DE2443285A1

DE2443285A1 - Niederspannungs-schutznetzwerk

Info

Publication number: DE2443285A1
Application number: DE2443285A
Authority: DE
Inventors: Gaylord D Jonassen
Original assignee: TELECOMMUNICATIONS IND
Current assignee: TELECOMMUNICATIONS IND
Priority date: 1973-09-14
Filing date: 1974-09-10
Publication date: 1975-03-20
Also published as: SE7410811L; JPS5088545A; US3890543A; FR2244283B3; GB1486448A; BR7407640D0; CA1036658A; SE419686B; FR2244283A1

Description

OH.-ING. DIPL.-ING. M. SC DICL -»ΜΥΓ. OH. ΟΙίΙ,-PHVS.

HÖGER - STELLRECHT - GiHESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

244328b

Λ 40 867 b

a - 163

5. September 1974

Telecommunications Industries, Inc, 1375 Akron Street Copiague, New York / USA

Niederspannungs-Schutznetzwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein NiedersDannungs-Schutznetz-' werk gegen Überspannungen und schützt einen elektrischen Verbraucher dadurch, dass es parallel zur Versorgungsquelle angeordnet ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Niederspannüngs-Schutznetzwerk, welches in der Lage ist, solche elektrischen und elektronischen Bauelemente wie integrierte Schaltungen,

509812/0342

A 40 867 b

a - 163

5. September 1974 - 2 - 2443285

Halbleiternetzwerke, empfindliche Festkörperschaltelemente und sonstige elektrischen Verbraucher zu schützen, die nicht in der Lage sind,irgendeinem nennenswertem Leitungsungleichgewicht oder einem über ihren Anschlüssen erscheinendem Spannungsunterschied, der einen vorgegebenen Wert überschreitet, zu widerstehen.

Bisher wurde im Falle,dass auf einem Leitungspaar ein Ungleichgewicht oder ein Spannungsunterschied auftrat, eine Vielzahl von spannungsgesteuerten oder sonstigen Überspannungsableiter-Netzwerken verwendet, deren Wirkungsweise so ist, dass bei Erreichen eines vorgegebenen Spannungshöhendifferentials über dem zu schützendem Leitungszug ein bisher offener Leitungszweig als Ableitwiderstand (shunt) in der Weise wirksam wurde, dass sich ein Kurzschlussweg quer über den Leitungszweig ergab oder dass alternativ ein Kurzschluss gegen Masse hergestellt wurde.

Obwohl unter bestimmten Arbeitsbedingungen solche bekannten tiberspannungsableiter und fiberspannungsableiter-Netzwerke zufriedenstellend arbeiteten, sind sie für sich gesehen jedoch nicht in der Lage den heute üblichen, auf einer fortgeschrittenen Technologie beruhenden Schaltungen einen ausreichenden Schutz gegenüber auftretenden Spannungsunterschieden, Stosswellen, Spannungswellen, Leitungsungleichgewichten und dergleichen zu gewähren. Im Gegenteil sind nämlich die bisher bekannten Überspannungsableiter und f^fberspannungsableiter-Netzwerke während eines Zeitraumes von bis zu 1 /us nach Auftreten des störenden Snannungsunterschiedes (dies ist ein kritisches Zeitintervall für den Schutz von heute üblichen

509812/0342

A 40 8G7 b

fortgeschrittenen integrierten Schaltungen) im wesentlichen nutzlos, da die meisten der bekannten überspannungsableiter eine Zeitverzögerungscharakteristik von mindestens 1 /us aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Niedersnannungs-Schutznetzwerk gegenüber Überspannungen zu schaffen, welches Leitungsspannungsunterschiede nahezu unmittelbar begrenzt und ableitet, so dass sich auch ein Schutz für die sehr fortschrittlichen integrierten Schaltungskreise heutiger Zeit ergibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs erwähntem Niederspannungs-Schutznetzwerk und besteht erfindungsgemäss darin, dass ein Paar bei Auftreten eines Leitungsungleichgewichts unmittelbar auslösende und elektrisch in Reihe geschaltete Halbleiterschaltelemente (Zenerdioden)-vorgesehen und so angeordnet sind, dass sie in entgegengesetzter Polung gegeneinander geschaltet sind und dass ein mehrere Elektroden aufweisender Gasröhren^-Überspannungsableiter mit einer seiner Elektroden elektrisch an Masse liegt und so ausgebildet ist, dass der Überspannungsableiter bei einer unterhalb einer die Zerstörung der Zenerdioden bewirkenden Spannungshöhe leitend schaltet, wobei die gegeneinander geschalteten Zenerdioden direkt parallel zu den nichtgeerdeten Elektroden des Überspannungsabieiters und das gesamte Schutznetzwerk elektrisch so über die Energiequelle geschaltet ist, dass es in einer parallelen Ableitanordnung zum elektrischen Verbraucher liegt.

- 4

09812/0342

A 40 867 b _0/ , „_Qr

a - 163 244328b

5. September 1974 - 4 -

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung vorliegender Erfindung weist ein solches Überspannungs-Schutznetzwerk dann noch die Fähigkeit auf/unter langanhaltenden Überlastbedingungen abzuschalten, d.h. das erfindungsgemässe Netzwerk ist in der Lage, sich zur Vermeidung von Feuergefahr selbst aus der Leitung zu nehmen, wobei der zu schützende elektrische Verbraucher gleichfalls mit abgeschaltet wird.

Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemässen Konstruktion, dass ein Schutznetzwerk geschaffen wird, welches im Aufbau und Konstruktion kompakt und kräftig sowie wirtschaftuch in der Herstellung ist.

Von weiterem Vorteil ist, dass die erfindungsgemässe Schutzschaltung ζ v/i sehen der Zenerdioden-Konfiguration und dem Gasröhren-überspannungsableiter im Grunde keine Strombegrenzungswiderstände benötigt, obwohl Strombegrenzungswiderstände auch bei vorliegender Erfindung nutzvoll eingesetzt werden können.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es für die neuen, heutzutage verwendeten elektrischen Bauteile, nämlich integrierte Schaltkreise, Halbleiternetzwerke, empfindliche Festkörperschaltelemente und dergleichen erforderlich ist neue, absolut unmittelbar reagierende Schutzschaltungen zu schaffen, da die bisher verwendeten Schutzschaltungen nicht in der Lage sind, solche empfindlichen Schaltungen innerhalb eines Anfangszeitraumes von 1 /us ausreichend zu schützen und bei entsprechend auftretenden Überspannungen die empfindlichen Grenzschichten der Halbleiterelemente zerstört werden können.

509812/0342

Λ 40 867 b

a - 1 6 3

5. September 1974 -5-

Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, umfasst die Erfindung einen drei Elektroden aufweisenden Gasröhren-überspannungsableiter, über dessen Endelektroden direkt ein Paar entgegengesetzt geschalteter und gepolter Halbleiterschaltelemente, die beispielsweise Zenerdioden oder dergleichen sein können, angeordnet ist; dieses gesamte Netzwerk ist dann quer und ih Parallelschaltung zur Versorgungsquelle zwischen eine zu schützende Verbraucheranordnung und die Energiequelle geschaltet. Zwar wird im folgenden in Verbindung mit der Schutzschaltung hauptsächlich von einen drei Elektroden aufweisendem

es versteht sich aber überspannungsableiter die Rede sein_;/dass die Erfindung nicht auf diesen Überspannungsableiter beschränkt.ist noch dass die Erfindung überhaupt auf einen solchen Gasröhren-Überspannungsableiter beschränkt ist.

Tritt bei der erfindungsgemässen Schaltung über einem Versorgungsleitungspaar ein Spannungsungleichgewicht'auf, welches oberhalb der Auslösespannung für die Zenerdioden liegt, dann wird nahezu unmittelbar ein Kurzschlusspfad quer zu dem Leitungspaar von der so gebildeten Zenerdioden-Konfiguration geschaffen, es ergibt sich somit ein Shunt bzw. ein Ableitstromweg parallel zum elektrischen Verbraucher, der auf diese Weise gegen einen auftretenden, nicht zulässigen Spannungsunterschied geschützt ist. Falls das Leitungsungleichgowicht andauert und von einer Grosse ist, die zu einer Zerstörung der Diodenkonfiguration führen würde, löst in Übereinstimmung mit den erfindungsgemässen ^Massnahmen dann der Gasröhrenfiber spannungsableiter aus und übernimmt die Farallelbelastung, wodurch eine Zerstörung der Zenerdioden vermieden wird. Es ergibt sich auf diese Weise, dass der Gasröhren-überspannungs-

50981 2/0342

A 40 867 b

a - 163

5. September 1974 - 6 - 2443285

ableiter einen Kurzschlussweg quer zum Leitungspaar bildet, der zusätzlich noch an Masse angeschlossen ist und der sich zu dem von den Dioden gebildeten Pfad unterscheidet und zu diesem getrennt ist. Aufgrund seiner Widerstandseigenschaften und aufgrund seiner Verbindung an Masse übernimmt dann der auf den überspannungsableiter zurückzuführende Kurzschlusspfad die Ableitfunktion der Diodenkonfiguration, die auf diese Weise aktiv geschaltet wird. Man vermeidet auf diese Weise die Möglichkeit, dass die Diodenkonfiguration aufgrund des Leitungsungleichgewichtes ausbrennt, das* von einer Grosse sein kann und für einen solchen Zeitraum andauern kann, dass es die Dioden zerstören würde, wenn diese eine solche Belastung längere Zeit ertragen müssten. Auf diese Weise bildet die Zenerdioden-Schaltung zusammen mit dem dreielektrodigem Gasröhren-Überspannungsableiter ein wirksames Niederspannungs-Schutznetzwerk, welches hinsichtlich seiner Auslösung unmittelbar reagiert.

Als zusätzliches .Merkmal verfügt das erfindungsgemässe Netzwerk über die Fähigkeit zur Abschaltung, wobei im Zustand kontinuierlichen und aufrechterhaltenem Leitungsungleichgewichtes der überspannungsableiter bei Erreichen einer vorbestimmten Temperaturhöhe aus dem Leitungspaar herausgeschaltet wird, so dass jede Feuergefährlichkeit vermieden v/erden kann. Dabei ist wesentlich, dass dieses Herausschalten gleichzeitig auch ein Abschalten des zu schützenden elektrischen Verbraucher.^ bedeutet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

— 7 —

509812/03A2

A 40 867 b

5. September 1974 - 7 -

Ira folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand dor Figuren im einzelnen näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeisniel eines Niederspannungs-Schutznetzwerkes gemäss der Erfindung, wobei das Gehutznetzwerk quer über einen zu schützenden Leitungs-zweig geschaltet ist;

