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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltung zum Schutz der Elektronik eines Motors, insbesondere eines EC-Motors gegen Überspannungsimpulse.
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Schutzeinrichtungen zum Schutz der Schaltungen oder der Umrichter für Motoren, insbesondere EC-Motoren sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. So sind auch Umrichter hinreichend bekannt, welche einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere einer Drehspannung, einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist und eine Leistungsschalter umfassende Endstufe umfassen.
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So beschäftigt sich die
DE 102007007921 A1 mit dem Schutz vor Überspannungen vor dem Hintergrund, dass als Zwischenkreiskondensatoren meist Elektrolytkondensatoren verwendet werden, die zum Puffern der Energie des Zwischenkreises und der Zwischenkreisspannung dienen. Nachteilig ist dabei, dass beim derzeitigen Stand der Technik die Kapazität des Zwischenkreiskondensators größer als funktional notwendig ist. Funktional notwendig ist dabei insbesondere eine ausreichende Glättung bei Betrieb mit Nennlast. Die Kapazität kann also beim Stand der Technik nicht nach funktionalen, sondern muss nach bautechnischen Anforderungen, wie Lebensdauer und Strombelastbarkeit gewählt werden.
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Die
DE 102007007921 A1 schlägt zum Schutz gegen Überspannungen vor, dem Zwischenkreiskondensator ein Schaltungsteil parallel zuzuschalten, das aus einem Spannungsteiler, insbesondere aus einem ohmschen, kapazitiven und/oder komplexen Spannungsteiler, besteht, in dessen unterem Zweig ein Varistor angeordnet ist und dessen oberem Zweig ein Gasableiter parallel beschaltet angeordnet ist.
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Allerdings treten bei Gasableitern, wie diese typischerweise im Stand der Technik verwendet werden u. a. die folgenden Probleme auf. Bei der Verwendung eines Gasableiters z. B. im Sternpunkt einer Varistorbeschaltung im Eingangsfilter für eine dreiphasig gespeiste EC-Motor-Elektronik mit einer höheren Durchzündspannung als die Spannung zur Durchführung der Hochspannungsprüfung (um ein ansonsten manuelles Trennen der Schutzeinrichtung während dieser Prüfung zu umgehen) führt zu einer reduzierten Schutzwirkung gegen Überspannungspulse (Surge-Pulse), da der Gasableiter auch in diesem Fall erst bei der höherer Spannung durchzündet und somit ein erhöhter Energieabbau, bzw. -aufnahme in den nachfolgenden Bauelementen der Elektronik erfolgt.
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Unterhalb der Zündspannung des Gasableiters verhält sich das parallel zur zu schützenden Leitung angeschlossene Bauteil wie ein Isolator und beeinflusst diese nicht. Ab einer bauteilspezifischen Zündspannung zündet im Gasableiter jedoch eine Gasentladung und die Klemmenspannung an ihm reduziert sich bei Strömen durch eine Bogenentladung (Lichtbogenzündung) innerhalb weniger Mikrosekunden. Im Unterschied zu anderen Überspannungsableitern, wie z. B. Suppressordioden oder Varistoren sinkt also die Klemmenspannung gegebenenfalls weit unter die Nennspannung ab, was bei Netzanwendungen einem Kurzschluss gleichkommt. Gasableiter reagieren ferner langsamer als Varistoren oder Suppressordioden, können jedoch hohe Impulsenergien ableiten. Es gibt für die gewünschten Zündspannungen entsprechende Ausführungen. Die tatsächliche Zündspannung liegt bei steilen Impulsen d. h. bei schnellem Spannungsanstieg wett über dem Nennwert. Während der Strom nach dem Ansprechen fließt, stellt sich eine Brennspannung ein.
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Zur technischen Prüfung eingesetzte Geräte der Schutzklasse I und II wird mit einer Hochspannungsprüfung überprüft, ob die Isolation eine nach der produktspezifischen Norm vorgeschriebene Spannungsfestigkeit hat. Dabei wird festgestellt, ob die Isolation der stromführenden Leiter sowie der Sicherheitsabstand zum Gehäuse in Ordnung ist. Prinzipiell wird diese Hochspannungsprüfung an denselben Anschlussstellen wie bei der Isolationswiderstandsprüfung durchgeführt. Die Prüfung wird jedoch mit höheren Prüfspannungen durchgeführt als die im normalen Betrieb auftretenden Betriebsspannungen. Die Prüfspannung kann sowohl eine Wechsel- als auch eine Gleichspannung sein und liegt typischerweise im Bereich einiger weniger Kilovolt.
