als zwei Elektroden einer Mehrfach-Funkenstrecke weitergeleitet werden. So werden viele in Reihe liegende Brennräume der Mehrfach-Funkenstrecke gezündet. Ein Brennraum wird in einer Einzelfunkenstrecke jeweils durch ein Isolierstoffelement zwischen zwei Elektroden gebildet, wodurch ein Spalt zwischen den beiden Elektroden entsteht. Die einzelnen Brennräume sind so dicht ausgeführt, dass Plasma aus einem Brennraum nicht in den angrenzenden Brennraum eindringen kann.
Bei dem multikontaktierten elektrischen Bauelement handelt es sich insbesondere um einen Varistor, einen Kondensator, ein Widerstandsarray oder ein Halbleiterarray. Vorzugsweise wird ein Varistor verwendet, der im Folgenden auch als Multikontaktvaristor bezeichnet wird. Ein solcher Multikontaktvaristor weist eine Varistorkeramik auf, die beispielsweise aus Zinkoxid mit Zusätzen aus anderen Metalloxiden gebildet ist (MOV, Metalloxid-Varistor). Die Varistorkeramik ist mit wenigstens einer Eingangskontaktierung zur Zuführung einer Zündspannung versehen und mit wenigstens zwei Ausgangskontaktierungen zur Weiterleitung des Zündpotentials an zwei Elektroden. In einer Ausführungsform der Erfindung weist das elektrische Bauelement eine Varistorkeramik auf, die auf einer Seite wenigstens eine Eingangskontaktierung zur Zuführung einer Zündspannung und auf der gegenüberliegenden Seite wenigstens zwei Ausgangskontaktierungen aufweist. Insbesondere die Ausgangskontaktierungen sind so an der Varistorkeramik angeordnet, dass sie einfach und direkt mit Elektroden kontaktiert werden können. Die Varistorkeramik bildet die Funktionskomponente des Bauelementes, die zwischen Eingangskontaktierung und zwei Ausgangskontaktierungen wenigstens zwei Impedanzen in Form von Teilvaristoren ausbildet. Dies kann durch die gezielte Erzeugung unterschiedlicher Strompfade innerhalb der Varistorkeramik realisiert werden.
Dabei ist vorgesehen, dass mit dem multikontaktierten elektrischen Bauelement wenigstens zwei Elektroden getriggert werden. Vorzugsweise werden mehr als zwei, insbesondere alle Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke kontaktiert und getriggert. In einer solchen Ausführungsform entspricht die Anzahl der Ausgangskontaktierungen des elektrischen Bauelementes der Anzahl der Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke, und alle Ausgangskontaktierungen kontaktieren jeweils eine Elektrode. Entspricht N der Anzahl der Elektroden in der Mehrfach-Funkenstrecke, werden in einer alternativen Ausführungsform N-1 Elektroden kontaktiert und getriggert. Beispielsweise werden bis auf eine eingangsseitig erste, äußere Elektrode der Mehrfach-Funkenstrecke alle Elektroden durch das elektrische Bauelement kontaktiert. Dies reicht aus, um die Mehrfach-Funkenstrecke sukzessive von hinten durchzuzünden. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass auch eine ausgangsseitig erste, äußere Elektrode nicht kontaktiert ist. In einem solchen Fall wäre die Anzahl der kontaktierten und getriggerten Elektroden N-2, wobei jeweils eine Einzelfunkenstrecke an beiden Enden der Mehrfach-Funkenstrecke eine äußere, nicht-kontaktierte Elektrode aufweist.