Fig. 2 zeigt in graphischer Darstellung zum Vergleich die Spannungsverläufe über der Zeit von drei unterschiedlichen Zuständen, nämlich einmal d.en Kurvenverlauf "a", der den Zustand eines ungeschützten Leitungspaars während eines Leitungsungleichgewichtes zeigt, den Kurvenverlauf "b", der ein Leitungspaar im Zustand der Überspannung und geschützt durch eine konventionelle flberspannungsschutzeinrichtung zeigt und den Kurvenverlauf "c", der ein Leitungspaar zeigt, welches durch das erfindungsgemässe Nierderspannungs-Schutznetzwerk gesichert ist; '

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiol der Erfindung mit der zugeordneten Möglichkeit der Abschaltung bei andauernder Überbelastung;

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeipiel mit zusätz-

509812/0342

Λ 40 867 b

liehen Strombegrenzungswiderständen in der Schaltung des Schutznetzwerkes und

Fig. 5 zeigt in einer Ouerschnittsdarstellung und teilweise in Seitenansicht einen Ausschnitt aus einem · elektrisch leitenden Kupplungselement, welches als Abschaltsicherung bei * überlastung verwendbar ist.

Im folgenden wird genauer auf die in den Figuren dargestellte Erfindung eingegangen; hierbei zeigt Fig. 1 ein allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnetes Niederspannungs-Schutznetzwerk, dieses Niederspannungs-Schutznetzwerk 10 ist über Kopplungselemente 18 und 18' mit einer verallgemeinert dargestellten elektrischen Umgebung verbunden, nämlich mit einer Energieversorgungsquelle 16, einem elektrischen Verbraucher und einem Leitungspaar 12-12'.

In Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung ist das Schutznetzwerk 10 zwischen die Energieversorgungsquelle 16 und den elektrischen Verbraucher 15 eingeschaltet und besteht aus einem mehrelektrodigem Gasröhren-ttberspannungsableiter 11, der elektrisch quer über das Leitungspaar 12-12' geschaltet ist und dessen Mittelelektrode direkt an Masse angeschlossen ist. Über dem Überspannungsableiter 11, d.h. parallel zu diesem sind unmittelbar Zenerdioden 13 und 14 in einer gegeneinander liegenden Konfiguration (back-to-back configuration) angeordnet, ohne dass es erforderlich ist, zwischen jeder Zenerdiode und der Elektrode, an welcher sie angeschlossen ist, strombegrenzende Schutzwiderstände einzuschalten. Indem man den Betätigungsschwellenwert des Überspannungsabieiters 11 mit den

609812/0342

Λ 40 867 b

Arbeitscharakteristiken der Zenerioden 13 und 14 in Beziehung setzt, gelingt es,den Bedarf für strombegrenzende Widerstände in der Verbindung zwischen jeder Zenerdiode und ihrer zugeordneten Elektrode zu beseitigen, denn die Zenerdioden sind von solchem Aufbau und von einer solchen Auslegung, dass sie in der Lage sind/ v/ährend des Zeitintervalls vor der «Triggerung oder Auslösung des drei Elektroden aufweisenden Gasröhren-Uberspannungsableiters 11 das vorausgesetzte Spannungsdifferential aufrechtzuerhalten. Obwohl bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel das verwendete Netzwerk also von strombegrenzenden Widerständen in der Verbindung zwischen jeder Zenerdiode und ihrer jeweiligen Elektrode frei ist, liegt es innerhalb des erfindungsgemössen Rahmens, bei einem anderen Ausführungsbeispiel als zusätzlichen Schutz zwischen die Zenerdioden und ihre jeweiligen Elektroden strombegrenzende Impedanzen 20 und 20' einzuschalten (siehe Fig. 4). Darüber hinaus ist die Erfindung in ihrer allgemeinen Erfassung auch nicht auf die Verwendung von Zenerdioden über dem Überspannungsableiter begrenzt, sondern kann hier auch allgemein ein Paar Halbleiterschaltelemente verwenden, die in entgegengesetzt gepolter Anordnung so elektrisch gekonpelt sind, dass unabhängig von der Polarität des auf irgendeiner Leitung auftretenden Ungleichgev/ichtes ein geregelter Parallelableitpfad (shunting path) geschaffen ist. Um schliesslich noch ein kompaktes, festes und leicht handzuhabendes Gesamtbauelement zu schaffen, sind der Überspannungsableiter 11 und die Zenerdioden 13 und 14 von einer verpackenden Umhüllung aus isolierendem Material eingekapselt.

Um den erfindungsgemässen Aufbau und die hierzu gehörende

- 10 -

509812/0342

5. September 1974 - 10 -

Wirkungsweise besser zu verstehen,werden im folgenden zunächst die Probleme, genauer dargelegt, die die Erfindung überwinden soll. Insbesondere aufgrund der Entwicklung von Festkörperkomponenten, Halbleiternetzwerken, integrierten Schaltungen und dergleichen haben solche elektrischen Apparate und Systeme ein geradezu winziges Zeitansprechverhalten und arbeiten unter Niederspannungsbedingungen. Daher ist ein grösseres Ungleichgewicht auf der Leitung, die für einen kurzen Zeitraum einen elektrischen Verbraucher beaufschlagt und die für bisher bekannte elektrische Verbraucher durchaus akzeptierbar ist, für Festkörperschaltelementen und ähnliche Systeme von absolut zerstörerischer Wirkung, nämlich für die Halbleiternetzwerke und die heutzutage gängigen integrierten Schaltkreise. Waren daher die Netzwerkschutzanlagen früherer Art, die vor der vorliegenden Erfindung für die Industrie verfügbar waren, für die seinerzeitigen Bauteile, Komponenten und Schaltkreise angemessen, so reagieren solche bekannten Schutz- und Ableitersysteme jedoch nicht in ausreichender Zeit auf Spannungsschwankungen und Leitungsstörungen, um die gegenwärtig benutzten und vorhandenen Baugruppen und Schaltkreise zu schützen.

