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Überspannungsschutz für Elektronik-Schaltungen Die Erfindung bezieht
sich auf einen überspannungsschutz für Elektronik-Schaltungen, bei denen Schaltsysteme
mit für elektronische Schaltungen gebräuchliche Spannungen einpolig mit Schaltsystemen
höherer Spannung verbunden sind.
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In vielen Schaltungen der Meß-, Regel- und Steuerungstechnik ist es
notwendig, gleichzeitig mit der, gewöhnlich verhältnismäßig niederen in der Größenordnung
von 6 bis 30 Volt liegenden Versorgungsspannung für die Halbleiterelemente eine
höhere Spannung zur Versorgung anderer Elemente wie Glimmlampen, Betätigungsglieder
usw., mit einzuspeisen. Um eine Gefährdung der gegen überspannung sehr empfindlichen
Halbleiterelemente zu vermeiden, wird normalerweise das Schaltsystem mit der höheren
Spannung galvanisch vollkommen getrennt mitgeführt. Dies bedingt einen hohen Verdrahtungsaufwand
und demgemäß hohe Montagekosten. Außerdem sind entsprechend viele Verbindungselemente
wie Stecker und Klemmleisten vorzusehen.
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In gewissen Schaltungen läßt es sich nicht vermeiden, die beiden Schaltsysteme,
sowohl das mit niederer als auch das mit höherer Spannung, einpolig zu verbinden.
Dadurch ist die Gefahr, daß durch einen Fehler die Halbleiterelemente eine sie gefährdende
Spannung erhalten können, besonders groß. Es müssen daher im System niderer Spannung
umfangreiche Maßnahmen getroffen werden, um solche überspannungen bereits beim Hochlauf
auf die höhere Spannung zu vernichten, bzw. Maßnahmen, die nicht weniger aufwendig
sind, um ein Übertreten der höheren Spannung in das System niederer Spannung zu
verhindern.
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Um solche auftretende Überspannungen im Zustand ihres Hochlaufes abzuschalten,
sind normale, billige und leicht einzubauende Schmelzsicherungen ungeeignet, da
sie für diesen Einsatzfall zu träge sind. Es ist bereits bekannt, an Stelle solcher
trägen Schmelzsicherungen Transistorkombinationen einzusetzen, die nach dem Prinzip
eines bistabilen Multivibrators arbeiten. Derartige Kombinationen schalten zwar
extrem schnell ab, sind aber auch verhältnismäßig aufwendig und können aus Kostengründen
dann nicht mehr eingesetzt werden, wenn ihr Anschaffungs- bzw. Herstellungspreis
einen wesentlichen Teil des gesamten zu schützenden Objektes beträgt. Außerdem ist
die Funktion dieser elektronischen Sicherungen für einen durchschnittlichen Fachmann,
der die Halbleitertechnik nicht vollständig beherrscht, schwer durchschaubar und
sie werden daher aus Unkenntnis öfters falsch eingesetzt oder in den Strom-oder
Spannungswerten verstellt, was zu einem Versagen und damit zu einem Ausfall der
im Schaltsystem niederer Spannung eingeetzten Elemente führen kann.
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Weiter ist es bekannt, zum,Schutz von Transistoren in batteriebetriebenen
Geräten 'eine mit einer Sicherung in Reihe geschaltete Diode in der Weise anzuordnen,
daß bei falschpoligem Anschluß die Diode leitend und dadurch die Sicherung den Batterien
direkt nebengeschaltet wird. Damit werden Schäden der an einem Verzweigungspunkt
zwischen Diode und Sicherung angeschlossenen Halbleiterelemente durch falschpoligen
Anschluß vermieden, jedoch versagt die Schaltung dann, wenn das Gerät zwar richtig
gepolt, aber mit zu hoher Spannung betrieben wird. Gleichfalls sind die Transistoren
dann nicht mehr geschützt, wenn das Gerät irrtümlicherweise an Wechselspannung angeschlossen
wird, dessen Amplitude die maximal zulässige Spannung der Halbleiterbauelemente
überschreitet. Da selbst kurzzeitige Überspannungen genügen, um derartige Bauelemente
zu zerstören, ist, selbst wenn man davon ausgeht, daß in der Halbwelle in der die
Diode leitend ist, die Sicherung zum Durchbrennen gebracht wird - was wegen der
Trägheit der Schmelzsicherungen einen Wechselstrom niederer Frequenz voraussetzt
-, ein derartiger Schutz ungenügend.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie
ein überspanhungsschutz aufgebaut werden kann, der 1. einfach herzustellen, 2. leicht
einzubauen, 3. auch für einen durchschnittlich orientierten Fachmann ohne Schwierigkeiten
zu überblicken und weiter 4. in der Lage ist, Überspannungen, bevor sie eine unzulässige
Höhe erreicht haben, zu unterdrükken bzw. abzuschalten.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einem Überspannungsschutz
für Elektronik-Schaltungen, bei
denen Schaltsysteme mit für elektronische
Schaltungen gebräuchlichen Spannungen einpolig mit Schaltsystemen höherer Spannung
verbunden sind und bei denen mindestens ein System mit Wechselspannung gespeist
wird, dadurch gelöst, daß bei einer Schaltungsanordnung, bei der beide Systeme (U1
und Uz) mit Wechselspannung gespeist werden das System mit der höheren Spannung
einpolig über eine Feinsicherung und einen Widerstand mit dem System niederer Spannung
verknüpft ist und daß die Verknüpfungsstelle durch eine Reihenschaltung einer in
Sperrichtung geschalteten Zenerdiode mit für das System niederer Spannung ungefährlichen
Durchbruchspannung und einer in Durchlaßrichtung geschalteten Diode und parallel
dazu mit einer ebensolchen Zenerdiode in Durchlaßrichtung hintereinander mit einer
in Sperrichtung geschalteten Diode mit dem zweiten Pol des Systems niederer Spannung
verbunden ist.
