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Die
Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzsystem
mit einem Überspannungsschutzelement
und einer das Überspannungsschutzelement auslösenden Zündhilfe,
wobei das Überspannungsschutzelement
zwei Hauptelektroden mit einer zwischen den Hauptelektroden wirksamen
Luft-Durchschlag-Funkenstecke und mindestens eine Zündelektrode
mit einer zwischen den Hauptelektroden wirksamen Zündfunkenstrecke
aufweist und wobei als Zündhilfe
ein Zündkreis
mit einem Zündspannungsausgang
vorgesehen ist und die Zündelektrode an
den Zündspannungsausgang
des Zündkreises angeschlossen
ist.
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Elektrische,
insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise,
vor allem Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich
gegen transiente Überspannungen, wie
sie insbesondere durch atmosphärische
Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen und Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen
auftreten können.
Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elektronische
Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet werden;
vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in
starkem Maße
durch transiente Überspannungen
gefährdet.
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Um
nun elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-,
Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen
und -anlagen, ganz allgemein: wo auch immer eingesetzte elektronische
Bauelemente, gegen transiente Überspannungen
zu schützen,
sind Überspannungsschutzelemente
und Überspannungsschutzsysteme entwickelt
worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
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Wesentlicher
Bestandteil eines Überspannungsschutzsystem
ist mindestens ein Überspannungsschutzelement,
das bei einer bestimmten Überspannung
(Ansprechspannung) anspricht und damit verhindert, daß in dem
durch ein solches Überspannungsschutzelement
geschützten
Bereich Überspannungen
auftreten, die größer als
die Ansprechspannung des Überspannungsschutzelements
sind.
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Zu Überspannungsschutzsystemen
gehörende Überspannungsschutzelemente
im weiteren Sinne sind auch gasgefüllte Überspannungsableiter, Induktivitäten, Widerstände und
Varistoren (bzw. Bauelemente mit ähnlichen nichtlinearen Kennlinien),
die als hybride Schaltungen Überspannungsschutzsysteme
darstellen (vgl. die deut sche Offenlegungsschrift 42 36 584). Bei
in Form von hybriden Schaltungen verwirklichten Überspannungsschutzsystemen
spricht man auch von einem eingangsseitig vorgesehenen Grobschutzelement
und einem ausgangsseitig vorgesehenen Feinschutzelement (vgl. z.
B. die deutsche Offenlegungsschrift 39 05 427). Benutzt man die
Differenzierung "Grobschutzelement" einerseits und "Feinschutzelement" andererseits, so
handelt es sich bei dem Überspannungsschutzelement,
das zu dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzsystem
gehört,
um ein Grobschutzelement.
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Eingangs
ist ausgeführt
worden, daß das
zu dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzsystem
gehörende Überspannungsschutzelement
zwei Hauptelektroden und eine zwischen den Hauptelektroden wirksame
Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist (vgl. die deutschen Offenlegungsschriften bzw.
Patentschriften 37 16 997, 41 41 681, 41 41 682, 42 44 051, 44 02
615, 44 35 968 und 44 39 730). Derartige Überspannungsschutzelemente
mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke haben eine relativ hohe – und auch
nicht sonderlich konstante – Ansprechspannung.
Neben diesem Nachteil haben sie jedoch den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit,
so daß verschiedene Überspannungsschutzelemente
mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke entwickelt
worden sind, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden
sind (vgl. die deutsche Offenlegungsschriften 41 41 681, 41 41 682,
42 44 051, 44 02 615, 44 35 968 und 44 39 730). Dabei sind im Bereich
der Hauptelektroden bzw. der zwischen den Hauptelektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke in
verschiedener Weise Zündhilfen
realisiert worden.
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In
der nachveröffentlichten
deutschen Offenlegungsschrift 198 03 636 ist das eingangs angsprochene Überspannungsschutzsystem
beschrieben, bei dem die Zündhilfe
als "aktive" Zündhilfe
ausgebildet ist, und zwar dadurch, daß als Zündhilfe ein Zündkreis
mit einem Zündspannungsausgang
vorgesehen ist, das Überspannungsschutzelement
eine zwischen den Hauptelektroden wirksame Zündfunkenstrecke mit mindestens
einer Zündelektrode
aufweist und die Zündelektrode
an den Zündspannungsausgang
des Zündkreises
angeschlossen ist. Durch eine derartige Zündhilfe wird erreicht, daß einerseits die
Ansprechspannung von ca. 4 bis 8 kV auf Werte bis zu 600 bis 750
V reduziert werden kann, daß andererseits
diese Ansprechspannung auch relativ genau einstellbar ist. Nachteilig
ist dabei jedoch, daß durch
die Hinzuschaltung des Zündkreises
eine neue potentielle Fehlerquelle entsteht.
