DE202018101334U1

DE202018101334U1 - Überspannungsschutzanordnung

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Publication number: DE202018101334U1
Application number: DE202018101334.3U
Authority: DE
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2028-03-10

Abstract

Überspannungsschutzanordnung (1) mit mindestens einem überspannungsbegrenzenden Bauelement (2), insbesondere einem Varistor, mit einer thermisch auftrennenden Verbindung (3), die eine temperatursensible Lotstelle (4) und ein Abtrennelement (5) aufweist, und mit einer optischen Zustandsanzeige (6),wobei das überspannungsbegrenzende Bauelement (2) und die thermisch auftrennende Verbindung (3) elektrisch in Reihe geschaltet sind und die thermisch auftrennende Verbindung (3) dann auftrennt und damit das überspannungsbegrenzende Bauelement (2) elektrisch abtrennt, wenn die Temperatur des überspannungsbegrenzenden Bauelements (2) eine Grenztemperatur überschreitet, undwobei die optische Zustandsanzeige (6) eine elektrische Abtrennung des überspannungsbegrenzende Bauelements (2) anzeigt,dadurch gekennzeichnet,dass eine Überstromschutzeinrichtung (7) und eine Abtrennvorrichtung (8) elektrisch in Reihe zu dem überspannungsbegrenzenden Bauelement (2) und der thermisch auftrennenden Verbindung (3) angeordnet sind,dass die Überstromschutzeinrichtung (7) und die Abtrennvorrichtung (8) energetisch so zueinander koordiniert sind, dass das Schmelzintegral It der Überstromschutzeinrichtung (7) geringer als das Schmelzintegral der Abtrennvorrichtung (8) ist, unddass die Abtrennvorrichtung (8) mechanisch mit der thermisch auftrennende Verbindung (3) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzanordnung mit mindestens einem überspannungsbegrenzenden Bauelement, insbesondere einem Varistor, mit einer thermisch auftrennenden Verbindung, die eine temperatursensible Lotstelle und ein Abtrennelement aufweist, und mit einer optischen Zustandsanzeige. Darüber hinaus betrifft die Erfindung noch eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer zwei Elektroden aufweisenden Funkenstrecke und mit einem die Funkenstrecke zündenden Zündkreis.
Bei Überspannungsschutzanordnungen, die einen Varistor als überspannungsbegrenzendes Bauelement aufweisen, werden häufig thermische Abtrenneinrichtungen als Abschaltelemente eingesetzt, die auf dem Auftrennen einer Lotverbindung beruhen. Hierzu sind der Varistor und die mit dem Varistor über die Lotstelle thermisch gekoppelte Abtrenneinrichtungen elektrisch in Reihe geschaltet, so dass die thermische Abtrenneinrichtungen dann auftrennt und damit den Varistor elektrisch abtrennt, wenn die Temperatur des Varistors eine Grenztemperatur überschritten hat. Die thermische Abtrenneinrichtung bzw. deren Abtrennelement ist dabei häufig derart mechanisch mit einer optischen Zustandsanzeige verbunden, so dass die optische Zustandsanzeige eine elektrische Abtrennung des Varistors anzeigt.
Aus der DE 20 2004 006 227 U1 ist ein Überspannungsschutzelement mit einer thermischen Abtrenneinrichtung bekannt, bei dem bei Überhitzung des Varistors eine zwischen dem Varistor und einem Abtrennelement vorgesehene Lotverbindung aufgetrennt wird, was zu einem elektrischen Abtrennen des Varistors führt. Außerdem wird beim Auftrennen der Lotverbindung ein Kunststoffelement durch die Rückstellkraft einer Feder aus einer ersten Position in eine zweite Position verschoben, in der das als federnde Metallzunge ausgebildete Abtrennelement durch das Kunststoffelement thermisch und elektrisch vom Varistor getrennt ist, so dass ein eventuell zwischen der Metallzunge und der Kontaktstelle des Varistors anstehender Lichtbogen gelöscht wird. Das Kunststoffelement weist zwei nebeneinander angeordnete farbige Markierungen auf, so dass es gleichzeitig auch als optische Zustandsanzeige fungiert, wodurch der Zustand des Überspannungsschutzelements einfach vor Ort abgelesen werden kann. Zusätzlich kann der Zustand des Überspannungsschutzelements auch über einen Fernmeldekontakt angezeigt werden, der von dem Kunststoffelement betätigt wird.
Zum Schutz von Varistoren gegen alterungsbedingte Schäden, die zu einer allmählichen Erwärmung des Varistors führen, haben sich derartige thermische Abtrenneinrichtungen in ihren verschieden Ausführungsvarianten in der Praxis bewährt. Ein Nachteil von thermischen Abtrenneinrichtungen bzw. thermisch auftrennenden Verbindungen ist jedoch ihr begrenztes Schaltvermögen und ihre relative Trägheit. Bei hohen Impulsströmen oder Kurzschlussströmen kann dies dazu führen, dass das Überspannungsschutzelement zerstört wird, bevor die thermische Abtrenneinrichtung aufgrund einer Erwärmung des Überspannungsschutzelements aufgetrennt hat. Um eine hohe Isolations- und Kriechstromfestigkeit zu gewährleisten und einen beim Öffnen der Trennstelle, d. h. beim Auftrennen der Lotverbindung zwischen dem Abtrennelement und dem Anschluss des Varistors, entstehenden Lichtbogen zu löschen, muss außerdem ein möglichst großer Abstand zwischen dem Abtrennelement und dem Anschluss des Varistors erzielt werden. Dies ist aufgrund der begrenzten Einbauverhältnisse jedoch oft nicht möglich, so dass ein Netzfolgestrom nicht oder nicht sicher gelöscht werden kann, was zu einer vollständigen Zerstörung des Überspannungsschutzelements führen kann.
