-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsschutz gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung kann zur Begrenzung von Gleichspannungsnetzen
und Wechselspannungsnetzen auf vorgegebene Spannungswerte verwendet werden.
-
Aus
der
DE 197 49 558
C2 ist ein kostengünstiger
und langzeitstabiler Überspannungsbegrenzer
für einen
zu schützenden
Stromrichter in Drehstrom-Brückenschaltung
bekannt, der eine Drehstrom-Diodenbrücke umfasst, an deren Gleichstromanschlüssen eine
Schaltung zur Spannungsbegrenzung liegt, welche aus einer Reihenschaltung aus
einem BOD-Element und einem Varistor besteht.
-
Aus
der
DE 897 586 C ist
eine Einrichtung zum Schutz von Gleichstrom-Hochspannungsanlagen gegen Überspannungen
bekannt, wobei zwischen einem eine hohe Spannung führenden
Leiter und Erde eine Funkenstrecke in Reihe mit einem Widerstand
und einer Kapazität
geschaltet ist. Es kann ein Silizium-Karbid-Widerstand verwendet
werden, der bei hoher Spannung einen kleinen Widerstand hat, dessen
Widerstand jedoch zunimmt, wenn die Spannung kleiner wird.
-
Aus
Nührmann,
Dieter: Das große
Werkbuch Elektronik. Poing: Franzis Verlag, 7. Auflage, 1998, ISBN
3-7723-6547-7, S. 1023–1024,
ist bekannt, dass VDR-Widerstände
bzw. Varistoren auf Siliziumcarbidbasis aufgebaut sein können.
-
Aus
JP 11041800 A (Abstract)
ist ein Überspannungsbegrenzer
für die
Verwendung bei einem Drehstromnetz bekannt, wobei ein Brückengleichrichter
wechselspannungsseitig mit den Phasen des Drehstromnetzes verbunden
ist und gleichspannungsseitig an die Serienschaltung einer Funkenstrecke
mit einem Thyristor angeschlossen ist, wobei ein BOD-Element mit
der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist.
-
Die
Höhe der
Ansprechspannung der Schutzschaltung hängt nicht von der Spannungsklasse
des Varistors ab, sondern von der Zündspannung des BOD-Elementes
(Break-Over-Diode).
Dadurch ist die Wahl der Spannungsklasse des Varistors in dieser
Hinsicht frei. Die Ansprechspannung des BOD-Elementes muss in bekannter
Weise geringfügig
höher sein
als die höchste
betriebsmäßig vorkommende
Gleichspannung oder der höchste
betriebsmäßig vorkommende
Scheitelwert der Wechselspannung.
-
Ein
Problem besteht darin, dass einerseits die Ansprechspannung des
Varistors möglichst
niedrig liegen muss, damit die Spannung bei einem kräftigen Stromimpuls,
wie er bei Schalthandlungen im Netz oder bei atmosphärischen
Störungen
(Blitzeinwirkung) auftreten kann, möglichst wenig ansteigt. Andererseits
muß die
Ansprechspannung des Varistors so hoch sein, daß der Varistorstrom auch bei
der höchsten
betriebsmäßigen Netzspannung
sehr niedrig ist. Andernfalls wird die Schutzschaltung nach einem
Ansprechen nicht wieder stromlos. Der Varistor würde sich zu sehr erwärmen und
schließlich
zerstört werden.
Dieser Konflikt schränkt
die erzielbare Schutzwirkung bekannter Schutzschaltungen deutlich
ein, denn die stromabhängigen
Spannungskennlinien verlaufen leider nicht flach genug.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsschutz der eingangs
genannten Art anzugeben, bei welchem der vorstehend erläuterte Konflikt
der gegensätzlichen
Spannungsanforderungen (Ansprechspannung des Varistors) gelöst ist.
-
Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Die
vorstehend erläuterte
Forderung, die Ansprechspannung des Varistors muss höher als
die betriebsmäßig vorkommende
Netzspannung sein, kann dank des erfindungsgemäß mit dem Varistor in Reihe
geschalteten Kondensators entfallen. Die Ansprechspannung des Varistors
kann dadurch deutlich kleiner gewählt werden, um seine Schutzwirkung
zu erhöhen.
