DE1538404C - Schutzschaltungsanordnung gegen Überströme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltungsanordnung gegen auf einen Fehler zurückzuführende Überströme in Verbraucherschaltungsanordnungen, die an einem unter Hochspannung stehenden Energiespeicher liegen, welche Schutzschaltungsanordnung dem Energiespeicher parallel geschaltet ist und mindestens eine Funkenstrecke in Serie mit mindestens einem strombegrenzenden Widerstand aufweist, zu der die Potentiale bestimmende, weitere Widerstände parallel liegen ^ und die ein Schaltelement aufweist, das das Zünden der Funkenstrecke; steuert. ■··" ■·■ ^:: '■■--···.■·-.·> · ^; .:■" '. ■ ^; -^:·

Als unter Hochspannung stehende Energiespeicher werden meist Kondensatoren verwendet, die eine Quelle sehr niedrigen·.- Innenwiderstandes darstellen. Tritt in den angeschlossenen Verbraucherschaltungsanordnungen ein Fehler auf; der deren Eingangsimpedanz herabsetzt, jedoch nicht unbedingt einem Kurzschluß entsprechen muß, dann steigt auf Grund des geringen Quellwiderstandes der Entladestrom des Energiespeichers, was gewöhnlich zur Zerstörung bestimmter Schaltungselemente in dem aus Energiespeicher und Verbraucherschaltungsanordnung gebildeten Hauptstromkreis führt. Entsprechende Schutzschaltungsanordnungen sollen dies verhindern. Eines der Anwendungsgebiete ist dabei beispielsweise der Schutz von Radarmodulatoren, die zusammen mit einer Höchstfrequenzröhre an eine Speicherkapazität angeschlossen sind.

Bisher bekannte Schutzschaltungsanordnungen bestehen aus elektronisch gesteuerten, nichtlinearen Schaltungselementen, die zusammen mit Schutzwiderständen parallel zu den Anschlüssen des Energiespeichers liegen, wobei die Schutzwiderstände den Maximalstrom in dem so gebildeten Nebenschlußkreis begrenzen. Die nichtlinearen Schaltungselemente sind entweder Thyratrons oder Ignitrons oder auch Funkenstrecken. Jede der bisher vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen besitzt bestimmte Nachteile. Die Verwendung eines Thyratrons ist kostspielig und bei sehr hohen. Spannungen äußerst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich; sie erfordert Heizungs- und Kopplungsübertrager, die gegen Hochspannung isoliert sind, und die gesamte Schutzschaltungsanordnurig stellt eine Störkapazität dar, die das ordnungsgemäße Arbeiten der Verbraucherschaltungsanordnung beeinträchtigen kann. Die für sehr hohe Spannungen erforderliche Verwendung mehrerer Thyratrons macht die Schaltungsanordnung noch komplizierter und kostspieliger. Bei der Lösung mit Ignitrons sind zwar höhere Werte für die Hochspannung zulässig, die Ignitrons benötigen jedoch eine.Steuerspanriung beträchtlicher Amplitude, haben eine bestimmte Ansprechträgheit und ;sind,nicht zuverlässig

Schutzschaltungsänordnungen mit einfachen Funkenstrecken kommen^ für ^Jden"hier vorliegenden Anwendungsfail nicht in Frage, da sie nur ätif Überspannungen, nicht aber auf Überströme ansprechen. Überdies gelingt es nicht, die Ansprechspannung solcher Funkenstrecken innerhalb des oftmals notwendigen kleinen Toleranzbereiches zu halten. Zwar ist ' aus der USA.-Patentschrift 2 878 428 eine Schutzschaltungsanordnung gegen auf einen Fehler zurückzuführende Überströme in Verbraucherschaltungsanordnungen bekannt, bei der es durch Verwendung einer Präzisionsfunkenstrecke zum Zünden der Hauptfunkenstrecke gelingt, die Ansprechspannung

■ sehr genau vorher festzulegen. Diese bekannte Schutzschaltungsanordnung bildet jedoch einen Nebenschluß zum Verbraucher und nicht etwa zu dem Energiespeicher, benötigt zum Auslösen eine zumindest kurzzeitig auftretende Überspannung und vermag aus diesem Grunde auch nur solche Verbraucher durch teilweise Stromübernahme gegen Überströme zu schützen, deren Impedanz im Betrieb konstant bleibt, so daß ein etwa gefährlicher Stromanstieg durch den Verbraucher mit einem entsprechenden Anstieg der an seinen Klemmen anliegenden