Bei Auftreten einer Überspannung über dem System mit beliebiger Polarisation, d.h. der Strom kann von beiden Seiten der Mehrfach-Funkenstrecke kommen, fällt die gesamte Spannung über einer der ersten Einzelfunkenstrecken des Systems ab. Dieses ist deswegen der Fall, weil die jeweils erste Einzelfunkenstrecke eine Kapazität darstellt, deren Wert sehr gering im Verhältnis zur Impedanz (und Eigenkapazität) z.B. eines Multikontaktelementes in Form eines Varistors ist. Das Verhältnis liegt im Bereich von 10 bis 1000. Elektrisch gesehen handelt es sich also um eine Reihenschaltung aus einer kleinen Kapazität (Einzelfunkenstrecke) und einer um einen Faktor 10 bis 1000 kleineren Impedanz. Somit ergibt sich ein Spannungsteiler, bei dem naturgemäß die hohe Spannung über der höheren Impedanz (kleine Kapazität der Einzelfunkenstrecke) abfällt. Dieser Effekt ist hier gewünscht und beabsichtigt. Nach der Zündung der ersten Einzelfunkenstrecke fließt ein Strom über die erste Einzelfunkenstrecke als Lichtbogen und über einen ersten Teilvaristor des Multikontaktelementes. Der Lichtbogen über die erste Einzelfunkenstrecke hat typischerweise einen Spannungsbedarf von ca. 30 V. Somit liegt an der nächsten Elektrode des Stapels eine um 30 V reduzierte Spannung an. Die übernächste Elektrode ist über einen zweiten Teilvaristor mit dem Eingangspotential verbunden. Damit ergibt sich erneut der bereits beschriebene Spannungsteiler, nun aber eine Stufe weiter. Somit fällt die Spannung erneut im Wesentlichen über der nächsten Einzelfunkenstrecke ab, so dass diese gezündet werden kann. Dieser Prozess setzt sich kontinuierlich fort.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines multikontaktierten elektrischen Bauelementes, wenn das Bauelement für die Triggerung in Form und Größe an das zu triggernde Funkenstreckensystem angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Ausgangskontaktierungen des Bauelementes in Bezug zu den Elektroden der MAFS so angeordnet sind, dass eine direkte Kontaktierung auf möglichst kurzem Weg erfolgen kann. In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass sich das elektrische Bauelement entlang der Stapelanordnung aus Elektroden erstreckt, und die Ausgangskontaktierungen des elektrischen Bauelementes jeweils im Bereich einer Elektrode liegen. So liegen die Ausgangskontaktierungen jeweils so nahe wie möglich bei einer Elektrode und können direkt mit dieser kontaktiert werden. Der Abstand zwischen den Ausgangskontaktierungen ist dann an den Abstand zwischen den Elektroden angepasst. Die Ausgangskontaktierungen liegen beispielsweise in einer Reihe. Werden alle Elektroden von dem elektrischen Bauelement kontaktiert, erstreckt sich das elektrische Bauelement wenigstens entlang der gesamten Stapelanordnung aus Elektroden.
Werden eine oder mehrere äußere Elektroden nicht von dem elektrischen Bauelement kontaktiert, erstreckt sich das elektrische Bauelement wenigstens entlang der Stapelanordnung aus kontaktierten Elektroden.
Bei der Verwendung eines Varistors als Multikontaktelement ist ferner zu beachten, dass es sich bei Varistorkeramiken um isotrope Materialien handelt. Dies bedeutet, dass ihre Leitfähigkeit in allen Orientierungsrichtungen gleich ist. Somit muss bei den Ausgangskontaktierungen davon ausgegangen werden, dass eine elektrische Varistorverbindung nicht nur zur gegenüberliegenden Eingangskontaktierung vorliegt, sondern auch eine Varistorverbindung in lateraler Richtung zwischen den einzelnen Ausgangskontaktierungen. Stellt man sich diese Lateralvaristoren vereinfacht als Kurzschlüsse zwischen den Kontaktstellen vor, wären benachbarte Elektroden der Einzelfunkenstrecke kurzgeschlossen, hätten damit das gleiche Potential und es wäre somit ausgeschlossen, einen Lichtbogen zwischen den zwei Elektroden zu zünden. Damit ist ersichtlich, dass laterale Varistoren zwischen den Elektroden eine verschlechternde Wirkung auf das Zündverhalten aufweisen und daher vorzugsweise vermieden bzw. minimiert werden sollten. Der Abstand der Ausgangskontaktierungen zueinander sollte daher in Bezug auf die Dicke des Varistors möglichst groß sein.
Um einen möglichst großen Abstand zwischen den Ausgangskontaktierungen zu ermöglichen, ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die Ausgangskontaktierungen nicht in einer Linie auf einer Seite eines Multikontaktvaristors angeordnet sind. Vielmehr sind sie beispielsweise durch wechselseitige Verschiebung aus einer gemeinsamen Linie heraus in einem maximalen Abstand zueinander angeordnet.