-
Nach
dem Abklingen der Netzstörung
sorgt der Kondensator erfindungsgemäß dafür, dass die Schutzschaltung
sicher wieder stromlos wird. Der Kondensator lädt sich so lange auf, bis der
Haltestrom des BOD-Elementes unterschritten wird. Mit der Wahl der
Spannungsklasse des Varistors wird festgelegt, wie weit der Kondensator
aufgeladen werden muss. Im Interesse einer möglichst niedrigen Spannungsklasse
für den
Kondensator (damit verbunden ist die vorteilhafte Ersparnis an Kosten
und Raumbedarf) ist bezüglich
der Spannungsklasse des Varistors ein Kompromiss mit der erzielbaren Schutzwirkung
zu finden. Außerdem
soll die Energie, die aus dem Störimpuls
resultiert, möglichst
wenig zur Ladung des Kondensators beitragen und statt dessen in
einem möglichst
hohen Maß im
Varistor in Wärme
umgesetzt werden. Mit anderen Worten ist es zusätzlich von Vorteil, wenn der
größte Teil
der Energie des Überspannungsimpul ses
im Varistor in Wärme
umgesetzt wird und nur ein relativ kleiner Teil den Kondensator
auflädt.
Hierdurch läßt sich
ein kostengünstiger
und bezüglich
der Anforderung an den Raumbedarf optimierter Kondensator einsetzen.
-
Vorteilhaft
muß beim
vorgeschlagenen selbstanpassenden Überspannungsschutz die Ansprechspannung
kaum höher
als die Netzspannung liegen. Die ausgewählte Spannungsklasse des Varistors
kann sogar geringfügig
kleiner sein als die Netzspannung, ohne daß hierdurch die Gefahr besteht, dass
nach einer BOD-Zündung
infolge eines Spannungsstoßes
die Schutzschaltung anschließend nicht
wieder stromlos wird. Eine vorzeitige Alterung und Zerstörung des
Varistors (Verkürzung
der Lebensdauer der Schaltung) ist nicht gegeben.
-
In
Erweiterung der oben beschriebenen Schutzaufgabe kann der Überspannungsschutz
auch bei Wechselspannungsanwendungen eingesetzt werden. Dies erfolgt
durch Vorschalten eines ein- oder mehrphasigen Gleichrichters.
-
Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
erste Ausführungsform
des Überspannungsschutzes,
-
2 eine
zweite Ausführungsform
des Überspannungsschutzes,
-
3 eine
Erweiterung des Überspannungsschutzes
auf Wechselspannungsanwendungen.
-
In 1 ist
eine erste Ausführungsform
des Überspannungsschutzes
dargestellt. Zwischen einer ersten Gleichspannungsklemme 1 (vorzugsweise
beaufschlagt mit positiver Gleichspannung) und einer zweiten Gleichspannungsklemme 2 (vorzugsweise beaufschlagt
mit negativer Gleichspannung bzw. Massepotential) sind ein BOD-Element 3 (Kippdiode, Breakover
diode), ein Varistor 5 (vorzugsweise Metalloxidvaristor)
und ein Kondensator 9 in Reihe geschaltet. An einen Verbindungspunkt 4 zwischen BOD-Element 3 und
Varistor 5 ist eine Impedanz 6 angeschlossen,
welche andererseits an der Gleichspannungsklemme 2 liegt.
An einen Verbindungspunkt 7 zwischen Varistor 5 und
Kondensator 9 ist ein Entladewiderstand 8 angeschlossen,
welcher andererseits an der Gleichspannungsklemme 2 liegt.
-
Ziel
des vorgeschlagenen Überspannungsschutzes
ist es, die zwischen den Gleichspannungsklemmen 1, 2 anstehende
Gleichspannung beim Auftreten eines Überspannungsimpulses auf das
Niveau (nachstehend auch Ansprechschwelle oder Kippspannung genannt)
des BOD-Elementes 3 zu begrenzen. Dazu ist es nötig, einen
Varistor 5 mit niedriger Ansprechschwelle einzusetzen.