* Spännung verbunden ist, wobei dieser Spannungsanstieg die Schutzschaltungsanordnung auslöst;
Ferner ist aus der deutschen Auslegeschrift

i$ 1 193 594 eine Schutzschaltungsanordnung gegen Überspannungsimpulse für Gleichstromquellen mit niedriger Ausgangsspannung bekannt, die parallel zu der Gleichspannungsquelle liegt und aus der Serienschaltung eines steuerbaren Schaltelementes mit einem nichtlinearen Schaltelement besteht. Diese bekannte Schaltungsanordnung ließe sich zwar unschwer so modifizieren, daß. sie nicht die Gleichspannungsquelle, sondern die Verbraucherschaltungsanordnung schützt, beruht jedoch auf der Verwendung eines Halbleiterbauelementes mit bistabilem Verhalten und eines spännungsäbhängigen Widerstandes, wodurch ihre Anwendung auf niedrige Spannungsbereiche und kleine umzusetzende Leistungen

' beschränkt bleibt. :

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ,Schutzschaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei großer Betriebssicherheit

■ insbesondere für sehr hohe Spannungen anwendbar ist, auch bei Impedanzänderungen des Verbrauchers hierauf zurückzuführende Überströme von diesem fernhält und zum Ansprechen nur ein Steuersignal verhältnismäßig geringer Amplitude benötigt. ,

Diese Aufgabe wird bei einer Schutzschaltungsanordnung der eingangs..genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaltelement steuer-. bar. ist, mit der Funkenstrecke in Reihe geschaltet ist ^: und daß das Schaltelement durch ein im Fall eines in der Verbraucherschaltungsanordnung auftretenden Überstromes von diesem herrührendes Signal geringer Amplitude aufsteuerbar ist.

Hierdurch wird erreicht, daß zunächst das bei Vorliegen eines Fehlers in der Verbraucherschaltungsanordnung abgegebene Signal das steuerbare Schalt^v element in seirieh zweiten stabilen, jedoch riieder- -öhmigen Zustand schaltet, was zu einem Ansteigen der an der Funkenstrecke liegenden Spannung bis zu _, deren Zündspannung führt, so daß diese ebenfalls in ihren zweiten, niederohmigen Zustand übergeht. Auf ;;■ diese Weise findet eine Stromübernahme durch die Schutzschaltungsanordnung statt, und letztere verbraucht zumindest einen Teil der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie,, die anderenfalls in der Verbraucherschaltungsanordnung umgesetzt worden wäre und zu deren Zerstörung oder zur Zerstörung zu dieser in Reihe liegender weiterer Schaltungsanordnungen geführt hätte.

Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform besteht das steuerbare Schaltelement aus einer (oder mehreren), das Steuersignal an der Steuerelektrode aufnehmenden Vakuum- oder gasgefüllten Röhre(n), wie beispielsweise einem Thyratron.

Vorzugsweise erhalten in diesem Fall die Steuer-· elektroden der Röhren das durch ein Fehlersignal der

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Verbraucherschaltungsanordnung erzeugte Steuer- derohmigen Zustand eingeleitet, wodurch sich die

signal über Kopplungsglieder, wie z. B. Übertrager. Spannung über der Funkenstrecke 42 bis auf die

Für diesen Fall hat es sich zur Vermeidung von Durchschlagsspannung erhöht und diese ebenfalls lei-

die Verbraucherschaltungsanordnung nachteilig be- tend wird.