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Ist demnach die Durchzündspannung höher als die Spannung zur Durchführung der Hochspannungsprüfung und erfolgt somit ein erhöhter Energieabbau, bzw. die Aufnahme in den nachfolgenden Bauelementen der Elektronik mit unerwünschter elektrischer Energie, so können diese durch Überspannung oder Überstrom stärker als nötig belastet und evtl. zerstört werden, was das erfolgreiche Bestehen der Stoßspannungsprüfung (Surge-Prüfung) insbesondere bei hohen geforderten Prüfspannungen stark erschwert. Die gewünschte Schutzwirkung des Gasableiters ist somit durch die ausschließlich für die Hochspannungsprüfung erforderliche erhöhte Durchzündspannung nicht gegeben.
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Die Erfindung betrifft demnach den geeigneten Schutz einer Elektronik gegen Überspannungsimpulse (Surge-Prüfung) durch Schutzeinrichtungen wie z. B. Gasableiter bei gleichzeitiger Möglichkeit eine Hochspannungsprüfbarkeit bereitzustellen. Da bei der Hochspannungsprüfung die Spannungsfestigkeit des Gerätes durch das Anlegen einer (langsam) ansteigenden Prüfspannung über eine definierte Spannungsrampe bis zu einer vorgegebenen Prüfspannung geprüft, gilt die Prüfung dann als bestanden, wenn kein entsprechender Stromfluss detektiert wird. Sind aber in der Elektronik Schutzelemente wie z. B. Gasableiter vorhanden müssen diese so dimensioniert werden, dass diese während dieser Prüfung bei langsamem Spannungsanstieg nicht ansprechen (Durchzünden), da die Prüfung ansonsten als nicht bestanden gewertet wird.
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Somit müssen die Schutzelemente üblicherweise mit einer erhöhten Spannungsfestigkeit (Durchzündspannung) ausgelegt werden, wodurch aber der gewünschte Schutz nicht mehr erzielt werden kann. Die Durchzündspannung liegt dann in nachteiliger Weise oberhalb der Prüfspannung und somit auch weit oberhalb der für den Normalbetrieb der Elektronik erforderlichen Spannungsfestigkeit.
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Bei der Surge-Prüfung hingegen ist ein möglichst frühes und schnelles Ansprechen des Gasableiters gewünscht, um seiner eigentlich gewünschten Schutzfunktion, d. h. der Energieaufnahme bei Auftreten eines Überspannungspulses, optimal gerecht zu werden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Schutzschaltung zum Schutz vor Überspannungen vorzusehen, die einen verbesserten Schutz für eine Motorelektronik bereitstellt und gleichzeitig einen Hochspannungstest zur Prüfung der Isolationsfestigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 1 gelöst.
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Grundgedanke der Erfindung ist es eine Schaltungsanordnung mit zwei in Serienschaltung angeordneten Schutzeinrichtungen (vorzugsweise Gasableiter), mit zwei parallelen Widerständen, sowie mit wenigstens einem kapazitiven zu einer Schutzvorrichtung parallel geschalteten Element (vorzugsweise ein Kondensator) vorzusehen, wobei die Steuerung der Durchzündspannung der Gesamtanordnung in Abhängigkeit der Flankensteilheit einer zwischen den Anschlussklemmen der Schaltung angelegten Spannung erfolgt, d. h. ab welcher Spannung in einem bzw. beiden Gasableitern ein Lichtbogen zündet und somit die Spannung zwischen den Klemmen auf die entsprechend niedrigere Brennspannung der Lichtbögen in den Gasableitern begrenzt wird. So wird bei einem langsamen Anstieg der Spannung, wie diese bestimmungsgemäß zum Beispiel bei einer durchgeführten Hochspannungsprüfung des Gerätes auftritt, eine hohe Durchzündspannung UZ2 erreicht werden, die vorzugsweise der Summe der Einzelzündspannungen der Schutzeinrichtungen entspricht. Hingegen soll bei einem schnellen Spannungsanstieg, wie sie zum Beispiel bei einem Überspannungspuls aus dem Netz oder bei der Surge-Prüfung des Gerätes auftritt, ein Ansprechen bei einer entsprechend niedrigere Durchzündspannung UZ1 erfolgen, die vorzugsweise der Zündspannung des Gasableiters entspricht, der ohne das parallelgeschaltete kapazitive Element bzw. den Kondensator in der Schaltungsanordnung vorgesehen ist.
