DE1947349C3 - Überspannungsableiter - Google Patents

Description

den der Strom zu den Außenkanten des Streifens gedrängt wird. Jc rascher die StromänderunE ist, desto

größer ist die Änderung des Magnetfeldes und damit der Widerstand gegen Stromfluß, da der Strom sich an den Außenkanten des Streifens zusammendrängen muß. Die Wirkungsweise des magnetisch veränderlichen Widerstandes ist also ähnlich derjenigen einer s Drossel, jedoch speichert der Widerstand die Energie nicht und gibt sie später wieder ab, sondern verwandelt sie alsbald in Wärme.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Diodenpaare parallel geschaltet, wobei gewöhnliche ohmsche Widerstände zwischen den Diodenpaaren angeordnet sind und die Durchbruchsspannung des dem Eingang zugekehrten Diodenpaares, zwischen dem sich die Primärspule des Impulstransformators befindet, höher als die Durchbruchsspannung der beidf η anderen Dioden ist Die letztere ist nach den Bedürfnissen des an den Ausgang angeschlossenen Verbrauchers gewählt. Jedesmal wenn die Verbraucherspannung die Durchbruchsspannung des zweiten Diodenpaares erreicht, werden diese Doden leitend und sorgen für die Aufrechterhaltung des kontanten oberen Grenzwertes der Ausgangsspannung. Das erste Diodenpaar muß zuerst leitend werden; demgemäß verursachen die Widerstände /wischen den beiden Diodenpaaren einen Spannungsabfall, durch den gewährleistet wird, daß die an das erste Diodenpaar gelangende Spannung verhältnismäßig hoch gegenüber i'xt am zweiten Diodenpaar auftretenden Spannung ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin ist

F i g. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters,

Fig. 2 und 3 Darstellungen des abgewickelten leitenden Streifens und des ebenfalls abgewickelten Isolierstreifens für den veränderlichen magnetischen Widerstand,

F i g. 4 eine Stirnansicht des magnetisch veränderlichen Widerstandes in lose aufgewickelter Form, F i g. 5 eine Stirnansicht und

Fig. 6 eine Seitenansicht des fertigen magnetisch veränderlichen Widerstandts.

Der dargestellte Überspannungsableiter besitzt zwei Eingangsklemmen 10 und 12, von denen Adern 14 und 16 zu einer Funkenstrecke 18 führen. Diese weist zwei einaniljr gegenüberstehende Hauptelektroden 20 und 22 auf. Die Ausgangsklemmen 24 und 26 des Überspannungsabieiters sind mit einem Verbraucher 28 verbunden. Die Eingangsklemmen 10 und 12 *o sind mit den Ausgangsklemmen 24 und 26 über Hauptadern 30 und 32 verbunden.

Zwischen den Adern 30 und 32 sind zwei Zenerdioden 34 und 36 in Reihe mit der Primärspule 38 eines Impulstransformators ^O gegeneinandergeschaltet. Die Sekundärspule 42 des Impulstransformators 40 ist einerseits mit einer Hilfselektrode 44 der Funkenstrecke 18 und andererseits über eine Ader 46 mit der Ader 14 verbunden. Zwischen der Funkenstrecke 18 und den Zenerdioden 34 und 36 sind magnetisch veränderliche Widerstände 48 und SO in die Adern 30 und 32 eingeschaltet. Zwei weitere Zenerdiodep 52 und 54 sind parallel zu den Zenerdioden 34 und 36 gegeneinandergeschaltet. Zwischen den beiden Diodenpaaren sind ohmsche Widerstände; 56 i'-.d 58 in die Hauptadern 30 und 32 eingeschaltet, um einen Spannungsabfall vom ersten Diodenpaar zum zweiten Diodenpaar zu erzeugen.

