DE202014100428U1

DE202014100428U1 - Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz

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Publication number: DE202014100428U1
Application number: DE201420100428
Authority: DE
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2024-02-01
Also published as: WO2015113659A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit – einem Überspannungsableiter (1) mit einer ersten Elektrode (A), deren Anschluss mit einem ersten Potenzialknoten (10) gekoppelt ist, einer zweiten Elektrode (B), deren Anschluss mit einem zweiten Potenzialknoten (20) gekoppelt ist, und einer Mittelelektrode (C), – einer ersten spannungsabhängigen Widerstandskomponente (2), die mit dem Anschluss der Mittelelektrode (C) und dem ersten Potenzialknoten (10) gekoppelt ist, und – einer zweiten spannungsabhängigen Widerstandskomponente (3), die mit die mit dem Anschluss der Mittelelektrode (C) und dem zweiten Potenzialknoten (20) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz.
Elektrische oder elektronische Geräte, die an Wechselspannungsnetzen betrieben werden, sind für eine vorgegebene Nennspannung ausgelegt, die netzseitig bereitgestellt wird. Die Energieverteilung und Zuführung von Strom und Spannung zum Gerät erfolgt bei einem einphasigen Anschluss über einen Neutralleiter, kurz als N oder N-Leiter bezeichnet, und einen Außenleiter, kurz als L oder L-Leiter oder alternativ als Phase bezeichnet. Die Nennspannung kann beispielsweise 230V betragen. Bei Dreiphasenanschlüssen gibt es drei Außenleiter, die mit L1, L2 und L3 bezeichnet werden.
Netzseitige Spannungsschwankungen können dazu führen, dass die elektrischen oder elektronischen Geräte einer temporären oder dauerhaften Überspannung, die über der Nennspannung liegt, ausgesetzt sind.
Solche Überspannungen können beispielsweise auch durch einen Falschanschluss des Geräts erfolgen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der N-Leiter mit einer weiteren Phase, beispielsweise L2 oder L3, vertauscht wird.
Eine andere Ursache für Überspannungen können Spannungsschwankungen im Netz sein. Dieses Problem tritt beispielsweise in Ländern auf, bei denen der Ausbau der Netz-Infrastruktur nicht mit der industriellen Entwicklung Schritt halten kann, aber auch in sogenannten Entwicklungsländern mit schwach ausgeprägter Netzarchitektur.
Solche Überspannungen können dazu führen, dass die Geräte beschädigt oder zerstört werden. Anschließend ist es erforderlich, sie zu reparieren beziehungsweise auszutauschen.
Es stellt sich die Aufgabe, elektrische Geräte durch eine Schaltungsanordnung vor temporären oder dauerhaften Überspannungen zu schützen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Schaltungsanordnung umfasst einen Überspannungsableiter mit einer ersten Elektrode, deren Anschluss mit einem ersten Potenzialknoten gekoppelt ist, einer zweiten Elektrode, deren Anschluss mit einem zweiten Potenzialknoten gekoppelt ist, und einer Mittelelektrode. Eine erste spannungsabhängige Widerstandskomponente ist mit dem Anschluss der Mittelelektrode und dem ersten Potenzialknoten gekoppelt. Eine zweite spannungsabhängige Widerstandskomponente ist mit dem Anschluss der Mittelelektrode und dem zweiten Potenzialknoten gekoppelt.
Die erste und zweite spannungsabhängige Widerstandskomponente sind in Reihe geschaltet. Vorteilhafterweise sind die spannungsabhängigen Widerstandskomponenten mit dem Anschluss der Mittelelektrode und dem entsprechenden Potenzialknoten verbunden.
Diese Schaltungsanordnung dient als Schutzschaltung und begrenzt eine eingangsseitig anliegende Überspannung zum Schutz des der Schaltungsanordnung nachgeschalteten elektrischen Geräts.
Der Drei-Elektroden-Überspannungsableiter ist ein Bauteil zum Begrenzen von gefährlichen Überspannungen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Gasableiter handeln. Der Überspannungsableiter weist drei Elektroden auf, von denen die erste und zweite üblicherweise stirnseitig angeordnet sind. Die Mittelelektrode ist dazwischen angeordnet. Die Anschlüsse der Elektroden erlauben die Verbindung mit anderen Schaltungselementen. Bei kompakter Bauweisen erfolgt die Kontaktierung der Elektroden direkt an deren Außenseiten, die in diesem Fall als Anschlüsse dienen. Die Anschlüsse können auch von den Elektroden weggeführt, beispielsweise als Drähte, ausgestaltet sein.