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Insgesamt wird somit die Prüfbarkeit des Gerätes in der Hochspannungsprüfung ohne Zündung der Gasableiterschaltung (nicht bestandene Hochspannungsprüfung) in Kombination mit einer optimalen Schutzwirkung der Gasableiter gegen Surge-Pulse aus dem Netz erreicht.
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Erfindungsgemäß wird demnach eine Überspannungsschutzschaltung zum Schutz der Elektronik eines Motors, insbesondere eines EC-Motors gegen Überspannungsimpulse vorgeschlagen, die mit zwei zwischen zwei Anschlüssen in Reihenschaltung angeordneten Schutzeinrichtungen ausgebildet ist, wobei zu jeder der Schutzeinrichtungen je ein Widerstand parallel geschaltet ist und ein kapazitives Element (vorzugsweise ein Kondensator) in Parallelschaltung zu wenigstens der ersten Schutzeinrichtung vorgesehen ist, wobei die Überspannungsschutzschaltung zwischen den Anschlüssen wenigstens einen ersten (niedrigen) und zweiten (höheren) Durchbruch- bzw. Durchzündspannungspunkt bei einer Spannung UZ1 bzw. UZ2 in Abhängigkeit von der zeitlichen Spannungsänderung k = (dU/dt) einer Spannung UGA an den Anschlüssen besitzt.
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So lässt sich folgender Zusammenhang festhalten:
UZ1 für k ∊ [k1, k2], wobei [k1, k2] einen Bereich von großen Spannungsänderungen zwischen den Werten k1 und k2 definiert, die jeweils den Bereich von Spannungsimpulsen mit steilem Flankenanstieg definiert;
UZ2 für k ∊ [k3, k4] wobei [k3, k4] einen Bereich von langsamen Spannungsänderungen zwischen den Werten k3 und k4 definiert, die jeweils den Bereich einer Spannungsprüfung mit flachem Flankenanstieg (flache Spannungsrampe) definiert.
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Die Bereiche können so gewählt werden, dass jeweils nur ein einziger Wert k zu Grunde gelegt wird (d. h. z. B. k1 = k2), aber auch ganze Intervalle innerhalb dessen das Ansprechverhalten der Schutzeinrichtung gewährleistet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jede Schutzeinrichtung einen spannungsabhängigen Widerstand aufweist und unterhalb einer jeweiligen schutzeinrichtungsspezifischen Durchbruch- bzw. Durchzündspannung jeweils isolierend und oberhalb der entsprechenden Durchbruch- bzw. Durchzündspannung leitend ist.
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Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass die Schutzeinrichtungen als Gasableiter, Überspannungsableiter oder als Varistoren ausgebildet sind.
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In einer weiter bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird bei einer schnellen Spannungsänderung der Spannung UGA auf die Durchbruch- bzw. Durchzündspannung UZ1 (d. h. bei k gleich oder größer einem systemspezifischen Wert kspez innerhalb des Intervalls [k1, k2]) wenigstens eine der beiden Schutzeinrichtung leitend oder ein Lichtbogen zündet.
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Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass bei einer langsamen Spannungsänderung der Spannung UGA (d. h. bei k kleiner oder gleich einem systemspezifischen Wert kspez innerhalb des Intervalls [k3, k4]) eine oder beide Schutzeinrichtungen erst bei Erreichen der zweiten (höheren) Durchbruch- bzw. Durchzündspannung UZ2 leitend werden oder ein Lichtbogen in wenigstens einer der Schutzeinrichtungen zündet.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überspannungsschutzschaltung als eine Serienschaltung von wenigstens zwei Schutzeinrichtung vorzugsweise kaskadenförmig aneinandergereihte Schutzeinrichtungen vorgesehen ist, mit jeweils einem zu der jeweiligen Schutzeinrichtung angeordneter Parallelwiderstand und/oder einem jeweils in Parallelschaltung angeordneten kapazitiven Elementes.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das oder die kapazitiven Elemente Kondensatoren darstellen bzw. sind.