Neben den zuvor beschriebenen thermischen Abtrenneinrichtungen bzw. thermisch auftrennenden Verbindungen werden im Stand der Technik auch Überstromschutzeinrichtungen, insbesondere Schmelzsicherungen, zur elektrischen Abtrennung von Überspannungsschutzelementen oder zur Auftrennung von Stromkreisen bei Überlastung eingesetzt. In der Regel bestehen Schmelzsicherungen aus einem isolierenden Körper, der zwei durch einen dünnen Leiter, den Schmelzleiter, verbundene elektrische Kontakte aufnimmt. Der Schmelzleiter erwärmt sich aufgrund des durch ihn fließenden Stroms und schmilzt, wenn für eine bestimmte Zeit eine bestimmte Stromstärke überschritten wird. Dieser für Schmelzsicherungen charakteristische Wert wird als Schmelzintegral I²t (Integral über das Quadrat des Stromes während der Schmelzzeit) beschrieben und stellt ein Maß für die Energie dar, die gerade noch nicht zur Auslösung der Sicherung führt. Steigen der Strom I oder die Zeit t, während der der Strom I über die Schmelzsicherung fließt weiter an, so führt dies zum Auslösen der Sicherung, d. h. der Schmelzleiter schmilzt. Dies führt zunächst dazu, dass ein Lichtbogen zwischen den beiden Kontakten ansteht. Der Spannungsabfall über dem Lichtbogen führt zu einer zunehmenden Reduzierung des über die Schmelzsicherung fließenden Stromes, bis der Lichtbogen und damit auch der Strom schließlich erlischt. Die dabei umgesetzte Energie wird als Löschintegral I_L ²t (Integral über das Quadrat des Stromes während der Löschzeit) bezeichnet und ist in der Regel kleiner als das Schmelzintegral I²t. Der Ausschaltvorgang einer Schmelzsicherung erfolgt somit zeitlich in zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten, der Schmelzzeit und der Löschzeit, wobei die Summe aus Schmelzintegral und Löschintegral als Ausschaltintegral bezeichnet wird.
Damit eine Sicherung im Kurzschlussfall sicher abschalten kann, ist es wichtig, dass ihr Schaltvermögen nicht überschritten wird. Das Schaltvermögen ist der maximal zu erwartende Kurzschlussstrom, den die Sicherung noch sicher abschalten kann, ohne dass ein Lichtbogen stehen bleibt oder die Sicherung selbst zerstört wird. Soll eine Sicherung ein hohes Schaltvermögen aufweisen, so führt dies in der Regel dazu, dass die Sicherung auch einen hohen Schmelzintegralwert hat, und somit einen kleineren Strom erst nach einer entsprechend längeren Zeit des Stromflusses durch die Sicherung unterbricht.
Ein weiterer Nachteil von Schmelzsicherungen ist die schlechte Signalisierbarkeit für den Fall, dass sie ausgelöst haben. Ist der Schmelzleiter zusätzlich noch von einem Löschmittel umgeben, so ist es schwierig zu erkennen, ob der Schmelzleiter bereits durchtrennt oder noch intakt ist. Somit ist für einen Benutzer nicht ohne weiteres und insbesondere nicht aus der Ferne feststellbar, ob eine Überspannungsschutzanordnung durch eine ausgelöste Sicherung abgetrennt worden ist. Darüber hinaus ist mit einer Schmelzsicherung eine Schädigung der Überspannungsschutzanordnung bzw. des überspannungsbegrenzenden Bauelements aufgrund von Alterung nur schwer detektierbar, da der dabei in der Regel über die Überspannungsschutzanordnung fließende Leckstrom nicht so groß ist, dass die Schmelzsicherung auslöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzanordnung zur Verfügung zu stellen, bei der die zuvor genannten Nachteile vermieden werden und bei der auch bei hohen Impulsströmen eine sichere Abtrennung der Überspannungsschutzanordnung gewährleistet ist.
Diese Aufgabe ist bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine Überstromschutzeinrichtung und eine Abtrennvorrichtung elektrisch in Reihe zu dem überspannungsbegrenzenden Bauelement und der thermisch auftrennenden Verbindung angeordnet sind, und dass die Abtrennvorrichtung mechanisch mit der thermisch auftrennenden Verbindung verbunden ist.
Bei der erfmdungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung sind somit das überspannungsbegrenzende Bauelement, die thermisch auftrennende Verbindung, die Abtrennvorrichtung und die Überstromschutzeinrichtung alle elektrisch in Reihe zueinander geschaltet. Das überspannungsbegrenzende Bauelement wird somit elektrisch abgetrennt, wenn die thermisch auftrennende Verbindung, die Abtrennvorrichtung oder die Überstromschutzeinrichtung ausgelöst und einen über die Überspannungsschutzanordnung fließenden Fehler- oder Kurzschlussstrom unterbrochen hat. Dadurch, dass der thermisch auftrennenden Verbindung eine Überstromschutzeinrichtung in Reihe geschaltet ist, können die Nachteile einer thermischen Trennstelle ganz oder zumindest weitestgehend vermieden werden. Im Falle eines impulsartigen Stoßstromes oder eines Kurzschlussstromes ist die thermisch auftrennende Verbindung in der Regel zu träge um aufzutrennen, bevor es zu einer Zerstörung der Überspannungsschutzanordnung kommt. In diesem Fall löst bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung die Überstromschutzeinrichtung aus, bei der es sich beispielsweise um eine Schmelzsicherung oder eine elektronische Sicherung handeln kann. Bei einer allmählichen Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements durch Alterung oder einer geringen Spannungsüberhöhung bzw. eines Leckstroms, der nicht zum Auslösen der Überstromschutzeinrichtung führt, spricht die thermisch auftrennende Verbindung an, wenn das überspannungsbegrenzende Bauelement eine Grenztemperatur überschritten hat.