Steigt die Spannung zwischen zweien der Elektroden über eine Ansprechspannung, auch Zündspannung genannt, so wird die Überspannung durch das Zünden einer Gasentladung abgebaut. Dies kommt bei Netzspannungen von hundert Volt und mehr einem Kurzschluss gleich. Üblicherweise erfolgt der Kurzschluss zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, die an den äußeren Enden des Überspannungsableiters angeordnet sind. Es kann aber auch ein Kurzschluss zwischen einer dieser Elektroden und der Mittelelektrode erfolgen.
Die spannungsabhängigen Widerstandskomponenten haben eine nichtlineare Kennlinie. Ihr Widerstandswert ist von der angelegten Spannung abhängig und nimmt mit zunehmender Spannung ab. Die spannungsabhängige Widerstandskomponente kann ein einziges Bauelement oder eine Gruppe von Bauelementen umfassen. Die spannungsabhängige Widerstandskomponente kann beispielsweise einen Varistor umfassen.
Der Begriff „gekoppelt“ meint, dass miteinander gekoppelte Element direkt oder über andere Elemente elektrisch leitend miteinander verbunden sein können. Im erst genannten Fall sind die Elemente über Leiterbahnen oder Leiterstrukturen verbunden, die Strom und Spannung zwischen den Elementen leiten, jedoch nicht beeinflussen, möglicherweise abgesehen von parasitären Leitungseffekten. Im anderen Fall sind ein oder mehrere Bauelemente zwischen die gekoppelten Elemente geschaltet. Dagegen bezeichnet der Begriff „verbunden“, dass die miteinander verbundenen Bauelemente direkt, ohne Zwischenschalten weiterer Elemente, miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Das Verbinden zweier Elemente über ein weiteres Element meint, dass letztgenanntes zwischen die erstgenannten geschaltet ist.
Diese Schaltungsanordnung kann einem elektrischen Gerät vorgeschaltet werden, indem der erste Potentialknoten beispielsweise dem L-Leiter entspricht und der zweite Potentialknoten dem N-Leiter entspricht.
Liegt zwischen dem ersten und zweiten Potenzialknoten eine Nennspannung, bei der Gerät betrieben werden kann oder soll, an, so wirkt die Schaltungsanordnung, bis auf geringe mögliche Leckströme, als Isolator zwischen L- und N-Leiter.
Die als Schutzschaltung dienende Schaltungsanordnung mit ihrer Kombination verschiedener Überspannungs- und Überstromschutzkomponenten begrenzt eine anliegende Überspannung auf einen festen Wert. Es besteht ferner Schutz vor Störimpulsen.
Bei Störimpulsen, die auch als Stoßspannungen, schnelle Überspannungen oder mit dem englischen Begriff „Surges“ bezeichnet werden, sind die spannungsabhängigen Widerstandskomponenten auf Grund ihrer schnelleren Ansprechzeit aktiv und begrenzen die Spannung. Auch bei geringer Überspannung zündet der Überspannungsableiter noch nicht und die spannungsabhängigen Widerstandskomponenten sind aktiv, sodass ein Strom zur Spannungsbegrenzung über die Reihenschaltung von erster und zweiter spannungsabhängiger Widerstandskomponente abfließt. Bei zeitlich begrenzten Überspannung zündet die Strecke zwischen den beiden Elektroden, wodurch die Spannung begrenzt wird. Nimmt die Überspannung wieder ab, kehrt der Überspannungsableiter wieder in seinen isolierenden Zustand zurück. Diese Überspannungen gehen üblicherweise mit einer Amplitudenerhöhung der Wechselspannung einher.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung wird im Folgen näher erläutert: Der Überspannungsableiter hat eine erste Ansprechspannung für eine Entladung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, die mit einem Stromfluss einhergeht, eine zweite Ansprechspannung für eine Entladung zwischen der ersten Elektrode und der Mittelelektrode, die mit einem Stromfluss einhergeht, und eine dritte Ansprechspannung für eine Entladung zwischen der Mittelelektrode und der zweiten Elektrode, die mit einem Stromfluss einhergeht. Die erste Ansprechspannung ist größer, üblicherweise viel größer, als die zweite Ansprechspannung. Die erste Ansprechspannung ist größer, üblicherweise viel größer, als die dritte Ansprechspannung. Die zweite und die dritte Ansprechspannung sind gleich oder nahezu gleich. Ansprechspannungen und der Entladevorgang werden auch als „Zündspannung“ beziehungsweise „zünden“ bezeichnet.
Wenn die zweite oder dritte Ansprechspannung, nicht jedoch die erste Ansprechspannung überschritten wird, kann eine Entladung über die Strecke zwischen der ersten Elektrode und der Mittelelektrode oder über die Strecke zwischen der zweiten Elektrode und der Mittelelektrode auftreten. In diesen Fällen erfolgt der Stromfluss zur Spannungsableitung über die gezündete Strecke und den Varistor, der parallel zur anderen Strecke geschaltet ist.
Die erste spannungsabhängige Widerstandskomponente hat eine erste Schwellenspannung, und die zweite spannungsabhängige Widerstandskomponente hat eine zweite Schwellenspannung. Die Summe der ersten und zweiten Schwellenspannung ist geringer als die erste Ansprechspannung, sodass bei geringen Überspannungen die Ableitung der Überspannung durch einen Stromfluss über die spannungsabhängigen Widerstandskomponenten erfolgt.
In einer Ausgestaltung ist der erste Potentialknoten mit einem dritten Potentialknoten gekoppelt und der zweite Potentialknoten ist mit einem vierten Potentialknoten gekoppelt. Zwischen dem dritten und vierten Potentialknoten ist von außen eine Spannung mit einem vorgegebenen Nennspannungswert anlegbar, die zur Versorgung des der Schaltungsanordnung nachgeschaltetem Geräts dient. Dieser vorgegebene Nennspannungswert erlaubt den Betrieb der angeschlossenen Geräte im Normalbetrieb und kann beispielsweise 230 V betragen.
Die erste Ansprechspannung und die Summe der ersten und der zweiten Schwellenspannung sind größer als der Nennspannungswert, damit es nicht bereits beim Normalbetrieb zur Spannungsbegrenzung kommt.
In einer Ausgestaltung ist der Anschluss der ersten Elektrode mit dem ersten Potentialknoten über eine Impedanz gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich ist der Anschluss der zweiten Elektrode mit dem zweiten Potentialknoten über eine Impedanz gekoppelt. Die Impedanzen können jeweils ein oder mehrere Bauelemente umfassen. Eine Versorgungsspannung für ein der Schaltungsanordnung nachschaltbares Gerät kann zwischen dem ersten und zweiten Potenzialknoten bereitgestellt werden.
In einer Ausgestaltung ist der Anschluss der ersten Elektrode mit dem ersten Potentialknoten über eine Impedanz gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich ist der Anschluss der zweiten Elektrode mit dem zweiten Potentialknoten über eine Impedanz gekoppelt. Die Impedanzen können jeweils ein oder mehrere Bauelemente umfassen. In dieser Ausgestaltung wird die Versorgungsspannung für ein der Schaltungsanordnung nachschaltbares Gerät statt am ersten an einem fünften Potenzialknoten und/oder statt am zweiten an einem sechsten Potenzialknoten bereitgestellt. Der fünfte Potenzialknoten ist zwischen der ersten Impedanz und dem Anschluss der ersten Elektrode, und der sechste Potenzialknoten ist zwischen der ersten Impedanz und dem Anschluss der zweiten Elektrode. Mit anderen Worten, der Versorgungsspannungsabgriff erfolgt zwischen dem Potenzial am entweder ersten oder fünften Potenzialknoten und dem Potenzial am entweder zweiten oder sechsten Potenzialknoten.
Die Impedanzen ermöglichen eine bessere Entkopplung des Überspannungsableiters im Falle einer Stoßspannung. Die Impedanzen können induktiven oder kapazitiven Charakter haben oder induktive Bauelemente umfassen, um bei hochfrequenten Stoßspannungen den Überspannungsableiter zu entkoppeln. Infolgedessen zündet der Überspannungsableiter nicht bei Stoßspannungen, sondern die Spannungsspitzen werden über die spannungsabhängigen Widerstandskomponenten abgeleitet.
In einer Ausgestaltung weist der Überspannungsableiter eine Überstromschutzeinrichtung auf, die ausgebildet ist, einen Kurzschluss zwischen der ersten und der zweiten und vorteilhafterweise auch der dritten Elektrode auszulösen. Der Kurzschluss wird nach dem Zünden ausgelöst um eine Überlastung des Überspannungsableiters zu verhindern. Der Kurzschlussmechanismus der Überstromschutzeinrichtung wird bei länger andauernden oder zeitlich unbegrenzten Überspannungen, beispielsweise einem Falschanschluss, ausgelöst. In einem solchen Fall ist lediglich der Austausch der Schaltungsanordnung, nicht jedoch des ganzen elektrischen Geräts erforderlich.
Eine solche Überstromschutzeinrichtung kann einen Kurzschlussbügel aufweisen, der durch ein schmelzbares Element derart ausgelenkt ist, dass er nicht elektrisch leitend sowohl mit der ersten als auch der zweiten Elektrode verbunden ist, oder, mit anderen Worten, von der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode isoliert ist. Die Verbindung mit lediglich einer der Elektroden ist jedoch möglich. Nach Schmelzen des schmelzbaren Elements ist der Kurzschlussbügel elektrisch leitend sowohl mit der ersten als auch der zweiten Elektrode verbunden. Da das Schmelzen des schmelzbaren Elements üblicherweise eine länger andauernde Überlast erfordert, löst der Kurzschlussmechanismus bei länger andauernden Überspannungen aus. Nach Auslösen des Kurzschlussmechanismus wird der Strom über den Kurzschlussbügel abgeleitet. Dadurch bricht die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode zusammen.
In einer Ausgestaltung kann ein erstes Überstromschutzelement mit dem ersten Potentialknoten und dem dritten Potentialknoten oder ein zweites Überstromschutzelement mit dem zweiten Potentialknoten und einem vierten Potentialknoten verbunden sein. Die Überstromschutzelemente unterbrechen den Stromfluss nach Auslösen des Kurzschlussmechanismus. Das Überstromschutzelement dient als eher träge Überstromschutzsicherung und kann beispielsweise eine Schmelzsicherung aufweisen. Diese vorgeschalteten Überstromsicherungen vermeiden Schäden bei lang anhaltenden Überspannungen.
Zum Schutz einer oben beschriebenen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass eine Versorgungsspannung an den dritten und vierten Potenzialknoten angelegt wird, wobei bei Überschreiten einer Ansprechspannung des Überspannungsableiters ein Stromfluss zur Überspannungsableitung über die erste Elektrode und zweite Elektrode verläuft.
Der Überspannungsableiter wird kurzgeschlossen, nachdem der Stromfluss zur Überspannungsableitung über die erste Elektrode und zweite Elektrode eingesetzt hat. Dann wird der Stromfluss durch Auslösen einer Sicherung unterbrochen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Überspannungsableiters sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die oben beschriebenen Anordnungen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu.
Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung,
2 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung,
3 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung,
4 die zeitliche Darstellung von Strom und Spannung am Überspannungsableiter bei auftretender Überspannung,
5 die zeitliche Darstellung von Strom und Spannung am Überspannungsableiter bei abfallender Überspannung und
6 die zeitliche Darstellung von Strom und Spannung am Überspannungsableiter beim Auslösen des Kurzschlussmechanismus im Fall einer länger andauernden Überspannung.
1 zeigt das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz, die zwischen Phase und Neutralleiter L‘ und N‘ eines elektrischen Geräts (nicht dargestellt) und Phase und Neutralleiter L und N eines Versorgungsnetzes (nicht dargestellt) geschaltet ist. Phase und Neutralleiter L‘, L und N‘, N von dem elektrischen Geräts und dem Netz sind jeweils über ein Überstromschutzelement 5, 6, d.h. eine Sicherung, miteinander verbunden, sodass netzseitig sowohl in der Phase als auch im Neutralleiter jeweils eine Überstromsicherung eingesetzt wird.
Zwischen dem L‘-Leiter, der einem ersten Potenzialknoten 10 entspricht, und dem N‘-Leiter, der einem zweiten Potenzialknoten 20 entspricht, sind ein Überspannungsableiter 1 und zwei spannungsabhängige Widerstandskomponenten, die als Varistoren 2, 3 ausgebildet sind, geschaltet.
Die Schaltungsanordnung umfasst einem Überspannungsableiter 1 mit einer ersten Elektrode, in der schematischen Darstellung des Überspannungsableiters 1 mit A bezeichnet, einer zweiten Elektrode, in der schematischen Darstellung mit B bezeichnet, und eine Mittelelektrode, in der schematischen Darstellung mit C bezeichnet. Der Anschluss der ersten Elektrode A ist mit dem ersten Potentialknoten 10 verbunden. Der Anschluss der zweiten Elektrode B ist mit dem zweiten Potentialknoten 20 verbunden. Mit anderen Worten: Phase L‘ und Neutralleiter N‘ werden an die erste beziehungsweise zweite Elektrode A, B angeschlossen.
Ein Stromfluss kann über die Strecke A-C, von der ersten Elektrode A zur Mittelelektrode C, erfolgen. Ein Stromfluss kann über die Strecke C-B, von Mittelelektrode C zur der zweiten Elektrode B, erfolgen. Ein Stromfluss kann über die Strecke A-B, von der ersten Elektrode A zur zweiten Elektrode B, erfolgen.
Der Abgriff zwischen den in Reihe geschalteten ersten und zweiten Varistoren 2, 3 ist mit dem Anschluss der Mittelelektrode C verbunden. Mit anderen Worten: Der Anschluss der Mittelelektrode wird an den Sternpunkt zweier Varistoren 2, 3 angeschlossen.
Zwischen dem ersten Potentialknoten 10 und dem L-Leiter des Netzes, der einem dritten Potentialknoten 30 entspricht, ist ein erstes Überstromschutzelement 5 geschaltet. Zwischen dem zweiten Potentialknoten 20 und dem N-Leiter des Netzes, der einem vierten Potentialknoten 40 entspricht, ist ein zweites Überstromschutzelement 6 geschaltet. Die Überstromschutzelemente 5, 6 können Schmelzsicherungen, englisch auch als „Fuses“ bezeichnet, umfassen.
Zwischen dem dritten und vierten Potentialknoten 30, 40 kann eine Netzspannung zur Versorgung des elektrischen Geräts (nicht dargestellt) angelegt werden.
Der Überspannungsableiter 1 hat drei mögliche Stromstrecken, A-C, C-B und A-B, über die Überspannungen abfließen können. Bei Überschreiten einer ersten Ansprechspannung zwischen den Anschlüssen der ersten Elektrode A und der zweiten Elektrode B fließt ein Strom auf der Strecke A-B. Bei Überschreiten einer zweiten Ansprechspannung zwischen den Anschlüssen der ersten Elektrode A und der Mittelelektrode C fließt ein Strom auf der Strecke A-C. Bei Überschreiten einer dritten Ansprechspannung zwischen den Anschlüssen der Mittelelektrode und der zweiten Elektrode B fließt ein Strom auf der Strecke C-B. Die erste Ansprechspannung ist sowohl größer als die zweite Ansprechspannung als auch als die dritte Ansprechspannung. Die beiden letztgenannten sind üblicherweise gleich. Es ergeben sich für die erste Ansprechspannung UAB, die zweite Ansprechspannung UAC und die dritte Ansprechspannung UBC folgende formelmäßige Zusammenhänge: UAB >> UAC, UAB >> UBC, UAC ≈ UCB.
Der Überspannungsableiter 1 weist eine Überstromschutzeinrichtung 7 auf, die ausgebildet ist, einen Kurzschluss zwischen der ersten und der zweiten Elektrode A, B auszulösen. Der Kurzschluss wird ausgelöst bei zeitlich länger andauernd oder unbegrenzt anliegenden Überspannungen, um eine Überlast durch den damit einhergehenden Stromfluss zu verhindern. Die Überstromschutzeinrichtung 7 kann beispielsweise einen Kurzschlussbügel, wie in 1 angedeutet, umfassen.
Der Kurzschlussbügel 7 wird durch ein schmelzbares Element, beispielsweise aus Kunststoff oder Lot, derart ausgelenkt, dass er nicht elektrisch leitend sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Nach dem Schmelzen des schmelzbaren Elements bewirkt eine Rückstellkraft, beispielsweise die Federkraft des ausgelenkten Kurzschlussbügels, dass die erste und die zweite Elektrode A, B durch Kurzschlussbügel 7 elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Der erste und zweite Varistor 2, 3 haben eine erste beziehungsweise eine zweite Schwellenspannung, bei der der Strom durch Varistors 2, 3 merklich größer als der Sperrstrom wird, sodass eine Überspannung über den ersten und zweiten Varistor 2, 3 abfließen kann. Der erste und der zweite Varistor 2, 3 können gleichen Typs mit gleicher Strom-Spannungskennlinie sein, sodass die erste und die zweite Schwellenspannung gleich sind. Alternativ können der erste und der zweite Varistor 2, 3 unterschiedliche Strom-Spannungskennlinien haben, sodass die erste und die zweite Schwellenspannung verschieden sind. Die erste Ansprechspannung ist größer als die Summe der ersten und der zweiten Schwellenspannung.