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Die
DE-OS 1 947 349 offenbart
ebenfalls ein eingangs beschriebenes Überspannungsschutzsystem. Hierbei
besteht der Zündkreis
aus zwei "magnetisch
veränderlichen
Widerständen", also ohmsch-induktiven
Impedanzen, zwei Zenerdioden und einem Impulstransformator. Durch
die Verwendung der magnetisch veränderlichen Widerstände sind
die Dioden gegen Überströme geschützt.
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Aus
der
DE 32 28 471 C2 ist
ein Überspannungsschutzsystem
bekannt, daß sich
von dem eingangs beschriebenen Überspannungsschutzsystem zunächst dadurch
unterscheidet, daß es
sich dort bei der zwischen den Hauptelektroden des Überspannungsschutzelements
wirksamen Funkenstrecke um eine Luft-Gleit-Überschlag-Funkenstrecke und
nicht um eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke handelt. Überspannungsschutzelemente
mit einer Luft-Gleit-Überschlag-Funkenstrecke
haben gegenüber Überspannungsschutzelementen
mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer niedrigeren
und relativ konstanten Ansprechspannung, so daß diese bekannte Überspannungsschutzsystem
folgerichtig auch keine das Überspannungsschutzelement
auslösende
Zündhilfe
aufweist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorteile
einer Zündhilfe
bei einem Überspannungsschutzsystem
zu nutzen, gleichzeitig jedoch nach Möglichkeit zusätzliche
Fehlerquellen auszuschließen
bzw. beim Auftreten eines Fehlers im Zündkreis die Funktionsfähigkeit
des Überspannungsschutzsystems
sicherzustellen.
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Das
erfindungsgemäße Überspannungsschutzsystem,
bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet,
daß dem Zündkreis
eine diesen bei thermischer und/oder dynamischer Belastung abschaltende Überwachungseinrichtung
zugeordnet ist und die Überwachungseinrichtung
eine optische und/oder akustische und/oder elektronische Anzeigeeinrichtung
aufweist.
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Dabei
ist mit "zugeordnet" folgendes gemeint:
In
der nachveröffentlichten
deutschen Offenlegungsschrift 198 03 636 ist beschrieben und dargestellt, daß zu dem
Zündkreis
ein Zündschaltelement
und eine Eingangsschaltung gehören.
Erreicht die an der Eingangsschaltung des Zündkreises anstehende Spannung
einen bestimmten Wert, so spricht das Zündschaltelement schlagartig
an. Mit der Formulierung, daß dem
Zündkreis
eine Überwachungseinrichtung "zugeordnet ist", ist folglich gemeint,
daß diese Überwachungseinrichtung
in Verbindung mit der Eingangsschaltung des Zündkreises wirksam ist, also
in Reihe und/oder parallel zu der Eingangsschaltung des Zündkreises
vorgesehen ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Überwachung des
Zündkreises
und Abschaltung des Zündkreises bei Überlastung,
wobei die Überwachungseinrichtung
eine Anzeigeeinrichtung aufweist, kann erstens erkannt werden, ob
der Zündkreis
funktionsfähig
ist und/oder ob der Zündkreis
angesprochen hat, kann zweitens eine Überlastung des Zündkreises
vermieden werden und wird drittens einem Betrachter die Abschaltung
des Zündkreises
angezeigt. Letzteres ist vorteilhaft, da durch die Abschaltung des
Zündkreises
das Überspannungsschutzsystem
zwar nicht funktionsunfähig
wird, sich jedoch die geforderten Eigenschaften des Überspannungsschutzsystems,
insbesondere die Ansprechspannung, ändern.