einflussenden Störkapazitäten weiterhin als zweck- 5 Nach F i g. 2 kann die Schaltungsanordnung 4 a mäßig erwiesen, daß die Sekundärwicklungen der aus einer Anzahl hintereinandergeschalteter, steuer-Kopplungs- und etwaigen Heizungsübertrager einsei- barer Schaltelemente 41 α bis 41 η und Funkenstrektig an dem gemeinsamen Schaltungspunkt der Roh- ken 42 α bis 42« bestehen, wobei dann der Spanren mit den Funkenstrecken liegen. nungsteiler in entsprechender Weise in Widerstände In der Zeichnung ist die mit der Erfindung vor- io 43 α bis 43 η bzw. 44 α bis 44 η aufgeteilt ist. Weitere geschlagene Schutzschaltungsanordnung an Hand bei- Reihenschaltungen 4/, 5/ können auf gleiche Art gespielsweise gewählter Ausführungsformen im Block- bildet werden und sind zur Vereinfachung der Zeichschaltbild und im Schaltbild veranschaulicht. Es nung nicht wiedergegeben. Die das Fehlersignal E' zeigen zuführende Leitung ist in diesem Fall mit jedem der F i g. 1 und 2 jeweils ein vereinfachtes Blockschalt- 15 steuerbaren Schaltelemente 41 α bis 41 η verbunden, bild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanord- Der Schutzwiderstand 5 α kann ebenfalls aus mehnung und reren vorzugsweise parallelgeschalteten Widerständen F i g. 3 die vereinfacht wiedergegebene Schaltungs- bestehen. Bei Auftreten eines Fehlersignals wird der anordnung einer Schutzschaltungsanordnung nach äquivalente Widerstand der Schutzschaltungsanordder Erfindung. 20 nung durch sämtliche einander parallelliegende Die Schutzschaltungsanordnung nach F i g. 1 läßt Schutzwiderstände 5 a, 5 j, 5 η gebildet. Die Schutz- ^ sich beispielsweise im Zusammenhang mit einem Ra- schaltungsanordnung übernimmt daher einen vom ) darmodulator verwenden und liegt an den Anschlüs- Verhältnis ihres äquivalenten Widerstandes zu der sen eines Hochspannungsenergiespeichers 1 eines im Störungsfall verbliebenen Restimpedanz des Hauptstromkreises, der ferner eine Verbraucherschal- 25 Hauptstromkreises abhängigen Teil der Energie des tung 2 und Steuerschaltungen 3 enthält. Ein Zweig Energiespeichers.

dieses Hauptstromkreises liegt gewöhnlich an einem Eine Grundschaltung einer Schutzschaltungsanordfesten Potential, vorzugsweise an Masse. Dieser nung gemäß der Erfindung ist vereinfacht in F i g. 3 Hauptstromkreis kann den Entladestromkreis eines veranschaulicht, in der die bereits in den Fig. 1 röhrenbestückten Radarmodulators und einer Spei- 30 und 2 erwähnten Schaltelemente die gleichen Bezugscherkapazität darstellen, wobei die Verbraucherschal- . ziffern tragen. An die Klemmen der Speicherkapazitung 2 aus einer Hochfrequenzröhre, wie z. B. einem tat 1 des Hauptstromkreises ist die Reihenschaltung Magnetron, besteht. Die Steuerschaltung 3, beispiels- aus der Schaltung 4 α und dem Schutzwiderstand 5 a weise eine Vakuumröhre, erfüllt die Aufgabe eines angeschlossen. Der aus den Widerständen 43 und 44 Schalters und erhält an ihrer Steuerelektrode ein Aus- 35 gebildete Spannungsteiler liegt parallel zu den Anlösesignal E. In einer solchen Schaltungsanordnung Schlüssen eines Gasthyratrons 411 und einer Gaskann infolge eines Betriebsfehlers einer Hochfre- funkenstrecke 421, welche ihrerseits miteinander in quenzröhre ein Lichtbogen zünden, der zur Zündung Reihe liegen. Der Schutzwiderstand 5 α kann entder Schaltröhre unabhängig von der Anwesenheit weder, wie dargestellt, zwischen eine Klemme der eines Steuersignals führt und den Energiespeicher 40 Speicherkapazität und ein Ende des Widerstandes 43 kurzschließt. Die plötzliche Entladung desselben kann oder zwischen die andere Klemme der Speicherzur Zerstörung der beiden Röhren führen, woraus kapazität und ein Ende des Widerstandes 44 geschalsich die Forderung nach einer Schutzschaltungsanord- tet sein. Das Gasthyratron 411 muß derart geschaltet ΓΥ;\ nung ergibt, die von einem Signal ausgelöst wird, das sein, daß seine Anode (unter etwaiger Zwischenschal- - durch einen Überstrom erzeugt wird, der auf einen 45 tung des Schutzwiderstandes 5 a) an einem positiven \ Fehler in der Verbraucherschaltungsanordnung zu- Potential, vorzugsweise am positiven Anschluß des rückzuführen ist, und die die in dem Energiespeicher Speicherkondensators, liegt. Seine Kathode liegt dann gespeicherte elektrische Energie zumindest teilweise an dem gemeinsamen Schaltungspunkt der Widerj übernimmt. stände 43,44 und der Funkenstrecke 421, was den j Die Schutzschaltungsanordnung nach der Erfin- 50 Einfluß der Störkapazitäten auf den Hauptstromkreis dung besteht aus einer oder mehreren einander par- herabsetzt, die vor allem auf die bei der die Schalallelen Reihenschaltungen 4 a, 5 α bis 4j,5j, die je- tungsanordnung ergänzenden Übertrager 412 und weils eine Schaltungsanordnung 4 a und einen Schutz- 413 zurückzuführen sind.