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Erfindungsgemäß ist weiter eine wie zuvor beschriebene Überspannungsschutzschaltung vorgesehen, die im Sternpunkt einer Varistor-Beschaltung im Eingangsfilter eines dreiphasig gespeisten EC-Motors angeordnet ist.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung;
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2 das Ansprechverhalten bei einem langsamen Spannungsanstieg bei einer hohen Durchzündspannung UZ2 und der Spannungsabfall auf die Brennspannung UBr;
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3 das Ansprechverhalten bei einem schnellen Spannungsanstieg bei einer niedrigen Durchzündspannung UZ1 und der Spannungsabfall auf die Brennspannung UBr;
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4 Ersatzschaltbild der Spannungsverteilung;
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5 Spannungsverlauf der Spannung U2 aus der 4 im Verhältnis zur Gesamtspannung;
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6 Verlauf der Zündspannung der Schutzschaltung bezogen auf die Zündspannung des zweiten Gasableiters in Abhängigkeit der Anstiegszeit der angelegten Spannung bei symmetrischer Dimensionierung der Parallelwiderstände;
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7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung;
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8 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung;
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8a ein Detail der Schaltung aus 8 und
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9 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung nach
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1 im Sternpunkt einer Varistor-Beschaltung im Eingangsfilter eines dreiphasig gespeisten EC-Motors.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung 1 gezeigt, bestehend aus zwei Gasableitern FS1 und FS2, zwei Widerständen R1 und R2, sowie einem Kondensator C1, wobei die beiden Gasableiter FS1 und FS2 in Serie verschaltet sind und jeweils ein Widerstand R1 bzw. R2 parallel zu den Gasableitern FS1 bzw. FS2 verschaltet ist und der Kondensator C1 parallel zu dem Gasableiter FS1. Die Spannung UGA liegt zwischen den Anschlüssen 10, 20 an.
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Die 2 zeigt das Ansprechverhalten bei einem langsamen Spannungsanstieg bei einer hohen Durchzündspannung UZ2 und der anschließende Spannungsabfall auf die Brennspannung UBr und die 3 das Ansprechverhalten bei einem schnellen Spannungsanstieg bei einer niedrigen Durchzündspannung UZ1 und der Spannungsabfall auf die Brennspannung UBr.
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Die Funktion der Überspannungsschutzschaltung 1 liegt in der Steuerung der Durchzündspannung der Gesamtanordnung in Abhängigkeit der Flankensteilheit einer zwischen den Anschlüssen 10, 20 der Schaltung angelegten Spannung UGA. D. h. ab welcher Spannung in einem, bzw. beiden Gasableitern FS1, FS2 ein Lichtbogen zündet und somit die Spannung UGA zwischen den Klemmen auf die entsprechend niedrigere Brennspannung UBr der Lichtbögen in den Gasableitern begrenzt wird. So soll bei einem langsamen Anstieg der Spannung UGA nach 2, wie sie zum Beispiel bei einer durchgeführten Hochspannungsprüfung des Komplettgerätes erfolgt, eine hohe Durchzündspannung UZ2 (vorzugsweise die Summe der Einzelzündspannungen der Gasableiter FS1 und FS2) erreicht werden.
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Hingegen soll bei einem schnellen Anstieg der Spannung UGA wie in 3 gezeigt, wie sie zum Beispiel bei einem Überspannungspuls (Surge-Puls) aus dem Netz oder bei der Surge-Prüfung des Komplettgerätes auftritt, eine entsprechend niedrigere Durchzündspannung UZ1 erreicht werden. Diese entspricht vorzugsweise der Zündspannung des Gasableiters FS2. Mit dem Bezugszeichen „Z” wird der Durchzündpunkt der Überspannungsschutzschaltung 1 dargestellt.