Wenn die Nennspannung anliegt, ist ein Stromfluss zwischen erstem und zweitem Potenzialknoten 10, 20 durch die Schaltungsanordnung gesperrt. Bei Überlast kann es zu einem Stromfluss zwischen L‘- und N‘-Leiter über die verschiedenen Zweige der Schaltungsanordnung kommen. Ein erster Zweig 51 ist zwischen dem erstem ersten Potenzialknoten 10 und dem Anschluss der ersten Elektrode A; ein zweiter Zweig 52 ist zwischen dem Anschluss der zweiten Elektrode B und dem zweiten Potenzialknoten B; in dritter Zweig 53 ist die als erster Varistor ausgebildete spannungsabhängige Widerstandskomponente 2; ein vierter Zweig 54 ist die als zweiter Varistor ausgebildete spannungsabhängige Widerstandskomponente 3.
Die oben beschriebene Schaltungsanordnung in 1 reagiert wie folgt auf verschiedene Störsituationen:
Bei Überspannungen, die oberhalb der Nennspannung und der Summe der Schwellenspannungen, jedoch unterhalb der ersten Ansprechspannung des Überspannungsableiters 1 liegen, zündet der Überspannungsableiter 1 nicht, sondern sperrt den ersten und den zweiten Zweig 51, 52. Die Überspannungen werden durch den ersten und zweiten Varistor 2, 3 abgeleitet, sodass ein Strom über den dritten und vierten Zweig 53, 54 fließt.
Bei Überspannungen durch Störimpulse, sind bei geringen Überspannungen unterhalb der ersten Ansprechspannung vorerst die Varistoren aktiv. Bei Überspannungen, die oberhalb der Nennspannung jedoch unterhalb der ersten Ansprechspannung des Überspannungsableiters 1 liegen, zündet der Überspannungsableiter 1 nicht, sondern sperrt den ersten und den zweiten Zweig 51, 52. Die geringen Überspannungen werden durch den ersten und zweiten Varistor 2, 3 abgeleitet, sodass ein Strom über den dritten und vierten Zweig 53, 54 fließt.
Obgleich diese Störimpulse einen größeren Wert haben können als die erste Ansprechspannung des Überspannungsableiters, zündet dieser wegen der Trägheit des Überspannungsableiters 1 nicht.
Es kann jedoch, insbesondere bei größeren Störimpulsen, dazu kommen, dass eine der beiden Strecken A-C oder C-B des Überspannungsableiters 1 zündet. Im erstgenannten Fall erfolgt der Stromfluss über den ersten Zweig 51, die Strecke A-C und den zweiten Varistor 3 im vierten Zweig 54. Im anderen Fall erfolgt der Stromfluss über den ersten Varistor 2 im dritten Zweig 53, die Strecke C-B und den zweiten Zweig 52.
Bei zeitlich begrenzten Überspannungen, insbesondere im Frequenzbereich der Netzwechselspannung, die mit einem Amplitudenanstieg einhergehen, zündet der Überspannungsableiter 1 die Strecke A-B. In diesem Fall fließt ein Strom über den ersten und zweiten Zweig 51, 52. Die Spannung wird begrenzt.
4 zeigt das zeitliche Verhalten von Strom I und Spannung U zwischen der ersten und der zweiten Elektrode A, B bei Auftreten einer Überspannung. Es sei bemerkt, dass die Strom- und Spannungsverläufe schematische ohne Berücksichtigung von Einschwingvorgängen dargestellt sind. Beispielhafte Werte können eine Netzspannung mit einer Nennspannung von 230V sowie eine Erhöhung auf ungefähr 440V sein. Die erste Ansprechspannung UAB ist größer als 230V: UAB >> 230V.
Am Überspannungsableiter 1 liegt zunächst eine sinusförmige Spannung U an, deren Amplitude geringer ist als die erste Ansprechspannung UAB. Der Überspannungsableiter 1 ist in isolierendem Zustand und sperrt; es fließt kein Strom über die Strecke A-B.
Zum Zeitpunkt T1 erhöht sich die Amplitudenspannung derart, dass sie oberhalb der ersten Ansprechspannung UAB liegt. Bei Überschreiten der ersten Ansprechspannung UAB zündet der Überspannungsableiter; dadurch fließt ein Strom fließt über die Strecke A-B und die Spannung U bricht zusammen. Mit der nächsten anliegenden Halbwelle verlöscht der Stromfluss und der oben geschilderte Effekt tritt erneut auf.
Der sich dadurch ergebenden Spannungs- und Stromverlauf hat vertikal abgeschnittene Sinushalbwellen auf.
5 zeigt schematisch das zeitliche Verhalten von Strom I und Spannung U zwischen der ersten und der zweiten Elektrode A, B bei Absinken der überhöhten Spannung U unterhalb der ersten Ansprechspannung UAB.
Zunächst liegt noch die sinusförmige Spannung U an, deren Amplitude größer als die erste Ansprechspannung UAB ist. Die hierbei auftretenden Effekte sind bereits für 4 beschrieben worden.
Zum Zeitpunkt T2 sinkt die Amplitudenspannung des sinusförmigen Signals wieder unter die erste Ansprechspannung UAB. Mit dem Abklingen der Überspannung kehrt der Überspannungsableiter 1 wieder in seinen isolierenden Zustand zurück. In diesem Fall liegt über dem Überspannungsableiter 1 wieder eine sinusförmige Spannung an, und es fließt kein Strom.
6 zeigt das zeitliche Verhalten von Strom I und Spannung U zwischen der ersten und der zweiten Elektrode A, B, in gegenphasiger Darstellung, bei länger andauerndem Überschreiten der Ansprechspannung UAB.
Zunächst weisen Spannungs- und Stromverlauf vertikal abgeschnittene Sinushalbwellen auf, wie für 4 beschrieben.
Zum Zeitpunkt T3 zündet der Kurzschlussmechanismus 7 des Überspannungsableiters 1. Dies führt dazu, dass der Strom zwischen der ersten und der zweiten Elektrode A, B über den Kurzschlussbügel abfließt und die Spannung irreversibel zusammenbricht, sodass der Strom I einen sinusförmigen Verlauf hat.
Wenn der Kurzschlussmechanismus den L‘- und N‘-Leiter kurzschließt, lösen kurz darauf die Sicherungen 5, 6 aus, was zu einer Abtrennung des Geräts vom Netz führt. Der Stromfluss wird unterbrochen, wenn eine der Schmelzsicherung 5, 6 auslöst (in 6 nicht dargestellt).
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in 1 beschrieben.
Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten dadurch, dass zwischen dem Anschluss der ersten Elektrode A und dem ersten Potentialkoten 10 eine Impedanz 8 gekoppelt ist. Zwischen dem Anschluss der zweiten Elektrode B und dem zweiten Potentialknoten 20 ist eine zweite Impedanz 9 gekoppelt. Die Impedanzen 8, 9 können induktiven oder kapazitiven Charakter haben. Sie bewirken, dass bei pulsförmigen Stoßspannungen die Pulse vom Überspannungsableiter 1 entkoppelt werden, sodass ein Zünden vermieden wird. Bei zeitlich begrenzten Überspannungen in einem niedrigeren Frequenzbereich treten auch in diesem Ausführungsbeispiel die in den 4 bis 6 veranschaulichten Effekte auf.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in 1 und 2 beschrieben.
Auch bei dieser Schaltungsanordnung ist zwischen dem Anschluss der ersten Elektrode A und dem ersten Potentialkoten 10 eine Impedanz 8 gekoppelt. Zwischen dem Anschluss der zweiten Elektrode B und dem zweiten Potentialknoten 20 ist eine zweite Impedanz 9 gekoppelt. Die Impedanzen 8, 9 können induktiven oder kapazitiven Charakter haben. Sie bewirken, dass bei pulsförmigen Stoßspannungen die Pulse vom Überspannungsableiter 1 entkoppelt werden, sodass ein Zünden vermieden wird. Bei zeitlich begrenzten Überspannungen in einem niedrigeren Frequenzbereich treten auch in diesem Ausführungsbeispiel die in den 4 bis 6 veranschaulichten Effekte auf.
Allerdings unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel in 3 von dem in 2 dadurch, dass zwischen einem fünften Potenzialknoten 50 und einem sechsten Potenzialknoten 60 eine Versorgungsspannung für eine der Schaltungsanordnung nachschaltbares Gerät (nicht dargestellt) bereitgestellt wird.
Der fünfte Potenzialknoten 50, der der L‘-Leitung entspricht, ist zwischen der ersten Impedanz 8 und dem Anschluss der ersten Elektrode A, und der sechste Potenzialknoten 60, der der N‘-Leitung entspricht, ist zwischen der zweiten Impedanz 9 und dem Anschluss der zweiten Elektrode B.
Bei dieser Schaltungsanordnung ist zwischen L- und L‘-Leiter nicht nur die Sicherung 5 sondern auch die erste Impedanz 8 in Reihe geschaltet. Bei dieser Schaltungsanordnung ist zwischen N- und N‘-Leiter nicht nur die Sicherung 6 sondern auch die zweite Impedanz 9 in Reihe geschaltet.