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Im
einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Abschaltung des Zündkreises
bei Überlastung
auszugestalten. So kann der Zündkreis
eine irreversibele Sicherung, oder eine reversibele Sicherung aufweisen;
bei den Sicherungen kann es sich um Schmelzsicherungen, Temperatursicherungen oder
Leiterbahnsicherungen handeln. Im übrigen kann die Abschaltung
des Zündkreises
einpolig oder auch zweipolig erfolgen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Überwachungseinrichtung
einen Fernmeldekontakt zur drahtlosen Übertragung des Zustandes des
Zündkreises
aufweist. Dadurch ist es möglich,
ein Abschalten des Zündkreises
nicht nur vor Ort, beispielsweise mit einer LED-Anzeige, sondern über den Fernmeldekontakt
in einen entfernten Kontrollraum anzuzeigen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Anzeigeeinrichtung nur bei Überlastung
des Zündkreises
aktiv, und sie wird auch nur dann mit Betriebsstrom versorgt, so
daß der
zusätzlich
für die
Anzeigeeinrichtung benötigte
Betriebsstrom über
die Zeit gemittelt sehr gering ist.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Überspannungsschutzsystem
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits
auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits
auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzsystems mit
einem nur schematisch dargestellten Überspannungsschutzelement und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzsystems mit
einem ebenfalls nur schematisch dargestellten Überspannungsschutzelement.
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Zu
dem in den 1 und 2 dargestellten Überspannungsschutzsystem
gehört
ein Überspannungsschutzelement 1 und
eine Zündhilfe.
Das Überspannungsschutzelement 1 weist
zwei Hauptelektroden 2, 3 und eine zwischen den
Hauptelektroden 2, 3 wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 auf
und kann im einzelnen so realisiert sein, wie das einerseits die
deutschen Offenlegungsschriften 44 02 615, 44 35 968 und/oder 44
39 730, andererseits die PHOENIX Produktübersicht 7 "TRABTECH Überspannungsschutz", 98/99, Druckvermerke:
TNR 5081956/0.0-309.790, Seiten 3, 6, 7, 8 und 12 bis 17, zeigen.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird der Offenbarungsgehalt der
vorgenannten deutschen Offenlegungsschriften und die zuvor verifizierbar
angegebene Produktübersicht
der Phoenix Contact GmbH & Co.,
Flachsmarkstraße
8–28,
32825 Blomberg, ausdrücklich
zum Offenbarungsgehalt in Verbindung mit der Erläuterung der Erfindung gemacht.
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Das
in den 1 und 2 dargestellte Überspannungsschutzelement 1 weist
darüber
hinaus eine Zündelektrode 5 mit
einer zwischen den Hauptelektroden 2, 3 wirksamen
Zündfunkenstrecke 6 auf.
Als Zündhilfe
des Überspannungsschutzsystems
ist ein Zündkreis 7 mit
einem Zündspannungsausgang 8 vorgesehen,
wobei die Zündelektrode 5 an
den Zündspannungsausgang 8 des
Zündkreises 7 angeschlossen
ist.
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Erfindungsgemäß wird der
Zündkreis 7 durch
eine Überwachungseinrichtung 9 überwacht und
bei thermischer und/oder dynamischer Überlastung abgeschaltet.
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In
den dargestellten Ausführungsbeispielen weist
die Überwachungseinrichtung 9 eine
Anzeigeeinrichtung 10 auf, welche insbesondere eine LED 11 aufweist.
Anstelle einer LED 11 kann die optische Anzeigeeinrichtung 10 beispielsweise
auch eine Glimmlampe oder ein Anzeigedisplay aufweisen. Ebenso kann
die Überwachungseinrichtung 9 anstelle
einer optischen Anzeigeeinrichtung 10 oder zusätzlich zu einer
solchen optischen Anzeigeeinrichtung 10 eine akustische
und/oder elektronische Anzeigeeinrichtung aufweisen.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Übersapnnungsschutzsystems
erfolgt die Abschaltung des Zündkreises 7 bei
thermischer und/oder dynamischer Überlastung durch eine Schmelzsicherung 12,
d. h. durch eine irreversibele Sicherung. Demgegenüber ist
im Ausführungsbeispiel
nach 2 eine reversibele Sicherung, nämlich ein
Temperaturschalter 13 vorgesehen. Darüber hinaus ist die Überwachungseinrichtung 9 gemäß 2 mit
einem Fernmeldekontakt 14 versehen, so daß eine drahtlose Übertragung
des Zustandes des Zündkreises 7 beispielsweise
in einen zentralen Kontrollraum möglich ist. Eine Ausgestaltung
der Überwachungseinrichtung 9,
wie sie in 2 dargestellt ist, hat den Vorteil,
daß die
Anzeigeeinrichtung 10 über
den Temperaturschalter 13 nur bei Überlastung des Zündkreises 7 aktiv
ist und somit auch nur dann mit Betriebsstrom versorgt wird.
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Der
zu dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzsystem
gehörende
Zündkreis 7 weist
im einzelnen einen Zündkondensator 15,
ein Zündschaltelement 16 und
einen Zündtransformator 17 auf.