widerstand 5 a enthalten. Die Schaltungsanordnung Der Übertrager 412 dient zur Heizung der Heiz-4 α enthält einen aus den Widerständen 43 und 44 55 drähte und des Gasreservoirs des Gasthyratrons 411 gebildeten Spannungsteiler, der parallel zu einem aus einer an seine Primärwicklung angelegten Wechsteuerbaren Schaltelement 41 und einer Funken- selspannungsquelle. Die Sekundärwicklung des Überstrecke 42 liegt. Das steuerbare Schaltelement 41 wird tragers 413 liefert an das Gitter des Thyratrons 411 durch ein im Falle eines Fehlers in der Verbraucher- ein Steuersignal, wenn seine Primärwicklung ein Fehschaltungsanordnung 2 auftretendes Fehlersignal E' 60 lersignal E' empfängt, das von der Verbraucherschalgesteuert. Die Reihenschaltung aus dem steuerbaren tungsanordnung 2 im Falle eines Fehlers in derselben Schaltelement 41 und der Funkenstrecke 42 weist erzeugt wird.

zwei stabile Zustände auf: In Abwesenheit des Feh- Ein Anschluß jeder Sekundärwicklung der beiden lersignalsß' verhält sie sich wie ein Widerstand mit Übertrager 412 und 413 ist mit dem gemeinsamen

praktisch unendlich hohem Wert und bei Anwesen- 65 Schaltungspunkt der Widerstände 43 und 44 vorhanheit eines Fehlersignals wie ein Widerstand mit sehr den, wobei die Primärwicklungen über einen ihrer

niedrigem Wert. Der letzte Zustand wird durch Über- Anschlüsse an einen Schaltungspunkt festen Poten-

gang des steuerbaren Schaltelementes 41 in den nie- tials wie Masse liegen. Diese Art der Schaltung des

Gasthyratrons 411 und der Übertrager 412 und 413 vermindert die vor allem auf die Übertrager zurückzuführende Störkapazität Cp zwischen dem gemeinsamen Schaltungspunkt der Spannungsteilerwiderstände und Masse und vermeidet, daß diese verteilte Störkapazität unmittelbar an den Anschlüssen der Verbraucherschaltungsanordnung 2 liegt, was das ordnungsgemäße Arbeiten des Hauptstromkreises beeinträchtigen könnte.

Die Arbeitsweise der Schutzschaltungsanordnung ist folgende: Bei Abwesenheit eines Fehlersignals E' ist weder das Gasthyratron 411 noch die Funkenstrecke 421 leitend. Sie besitzen daher beide einen unendlich hohen Scheinwiderstand. Die sehr hohe Spannung V des Energiespeichers 1 wird über die Widerstände 5 a, 43 und 44 aufgeteilt, wobei der größte Teil auf den Spannungsteiler entfällt, da dieser gegenüber dem Schutzwiderstand 5 α einen hohen Widerstandswert besitzt. Der Gesamtwiderstand dieses Spannungsteilers muß genügend groß sein, um den Energiespeicher nicht zu belasten. Die sehr hohe Spannung wird somit auch auf die Anschlüsse des Thyratrons 411 und der Funkenstrecke 421 aufgeteilt; wenn die Widerstände 43 und 44 einander gleich sind, liegt an dem Thyratron 411 und an der Funkenstrecke 421 jeweils die Hälfte der Hochspannung, nämlich V/2. Durch entsprechende Wahl der betreffenden Schaltungselemente ist es nach Maßgabe der Auslösegenauigkeit der Funkenstrecke möglich, ein Thyratron zu verwenden, das für eine geringere Spannung, beispielsweise K/3 ausgelegt ist, während die Funkenstrecke dann 2 V/3 aufnimmt. Auch die Verwendung eines Thyratrons und mehrerer Funkenstrecken in Kaskade ist zusammen mit entsprechenden Spannungsteilerwiderständen möglieh.