Es sei bemerkt, dass die Merkmale der Ausführungsbeispiele kombiniert werden können.
Bezugszeichenliste

1: Überspannungsableiter
2, 3: spannungsabhängige Widerstandskomponente, Varistor
5, 6: Schmelzsicherung
7: Kurzschlussmechanismus
8, 9: Impedanz
A, B, C: Elektroden
10, 20, 30, 40, 50, 60: Potenzialknoten
51, 52, 53, 54: Zweig

Claims

Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit – einem Überspannungsableiter (1) mit einer ersten Elektrode (A), deren Anschluss mit einem ersten Potenzialknoten (10) gekoppelt ist, einer zweiten Elektrode (B), deren Anschluss mit einem zweiten Potenzialknoten (20) gekoppelt ist, und einer Mittelelektrode (C), – einer ersten spannungsabhängigen Widerstandskomponente (2), die mit dem Anschluss der Mittelelektrode (C) und dem ersten Potenzialknoten (10) gekoppelt ist, und – einer zweiten spannungsabhängigen Widerstandskomponente (3), die mit die mit dem Anschluss der Mittelelektrode (C) und dem zweiten Potenzialknoten (20) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Überspannungsableiter (1) eine erste Ansprechspannung (UAB) für einen Stromfluss zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (A, B) hat, eine zweite Ansprechspannung für einen Stromfluss zwischen der ersten Elektrode (A) und der Mittelelektrode (C) hat, eine dritte Ansprechspannung für einen Stromfluss zwischen der Mittelelektrode (C) und der zweiten Elektrode (B) hat, und wobei die erste Ansprechspannung (UAB) größer als die zweite Ansprechspannung ist und die erste Ansprechspannung (UAB) größer als die dritte Ansprechspannung ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste spannungsabhängige Widerstandskomponente (2) eine erste Schwellenspannung hat, die zweite spannungsabhängige Widerstandskomponente (3) eine zweite Schwellenspannung hat, und wobei die Summe der ersten und der zweiten Schwellenspannung geringer ist als die erste Ansprechspannung (UAB).
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Potenzialknoten (10) mit einem dritten Potenzialknoten (30) gekoppelt ist und der zweiten Potenzialknoten (20) mit einem vierten Potenzialknoten (40) gekoppelt ist, und wobei zwischen dem dritten und vierten Potenzialknoten eine Spannung mit einem vorgegebenen Nennspannungswert anlegbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die erste Ansprechspannung (UAB) größer ist als der Nennspannungswert ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Summe der ersten und der zweiten Schwellenspannung größer als der Nennspannungswert ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anschluss der ersten Elektrode (A) mit dem ersten Potenzialknoten (10) über eine Impedanz (8) gekoppelt ist und/oder der Anschluss der zweiten Elektrode (B) mit dem zweiten Potenzialknoten (20) über eine Impedanz (9) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Überspannungsableiter (1) eine Überstromschutzeinrichtung (7) aufweist, die ausgebildet ist einen Kurzschluss zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (A, B) auszulösen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, wobei die Überstromschutzeinrichtung (7) einen Kurzschlussbügel aufweist, der durch ein schmelzbares Element derart ausgelenkt ist, dass er isoliert von der ersten Elektrode (A) und/oder der zweiten Elektrode (B) ist, und der nach Schmelzen des schmelzbaren Element elektrisch leitend sowohl mit der ersten als auch der zweiten Elektrode (A, B) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste spannungsabhängige Widerstandskomponente (1) einen Varistor aufweist und/oder die zweite spannungsabhängige Widerstandskomponente (2) einen Varistor aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei ein erstes Überstromschutzelement (5) zwischen den ersten Potenzialknoten (10) dem dritten Potenzialknoten (30) geschaltet ist und/oder ein zweites Überstromschutzelement (6) zwischen den zweiten Potenzialknoten (20) und den vierten Potenzialknoten (40) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Versorgungsspannung für ein der Schaltungsanordnung nachschaltbares Gerät zwischen dem ersten und dem zweiten Potenzialknoten (10, 20) bereitgestellt wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 mit einem fünften Potenzialknoten (50) und einem sechsten Potenzialknoten (60), an denen eine Versorgungsspannung für ein der Schaltungsanordnung nachschaltbares Gerät bereitgestellt wird, wobei der fünfte Potenzialknoten (50) zwischen der ersten Impedanz (8) und dem Anschluss der ersten Elektrode (A) ist und der sechste Potenzialknoten (60) zwischen der zweiten Impedanz (9) und dem Anschluss der zweiten Elektrode (B) ist.