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Die Gasableiter FS1 und FS2 verhalten sich im nicht gezündeten Zustand nahezu wie ein Kondensator mit sehr niedriger Kapazität. Diese Kapazität kann bei ausreichend niederohmig dimensionierten Zusatzbeschaltungselementen somit vernachlässigt werden. Folglich wird die Verteilung der Spannung an den in Serie geschalteten Gasableitern FS1 und FS2 in diesem Zustand lediglich durch die Zusatzbeschaltung bestimmt, bzw. die Gasableiter FS1 und FS2 befinden sich im „Leerlauf”. In der 4 ist zur Erläuterung der Spannungsverteilung der Spannung U0 bzw. U1 und U2 im Ersatzschaltbild dargestellt. Auf Grundlage dieser Ersatzschaltung werden die zeitlichen Spannungsverläufe U1 und U2 an den Gasableitern und die daraus die zu erwartende Zündspannung der Gesamtanordnung in Abhängigkeit der Flankensteilheit/Anstiegszeit bestimmt.
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Aus
u1(t) = u0(t) – u2(t) = u0(t) – R2·i0(t) und
ergibt sich eingesetzt
und umgeformt
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Durch Laplace-Transformation ergibt sich die die Spannung U
1 zu
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Unter der Annahme einer Rampe mit Flankensteilheit bzw. Steigung k ergibt sich die Spannung U
0 zu:
und damit die resultierende Spannung U
1 zu
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Mit folgender Laplace-Korrespondenz
ergibt sich die Spannung U
1 im Zeitbereich zu
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Die Spannung U
2 ergibt sich damit gemäß der folgenden Formel:
bzw. mit auf die RC-Zeitkonstante τ normierter Zeit zu
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Aus der 5 ergibt sich demnach Spannungsverlauf der Spannung U2 aus der im Verhältnis zur Gesamtspannung U0. Der zeitliche Verlauf der Spannungen U0 und U2 ist für unterschiedliche Anstiegszeiten und eine jeweils symmetrische Dimensionierung der Widerstände R1 und R2 (R1 = R2) dargestellt.
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Der Verlauf der Zündspannung der Schutzschaltung bezogen auf die Zündspannung des zweiten Gasableiters FS2 in Abhängigkeit der Anstiegszeit der angelegten Spannung U0 bei symmetrischer Dimensionierung der Parallelwiderstände R1 und R2 (R1 = R2) ist aus der 6 ersichtlich. Nach der Durchzündung des Gasableiters FS2 wird der Spannungsabfall U1 nur noch durch dessen Brennspannung UBr bestimmt. Idealisiert kann hierbei von einem Kurzschluss ausgegangen werden. Somit ergibt sich im Folgenden die Spannung U2 gleich der Spannung U0, welche bereits zum Zünden des Gasableiters FS2 ausreichend hoch war und nun folglich auch zum direkten Zünden des Gasableiters FS1 ausreicht. Beide Gasableiter FS1 und FS2 sind daher direkt nach dem Erreichen der Zündspannung am Gasableiter FS2 durchgezündet. Bei welcher Gesamtspannung der Gasableiter FS2 und folglich auch der Gasableiter FS1 zündet, wird durch die Anstiegszeit der an der Gesamtanordnung angelegten Spannung im Verhältnis zur Zeitkonstanten der Zusatzbeschaltung bestimmt, wodurch die erfindungsgemäße Ansprechcharakteristik erzielt werden kann.
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In der 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung 1 und in der 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung 1 gezeigt. Die Überspannungsschutzschaltung 1 gemäß 7 unterscheided sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 dahingehend, dass ferner ein Kondensator C2 parallel zum Gasableiter FS2 geschaltet ist, während in der 8 eine Überspannungsschutzschaltung 1 mittles kaskadierender Anordnung von zwei bis n Schaltungen GAi gemäß der 8a, die jeweils aus Gasableitern FSi (FS1, FS2, ... FSn) mit Parallelwiderstand Ri (R1, R2, ..., Rn) und/oder jeweils parallel geschaltetem Kondensator Ci (C1, C2, ..., Cn) bestehen.
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Die 9 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung 1 nach 1 im Sternpunkt einer Varistor-Beschaltung im Eingangsfilter eines dreiphasig gespeisten EC-Motors.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007007921 A1 [0003, 0004]
und umgeformt