Die magnetisch veränderlichen Widerstände 48 und SO sind im einzelnen in F i g. 2 bis 6 dargestellt. Sie enthalten je einen Blechstreifen 60 aus elektrisch leitendem, magnetisch permeablen Material mit Anschlußstiften 62 und 64 an den gegenüberliegenden Enden (Fig. 2). Der Streifen 60 wird unter Beibge eines isolierenden Streifens 66 (Fig. 3) aufgewickelt, wie in F i g. 4 gezeigt. So· ergibt sich der in F i g. 5 und 6 dargestellte fertige Wickel 48, der verhältnismäßig fest gewickelt ist.

Die Widerstandszunahme der magnetisch veränderlichen Widerstände mit der Frequenz ist, wie oben erläutert, durch den Skineffekt bedingt und wird durch die Gestalt des Widerstandes und die Permeabilität des Widerstandsmaterials verstärkt. Fließt ein Gleichstrom oder ein niederfrequenter Wechselstrom durch der. Widerstand, so wird ein «ehr schwaches Magnetfeld erzeugt, wesHlb der ohmsche Widerstand sehr gering ist. Ändert sich aber die Fiequenz des durchfließenden Stromes, so steigt die magnetische Feldstärke und drängt den Strom zu den Außenkanten 68 und 70 (Fig. 2), so daß er auf eine kleine Fläche im Vergleich zu der Gesamtoberfläche des leitenden Streifens 60 beschränkt bleibt; demzufolge nimmt der ohmsche Widerstand kräftig zu. Der Widerstand besitzt keine merkliche induktive Impedanz, sondern vernichtet die gespeicherte elektrische Energie nahezu vollständig. Je rascher also eine Stromänderung eintritt, desto höher wird der ohmsche Widerstand, d. h., der ohmsche Widerstand ist eine Funktion der Frequenz des durchfließenden Stromes.

Die Aufgabe des Überspannungsabieiters besteht im Schutz des Verbrauchers 28 durch Aufrechterh.iltung einer konstanten Grenzspannung ai: den Ausgangsklemmen 24 und 26. Normalerweise wird den Eingangsklemmen 10 und 12 eine bestimmte Nennspannung zugeführt. Wenn nun eine Stoßwelle (Z- B. von einem Blitz od. dgl.) an den Eingangsklemmen 10 und 12 auftritt, werden die Zenerdioden 34 und 36 leitend, wenn die Stoßspannung die Durchbruchsspannung dieser Dioden übersteigt. Dadurch fließt ein kräftiger Strom durch die Dioden, die Primärwicklung 38 des Impulstransformators 40 und die veränderlichen Widerstände 48 und 50. Die Anstiegszeit der Stromstärke ist ziemlich kurz, da die Spannungscharakteristik einer Zenerdiode ein ausgeprägtes Knie aufweist. Dieser kräftige Stromanstieg durch den Impulstransformator bewirkt das Auftreten eines Spannungsimpulses zwischen den Elektroden 44 und 22 der Funkensirecke 18. Es schlägt also ein Funke zwischen diesen beiden Elektroden über, wodurch der Luftspalt zwischen den beiJ'-n Hauptelektrode!) 20 und 22 ionisiert wird, weil die an ihnen liejvnde Spannung nunmehr hoch genug ist, um den Lichtbogen zwischen den beiden Hauptelektrodcn aufrechtzuerhalten. Dieser Überschlag zwischen den Hauptelektroden 20 und 22 schließt die Übertragungsleitung 30, 32 im wesentlichen kurz, wodurch die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 24 und 26 auf Null absinkt, so daß der gewünschte Schutz für den Verbraucher 28 gewährleistet ist.

Die magnetisch veränderlichen Widerstände 48 und 50 gestatten dem Gleichstrom oder niederfrequenten Wechselstrom den Durchgang ohne merklichen Spannungsabfall, bewirken aber einen kräftigen Spannungsabfall, oobald die Zenerdioden 34 und 36 gezündet sind und kräftigen Strom ziehen. Die erhöhte Energie wird in den Widerständen 48 und 50

vernichtet, wodurch die Dioden 3<l -und 36 gegen Überströme geschützt werden. Wenn statt der magnetisch veränderlichen ohmschen Widerstände 48 und 50 eine Drossel verwendet würde, so würde die:.c nur die Energie speichern und später wieder abgeben, wodurch die Zenerdioden 34 und 36 doch noch Schaden leiden könnten.