Damit eine elektrische Abtrennung des überspannungsbegrenzenden Bauelements von der optischen Zustandsanzeige nicht nur dann angezeigt wird, wenn die thermisch auftrennende Verbindung anspricht, ist die zusätzliche AbtrennVorrichtung mechanisch mit der thermisch auftrennenden Verbindung verbunden. Vorzugsweise ist dazu die thermisch auftrennende Verbindung zwischen dem überspannungsbegrenzenden Bauelement und der Abtrennvorrichtung realisiert.
Um sicherzustellen, dass von der optischen Zustandsanzeige auch ein Auslösen der Überstromschutzeinrichtung angezeigt wird, sind die Abtrennvorrichtung und die Überstromschutzeinrichtung erfmdungsgemäß energetisch so zueinander koordiniert, dass das Schmelzintegral I²t der Überstromschutzeinrichtung geringer ist als das Schmelzintegral I²t der Abtrennvorrichtung. Dies führt dazu, dass zunächst die Überstromschutzeinrichtung auslöst, bevor dann danach auch die Abtrennvorrichtung aufgrund des zunächst noch weiter fließenden Stromes ihren Schmelzintegralwert erreicht und dann ebenfalls auslöst.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Überstromschutzeinrichtung als Schmelzsicherung ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der für eine Schmelzsicherung benötigte Bauraum relativ gering ist, sodass die Schmelzsicherung relativ einfach in die Überspannungsschutzanordnung integriert werden kann. Darüber hinaus sind Schmelzsicherungen in unterschiedlichen Ausführungsvarianten, insbesondere mit unterschiedlichen Schmelzintegralwerten erhältlich, so dass herkömmliche Schmelzsicherungen für die Überspannungsschutzanordnung verwendet werden können.
Insbesondere bei Verwendung einer Schmelzsicherung als Überstromschutzeinrichtung erfolgt die Koordination von Überstromschutzeinrichtung und Abtrennvorrichtung vorzugsweise so, dass das Schmelzintegral I²t der Abtrennvorrichtung kleiner ist als die Summe aus dem Schmelzintegral I²t und dem Löschintegral I_L ²t der Schmelzsicherung, d. h. das Schmelzintegral I²t der Abtrennvorrichtung ist kleiner als das Ausschaltintegral der Schmelzsicherung. Eine derartige energetische Koordination der Abtrennvorrichtung zur Schmelzsicherung führt dazu, dass die Abtrennvorrichtung während der Löschzeit der Schmelzsicherung auslöst. Dies hat den Vorteil, dass zum Zeitpunkt des Auslösens der Abtrennvorrichtung der über die Überspannungsschutzanordnung fließende Strom bereits geringer ist, als der Strom, der zum Zeitpunkt des Auslösens der Schmelzsicherung geflossen ist. Dadurch verringern sich die Anforderungen an die Abtrennvorrichtung bezüglich ihres Schaltvermögens, da der Strom, den die Abtrennvorrichtung - zusammen mit der Überstromschutzeinrichtung bzw. der Schmelzsicherung - sicher abschalten muss, bereits verringert ist.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung weist die Abtrennvorrichtung mindestens zwei miteinander verbundene isolierende Schichten und eine zwischen den isolierenden Schichten angeordnete Leiterbahn auf. Die isolierenden Schichten weisen dabei jeweils mindestens eine Durchkontaktierung und auf ihren der Leiterbahn abgewandten Außenseite jeweils einen Anschlusskontakt auf, so dass im Normalzustand der Abtrennvorrichtung die Anschlusskontakte über die Durchkontaktierungen und die Leiterbahn elektrisch miteinander verbunden sind. Bei den Durchkontaktierungen kann es sich insbesondere um metallisierte Bohrungen in den isolierenden Schichten handeln. Alternativ dazu können jedoch auch Nieten oder Stifte als Durchkontaktierungen in die isolierenden Schichten eingebracht sein.