Zur weiteren Erläuterung wird nunmehr zunächst auf die Darstellung der Fig. 2 Bezug genommen. In Fig. 2 sind im gleichen, einen Spannungsverlauf über der Zeitachse darstellenden Diagramm drei verschiedene Spannungen über der Zeit aufgetragen. Der erste mit dem Bezugszeichen "a" gekennzeichnete Spannungs-Zeitablauf ergibt sich auf einem Leitungspaar bei einem auftretendem Ungleichgewicht, bei welchem über dem Leitungspaar

- 11 -

5098 12/0342

A 40 867 b

5. September 1974 - 11 -

kein Schutznetzwerk angeordnet ist. Als Folge davon verlauft· das Spannungsungleichgewicht über dem Leitungspaar unkontrolliert und würde zweifelsohne nahezu jede elektrische Anordnung oder jeden elektrischen Verbraucher, der mit dem Leitungspaar verbunden ist, schädigen. Dem Diagramm kann entnommen werden, dass die zum Kurvenverlauf "a" gehörenden beiden Spannungsverläufe unkontrolliert auseinanderfallen.

Der mit dem Bezugszeichen "b" der Fig. 2 gekennzeichnete zweite Kurvenverlauf als Spannung über der Zeit tritt an einem Leitungspaar auf während eines Ungleichgewichtszustandes, wobei über dem Leitungspaar ein überspannungsschützwerk bekannter Art angeordnet ist. Wie diesem Kurvenverlauf ohne

ein Leitunqsunaleichgnwicht

Schwierigkeit entnommen werden kann, existiert/für den Zeitraum von etwa 1 /us; nachdem dann ein ausreichendes Spannungsungleichgewicht oder eine ausreichende überspannung aufgetreten ist und ein ausreichender Zeitraum vergangen ist, damit ein konventionelles Überspannungsnetzwerk getriggert oder ausgelöst werden kann, stabilisiert sich dann das Ungleichgewicht wieder, jedoch erst dann, nachdem ein Zeitraum von annähernd 1 /us vergangen ist.

Der offensichtliche Nachteil bei dem Schutznetzwerk bekannter Art kann durch Untersuchen der Darstellung der Fig. 2 leicht festgestellt werden und liegt darin, dass,wie schon erwähnt, das Ungleichgewicht annähernd 1 /us anhält. Obwohl einige elektrische Anordnungen und Verbraucher durchaus in der Lage sind einer solchen Leitungsüberspannung oder einem solchen Ungleichgewichtszustand für einen solchen Zeitraum zu widerstehen, so fallen doch die neuentwickelten und äusserst fort-

— 12 —

509812/0342

^{A 40}
a - 163

5. September 1974 - 12

schrittlichen Schaltkreise aufgrund der neuen Technologie nicht in diese Kategorie.

Der dritte Kurvenverlauf, der mit dem Bezugszeichen "c" der Fig. 2 gekennzeichnet ist, zeigt die Spannungen über der Zeit, die auf einem Leitungspaar während eines Ungleichgewichtszustandes auftreten und wobei ein nach erfindungsgemässen Richtlinien aufgebautes Schutznetzwerk für einen lliederspannungsstoss oder eine Niederspannungswelle quer über das Leitungspaar gekoppelt ist. Wie der Darstellung ohne weiteres entnommen werden kann zeigt der Spannungs-Zeitverlauf eine nahezu unmittelbare Kopplung der beiden Leitungen/ohne dass über den Leitungen ein nennenswerter Spannungsunterschied auftritt, auf diese Weise erzielt man für die fortgeschrittenen Schaltungen heutiger Zeit einen Schutz gegenüber Spannungsstössen, Spannungsungleichgewichten und dergleichen an Versorgungsleitungen.

In tatsächlichem Betrieb ist das erfiridungsgemässe Niederspannungs-Schutznetzwerk gegenüber einen Snannungsstoss oder eine Spannungswelle unter normalen Betriebsbedingungen nicht eingeschaltet oder verbleibt wirkungslos; es wird der Energiequelle 16 ermöglicht!dem elektrischen Verbraucher 15 über das Leitungspaar 12-12'·Energie zuzuführen. Die gegeneinander geschaltete Zenerdioden-Konfiguration besteht aus Zenerdioden 13 und 14, wie in Fig. 1 dargestellt; diese Zenerdioden können eine Vielzahl von Arbeitseigenschaften aufweisen, als Beispiele seien hier genannt zwei Zenerdioden 13 und 14, die jeweils beide eine Schwellenspannung von 5 V haben. Tritt daher

- 13 -

50 9 812/034 2

A 40 867 b

über den Leitungen 12-12' ein Leitungsungleichgewicht oder eine Spannungswelle von einem Wert auf, der über 5 V liegt, dann wird die aus den beiden Zenerdioden 13 und 14 bestehende gegeneinandergeschaltete Zenerdioden-Konfiguration leitend und bildet einen Leitungsweg quer zu den beiden Versorgungsleitungen 12-12", so dass sich zu dem an die Versorgungsleitungen 12-12' angeschlossenem elektrischen Verbraucher ein paralleler Stromnfad ergibt und der über den Verbraucher fliessende Strom bypassmässig abgeleitet wird. Da die gegeneinandergeschaltete Zenerdioden-Konfiguration praktisch unmittelbar einschaltet, wenn die Diodenschwellenspannung erreicht ist, lassen sich auf diese Weise die Zeitverzögerungseigenschaften bekannter früherer Schutzschaltungen, wie sie weiter oben mit Bezug auf den Kurvenverlauf "b" der Fig. 2 diskutiert worden sind, beseitigen.

Obowhl diese gegeneinandergeschaltete Diodenkonfiguration aus zwei Zenerdioden 13 und 14 in ihrem Schaltverhalten unmittelbar reagiert, wenn einmal die Schwellenspannung erreicht ist und in der Lage ist,einen Ableitpfad für Spannungsungleichgewichts zustände oberhalb einer bestimmten Höhe zu bilden, kann diese Diodenkonfiguration doch nicht unter aufrechterhaltener und ständiger Überspannung arbeiten, wenn die das Ungleichgewicht bewirkenden Überspannungshöhen exzessiv sind, ohne dass sich die Dioden selbst zerstören. Es liegt daher innerhalb der erfindungsgemäss getroffenen Massnahmen,einen drei Elektroden aufweisenden überspannungsableiter 11 vom Gasröhrentyp vorzusehen, um die Last der Querableitung über dem Leitungspaar hinsichtlich des Hauptanteils einer übermässigen Spannungsabweichung zu tragen. Indem die Zeitver-

- 14 -

509812/0342

A 40 867 b

5. September 1974 - 14 -

zögerungseigenschaften bezüglich der Auslösung des Gasröhren-Überspannungsableiters 11 mit den Arbeitseigenschaften der Zenerdioden 13 und 14 koordiniert werden, ist der Gasröhren-Überspannungsableiter 11 in der Lage,bei exzessivem Spannungsungleichgewicht die Zenerdioden-Konfiguration aus der Leitung zu nehmen, und zwar vor ihrer Zerstörung. Diese Zerstörung würde beruhen auf den übermässigen Stromhöhen, die die Dioden wegen des langzeitigen und überhöhten Spannungsungleichgewichtes führen müssten. Indem der überspannungsableiter 11 zur geeigneten Zeit ausgelöst wird und einen Leitungsweg nach Masse bildet, erzeugt der Gasröhren-Uberspannungsableiter 11 zunächst einen zusätzlichen Ableitungspfad, dessen Impedanz geringer ist als der von der Diodenkonfiguration gebildete Pfad; dieser neue Strompfad liegt parallel zu den Dioden 13 und 14 und parallel zu dem elektrischen Verbraucher 15, der geschützt werden soll; des v/eiteren bildet der überspannungsableiter 11 einen Schutz sowohl für die Zenerdioden-Konfiguration als auch für den zu schützenden Verbraucher,indem gegen Masse ein Strompfad niedrigen Widerstandes gebildet wird, der in wirksamer Weise sämtlichen Strom gegen Masse ableiten kann und daher eine Erdschutzbedingung nicht nur für den elektrischen Verbraucher 15, sondern auch für die beiden Dioden 13 und 14 darstellt.

Als Folge dieses einzigartigen Aufbaus führt das Auftreten eines Leitungsungleichgewichtes nicht zur Zerstörung von an das Versorgungsleitungspaar angeschlossenen elektrischen Verbrauchern; der elektrische Verbraucher wird praktisch unmittelbar bei Auftreten eines Leitungsungleichgewichtes oder eines

- 15 -

509812/0342

A 40 867 b ·

5. September 197 4 - 15 -

Spannungsstosses geschützt und es wird eine zu dem elektrischen Verbraucher angeordnete Parallelableitung gegen Masse geschaffen; der auf diese Weise geschaffene Strompfad wirkt sowohl als Mittel zur Zerstreuung und Ableitung des Leitungsungleichgewichtes als auch als Mittel zur rechtzeitigen und wirksamen Passivierung rechtzeitig vor deren Zerstörung, denn die Diodenkonfiguration spricht unmittelbar auf den Leitungsspannungsstoss, der einen Spannungsunterschied bildet, an.

Im folgenden wird auf die Darstellung der Fig. 3 eingegangen, in welcher ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, welches darüber hinaus noch die Fähigkeit zur temperaturabhängigen Ausschaltung oder zum temperaturabhängigem Abkoppeln aufweist, wie dies in·der nichtbekanntgemachten US-Patentanmeldung 313 584 beschrieben ist.

Um zu vermeiden, dass das Niederspannungs-Schutznetzwerk gegen Überspannungen während eines weiterbestehenden Spannungsunterschiedes, also eines Ungleichgewichtes eine Feuergefahr entwickelt, was darüber hinaus dazu führen könnte, dass der elektrische Verbraucher, dessen Schutz hier betrieben wird, wiederum den vollen Spannungsunterschied an seinen Anschlüssen zugeführt bekommt, ist gemäss einer weiteren erfinderischen Massnahme noch eine temperaturempfindliche Ausschaltanordnung vorgesehen, die bei Aktivierung nicht nur das Schutznetzwerk 10 aus der Leitung nimmt, sondern zusätzlich darüber hinaus auch noch den elektrischen Verbraucher 15. '

Grundsätzlich erzielt man eine solche Fähigkeit zur temperaturempfindlichen Abschaltung dadurch, dass Kopplungselemente

- 16 609812/0342

Λ 40 867 b

19 und 19' verwendet werden, um die gesamte Niederspannungsschutzbaugruppe 17, die in einem Gehäuse zwischen der Energiequelle 16 und dem elektrischen Verbraucher 15 angeordnet ist, elektrisch anzukoppeln; die Kopplungselemente 19 und 19¹ verfügen über einen Teilbereich, der aus einer elektrisch isolierenden äusseren Umhüllung besteht, die einen inneren Kern eines elektrisch leitenden Materials einschliesst. Die äussere Umhüllung ist so getroffen und entworfen,dass sie sowohl strukturelle Einheitlichkeit und Festigkeit als auch isolierende und ästhetische Eigenschaften aufweist. Der innere Kern aus elektrisch leitendem Material umfasst eine elektrisch leitende schmelzfähige Auskleidung oder Ausfütterung, die bei Erreichen einer vorbestimmten, einem feuergefährlichem Zustand entsprechenden Temperaturhöhe schmilzt und eine Unterbrechung der elektrischen Leitfähigkeit des Kopplungselementes bewirkt; dies führt zu einer Abschaltung des gesamten Überspannungsschutznetzwerkes und des zu schützenden elektrischen Verbrauchers; es ergibt sich ein offener Spannungskreis ι und die erwähnten Elemente sind nicht mehr an der Energiequelle 16 angeschlossen.

Wie Fig. 3 entnommen werden kann _t ist das das Überspannungs-Schutznetzwerk -umfassende Gehäuse oder Umhüllung 17 identisch mit dem Gehäuse 17 der Fig. 1 und enthält, wie in Fig. 1 dargestellt, den drei Elektroden umfassenden Gasröhren-übersoannungs ableiter 11, zu welchem parallel eine aus den Zenerdioden 13 und 14 bestehende Zenerdioden-Konfiguration in Gegeneinanderschaltung angeordnet ist. Die Kopplungselemente 19 und 19¹ bilden die elektrischen Anschlussteile, um das Niederspannungs-Schutznetzwerk 10 und den elektrischen Verbraucher an das

- 17 -

509812/0342

Λ 4O 8b/ b

Leitungspaar 12-12' anzuschliessen.

Es wird nunmehr in Verbindung mit der Fig. 3 noch auf die Darstellung der Fig. 5 Bezug genommen, die eine teilweise Querschnittsdarstellung der Kopplungselemente 19 und 19 * zeigt als Ausführungsbeispiel für die thermische Abschalt-fähigkeit bei der Erfindung.

Wie Fig. 5 zeigt,besteht das elektrisch leitende Kopplungselement 19 (oder 19') aus einer elektrisch isolierenden äusseren Wandung 21 von zylindrischer Form und bildet einen über die gesamte Länge der Struktur verlaufenden inneren Hohlraum. Wie Fig. 5 weiter zeigt,verfügt das Kopplungselement 19 innerhalb des von der äusseren Wandung 21 gebildeten Hohlraums über eine elektrisch leitende Auskleidung 22, die ebenfalls selber wieder von hohler Konfiguration ist und einen Teilbereich der Wandung ausfüllt, wobei das eine Ende dieser elektrisch leitenden Auskleidung 22 elektrisch mit einer Elektrode des Gasröhren-Überspannungsableiters 11 und das andere Ende der elektrisch leitenden Auskleidung 22 elektrisch über eine Lötverbindung 23 mit einem festen Kern eines elektrisch leitendem Drahtes 24 verbunden ist, der über eine eigene elektrisch leitende Abdeckung 25 verfügt. Dieser feste Kern des elektrisch leitenden Drahtes 24 füllt den Rest des von der Wandung 21 gebildeten Hohlraums aus. Der elektrisch leitende Draht 24 ist dann schliesslich mit seinem freien Ende, d.h. mit dem Ende, welches nicht elektrisch an die schmelzfähige elektrisch leitende Auskleidung 22 angeschlossen ist, elektrisch mit der Leitung 12 (bzw. 12') verbunden. Beim Betrieb und wenn die elektrisch leitenden

-18-

509812/0342 -."-■■

A 40 867 b

5. September 1974 - 18 -

Kopplungselemente 19 oder 19' eine für eine Feuergefahr repräsentative Temperaturhöhe erreichen, verändert sich die elektrisch leitende hohle Auskleidung 22 in eine Flüssigkeit und fliesst in den hohlen freien Raum, der bis dahin von der steifen hohlen Struktur der elektrisch leitenden Auskleidung gebildet gewesen war; dies verursacht dann eine Unterbrechung in der elektrischen Leitung, wodurch das Niederspannungs-Schutznetzwerk 10 und der elektrische Verbraucher 15 von der Energiequelle 16 abgetrennt werden.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass, obwohl die erwähnten elektrisch leitenden Kopplungselemente 19 und 19' entsprechend Fig. 5 über einen elektrisch leitenden Draht und hinsichtlich des verbliebenen Bereiches über eine elektrisc) leitende Auskleidung mit hohlem Aufbau verfügen, die vorliegende Erfindung auf ein solches spezielles Ausführungsbeispiel nicht beschränkt ist. Es versteht sich im Gegenteil, dass die Erfindung gerade für solche unterbrechenden elektrischen Kopplungselemente ein weites Anwendungsfeld für eine Vielzahl von Ausführungsformen offenlässt, die zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 unterschiedlich sind; im weitesten Sinne ist die Erfindung bezüglich der Ausschaltfähigkeit des Kopplungseleroehtes 19 (oder 19') bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur für jedes entsprechende Element anwendbar, welches ein Ausschaltverhalten bei.ansteigender Temperatur aufweist. Die Erfindung bildet auf diese Weise, wie weiter vorn schon erwähnt/eine Schaltung, die letzten Endes die Verbindungsanschlüsse der Energiequelle 16 freischaltet und diese in den Leerlauf bringt.

- 19 -

509812/0342

Λ 40 867 b

a - 163

5. September 1974 - 19 -

In diesem Sinne kann das elektrisch leitende Kupplungselement 19 (oder 19') eine elektrisch leitende Auskleidung 22 von hohler Konfiguration haben, die über die gesamte Länge des elektrisch leitenden Kopplungselementes 19 (oder 19¹) läuft, wodurch der Bedarf für einen elektrisch leitenden Draht 24 vollständig beseitigt ist; andererseits ist auch die kombinierte Anwendung beider Elemente,wie in Fig. 5 gezeigt/mit jeweils entsprechenden Längen in jedem gewünschten Verhältnis möglich, bezogen auf die Gesamtlänge des elektrisch leitendem Kopplungselements. Darüber hinaus liegt es innerhalb des erfindungsgemässen Rahmens/eine elektrisch leitende Auskleidung 22 zu verwenden, die nicht lediglich auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 beschränkt ist. Zwar zeigt die.Fig. 5 eine schmelzfähige elektrisch leitende Auskleidung 22 von hohlem Aufbau, es liegt jedoch innerhalb der Erfindung,sämtliche möglichen Ausführungsbeispiele eines solchen Entwurfes zu umfassen, die in der Lage sind,bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Auskleidung 22 zu unterbrechen; ein solches Ausfuhrungsbeispiel kann beispielsweise aus einer Zusammensetzung gebildet sein, deren Widerstandsverlauf über der Temperatur das Äquivalent für eine Unterbrechung oder eine Abschaltung darstellt, wenn eine solche Zusammensetzung oder Mischung eine besondere vorgegebene Temperaturhöhe erreicht; bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die erwähnte Auskleidung in der Form einer enggepackten Anordnung von elektrisch leitendem Material, Körnchen oder eines Granulats bestehen, die bei Erreichen einer vorgegebenen Temperaturhöhe zu einer festen Masse zusammenschmelzen, die lediglich einen Teil des

- 20 -

509812/0342

Λ 40 867 b

5. September 1974 - 20 -

Volumens ausfüllen, das bisher von den Körnchen aus elektrisch leitendem Material eingenommen war; auch dadurch wird eine Unterbrechung der elektrischen Leitfähigkeit des Granulats bewirkt.

Zusätzlich zu den verschiedenen Formen, die das elektrisch leitende Kopplungselement 19 (oder 19') annehmen kann, liegt es auch innerhalb des Rahmens und des Zwecks vorliegender Erfindung^durch entsprechende Auslegung selektiv die Temperatur einzustellen, bei welcher das elektrisch leitende Kopplungselement nicht länger leitend ist. Eine solche Einstellungsmöglichkeit kann in der Form getroffen werden, dass selektiv die Mischungselemente kombiniert werden, die die elektrisch leitende Auskleidung 22 ausmachen oder dass bei alternativen Lösungen solche Mischungssysteme hergestellt werden, die vorgegebene gewünsehte Schmelzpunkte aufweisen.

Ein weiterer erfinderischer Gesichtspunkt liegt darin, dass als Alternativausführungsbeispiel für das temperaturempfindliche, ein Ausschalten bewirkende Element der Fig. 5 ein solcher Entwurf geschaffen werden kann, dass die elektrisch leitende hohle Auskleidung 22 an die entsprechenden Elektroden des Überspannungsabieiters 11 und an die entsprechenden Anschlüsse an der Aussenseite des Gehäuses 17 gekoppelt v/erden, so dass die Verbindung des Schutznetzwerks 10 parallel zur Energiequelle 16 erleichtert wird. Das Gehäuse bzw. die Umhüllung 17 enthält, wie weiter oben schon erwähnt/ den Gasröhren-überspannungsableiter 1.1 und die einander entgegengeschalteten Zenerdioden 13 und 14, die direkt über den Anschlüssen des Überspannungsabieiters 11 gelegt sind. In über-

- 21 -

509812/0342

A 40 867 b O/ /QOQ ς

a - 163 244 οloo

5. September 1974 - 21 - ·

einstimmung mit diesem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Umhüllung bzw. das Gehäuse 17 mit einem thermisch und elektrisch isolierendem Material angefüllt, so dass dann, wenn das Schutznetzwerk 10 die vorgegebene Temperaturhöhe erreicht hat, bei welcher die elektrisch leitende hohle Auskleidung 22 schmilzt und eine Unterbrechung des Stromkreises erfolgt, dieses thermisch und elektrisch isolierende und der Umhüllung 17 zugeordnete Material den Fluss der geschmolzenen elektrisch leitenden hohlen Auskleidung 22 in der Weise begrenzt, dass das geschmolzene Material der Auskleidung nicht selbst zerstörend wirkt oder seinerseits zu einer Feuergefahr wird.

Die bisherigen Frläuterungen und die beigefügten Zeichnungen beziehen sich primär auf die Verwendung vorliegender Erfindung als Niederspannungs-Schutznetzwerk gegen Überspannungen zur Verwendung innerhalb eines elektrischen Bereiches zum Schutz gegen ein Leitungsungleichgewicht. Obwohl daher speziell Bezug genommen worden ist auf die Verwendung der Erfindung in Verbindung mit integrierten Schaltkreisen, mit Halbleiternetzwerken und Festkörperschaltelementen und dergleichen,versteht es sich, dass die Erfindung nicht in der Weise begrenzt ist sondern in gleicher Meise für jeden beliebigen elektrischen Zweck und jeden beliebigen Verbraucher anwendbar ist, um, Schäden aufgrund unerwarteter Potentialänderungen an den Versorgungsleitungen zu verhindern.