Die Zenerdioden 52 und 54 sind j>_urallcl zum Ausgang geschaltet, um zu gewährleisten, daß die Ausgangsspannung niemals die vorgeschriebene Grenzspannung überschreiten kann. Die Spannung an den Zenerdioden 34 und 36 ist nämlich etwas höher als die Durchbruchsspannung des zweiten Diodcnpaarcs 52, 54, weil die Primärspule 38 des Impulstransformator 40 einen gewissen Spannungsabfall verursacht. Der dadurch an den Klemmen des ersten Diodenpaares auftretende Impuls hat nur geringe Größe und kurze Dauer und wird durch die Zenerdioden 52,, 54 leicht abgeführt. Die Zenerdioden 54 und 52 müssen eine etwas niedrigere Durchbruchsspannung als die Zenerdioden 34 und 36 haben, jedoch müssen die Zenerdioden 34 und 36 vor den Zenerdioden 52 und 54 leitend werden. Um diese Bedingungen zu erfüllen, sind die ohmschen Widerstände 56 und 58 erforderlich. Die Durchbruchsspannung des zweiten Diodenpaares 52, 54 ist gleich der gewünschten Grenzspannung an den Ausgangsklemmen 24, 26 zu wählen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

ι 2 Die Erfindung betrifft einen Überspannungsablei- Patentansprüche: ter mit einer seinen Eingangsklemmen parallelgeschalteten Funkenstrecke. Solche Funkenstrecken

1. Überspannungsableiter mit einer seinen Ein- sind an sich bekannt (österreichische Patentschrift gangsklemmen parallelgeschalteten Funken- 5 27 138), haben jedoch in der bisherigen Ausführung strecke, gekennzeichnet durch minde- den Nachteil, daß beim Eintreffen sehr steiler Stoßstens eine parallel zur Funkenstrecke (18) ge- wellen eine merkliche Zündverzögerung eintritt, wesschaltete !Diode (34) mit vorbestimmter Durch- halb die an die Ausgangsklemmen des Überspanbruchsspannung und einen der Diode vorgeschal- nungsableiters angeschlossene Anlage beschädigt teten veränderlichen ohmschen Widerstand (48), to werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es, die Andessen Widerstandswert mit der Frequenz zu- Sprechgeschwindigkeit eines solchen Uberspannungsnimmt ' ableiters mit Funkenstrecke zu erhöhen.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Hilfselektrode für die Funkenstrecke, mindestens eine Diode mit vorbestimmter Durchdadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung 15 bnichsspannung parallel zur Funkenstrecke geschaltet (38) eines Impulstransformators (40) in Reihe mit und der Diode ist ein ohmscher Widerstand vorgeder Diorip (34) geschaltet ist und daß die Sekun- schaltet, dessen Widerstandswert mit der Frequenz därwicki'-ng (42) des Impulstransforraators zwi- steigt.

sehen der Hilfselektrode (44) und der einen Zu- Dank dieser Anordnung werden diejenigen Span-

leitungg (14) der Funkenstrecke liegt. ao nungen, welche die Durchbruchsspannung der Diode

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, übersteigen, kurzgeschlossen. Somit kann eine rasch dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Diode ansteigende Stoßwellenfront nicht auf den Verbrau-(36) mit vorbestimmter Durchbruchsspannung eher durchschlagen, solange die Funkenstrecke noch entgegengesetzt zu der ersten Diode (34) und in nicht gezündet hat. Beim Überschlag der Funken-Reihe mit der Primärwicklung (38) des Impuls- as strecke wird dann die Übertragungsleitung kurzgetransformators geschaltet ist. schlossen und die an den Ausgangsklemmen auftre-

4. Überspannungsableiter nach einem der vor- tende Spannung im wesentlichen auf Null reduziert, hergehender, Ansprüche, dadurch gekennzeich- so daß der Verbraucher wirksam geschützt ist.