Bei Anwesenheit eines Fehlersignals E' wird ein entsprechendes Steuersignal über den Übertrager 413 auf das Gitter des Thyratrons 411 mit einer ausreichenden Amplitude übertragen, so daß dieses zündet und leitend wird. Die augenblickliche Folge ist ein Spannungsabfall an den Anschlüssen des Thyratrons 411, der auf seinen geringen Innenwiderstand zurückzuführen ist und einen entsprechenden Anstieg der Spannung an den Anschlüssen der Funkenstrecke 421 bewirkt. Die Funkenstrecke 421 ist so ausgelegt, daß sie nach dem Zünden des Thyratrons infolge des Spannungsanstieges zündet; einmal gezündet, besitzt sie ebenfalls einen niedrigen Innenwiderstand. Die Widerstände 43 und 44 werden somit nacheinander durch das Thyratron 411 und die Funkenstrecke 421 kurzgeschlossen, und der neue Widerstand der Schutzschaltungsanordnung ist gleich der Summe der Widerstände des Schutzwiderstandes 5, des Thyratrons und der Funkenstrecke, wenn beide gezündet haben. Dieser Gesamtwiderstand ist ausreichend groß bemessen, um den in diesem Augenblick im Thyratron und in der Funkenstrecke fließenden Maximalstrom auf einen zulässigen Wert zu begrenzen, der mit den technischen Daten der Schaltelemente vereinbar ist. Im übrigen ist dieser Gesamtwiderstand genügend klein gegenüber demjenigen des Hauptstromkreises im Falle eines Fehlers der Verbraucherschaltungsanordnung 2, damit die Entladung des Energiespeichers praktisch über die Schutzschaltungsanordnung erfolgt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schutzschaltungsanordnung gegen auf einen Fehler zurückzuführende Überströme in Verbraucherschaltungsanordnungen, die an einem unter Hochspannung stehenden Energiespeicher liegen, welche Schutzschaltungsanordnung dem Energiespeicher parallel geschaltet ist und mindestens eine Funkenstrecke in Serie mit mindestens einem strombegrenzenden Widerstand aufweist, zu der die Potentiale bestimmende, weitere Widerstände parallel liegen und die ein Schaltelement aufweist, das das Zünden der Funkenstrecke steuert, d a durch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (41) steuerbar ist, mit der Funkenstrecke (42) in Reihe geschaltet ist und daß das Schaltelement (41) durch ein im Fall eines in der Verbraucherschaltungsanordnung (2) auftretenden Überstromes von diesem herrührendes Signal (E') geringer Amplitude aufsteuerbar ist.

2. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie nicht mit jenem festen Potential, das z. B. Masse sein kann, verbunden ist, an dem ein Anschluß der Verbraucherschaltungsanordnung (2) liegt.

3. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Schaltelement (41) aus einer (oder mehreren), das Steuersignal (E') an der Steuerelektrode aufnehmenden Vakuum- oder gasgefüllten Röhre(n), beispielsweise einem Thyratron (411), besteht.

4. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Funkenstrecken (421) in Kaskade geschaltet sind und die Spannung an den Anschlüssen der steuerbaren Schaltelemente höchstens einem bestimmten Bruchteil der Maximalspannung an den Anschlüssen des Energiespeichers (1) entspricht.

5. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der Röhren das durch ein Fehlersignal (E') der Verbraucherschaltungsanordnung (2) erzeugte Steuersignal über Kopplungsglieder, wie z. B. Übertrager (413), erhalten.

6. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen der Kopplungs- und etwaigen Heizungsübertrager (413,412) einseitig an dem gemeinsamen Schaltungspunkt der Röhren mit den Funkenstrecken (421) liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen