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Schutzschaltung für elektronische Geräte und Bauelemente Es ist eine
Schaltung zum Schutz empfindlicher elektronischer Schaltelemente, wie Transistoren,
Schaltdioden od. dgl., bekannt, die diese Schaltelemente gegen durch Starkstrombeeinflussung
auf der Eingangsleitung hervorgerufene Überspannungen dadurch schützt, daß quer
zur Übertragungsrichtung der zu schützenden Elemente ein Überspannungsableiter angeordnet
ist, dem weitere Schutz elemente in Form von Dioden nachgeschaltet sind. Der Überspannungsableiter
weist eine niedrige Ansprechspannung auf. Er ist als Grobschutz wirksam, da er beim-Auftreten
von Uberspannungen zuerst anspricht, während die im Übertragungsweg nachgeschalteten
Dioden nur mit der am Überspannungsableiter auftretenden Restspannung beaufschlagt
werden (vergleiche DT-AS 1 517 026).
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Nachteilig an dieser bekannten Schutzschaltung ist, daß kein Schutz
gegen schnell ansteigende Überspannungen besteht, da der durch die Dioden gegebene
Feinschutz erst nach dem Ansprechen des Uberspannungsableiters (Grobschutz) wirksam
wird. Die Ansprechzeit von Uberspannungsableitern bei steilen Uberspannungen ist
im Vergleich zur Ansprechzeit von elektronischen Bauelementen, wie z.B. Dioden,
relativ groß, so daß hohe Überspannungsspitzen auftreten können, wodurch unter Umständen
eine Zerstörung der in Sperrichtung beanspruchten Dioden bei den bekannten Schutzeinrichtungen
möglich ist.
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Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für elektronische Geräte
und Bauelemente gegen steil ansteigende Überspannungen auf deren Eingangsleitungen,
die nach einem völlig anderen Prinzip arbeitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, empfindliche elektronische
Geräte und Bauelemente gegen steil ansteigende Überspannungen, wie sie z.B. in Energieversorgungsnetzen,
Hochspannungsanlagen und Versuchsaufbauten durch Über- oder Durchschläge von Isolier-
oder Prüfanordnungen entstehen können, wirksam zu schützen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Eingangsleitungen
durch eine schnell ansprechende elektronische Schalteinrichtung gesperrt und der
fließende Kurzschlußstrom in ein Element höherer SLromtragfähigkeit (Funkenstrecke,
Überspannungsableiter od. dgl.) kommutiert wird.
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Das Prinzip der erfindungsgemäßen schnell ansprechenden elektronischen
Überspannungsschutzeinrichtung beruht darauf, daß parallel zur Übertragungseinrichtung
eine elektronische Schalteinrichtung beim Auftreten von Überspannungen den Ausgang
der Schalteinrichtung sperrt. Die erwünschte kurze Ansprechzeit der Schalteinrichtung
wird durch Verwendung von schnell schaltenden elektronischen Schaltelementen erreicht,
deren Ansprechzeit im Nanosekundenbereich liegt. Der Spannungsabfall an einem im
Zuge der Leitung eingeschalteten Längswiderstand; der-durch den während der Überspannung
fließenden hohen Strom entsteht, zündet ein Element höherer Stromtragfähigkeit,
beispielsweise einen Überspannungsableiter, wodurch der Strom von der elektronischen
Schalteinrichtung in dieses Element höherer Stromtragfähigkeit kommutiert -wird.
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Mit Vorteil besteht die elektronische Schalteinrichtung aus zwei
entgegengesetzt geschalteten Dioden, denen je eine Zenerdiode entgegengesetzt in
Reihe geschaltet ist, wobei die Dioden und Zenerdioden quer zur Ubertragungsrichtung
vor dem zu schützenden elektronischen Gerät oder Bauelement angeordnet sind und
wobei ferner quer zur Übertragungsrichtung und im Ubertragungsweg vor den Dioden
neben einem Überspannungsableiter ein weiteres Schutzelement in Form einer Funkenstrecke
vorgesehen ist.
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Die Dioden und Zenerdioden können durch eine gesonderte Spannungsquelle
vorgespannt sein.
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Durch die Verwendung vorgespannter Schaltdioden als Schaltelement
wird ein Ansprechen der elektronischen Schalteinrichtung bis zum Überschreiten eines
durch die Zenerdioden vorgegebenen Spannungswertes ermöglicht und dadurch eine Begrenzung
der Überspannung am Ausgang der Schutzschaltung bewirkt. Zum Schutz gegen Überspannungen
unterschiedlicher Polarität ist ein Diodenpaar mit antiparallel geschalteten Dioden
vorgesehen.
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Durch die zusätzliche Vorspannung der kapazitätsarmen Schaltdioden
in Sperrichtung ist kein wesentlicher Einfluß auf das Meßsignal auch bei Übertragung
hoher Frequenzen (bis über 100 MKz) vorhanden.
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Die von der elektronischen Schalt einrichtung zum Eingang eines Meßkabels
geführten Leitungen sind zur Kompensation des Überschwingens günstigerweise gekreuzt
geführt. Derartige Überschwingungen können mit zunehmender Steilheit der Überspannung
während des Schaltvorganges der elektronischen Schalteinrichtung in der zwischen
deren Klemmen und dem Eingang des Meßkabels gebildeten Meßschleife durch die dort
induzierte Spannung -und durch den Spannungsabfall an der Eigeninduktivität der
Schaltelemente entstehen.
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Mit-Vorteil ist in der Eingangsleitung ein Kommutierungswiderstand
vorgesehen und so wählbar, daß er zusammen mit dem Innenwiderstand des das Meßsignal
liefernden Elementes als Kabelabschlußwiderstand dient.
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Von Vorteil ist ferner, wenn dem einen statischen Schutz bildenden
Überspannungsableiter, der bei relativ langsam ansteigenden Überspannungen anspricht,
ein dynamischer Schutz in Form einer Funkenstrecke parallel geschaltet ist und die
Funkenstrecke zur Verbesserung des Zündverhaltens als Gleitanordnung ausgeführt
ist. Eine als Gleitanordnung ausgebildete Funkenstrecke besitzt eine niedrige Ansprechspannung
und eine günstige Stoßkennlinie.
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Für hohe Kurzschlußströme ist es vorteilhaft, wenn weitere Funkenstrecken
mit höherer Schaltleistung im Übertragungsweg vor dem Überspannungsableiter bzw.
der ersten Funkenstrecke quer zur Übertragungsrichtung angeordnet sind.
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Auch die zusätzlichen Funkenstrecken werden mit Hilfe von Serienwiderständen
angekoppelt, durch die der Strom aus den vorgeschalteten Schaltelementen (Funkenstrecke
bzw. Überspannungsableiter) kommutiert wird. Damit erhält man ein stufenweises Fortschalten
des infolge von Durchschlägen, Schalthandlungen od. dgl. auftretenden Überstromes
in immer höher belastbare Schaltelemente, so daß neben der erforderlichen kurzen
Ansprechzeit auch eine hohe Abschaltleistung gewährleistet ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung für elektronische
Geräte und Bauelemente gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt eine Schutzschaltung gemäß der Erfindung mit erhöhter
Abschaltleistung durch eine Folgeschaltung von Funkenstrecken.
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Der Eingang 1 der in Fig. 1 dargestellten elektronischen Schutzschaltung
2 ist mit der Ableitung eines Prüflings 3, an dem beispielsweise eine Teilentladungsmessung
vorgenommen wird, verbunden. Der Ausgang 4 der Schutzschaltung 2 kann über ein Meßkabel
5 an einen zeichnerisch nicht dargestellten Kathodenstrahloszillographen, der das
zu schützende Bauelement darstellt, angeschlossen sein. Die Schutzschaltung 2 weist
zwei entgegengesetzt gepolte (Schalt-)Dioden 6, 7 auf, denen je eine Zenerdiode
8, 9 entgegengesetzt in Reihe geschaltet ist. An die- Verbindungsleitungen der Diode
6 und der Zenerdiode 8 einerseits sowie der Diode 7 und der Zenerdiode 9 andererseits
sind Ableitwiderstände 10 bzw. 11 in Reihe mit Blockkondensatoren 12 bzw. 13 angeschlossen.
Zwischen den Ableitwiderständen 10, 11 befindet sich eine Spannungsquelle 14, durch
die die Dioden 6, 7 mit Hilfe der Zenerdioden 8, 9 an eine Vorspannung gelegt sind.