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Bei Schaltungen, bei denen das System niederer Spannung mit Wechselspannung
und das System höherer Spannung mit Gleichspannung gespeist werden, ist ein Schutz
nach der Erfindung dadurch zu erreichen, daß die Verknüpfungsstelle durch eine Reihenschaltung
einer für das System höherer Spannung in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode mit
für das System niederer Spannung ungefährlichen Durchbruchspannung und einer in
Durchlaßrichtung geschalteten Diode mit dem zweiten Pol des Systems niederer Spannung
verbunden ist.
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Liegt das System höherer Spannung an Wechselspannung und das System
niederer Spannung an Gleichspannung, so ist ein Schutz in erfindungsgemäßer Weise
dadurch zu erzielen, daß die Verknüpfungsstelle durch eine für das System niederer
Spannung in Sperrichtung geschaltete Zenerdiode mit einer für das System niederer
Spannung ungefährlichen Durchbruchspannung, mit dem zweiten Pol des Systems niederer
Spannung verbunden ist.
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Zur Erläuterung sei nachfolgend das System niederer Spannung mit U1,
das System höherer Spannung mit U2 bezeichnet (U l< U2).
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Beim übertreten der Spannung von UZ in U1 wird sich, je nach der Polarität
der Fehlspannung, spätestens nach dem überschreiten der Zenerspannung ein Strom
über U.., - U1 - Widerstand - Sicherung zum gemeinsamen Pol einstellen, wodurch
an dem Widerstand eine Spannung abfällt, die U2 so lange auf einem ungefährlichen
Niveau hält, bis die vorgeschaltete Sicherung angesprochen hat und damit U2 abtrennt.
Damit ist ein Hochlaufen der fehlerhaften Spannung aus U2 in U1 mit Sicherheit vermieden.
Durch die in Sperrichtung zur Durchlaßrichtung der Zenerdiode geschalteten Diode
wird ein Übergang der Wechselspannung von U1 verhindert, während U2 nach überschreiten
der Zenerspannung diese Dioden in Durchlaßrichtung passiert und so einen Strom hervorruft,
der die vorgeschaltete Sicherung ansprechen läßt.
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Durch den Einbau dieser Schaltglieder in erfindungsgemäßer Weise ist
die gestellte Aufgabe gelöst, da die Schaltung einfach herzustellen ist und die
jedem Fachmann vertrauten Schaltglieder leicht einzubauen sind, da die Schaltung
von einem durchschnittlich orientierten Fachmann ohne Schwierigkeiten überblickt
werden kann und da die Anordnung befähigt ist Überspannungen vor Erreichen einer
unzulässigen Höhe zu unterdrücken bzw. abzuschalten. Dieses Abschalten erfolgt bei
Gleich- oder Wechselspannungen auf alle Fälle dann, wenn sich an dem System mit
niederer Spannung eine die eingefügten Halbleiterelemente gefährdende höhere Spannung
aufbauen will.
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In den Zeichnungen sind Schaltungsbeispiele dargestellt, und zwar
zeigt F i g. 1 U1 und U mit Wechselspannung versorgt, F i g. 2 U1 mit @lechselspannung,
Uz mit Gleichspannung versorgt und F i g. 3 U1 mit Gleichspannung, U", mit Wechselspannung
versorgt.
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In sämtlichen Fällen ist das zu schützende System niederer Spannung
mit U1, das System höherer Spannung mit U2 bezeichnet.
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In die Zuleitung von U2 nach U1 ist eine Schmelzsicherung 1 und ein
Widerstand 2 geschaltet. Eine weitere Sicherung 3 schützt den Stromkreis U1. Dioden
sind mit 4, Zenerdioden mit 5 bezeichnet. Der fehlerhafte Übergang von U2 nach U1
ist mit 6 dargestellt. Die Verknüpfungsstelle beider Systeme ist mit 7 markiert.
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Ein erhöhter Strom von dem einen Pol von U2 über die fehlerhafte Stelle
6, die eingefügten Halbleiterelemente 4, 5, den Widerstand 2 und die Sicherung 1
zu dem zweiten Pol von Uz führt in dem Widerstand 2 zu einem erhöhten Spannungsabfall
und einem Auslösen der Sicherung 1. Dadurch ist ein Hochlaufen der Spannung von
U1 auf das Niveau von U2 vermieden.