Die bei der bevorzugten Ausgestaltung der Abtrennvorrichtung zwischen den mindestens zwei isolierenden Schichten angeordnete Leiterbahn hat dabei die Funktion eines Schmelzleiters, so dass die Leiterbahn bei Erreichen des Schmelzintegralwerts der Abtrennvorrichtung aufschmilzt. Beim Aufschmelzen durchläuft die Leiterbahn dabei die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig, wodurch sich sowohl die Temperatur als auch der Druck zwischen den miteinander verbundenen isolierenden Schichten erhöht. Dies führt dann dazu, dass die Verbindung zwischen den beiden isolierenden Schichten gewollt aufgetrennt wird, wodurch sich der Abstand zwischen den Anschlusskontakten der Abtrennvorrichtung erhöht, so dass ein nach dem Aufschmelzen der Leiterbahn evtl. noch anstehender Lichtbogen gelöscht und die elektrische Verbindung zwischen den Anschlusskontakten unterbrochen wird. Durch die bevorzugte Ausbildung der Abtrennvorrichtung, bei der die beiden isolierenden Schichten im Überlastfall voneinander getrennt sind, ergibt sich darüber hinaus der Vorteil, dass mit der Abtrennvorrichtung eine zweite Trennstrecke realisiert ist, wodurch ein anstehender Lichtbogen - innerhalb der Überstromschutzeinrichtung oder innerhalb der Abtrennvorrichtung - noch schneller und sicherer gelöscht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die beiden isolierenden Schichten jeweils aus einem Basismaterial für Leiterplatten, einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere FR-4, bestehen und im Normalzustand der Abtrennvorrichtung miteinander laminiert oder verklebt sind. Herkömmliches Basismaterial für Leiterplatten, bei dem es sich um einen Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe handelt, hat den Vorteil, dass es isolierend und besonders schwer entflammbar ist, so dass es bei einem Aufbrennen des Schmelzleiters zwischen den isolierenden Schichten nicht zu einer Beschädigung benachbarter Bauelemente kommt. Als Abtrennvorrichtung kann somit eine mindestens zwei Schichten aufweisende Multilayer-Leiterplatte verwendet werden, so dass die Abtrennvorrichtung sehr einfach und platzsparend hergestellt werden kann.
Durch das Laminieren oder Verkleben sind die isolierenden Schichten auf einfache Art und Weise zunächst fest miteinander verbunden. Beim Aufschmelzen der Leiterbahn erhöhen sich die Temperatur und der Druck zwischen den isolierenden Schichten bis zu einem Wert, bei dem die Adhäsionskräfte zwischen den isolierenden Schichten nicht mehr ausreichen, um die Verbindung zwischen den isolierenden Schichten aufrecht zu halten, so dass die eine isolierende Schichte von der anderen isolierenden Schicht „abplatzt“. Durch die Wahl des Klebstoffs und/oder die Beschaffenheit der Leiterbahn kann ein vordefiniertes Schaltvermögen erreicht werden. Außerdem kann durch die Wahl des Materials der Leiterbahn und deren Querschnitt das Schmelzintegral der Abtrennvorrichtung festgelegt werden, so dass die gewollte energetische Koordination mit der Überstromschutzeinrichtung erreicht wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die isolierenden Schichten flächig miteinander verbunden und die Durchkontaktierungen versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Durchkontaktierungen über den Schmelzleiter, der sich zwischen den beiden Basismaterialien befindet, verbunden sind. Durch die versetzte Anordnung der Durchkontaktierungen kann ein großer Abstand zwischen den Anschlusskontakten realisiert werden, ohne dass die Dicke der Abtrennvorrichtung entsprechend groß gewählt werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ein Löschmittel zwischen den isolierenden Schichten angeordnet, das die Leiterbahn umgibt. Das Löschmittel, bei dem es sich beispielsweise um Quarzsand handeln kann, dient zur Kühlung und damit Löschung eines Lichtbogens, der entstehen kann, wenn die Leiterbahn schmilzt oder verdampft. Durch die Kühlung bzw. das Löschen des Lichtbogens wird der Stromfluss über die Abtrennvorrichtung unterbrochen und eine erneute Zündung bei Wiederkehren des Stroms wirksam verhindert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfmdungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung ist vorgesehen, dass an der Abtrennvorrichtung eine Kraft angreift, so dass im Überlastfall die Abtrennvorrichtung von dem überspannungsbegrenzenden Bauelement und/oder die erste isolierende Schicht der Abtrennvorrichtung von der zweiten isolierende Schicht der Abtrennvorrichtung getrennt ist. Dabei kann entweder die thermisch auftrennende Verbindung oder die Abtrennvorrichtung auslösen.
Vorzugsweise ist die thermisch auftrennende Verbindung zwischen dem überspannungsbegrenzenden Bauelement und der Abtrennvorrichtung angeordnet, wobei die Lotstelle einerseits direkt mit dem überspannungsbegrenzendem Bauelement und andererseits mit dem Abtrennelement, beispielsweise einer Metallzunge, verbunden ist. Die Abtrennvorrichtung ist dann mit dem Abtrennelement verbunden, beispielsweise verlötet oder verschweißt. Alternativ zur Ausbildung eines separaten Abtrennelements kann auch die Abtrennvorrichtung die Funktion des Abtrennelements der thermisch auftrennende Verbindung übernehmen. In diesem Fall kann die erste isolierende Schicht mit ihrem Anschlusskontakt über die Lotstelle mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement verbunden sein, wobei dann die Kraft, beispielsweise ein Federelement, an der zweiten isolierenden Schicht der Abtrennvorrichtung angreift.
Wenn die thermisch auftrennende Verbindung auslöst, über die das überspannungsbegrenzende Bauelement mit der Abtrennvorrichtung verbunden ist, und die Abtrennvorrichtung mit einer Kraft beaufschlagt ist, die vom überspannungsbegrenzenden Bauelement weggerichtet ist, dann wird die gesamte Abtrennvorrichtung vom überspannungsbegrenzenden Bauelement gelöst und vom überspannungsbegrenzenden Bauelement wegbewegt. Wenn dagegen die Abtrennvorrichtung auslöst und die Leiterbahn schmilzt, so dass die erste isolierende Schicht von der zweiten isolierenden Schicht abgetrennt wird, verbleibt die erste isolierende Schicht, die über die thermisch auftrennende Verbindung mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement verbunden ist, an Ort und Stelle, d. h. mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement verbunden. Die zweite isolierende Schicht wird jedoch aufgrund der an ihr angreifenden Kraft von dem überspannungsbegrenzenden Bauelement wegbewegt. In beiden Fällen entsteht ein ausreichend großer Abstand zwischen den beiden die Trennstelle bildenden Bauteilen, dem überspannungsbegrenzenden Bauelement und der ersten isolierenden Schicht oder den beiden isolierenden Schichten der Abtrennvorrichtung, so dass kein Lichtbogen in der Trennstelle ansteht bzw. ein anstehender Lichtbogen durch die Trennung gelöscht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Federelement vorgesehen, durch das die an dem Abtrennelement, insbesondere an der zweiten isolierenden Schicht des Abtrennelements, angreifende Kraft erzeugt wird. Das Federelement kann je nach Bauweise der Überspannungsschutzanordnung eine Spiralfeder, ein federnder Arm oder eine federnde Metallzunge sein, die es ermöglicht, dass ein Teil der Abtrennvorrichtung oder die ganze Abtrennvorrichtung aus ihrer ursprünglichen Position vom überspannungsbegrenzenden Bauelement wegbewegt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfmdungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung ist vorgesehen, dass die Überspannungsschutzanordnung in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse im Bereich der Abtrennvorrichtung ein Sichtfenster aufweist. Das Sichtfenster ist dabei so angeordnet und ausgebildet, dass eine Positionsveränderung der Abtrennvorrichtung oder einer isolierenden Schicht der Abtrennvorrichtung durch die Ausnehmung erkennbar ist. Diese Weiterbildung der Überspannungsschutzanordnung erlaubt es dem Anwender zu erkennen, ob die Überspannungsschutzanordnung elektrisch abgetrennt ist.
Hierzu kann das Sichtfenster so angeordnet und ausgebildet sein, dass die Abtrennvorrichtung oder die zweite isolierende Schicht der Abtrennvorrichtung nur dann im Sichtfenster sichtbar ist, wenn sich die Überspannungsschutzanordnung im Normalzustand befindet, d. h wenn weder die thermisch auftrennende Verbindung noch die Abtrennvorrichtung ausgelöst hat. Alternativ dazu kann das Sichtfenster auch so angeordnet und ausgebildet sein, dass die Abtrennvorrichtung oder die zweite isolierende Schicht der Abtrennvorrichtung nur dann im Sichtfenster sichtbar ist, wenn sich die Überspannungsschutzanordnung nicht im Normalzustand befindet, d. h wenn die thermisch auftrennende Verbindung oder die Abtrennvorrichtung ausgelöst hat.
Eine weitere Ausgestaltung der Überspannungsschutzanordnung sieht vor, dass die dem Sichtfenster zugewandte Stirnseite der ersten isolierende Schicht visuell von der dem Sichtfenster zugewandten Stirnseite der zweiten isolierende Schicht unterscheidbar ist. Auf diese Weise ist eine gute Signalisierbarkeit für beide möglichen Varianten des Abschaltens der Überspannungsschutzanordnung gegeben. Die Stirnseiten können vorzugsweise unterschiedliche Farben aufweisen. Alternativ dazu können die Stirnseiten sich auch optisch in ihrer Beschaffenheit und/oder Struktur unterscheiden. Wird in einem Fall nur die zweite isolierende Schicht der Abtrennvorrichtung in die zweite Position verbracht, kann der Anwender im Sichtfenster beispielsweise lediglich die zweite isolierende Schicht der Abtrennvorrichtung sehen. Für den Fall, dass die thermisch auftrennende Verbindung auslöst, sieht der Anwender dagegen beide isolierenden Schichten des Abtrennelements im Sichtfenster.
Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung kann grundsätzlich direkt zum Schutz eines Strom- oder Signalpfades oder eines Verbrauches eingesetzt werden, so dass die Überspannungsschutzanordnung entsprechende Anschlusselemente aufweist, mit denen es mit dem zu schützenden Strom- oder Signalpfad verbunden werden kann. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung jedoch in einem Zündkreis einer Überspannungsschutzeinrichtung eingesetzt, die eine Funkenstrecke aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer zwei Elektroden aufweisenden Funkenstrecke und mit einem die Funkenstrecke zündenden Zündkreis, wobei der Zündkreis eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung aufweist. Vorzugsweise weist der Zündkreis dabei neben der Überspannungsschutzanordnung zusätzlich noch eine Zündelektrode und/oder ein Zündelement auf, das benachbart zu einer Elektrode der Funkenstrecke angeordnet ist. Außerdem kann die Überspannungsschutzanordnung auch ein zweites überspannungsbegrenzendes Bauelement aufweisen, insbesondere neben einem Varistor noch einen Gasableiter, wobei die beiden überspannungsbegrenzenden Bauelemente ebenfalls in Reihe zueinander geschaltet sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Überspannungsschutzanordnung kann dann auch der Zündkreis kurzschlusssicher ausgebildet werden.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung sowie die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den Schutzansprüchen 1 und 10 nachgeordneten Schutzansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Überspannungsschutzanordnung,
2 eine Darstellung des Stromquadrates durch eine Schmelzsicherung während des Schmelz- und Löschvorgangs der Schmelzsicherung,
3 eine vereinfachte Darstellung einer Abtrennvorrichtung, in einer Schnittdarstellung,
4 eine vereinfachte Darstellung eines Varistors mit einer thermisch auftrennenden Verbindung und einer Abtrennvorrichtung gemäß 3, und
5 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführung einer Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Überspannungsschutzanordnung.

1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung 1, mit einem überspannungsbegrenzenden Bauelement 2, vorliegend einem Varistor, und mit einer thermisch auftrennenden Verbindung 3. Die thermisch auftrennende Verbindung 3 besteht funktional aus einer Lotstelle 4 und einem mit einer Vorspannkraft belasteten Abtrennelement 5, wobei die thermisch auftrennende Verbindung 3 dann auftrennt und damit das überspannungsbegrenzende Bauelement 2 elektrisch abtrennt, wenn die Temperatur des überspannungsbegrenzenden Bauelements 2 eine Grenztemperatur überschreitet, so dass die Lotstelle 4 aufschmilzt. Die Überspannungsschutzanordnung 1 weist darüber hinaus noch eine in 4 angedeutete optische Zustandsanzeige 6 auf, die eine elektrische Abtrennung des überspannungsbegrenzenden Bauelements 2 anzeigt.
Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung 1 sind dem Varistor 2 und der thermisch auftrennenden Verbindung 3 noch eine Überstromschutzeinrichtung 7, bei der es sich vorzugsweise um eine Schmelzsicherung handelt, und eine Abtrennvorrichtung 8 elektrisch in Reihe geschaltet. Dies führt dazu, dass der Varistor 2 dann elektrisch abgetrennt wird, wenn die thermisch auftrennende Verbindung 3, die Überstromschutzeinrichtung 7 oder die Abtrennvorrichtung 8 ausgelöst hat und dadurch ein über die Überspannungsschutzanordnung 1 fließender Strom, nämlich ein Fehler- oder Kurzschlussstrom unterbrochen worden ist. Im Falle eines impulsartigen Stoßstromes oder eines Kurzschlussstromes, bei dem die thermisch auftrennende Verbindung 3 in der Regel zu träge ist um rechtzeitig aufzutrennen, löst bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung 1 die Überstromschutzeinrichtung 7 aus. Um das Auslösen der Überstromschutzeinrichtung 7 auf einfache Art und Weise mittels der optischen Zustandsanzeige 6 anzuzeigen, ist die Abtrennvorrichtung 8 vorgesehen, die mechanisch mit der thermisch abtrennenden Verbindung 3 verbunden ist. Darüber hinaus sind die Überstromschutzeinrichtung 7 und die Abtrennvorrichtung 8 energetisch so zueinander koordiniert, dass das Schmelzintegral I²t der Überstromschutzeinrichtung 7 geringer ist als das Schmelzintegral I²t der Abtrennvorrichtung.
In 2 ist der zeitliche Verlauf des Stromquadrats durch eine Schmelzsicherung während des Schmelz- und Löschvorgangs der Schmelzsicherung dargestellt. Dabei ist auf der horizontalen Achse (Abszissenachse) die Zeit t und auf der vertikalen Achse (Ordinatenachse) das Stromquadrat I² des über die Schmelzsicherung 7 fließenden Stromes I dargestellt. Die Zeitdauer vom Anfang t₀ des Stromflusses bis zum Auslösezeitpunkt t₁ der Schmelzsicherung 7 wird als Schmelzzeit und das Integral des Stromquadrats während der Schmelzzeit als Schmelzintegral bezeichnet. Das Schmelzintegral I²t stellt dabei ein Maß für die Energie dar, die gerade noch nicht zur Auslösung der Schmelzsicherung 7 führt. Die Zeitdauer vom Auslösezeitpunkt t₁ der Schmelzsicherung 7 bis zum Zeitpunkt t₂, zu dem der Strom erlischt, wird als Löschzeit und entsprechend das Integral des Stromquadrats während der Löschzeit als Löschintegral I_L ²t bezeichnet.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung der erfmdungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung 1 sind die Überstromschutzeinrichtung bzw. die Schmelzsicherung 7 und die Abtrennvorrichtung 8 energetisch so zueinander koordiniert, dass die Abtrennvorrichtung 8 während der Löschzeit der Schmelzsicherung 7 auslöst, d. h. das Schmelzintegral I²t der Abtrennvorrichtung 8 ist kleiner als die Summe aus Schmelzintegral I²t und Löschintegral I_L ²t der Schmelzsicherung 7. Vorzugsweise erfolgt dabei die Auslösung der Abtrennvorrichtung 8 zu einem Zeitpunkt t_A, bei dem sich der Strom durch die Schmelzsicherung 7 bereits auf etwa 40 % bis 60 % des Maximalstroms I_Max reduziert hat. Die Abtrennvorrichtung 8 kann dazu so ausgelegt werden, dass ihr Schmelzintegralwert etwa der Summe aus dem Schmelzintegralwert der Schmelzsicherung 7 und 40 % bis 60 % des Löschintegralwerts der Schmelzsicherung 7 entspricht.
3 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer bevorzugten Ausführung einer Abtrennvorrichtung 8 der erfmdungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung 1. Die Abtrennvorrichtung 8 weist zwei miteinander verbundene isolierende Schichten 9, 10 und eine zwischen den isolierenden Schichten 9, 10 angeordnete Leiterbahnen 11 auf, wobei die isolierenden Schichten 9, 10 vorzugsweise aus einem Basismaterial für Leiterplatten bestehen. Bei der Abtrennvorrichtung 8 handelt es sich somit um eine (mindestens) zwei isolierende Schichten 9, 10 aufweisende Multilayer-Leiterplatte, bei der die isolierenden Schichten 9, 10 flächig miteinander verklebt sind. Die beiden isolierenden Schichten 9, 10 weisen jeweils eine Durchkontaktierung 12 in Form einer metallisierten Bohrung und auf ihren Außenseiten 9a, 10a jeweils einen metallischen Anschlusskontakt 13, 14 auf. Die beiden Anschlusskontakte 13, 14 der Abtrennvorrichtung 8 sind somit im Normalzustand der Abtrennvorrichtung 8, der in 3 dargestellt ist, über die Durchkontaktierungen 12 und die Leiterbahn 11 elektrisch miteinander verbunden.
Wenn über die Abtrennvorrichtung 8 ein Strom fließt, so führt dies zu einer Erwärmung der Leiterbahn 11, die die Funktion eines Schmelzleiters aufweist, so dass die Leiterbahn 11 bei Erreichen des Schmelzintegralwerts der Abtrennvorrichtung 8 aufschmilzt. Das Aufschmelzen bzw. Verdampfen der Leiterbahn 11 führt dazu, dass sich die Temperatur und der Druck zwischen den isolierenden Schichten 9, 10 so weit erhöhen, dass die Adhäsionskräfte nicht mehr ausreichen, um die beiden isolierenden Schichten 9, 10 zusammenzuhalten. Dies führt dann dazu, dass die eine isolierende Schicht 10 von der anderen isolierenden Schicht 9 „abplatzt“ bzw. die als Leiterplatte ausgebildete Abtrennvorrichtung 8 delaminiert. Dadurch wird die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten 13, 14 über die Leiterbahn 11 getrennt, wobei durch die Trennung der beiden isolierenden Schichten 9, 10 ein beim Öffnen der elektrischen Verbindung eventuell anstehender Lichtbogen gelöscht wird. Das Auslösen der Abtrennvorrichtung 8 führt dabei auch zu einem unmittelbaren Verlöschen eines in der Schmelzsicherung 7 noch anstehenden Lichtbogens, so dass der Stromfluss über die Überspannungsschutzanordnung 1 unterbrochen und damit der Varistor 2 elektrisch abgetrennt wird.
4 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine bevorzugte Verbindung zwischen dem Varistor 2 und einer Abtrennvorrichtung 8 gemäß 3. Die Abtrennvorrichtung 8 ist über die Lotstelle 4 elektrisch und mechanisch mit dem Varistor 2 verbunden, so dass die thermisch auftrennende Verbindung 3 zwischen dem Varistor 2 und der Abtrennvorrichtung 8 ausgebildet ist. Die Abtrennvorrichtung 8 bzw. die erste isolierende Schicht 9 bildet dabei funktional das Abtrennelement 5 der thermisch auftrennenden Verbindung 3, wozu an der Abtrennvorrichtung 8 ein Federelement 15 angreift, durch das die Abtrennvorrichtung 8 mit einer Kraft beaufschlagt ist, die von dem Varistor 2 und damit auch von der Lotstelle 4 weg gerichtet ist.
Wenn sich der Varistor 2 aufgrund von Alterung oder geringen Überspannungen zu stark erwärmt, so führt dies zu einem Erweichen der Lotstelle 4, was zu einem Auslösen der thermisch auftretenden Verbindung 3 führt, indem die Abtrennvorrichtung 8 durch die Kraft des Federelements 15 vom Varistor 2 weg bewegt wird. Im Falle eines impulsartigen Stoßstromes, der zu einem Auslösen der Abtrennvorrichtung 8 führt, kommt es zu einem Schmelzen bzw. Verdampfen der Leiterbahn 11, so dass dann die zweite isolierende Schicht 10 durch die Kraft des Federelements 15 von der ersten isolierenden Schicht 9 weg bewegt wird. Beides führt zu einer Unterbrechung des Stromflusses über die Überspannungsschutzanordnung 1 und damit zu einer elektrischen Abtrennung des Varistors 2.
Dadurch, dass die Abtrennvorrichtung 8 als Multilayer-Leiterplatte ausgebildet ist, kann sie sehr geringe Abmessungen aufweisen und einfach über den Anschlusskontakt 13 und die Lotstelle 4 mit dem Varistor 2 verbunden werden. Der für die Anordnung der Abtrennvorrichtung 8 benötigte Platzbedarf innerhalb eines die Überspannungsschutzanordnung 1 aufnehmenden Gehäuses ist somit sehr gering. Um eine Abtrennung des Varistors 2 auf einfache Art und Weise optisch anzeigen zu können, ist eine optische Zustandsanzeige 6 vorgesehen, die die Bewegung der Abtrennvorrichtung 8 bzw. der isolierenden Schicht 10 der Abtrennvorrichtung 8 beim Auslösen der thermisch auftretenden Verbindung 3 oder der Abtrennvorrichtung 8 nutz. Dazu ist in dem Gehäuse der Überspannungsschutzanordnung 1 ein Sichtfenster ausgebildet, unter dem je nach Zustand der Überspannungsschutzanordnung 1 eine Stirnseite der isolierenden Schichten 9, 10 angeordnet ist. Hierzu sind auf den Stirnseiten der isolierenden Schichten 9, 10 vorzugsweise zwei unterschiedlich farbige Markierungen 16, 17 aufgebracht.