Um einen solchen Varistor 5 mit niedriger Ansprechschwelle
einsetzen zu können,
wird zusätzlich
zur Reihenschaltung BOD-Element 3 und
Varistor 5 ein Kondensator 9 in Reihe geschaltet:
- • Das
BOD-Element 3 bestimmt die Einsatzschwelle des Überspannungsschutzes.
- • Der
Varistor 5 begrenzt die Spannung auf einen Wert entsprechend
seiner Kennlinie zuzüglich
des Spannungsabfalls am BOD-Element und der Kondensatorspannung
(Spannung am Kondensator 9), die zunächst (zu Beginn des Überspannungsimpulses)
Null Volt beträgt.
- • Der
Kondensator 9 wird durch den Strom, der durch die Anordnung
fließt,
aufgeladen, bis der Strom den Haltestrom durch das BOD-Element 3 unterschreitet.
Der Kondensator 9 nimmt die Spannungsdifferenz zwischen
der Varistorspannung (Spannung am Varistor 5) und der Gleichspannung,
die sich aus der angelegten Netzspannung durch Gleichrichtung im
ungestörten
Betrieb ergibt, auf.
-
Durch
die Schaltung wird erreicht, daß der Strom
nach dem Abklingen des Überspannungsimpulses
sicher verlöscht
und nicht vom treibenden Netz aufrecht erhalten wird. Durch geeignete
Größe des Kondensators 9 ist
der umgesetzte Energieinhalt des Überspannungsimpulses an die
Erfordernisse anpassbar.
-
Die
Impedanz 6 wird aus einem hochohmigen Widerstand sowie
einem parallel dazu liegendem Hilfskondensator gebildet. Der hochohmige
Widerstand der Impedanz 6 führt bei ungestörter Gleichspannung
(es tritt kein Überspannungsimpuls auf)
den geringen Leckstrom des BOD-Elementes 3. Der Hilfskondensator
der Impedanz 6 dient als Zündhilfe für das BOD-Element 3,
indem er beim Eintreffen eines gefährlichen Spannungsstoßes einen
temporären
Kurzschluß bildet
und den Zündstrom
für das BOD-Element 3 kurzzeitig
aufnimmt, ohne daß ein nennenswerter
Spannungsanstieg erfolgt. Die Spannung an diesem Hilfskondensator
verfälscht
daher nicht die Zündspannung
der Schutzschaltung. Da das BOD-Element 3 sehr schnell
zündet,
braucht der Hilfskondensator nur sehr kurzzeitig Strom aufzunehmen.
Seine Kapazität
kann daher sehr klein sein.
-
Der
Entladewiderstand 8 dient der Entladung des nach Ansprechen
des Überspannungsschutzes aufgeladenen
Kondensators 9.
-
In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
des Überspannungsschutzes
dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist
ein Thyristor 10 zwischen Gleichspannungsklemme 1 und
Verbindungspunkt 4 geschaltet. Das BOD-Element 3 ist zwischen
Anode und Steuerelektrode dieses Thyristors 10 geschaltet.
Die übrige
Anordnung ist wie unter 1 erläutert. Durch die gezeigte Kombination,
von BOD-Element 3 und Thyristor 10 wird vorteilhaft
die Stromtragfähigkeit
der Schaltung erhöht.
-
In 3 ist
eine Erweiterung des Überspannungsschutzes
auf Wechselspannungsanwendungen – wie beispielsweise bei Summenbeschaltungen in
Stromrichtergeräten,
Wechselrichtern oder Transformatoren – dargestellt. Ein n-strängiger (n
ist eine ganze positive Zahl, vorzugsweise n = 3) Gleichrichter 11 (Brückengleichrichter)
liegt wechselspannungsseitig über
Wechselspannungsklemmen 12 an einem gegen Überspannungsimpulse
zu schützenden
Wechselspannungsnetz und ist gleichspannungsseitig mit den Gleichspannungsklemmen 1, 2 verbunden.
An diesen Gleichspannungsklemmen 1, 2 liegt andererseits
der Überspannungsschutz
gemäß erster
oder zweiter Ausführungsform – siehe hierzu
die Erläuterungen
unter den 1 und 2.