Das multikontaktierte elektrische Bauelement kann aus seiner Bauweise heraus über Kontaktstellen verfügen, die zur Kontaktierung der Elektroden der MAFS geeignet sind. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein bedrahtetes Bauelement, so dass Drähte zur Kontaktierung genutzt werden können. Eine Ausgangskontaktierung am Bauelement umfasst dann einen Draht. Alternativ werden zusätzliche Elemente mit dem multikontaktierten elektrischen Bauelement verbunden, die dann den Kontakt zu den Elektroden der MAFS herstellen. Als zusätzliche Kontaktelemente kommen verschiedene elektrisch leitfähige Elemente in Frage, mit denen sich eine sichere elektrische Kontaktierung herstellen lässt. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Elemente und Materialien, die einen gewissen Toleranzausgleich zwischen dem multikontaktierten Bauelement und einer Elektrode herstellen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise vorgesehen, dass der Kontakt zwischen einer Ausgangskontaktierung und einer Elektrode über einen Federkontakt hergestellt ist. Hierbei können als Federkontakt metallische Federsysteme ebenso verwendet werden wie elektrisch leitfähige Elastomere.
Werden für einen Toleranzausgleich zwischen dem multikontaktierte Bauelement und einer Elektrode metallische, federnde Elemente verwendet, können diese beispielsweise über eine Lötverbindung mit einer Ausgangskontaktierung verbunden sein, wobei die Lötverbindung beispielsweise im Reflow-Verfahren hergestellt sein kann. Insbesondere können solche federnde Elemente über einen Reflow-Lötprozess an die Ausgangskontaktierungen eines Multikontaktvaristors angelötet sein. Doch auch andere geeignete Lötverfahren können zum Einsatz kommen, wozu lediglich beispielhaft Selektivlöten zu zählen ist.
Weiterhin weist die Triggereinrichtung vorteilhaft am Hauptanschluss, d.h. im elektrischen Pfad vor der wenigstens einen Eingangskontaktierung des elektrischen Bauelementes eine Schutzeinrichtung gegen Überlast und/oder Versagen des elektrischen Bauelementes auf. Bei einer solchen Schutzeinrichtung handelt es sich insbesondere um eine Sicherung oder thermische Trennstelle. Auch kommen jegliche Mittel zur Begrenzung und Lösung von Fehlerzuständen in Frage.
Darüber hinaus kann der elektrische Pfad zur Eingangskontaktierung des multikontaktierten Bauelementes Mittel zur Isolation und/oder Reduzierung der Ansprechspannung des elektrischen Bauelementes aufweisen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um weitere Funkenstrecken, Halbleiter, Halbleiterschalter, sowie Schaltungen, die eine aktive Spannungserhöhung bewirken.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Es zeigen

1A eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrfach-Funkenstrecke mit einem multikontaktierten elektrischen Bauelement;
1B eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrfach-Funkenstrecke mit einem multikontaktierten elektrischen Bauelement;
2 eine Mehrfach-Funkenstrecke gemäß 1B mit einer alternativen Ausführungsform einer Triggereinrichtung;
3 eine Mehrfach-Funkenstrecke gemäß 1B mit einer zweiten alternativen Ausführungsform einer Triggereinrichtung;
4 eine Mehrfach-Funkenstrecke gemäß 1B mit einer dritten alternativen Ausführungsform einer Triggereinrichtung;
5A eine schematische Ansicht eines Multikontaktelementes; und
5B eine Untersicht eines Multikontaktelementes gemäß 5A.

1A zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mehrfach-Funkenstrecke (MAFS) 10 mit einer Triggereinrichtung 70 in einer ersten Ausführungsform. Die Triggereinrichtung 70 ist in der 1A schematisch mit einer gestrichelten Linie dargestellt und umfasst wenigstens ein multikontaktiertes elektrisches Bauelement 40 und kann weitere Funktionselemente aufweisen. Die Mehrfach-Funkenstrecke 10 wird im Wesentlichen durch mehrere scheibenförmige Elektroden gebildet, die jeweils durch dünne Isolierstoffelemente voneinander beabstandet sind. Die Isolierstoffelemente haben die Form von Scheiben oder Folien mit einer mittigen Öffnung und sind zwischen zwei Elektroden fixiert, so dass sich jeweils im Spalt zwischen zwei Elektroden eine Einzelfunkenstrecke mit einem Brennraum bildet. Die Isolierstoffelemente bilden durch die mittige Ausnehmung die benötigte Distanz zwischen zwei Elektroden für eine entsprechende Einzelfunkenstrecke.