Schliesslich zeigt Fig. 4 noch ein geringfügig geändertes Ausführungsbeispiel etwa des Schutznetzwerks 10 der Fig.

- 22 -

50981 2/0342

Λ 40 867 b

a - 163

5. September 1974 - 22 -

insofern, als bei diesem Ausführungsbeispiel die Anordnung der Zenerdioden 13 und 14 nicht unmittelbar parallel zum überspannungsableiter 11 geschaltet ist,sondern in die jeweiligen Verbindungsleitungen zwischen Zenerdioden und überspannungsableiter, Widerstände 20 und 20" eingeschaltet sind. Diese Widerstände sind so angeordnet, dass sie gleichzeitig auch als Längswiderstände im Leitungsverlauf der beiden Versorgungsleitungen 12 und 12" erscheinen. Die Widerstände 20 und 20' sind so ausgelegt, dass sich im Formalfall praktisch keine zusätzliche Eelastung und damit Energieverschwendung ergibt, wenn die elektrische Energiequelle 16 ungestört auf den Verbraucher 15 arbeitet; andererseits begrenzen jedoch die Widerstände 20 und 20' im Falle einer auftretenden Überspannung und einem Durchschalten der Zenerdioden-Konfiguration 13, 14 den Strom im ersten Moment in der Weise insofern wirkungsvoll, dass es nicht zu einer Zerstörung der Zenerdioden, jedenfalls nicht bis zu dem Moment kommt, an welchem dann der Überspannungsableiter 11 den grössten Teil des auf diese Weise entstandenen zusätzlichen Stromes auf sich nimmt.

509812/0342

Claims

Λ 40 867 b

5. September 1974

Patentansprüche :

1) Niederspannungs-Schutznetzwerk gegen Überspannungen
zum Schutz von mit einer Energiequelle verbundenen
elektrischen Verbrauchern gegen ein Leitungsspannungsungleichgewicht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar bei Auftreten eines Leitungsungleichgowichts unmittelbar auslösende und elektrisch in Reihe geschaltete
Halbleiterschaltelemente (Zenerdioden 13,14) vorgesehen und so angeordnet sind, dass sie in entgegengesetzter
Polung gegeneinander geschaltet sind und dass ein
mehrere Elektroden aufweisender Gasröhren-Überspannungsableiter (11) mit einer seiner Elektroden elektrisch

an Masse liegt und so ausgebildet ist, dass der Überspannungsableiter (11) bei einer unterhalb einer die
Zerstörung der Zenerdioden (13,14) bewirkenden
Spannungshöhe leitend schaltet, wobei die gegeneinander geschalteten Zenerdioden (13,14) direkt parallel zu
den nichtgeerdeten Elektroden des Überspannungsableiters (11) und das gesamte Schutznetzwerk (10) elektrisch so über die Energiequelle (16) geschaltet ist, dass¹ es in einer parallelen Ableitanordnung zum elektrischen Verbraucher (15) liegt.

2) Schutznetzwerk nach Anspruch 1_r dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelemente parallel zum fiberspannungsableiter (11) zwei Zenerdioden (13, 14) sind.

50981 2/0342

Λ 40 867 b

5. September 1974 - 4r ~

3) Schutznetzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdioden aufeinander abgestimmte elektrische Eigenschaften aufweisen.

4) Schutznetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasröhren-fiberspannungsableiter (11) drei Elektroden aufweist.

5) Schutznetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zwischen jeder Zenerdiode (13,14) und der jeweils zugeordneten Elektrode des Überspannungsableiters (11) ein strombegrenzender Widerstand (20,20') geschaltet ist.

6) Schutznetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Stromunterbrechungselemente (19,19') vorgesehen sind, die den Stromfluss bei Erreichen einer vorbestimmten Temperaturhöhe durch das Netzwerk unterbrechen.

7) Schutznetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungsschaltungen (19,19') aus einer hohlen, elektrisch leitenden und mit ihrem einen Ende jeweils mit einer ungeerdeten Elektrode des überspannungsableiter (11) und mit ihrem anderen Ende an die Versorgungsenergieauelle (16) angeschlossenen Auskleidung (22) besteht und dass die elektrisch leitende Auskleidung (22) innerhalb eines thermisch und elektrisch isolierenden Materials eingekapselt ist.

— 3 —

509812/0342

Λ 40 867 b

5. September 1974 - «5 -

Schutznetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdioden (13,14.) in der Weise einander entgegengeschaltet sind, dass bei Auftreten eines Spannungsdifferentials auf den Versorungsleitungen (12,12') unabhängig von dessen Polarität bei Erreichen eines vorgegebenen Spannungsunterschieds ein Durchbruch erfolgt und dass der mit seinen beiden nicht an Masse gelegten Flektroden mit den beiden Versorungsleitungen (12,12') verbundene Gasröhren-überspannüngsableiter (11) so ausgelegt ist, dass parallel zu dem von den Zenerdioden geschaffenem Strompfad von dem Überspannungsableiter (11) ein eine niedrigere Impedanz aufweisender Strompfad gebildet ist.

5098Ί 2/0342

Leerseite