net daß seinen Ausgangsklemmen (24, 26) und Vorzugsweise ist ferner ein Impulstransformator

damit auch der ersten Diode (34) mindestens eine 30 vorgeseher, dessen Primärspule in Reihe mit dei

weitere Diode (52) mit v^rbestimmter Durch- Diode (bzw. den Dioden) geschaltet ist, und dessen

bruchsspannung parallel geschaltet ist und daß Sekundärspule mit einer Hilfselektrode der Funken-

zwischen diese parallelen Dioden (34, 52) ein strecke verbunden ist. Die Hauptelektroden werden

ohmscher Widerstand (56) in eine erste Hauptlei- dann durch den schwachen Funkenüberschlag zwi-

tung (30) eingeschaltet ist. 35 sehen der Hilfselektrode und der einen Hauptelek-

5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, trode gezündet, wenn beim Durchbruch der Dioden dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche ein Spannungsimpuls im Impulstransformator indu-Widerstand (48) aus einem leitenden Streifen (60) ziert wird.

und einem Isolierstreifen (66), die gemeinsam Die zur Spannungsregelung benutzte Diode ist voraufgewickelt sind, besteht, und daß die beiden 40 zugsweise eine Zenerdiode, die unterhalb der Durch-Enden des leitenden Streifens mit Anschlußklem- bruchsspannung (Zenerspannung) einen sehr gerinmen (62, 64) versehen sind. gen Strom durchläßt, bei der Zjnerspannung jedoch

6. Überspannungsableiter nach Anspruch 4, ge- sehr rasch leitend wird und von da an eine nahezu kennzeichnet durch einen weiteren veränderlichen konstante Klemmenspannung zeigt. Dieser plötzliche Widerstand (50), der in die zweite Hauptleitung 45 Stromanstieg im Impulstransformator erzeugt einen (32) zwischen der Funkenstrecke (18) und einem Spannungsimpuls /wischen der Hauptelektrode und aus der ersten und zweiten Diode bestehenden, der Hilfsebktrode der Funkenstrecke, der eine kräfersten Diodenpaar (34, 36) geschaltet ist, und . tige Ionisation der Funkenstrecke hervorruft.

durch einen zweiten ohmschen Widerstand (58), Der veränderliche ohmsche Widerstand dient zum

der in die zweite Hauptleitung (32) zwischen dem 50 Schutz der Zenerdiode, denn er hat einen geringen

ersten Diodenpaar und einem zweiten, aus der Widerstandswert bei konstanten Strömen, nimmt

weiteren Diode (52) und einer dritten Diode (54) aber bei raschen Stromänderungen stark im Wider-

bestehenden, gegeneinandergeschalteten Dioden- standswert zu. Wenn also beim Durchbruch der

paar geschaltet ist. Zenerdiode die Stromstärke kräftig ansteigt, nimmt

7 Überspannungsableiter nach Anspruch 6, 55 der Widerstandswert entsprechend zu und die vom

dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchs- Stromanstieg herrührende Energiezunahme wird im

spannung des zweiten Diodenpaares (52, 54) Widerstand gespeichert und dann in Wärme verwan-

gleich der vorgeschriebenen oberen Grenzspan- delt, so daß die Diode wirksam geschützt wird,

nung an den Ausgangsklemmen (24, 26) ist. Vorzugsweise ist der veränderliche Widerstand ein

8. Überspannungsableiter nach Anspruch 7, 60 magnetisch beeinflußbarer Widerstand. Er besteht dadurch gekennzeichnet, daß- das erste Dioden- aus einem Wickel eines elektrisch leitenden, magnepaar (34, 36) eine höhere Durchbruchsspannung tisch permeablen Streifens, der an seinen Enden mit als das zweite Diodenpaar (52, 54) hat, Anschlußklemmen versehen ist. Beim Durchgang

9. Überspannungsableiter nach einem der vor- eines Gleichstroms leitet der Streifen auf seiner ganhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- 65 zen Breite und Dicke. Ändert sich aber die Stromnet, daß sämtliche Dioden Zenerdioden sind. stärke rasch, so tritt ein starker Skineffekt auf, durch