Der Zündtransformator 17 hat,
wie üblich,
eine Primärwicklung 18 und
eine Sekundärwicklung 19,
und die Sekundärwicklung 19 des
Zündtransformators 17 stellt
den Zündspannungsausgang 8 des
Zündkreises 7 dar.
Eingangsseitig weist der Zündkreis 7 eine Reihenschaltung
aus dem Zündkondensator 15 und einem
Varistor 20 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist
der Zündkondensator 15 einstellbar und
liegt parallel zu dem einstellbaren Zündkondensator 15 ein
ebenfalls einstellbarer Parallelwiderstand 21. Eine Vereinfachung
dieses Ausführungsbeispiels
ist in 2 dargestellt, in der ein nicht einstellbarer
Zündkondensator 15 verwendet
und auf dem Parallelwiderstand 21 verzichtet wird.
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Die
Funktionsweise der in den 1 und 2 dargestellten
alternativen Zündkreise 7 ist
folgendermaßen:
Erreicht
die an den Eingangsklemmen 22 des Zündkreises 7 anstehende
Spannung einen bestimmten Wert, so spricht das Zündschaltelement 16,
bei dem es sich z. B. um eine gasgefüllte Schaltfunkenstrecke handeln
kann, schlagartig an. Die Folge davon ist, daß sich der Zündkondensator 15 schlagartig über das
leitend gewordene Zündschaltelement 16 und die
Primärwicklung 18 des
Zündtransformators 17 entlädt. Der
in der Primärwicklung 18 des
Zündtransformators 17 entstehende
schnell ansteigende Stromimpuls induziert in der Sekundärwicklung 19 des Zündtransformators 17 eine
relativ hohe Spannung, die zu einem Ansprechen der Zündfunkenstrecke 6 führt. Das
Ansprechen der – zumindest
teilweise, vorzugsweise jedoch insgesamt – innerhalb der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 des Überspannungsschutzelementes 1 realisierten
Zündfunkenstrecke 6 führt zu einer
Ionisierung der in der Luft-Durchschlag-Funken strecke 4 vorhandenen Luft,
so daß nach
einem Ansprechen der Zündfunkenstrecke 6 dann
auch die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 – schlagartig – anspricht.
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Bezüglich weiterer
Einzelheiten, Ausgestaltungen und Vorteile des Zündkreises 7 wird auf
die nachveröffentlichte
deutsche Offenlegungsschrift 198 03 636 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich auch
zum Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung gemacht wird.
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Für die beiden
in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Überspannungsschutzsysteme
gilt, daß die
den Zündkreis 7 überwachende
und bei thermischer und/oder dynamischer Überlastung abschaltende Überwachungseinrichtung 9 teilweise
in Reihe und teilweise parallel zu den die Eingangsschaltung des Zündkreises 7 bildenden
Bauteilen, dem Zündkondensator 15,
dem Varistor 20 und – in 1 – dem Parallelwiderstand 21,
geschaltet wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 1 liegt die Anzeigeeinrichtung 10 parallel
zu der Reihenschaltung aus dem Varistor 20 und der Parallelschaltung aus
dem Zündkondensator 15 und
dem Parallelwiderstand 21. In Reihe zu der zuvor beschriebenen Parallelschaltung
liegt die Schmelzsicherung 12. Solange die Schmelzsicherung 12 nicht
angesprochen hat, ist die Anzeigeeinrichtung 10 "aktiv"; die zu der Anzeigeeinrichtung 10 gehörende LED 11 leuchtet. Hat
die Schmelzsicherung 12 angesprochen, so kann dies einerseits
erkannt werden, nämlich
dadurch, daß die
zu der Anzeigeeinrichtung 10 gehörende LED 11 nicht
mehr leuchtet, ist andererseits der Zündkreis 7 – vor einer
thermischen und/oder dynamischen Überlastung – geschützt.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 2 liegt in Reihe zu dem Varistor 20 und
dem Zündkondensator 15 der
Temperaturschalter 13. Der Temperaturschalter 13 ist
im Ausführungsbeispiel
mit dem Fernmeldekontakt 14, im übrigen mit einem Hilfskontakt 23 versehen.
Der Hilfskontakt 23 liegt in Reihe zu der Anzeigeeinrichtung 10.
Hat der Temperaturschalter 13 angesprochen, so wird das
einerseits über
den Fernmeldekontakt 14 signalisiert, beispielsweise in
einem zentralen Kontrollraum, aktiviert andererseits der Hilfskontakt 23 die
Anzeigeeinrichtung 10, so daß die zugehörige LED 11 leuchtet.