Die Elektroden und Isolierstoffelemente sind geeignet miteinander verbunden und es können weitere nicht explizit dargestellte Verbindungsmittel, Halterungen, Dichtungen, Gehäuse, etc. vorgesehen sein. Insgesamt ist die Mehrfach-Funkenstrecke mit zwei Anschlussseiten 23 und 24 als Überspannungsableiter in ein elektrisches System integriert (nicht dargestellt). Bei 1A handelt es sich somit lediglich um eine schematische Darstellung der wesentlichen Funktionskomponenten einer Mehrfach-Funkenstrecke, um daran ihre Funktionsweise und Ansteuerung durch eine Triggereinrichtung zu erläutern. Die spezifische Ausbildung der Mehrfach-Funkenstrecke ist daher nur beispielhaft zu verstehen und sie kann auf jede geeignete Weise ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere auch für Anzahl, Abmessungen, Form und Anordnung von Elementen der Mehrfach-Funkenstrecke.
Die Ausführungsformen der Mehrfach-Funkenstrecken der 2 bis 4 unterscheiden sich von der Ausführungsform der 1A nur in der Ausgestaltung der jeweiligen Triggereinrichtung, so dass die Beschreibung des wesentlichen Aufbaus der Mehrfach-Funkenstrecke analog für alle Figuren gilt.
In 1A sind exemplarisch vier Elektroden mit den Bezugszeichen 20, 21, 22 und 25 versehen, während zwei Isolierstoffelemente exemplarisch mit den Bezugsziffern 30 und 31 versehen sind. Die Mehrfach-Funkenstrecke 10 wird bei einem Überspannungsereignis von der Triggereinrichtung 70 durchgezündet, indem die Triggereinrichtung 70 durch direkte Kontaktierung der Elektroden eine Zündspannung in die Mehrfach-Funkenstrecke 10 einspeist.
Das multikontaktierte elektrische Bauelement 40 weist eine Eingangskontaktierung 41 und mehrere Ausgangskontaktierungen 42 auf. Zwischen Eingangskontaktierung 41 und den Ausgangskontaktierungen 42 ist eine Funktionskomponente 43 angeordnet, welche die elektrische Funktionalität des Bauelementes 40 ausbildet. Beispielsweise handelt es sich bei der Funktionskomponente 43 um eine Varistorkeramik, so dass das gesamte elektrische Bauelement ein Multikontaktvaristor 40 ist. Doch auch andere elektrische Funktionalitäten wie ein Kondensator, Widerstandsarray oder Halbleiterarray können alternativ in der Funktionskomponente 43 enthalten sein.
Die Ausgangskontaktierungen 42 sind direkt an dem elektrischen Bauteil 40 ausgebildet und über Federkontakte 50 mit Elektroden der MAFS 10 kontaktiert. Dabei erstreckt sich das multikontaktierte Bauelement 40 entlang der Stapelanordnung aus Elektroden und die Ausgangskontaktierungen 42 sind so an dem Bauelement 40 angeordnet, dass sie im Bereich einer jeweils zu kontaktierenden Elektrode liegen. Form und Größe des Bauelementes 40 sind entsprechend gewählt, um diese direkte Kontaktierung zu ermöglichen. Vorzugsweise sind wenigstens zwei, insbesondere alle Elektroden der MAFS über das Bauelement 40 kontaktiert. Aber es kann auch wie bei der Ausführungsform der 1 ausreichen, alle Elektroden bis auf die erste Elektrode 22 an der Anschlussseite 24 zu kontaktieren. Diese Anschlussseite 24 stellt die Eingangsseite der MAFS dar, in welche im Überspannungsfall Spannung eingeleitet wird. Erfolgt ein sukzessives Zünden der MAFS von hinten aus, d.h. von der Anschlussseite 23 aus, kann auf eine Kontaktierung dieser eingangsseitigen Elektrode 22 verzichtet werden. Alternativ kann auch die äußere Elektrode 25 nicht kontaktiert sein. 1B zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Ausführungsform.
Im Überspannungsfall wird eine Zündspannung über einen elektrischen Pfad 60 der Eingangskontaktierung 41 des elektrischen Bauelementes 40 zugeführt. Das Zündpotential wird über die Federkontakte 50 an die Elektroden weitergeleitet und die MAFS zündet die einzelnen Brennräume der Einzelfunkenstrecken sukzessive durch.