Die Dioden 6, 7 bzw. Zenerdioden 8, 9 sind quer zur Übertragungsrichtung an die
Eingangsleitung 15 für das zu schützende Bauelement angeschlossen und begrenzen
die Überspannung auf den Wert der Vorspannung. Im Übertragungsweg sind vor den Dioden
6, 7 bzw. Zenerdioden 8, 9 quer zur Übertragungsrichtung ein Überspannungsableiter
16 und eine Funkenstrecke 17 vorgesehen, die über einen in die Eingangsleitung 15
geschalteten Kommutierungswiderstand 18 mit den Dioden 6, 7 bzw. Zenerdioden 8,
9 gekoppelt sind. Die Ansprechzeit der Schaltdioden 6, 7 liegt im Nanosekundenbereich
(beispielsweise bei 1.. ns), während die Ansprechzeit des Überspannungsableiters
16 6 (beispielsweise ca. 1 ps) und der Funkenstrecke 17 (beispielsweise ca. 100
ns) um mindestens eine Größenordnung höher ist. Die
Ansprechspannung
der Zenerdioden 8, 9 ist der Meßspannung in dem Prüflingszweig (Spannung ue am Meßwiderstand
Re in Fig. 1) angepaßt, so daß-unter Normalbedingung-en---die Schutzeinrichtung
sich gegenüber dem zu schützenden elektronischen Gerät oder Bauelement durch die
geringe Eigenkapaität der Schaltdioden 6, 7 neutral verhält. Im Falle eines Durchschlages
des Prüflings 3 treten jedoch hohe Überspannungen auf, die das zu schützende Gerät
oder Bauelement, beispielsweise empfindliche Meßeinrichtungen, wie KathodenstrahIoszillographen,
gefährden oder gar zerstören können. Hier schafft die Erfindung Abhilfe.
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Durch die elektronischen Schalter (Dioden 6, 7) wird nämlich mit einer
praktisch vernachlässigbaren Zeitverzögerung von nur wenigen Nanosekunden der in
der Meßschleife fließende Strom begrenzt. Da die Schaltdioden 6, 7 nur kurzzeitig
hohe Ströme führen können, wird mit Hilfe des Spannungsabfalles am Serienwiderstand
18 der Strom in den Überspannungsableiter 16 (statischer Schutz) bzw. in die Funkenstrecke
17 (dynamischer Schutz) kommutiert.
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Für sehr hohe Kurzschlußströme bzw. Überströme, d.h. für hohe Abschaltleistungen
kann'es von Vorteil sein, wenn eine oder mehrere weitere Funkenstrecken F51. . FS
vorgesehen sind, in die mittels weiterer in die Eingangsleitung 15 eingeschalteter
Serienwiderstände R1... Rn der Strom aus der jeweils vorhergehenden Funkenstrecke
kommutiert wird (Fig. 2). Dadurch erhält man eine mehrstufige Schutzanordnung, die
für hohe Abschaltleistungen geeignet ist.
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Die Dioden 6, 7 besitzen eine im Vergleich zu den Zenerdioden 8, 9
sehr geringe Eigenkapazität. Durch die Reihenschaltung der Dioden 6, 7 mit den Zenerdioden
8, 9 wird sichergestellt, daß eine Herabsetzung der oberen Grenzfrequenz durch die
Eigenkapazität der Dioden am Ausgang der Schutzschaltung vernachlässigbar bleibt.
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Bei steilen Überspannungen tritt beim Ansprechen der Schaltdioden
6, 7 ein schneller Stromanstieg auf, der in der Meßschleife eine Spannung induziert,
die sich als Überschwingen vor der Begrenzung bemerkbar macht. Dieses Überschwingen
läßt sich auf einfache Weise durch entsprechenden Aufbau der Meßschleife kompensieren.
Das wird dadurch erreicht, daß die einen Teil der Meßschleife bildenden Eingangs-
und Erdleitungen 19, 20, wie in Fig. 1 schraffiert dargestellt, gekreuzt zu dem
Meßkabel 5 des zu schützenden Bauelementes geführt sind.
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Der schnelle elktronische Überspannungsschutz bietet nicht nur empfindlichen
Meßeinrichtungen, wie Kathodenstrahloszillographen, digitalen Meßeinrichtungen usw.,
einen wirksamen Schutz, sondern ist überall dort anwendbar, wo empfindliche elektrische
bzw. elektronische Geräte und Bauelemente vor Überspannungen bzw. -strömen geschützt
werden müssen. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Meß- und Prüfvorgänge, bei denen
die Gefahr von Durch- oder Überschlägen des Prüfobjektes nicht mit Sicherheit ausgeschlossen
werden können, sowie Einrichtungen in Energieversorgungsnetzen, die mit elektronischen
Bauelementen bestückt sind, wie selektive Schutz- oder Meßeinrichtungen, und durch
den Einsatz im Netz besonders durch Überspannungen gefährdet sind.