5 zeigt schließlich ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 18, die eine zwei Elektroden 19, 20 aufweisende Funkenstrecke 21 und einen die Funkenstrecke 21 zündenden Zündkreis 22 aufweist. Einen wesentlichen Teil des Zündkreises 22 bildet dabei die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung 1, so dass der Zündkreis 22 einen Varistor 2 als ein überspannungsbegrenzendes Bauelement, eine thermisch auftrennende Verbindung 3, eine Schmelzsicherung 7 als Überstromschutzeinrichtung und eine Abtrennvorrichtung 8 in Form einer Multilayer-Leiterplatte aufweist. Darüber hinaus weist der Zündkreis 22 noch eine Zündelektrode 23 auf, die benachbart zur zweiten Elektrode 20 der Funkenstrecke 21 angeordnet ist. Schließlich ist in dem Zündkreis 22 zwischen der Schmelzsicherung 7 und dem Varistor 2 noch ein Gasableiter 24 als zweites überspannungsbegrenzendes Bauelement angeordnet, durch den eine Belastung des Varistors 2 bei geringen Überspannungen unterhalb der Ansprechspannung des Gasableiter 24 verhindert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004006227 U1 [0003]

Claims

Überspannungsschutzanordnung (1) mit mindestens einem überspannungsbegrenzenden Bauelement (2), insbesondere einem Varistor, mit einer thermisch auftrennenden Verbindung (3), die eine temperatursensible Lotstelle (4) und ein Abtrennelement (5) aufweist, und mit einer optischen Zustandsanzeige (6), wobei das überspannungsbegrenzende Bauelement (2) und die thermisch auftrennende Verbindung (3) elektrisch in Reihe geschaltet sind und die thermisch auftrennende Verbindung (3) dann auftrennt und damit das überspannungsbegrenzende Bauelement (2) elektrisch abtrennt, wenn die Temperatur des überspannungsbegrenzenden Bauelements (2) eine Grenztemperatur überschreitet, und wobei die optische Zustandsanzeige (6) eine elektrische Abtrennung des überspannungsbegrenzende Bauelements (2) anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überstromschutzeinrichtung (7) und eine Abtrennvorrichtung (8) elektrisch in Reihe zu dem überspannungsbegrenzenden Bauelement (2) und der thermisch auftrennenden Verbindung (3) angeordnet sind, dass die Überstromschutzeinrichtung (7) und die Abtrennvorrichtung (8) energetisch so zueinander koordiniert sind, dass das Schmelzintegral I²t der Überstromschutzeinrichtung (7) geringer als das Schmelzintegral der Abtrennvorrichtung (8) ist, und dass die Abtrennvorrichtung (8) mechanisch mit der thermisch auftrennende Verbindung (3) verbunden ist.
Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromschutzeinrichtung (7) als Schmelzsicherung ausgebildet ist.
Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzintegral I²t der Abtrennvorrichtung (8) kleiner als die Summe aus dem Schmelzintegral I²t und dem Löschintegral I_L ²t der Schmelzsicherung (7) ist.
Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung (8) mindestens zwei miteinander verbundene isolierende Schichten (9, 10) und eine zwischen den isloierenden Schichten (9, 10) angeordnete Leiterbahn (11) aufweist, und dass die isloierenden Schichten (9, 10) jeweils mindestens eine Durchkontaktierung (12) und auf ihren der Leiterbahn (11) abgewandten Außenseiten (9a, 10a) jeweils einen Anschlusskontakt (13, 14) aufweisen, so dass die Anschlusskontakte (13, 14) im Normalzustand der Abtrennvorrichtung (8) über die Durchkontaktierungen (12) und die Leiterbahn (11) elektrisch miteinander verbunden sind.
Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden isloierenden Schichten (9, 10) jeweils aus einem Basismaterial für Leiterplatten, insbesondere FR-4, bestehen und im Normalzustand der Abtrennvorrichtung (8) miteinander laminiert oder verklebt ist.
Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden isloierenden Schichten (9, 10) flächig miteinander verbunden sind und die Durchkontaktierungen (12) versetzt zueinander angeordnet sind.
Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Löschmittel vorgesehen ist, das die Leiterbahn (11) umgibt, wobei als Löschmittel vorzugsweise Quarzsand verwendet wird.
Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abtrennvorrichtung (8) eine Kraft, insbesondere ein Federelement (15), angreift, so dass im Überlastfall die Abtrennvorrichtung (8) vom überspannungsbegrenzenden Bauelement (2) und/oder die erste isolierende Schicht (9) von der zweiten isolierenden Schicht (10) der Abtrennvorrichtung (8) getrennt ist.
Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzanordnung (1) in einem Gehäuse angeordnet ist, dass das Gehäuse im Bereich der Abtrennvorrichtung (8) ein Sichtfenster aufweist und dass die dem Sichtfenster zugewandte Stirnseite der ersten isolierenden Schicht (9) visuell von der dem Sichtfenster zugewandten Stirnseite der zweiten isolierenden Schicht (10) der Abtrennvorrichtung (5) unterscheidbar ist, insbesondere die beiden Stirnseiten eine unterschiedlich farbige Markierung (16, 17) aufweisen.
Überspannungsschutzeinrichtung (18) mit einer zwei Elektroden (19, 20) aufweisenden Funkenstrecke (21) und mit einem die Funkenstrelche (21) zündenen Zündkreis (22), dadurch gekennzeichnet, dass der Zündkreis (22) eine Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Überspannungsschutzeinrichtung (18) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündkreis (22) zusätzlich eine Zündelektrode (23) und/oder ein Zündelement aufweist.