Ausgehend z.B. von einer Anordnung gemäß 1B ohne Kontaktierung der linken Elektrode 25 fällt bei Auftreten einer Überspannung über dem System mit beliebiger Polarisation, d.h. der Strom kann von rechts wie von links kommen, die gesamte Spannung über der ersten Funkenstrecke des Systems ab, also dem ersten Spalt auf der linken Seite. Nach der Zündung dieser ersten Einzelfunkenstrecke fließt ein Strom über die erste Einzelfunkenstrecke als Lichtbogen und über den ersten Teilvaristor im Multikontaktvaristor 40. Der Lichtbogen über die erste Einzelfunkenstrecke hat typischerweise einen Spannungsbedarf von ca. 30 V. Somit liegt an der nächsten, zweiten Elektrode des Stapels (von links nach rechts betrachtet) eine um 30 V reduzierte Spannung an. Die nächste, dritte Elektrode ist über den zweiten Teilvaristor mit dem Eingangspotential verbunden. Damit ergibt sich erneut der bereits beschriebene Spannungsteiler, nun eine Stufe weiter rechts. Somit fällt die Spannung erneut im Wesentlichen über der Einzelfunkenstrecke ab, so dass diese gezündet werden kann. Dieser Prozess setzt sich kontinuierlich nach rechts fort.
Die MAFS 10 weist vereinfacht dargestellte Mittel zum Schutz des Bauelementes 40 vor Überlastung und Versagen auf. Beispielsweise handelt es sich um eine Trennvorrichtung 61, durch welche das Bauelement 40 aus dem elektrischen Pfad 60 abgetrennt werden kann. In 2 ist dieser Trennvorgang durch einen Pfeil dargestellt. Ferner zeigt 2 eine zweite Ausführungsform einer MAFS 11 mit einer Triggereinrichtung 71, die als weitere Schutzeinrichtung eine Sicherung 62 (z.B. Schmelzsicherung) im elektrischen Pfad 60 zum Bauelement 40 aufweist.
Diese Sicherung 62 kann durch Mittel zur Isolation oder Reduzierung der Ansprechspannung ergänzt werden, wie es beispielsweise bei der Ausführungsform einer MAFS 12 mit einer Triggereinrichtung 72 gemäß 3 gegeben ist. Hierbei ist im Pfad 60 beispielsweise ein Gasableiter 63 vorgesehen. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer MAFS 13 mit einer Triggereinrichtung 73, die eine Schaltung zur Erzeugung einer aktiven Spannungserhöhung aufweist. Diese beinhaltet beispielsweise eine Spannungsimpulsquelle 64.
Ferner zeigen die 5A und 5B eine schematische Darstellung einer Anordnung von Ausgangskontaktierungen 42 auf der Unterseite des Multikontaktelementes 40. Dabei stellt 5B eine Untersicht auf den in 5B lediglich schematisch dargestellten Multikontaktvaristor 40 dar, aus der ersichtlich ist, dass die Ausgangskontaktierungen 42 an der Varistorkeramik 43 nicht in einer geraden Linie angeordnet sind. Um laterale Varistoren zwischen den Elektroden zu vermeiden bzw. zu minimieren, sind die Ausgangskontaktierungen 42 vielmehr in einem möglichst großen Abstand zueinander angeordnet. Dies wird durch eine gleichmäßige Verteilung des Ausgangskontaktierungen 42 auf der Unterseite der Varistorkeramik 43 erreicht, wobei dies beispielsweise wie in 5B durch wechselseitige Verschiebung aus einer gemeinsamen Linie heraus realisiert ist. Es können jedoch auch andere Anordnungen gewählt werden, bei denen der Abstand zwischen den Ausgangskontaktierungen 42 maximiert ist.
Ferner ist es aufgrund der Isotropie des Materials eines Varistors vorteilhaft, als Dimensionierungsbedingung für die Anordnung der Ausgangskontaktierungen 42 auf der Unterseite einer Varistorkeramik 43 zu definieren, dass der Abstand der Ausgangskontaktierungen 42 zueinander groß in Bezug auf die Dicke der Varistorkeramik 43 sein sollte. Dies ist in den Darstellungen der Figuren nicht gegeben, so dass diese auch aus diesem Grund als lediglich schematisch anzusehen sind.
Bezugszeichenliste

10,11,12,13: Mehrfach-Funkenstrecke, MAFS
20,21,22,25: Elektrode
23,24: Anschlussseite
30,31: Isolierstoffelement
40: Elektrisches Bauelement, Multikontaktelement
41: Eingangskontaktierung
42: Ausgangskontaktierung
43: Funktionskomponente, Varistorkeramik
50: Kontaktierung, Federkontakt
60: Pfad
61: Schutzeinrichtung, Trenneinrichtung
62: Sicherung
63: Funkenstrecke, Gasableiter
64: Spannungsimpulsquelle
70,71,72,73: Triggereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1256306 [0005]
DE 102011102941 A1 [0010]

Claims

Mehrfach-Funkenstrecke (10;11;12;13) mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken in Stapelanordnung, wobei die Einzelfunkenstrecken jeweils durch zwei Elektroden (20;21;22) gebildet sind, die durch wenigstens ein Isolierstoffelement (30;31) voneinander getrennt sind, und eine Triggereinrichtung (70;71;72;73) zum Zünden der Mehrfach-Funkenstrecke (10;11;12;13) vorgesehen ist, indem die Triggereinrichtung (70;71;72;73) durch direkte Kontaktierung von Elektroden (20;21;22) eine Zündspannung in die Mehrfach-Funkenstrecke (10;11;12;13) einspeist, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggereinrichtung (70;71;72;73) wenigstens ein multikontaktiertes elektrisches Bauelement (40) aufweist, welches wenigstens eine Eingangskontaktierung (41) zur Zuführung einer Zündspannung und wenigstens zwei Ausgangskontaktierungen (42) aufweist, über welche wenigstens zwei Elektroden (20;21;22) direkt kontaktiert sind, wobei das elektrische Bauelement (40) eine Funktionskomponente (43) aufweist, die zwischen der wenigstens einen Eingangskontaktierung (41) und jeder Ausgangskontaktierung (42) jeweils eine Impedanz ausbildet.
Mehrfach-Funkenstrecke nach Anspruch 1, wobei das elektrische Bauelement (40) ein Varistor, Kondensator, Widerstandsarray oder Halbleiterarray ist.
Mehrfach-Funkenstrecke nach Anspruch 2, wobei das elektrische Bauelement (40) ein Varistor ist, und die Funktionskomponente (43) durch eine Varistorkeramik gebildet ist, die auf einer Seite wenigstens eine Eingangskontaktierung (41) zur Zuführung einer Zündspannung und auf der gegenüberliegenden Seite wenigstens zwei Ausgangskontaktierungen (42) aufweist.
Mehrfach-Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die durch die Funktionskomponente (43) ausgebildeten Impedanzen in ihrer Höhe unterscheiden.
Mehrfach-Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei N Elektroden die Anzahl der Ausgangskontaktierungen (42) des elektrischen Bauelementes (40) N-1 oder N-2 ist, und wenigstens eine der äußeren Elektroden (22;25) nicht kontaktiert ist.
Mehrfach-Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich das elektrische Bauelement (40) entlang der Stapelanordnung aus Elektroden (20;21;22) erstreckt, und die Ausgangskontaktierungen (42) des elektrischen Bauelementes (40) jeweils im Bereich einer Elektrode (20;21;22) liegen.
Mehrfach-Funkenstrecke nach Anspruch 6, wobei sich das elektrische Bauelement (40) wenigstens entlang der gesamten Stapelanordnung aus Elektroden (20;21;22) erstreckt.
Mehrfach-Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kontakt zwischen einer Ausgangskontaktierung (42) und einer Elektrode (20;21;22) über einen Federkontakt (50) hergestellt ist.
Mehrfach-Funkenstrecke nach Anspruch 8, wobei ein Federkontakt (50) über eine Lötverbindung mit einer Ausgangskontaktierung (42) verbunden ist.
Mehrfach-Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Triggereinrichtung (70;71;72;73) im elektrischen Pfad (60) vor der wenigstens einen Eingangskontaktierung (41) des elektrischen Bauelementes (40) eine Schutzeinrichtung (61) gegen Überlast und/oder Versagen des elektrischen Bauelementes (40) aufweist.
Mehrfach-Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Triggereinrichtung (70;71;72;73) im elektrischen Pfad (60) vor der wenigstens einen Eingangskontaktierung (41) Mittel zur Isolation und/oder Reduzierung der Ansprechspannung des elektrischen Bauelementes (40) aufweist.
Mehrfach-Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Elektroden (20;21;22) aus Graphit bestehen.