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Überlastungsschutzröhre
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine OberlastungsschutzrOhre,
die dazu bestimmt ist, eine Zerstörung oder Beeinträchtigung von Schaltungen oder
elektrischen Anlagen zu verhindern, die auf Oberlastung zurückzuführen sind.
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In vielen Fällen ist es vorgeschrieben, allgemeine oder spezielle
elektrische Installationen mit Schutzvorrichtungen zu versehen, um nachteilige Einwirkungen
von Oberlastungen zu vermeiden, für welche die Einrichtungen nicht bemessen sind,
Solche Schutzvorrichtungen sind unter anderem bekannt als Sicherungen, Überspannungsschutzröhren
oder Bljtzschutzr8hren. Zweck dieser Vorrichtungen ist es, zu verhindern, daß eine
gefährliche Überlastung auf eine bestimmte Anlage übertragen wird.
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Die Anwendung solcher Schutzvorrichtungen ist insbesondere wichtig
für Telefonanlagen, Telefonschaltungen und Telefonvermi ttlungen. Telefonvermittlungen
und Telefonleitungen
sind extrem anfällig gegen Blitzschläge als
auch gegen elektische Belastungen, die durch eine induzierte Überspannung oder eine
Überlastung hervorgerufen wird, welche durch einen elektrischen Kontakt zwischen
einer Stromleitung und einer Telefonleitung hervorgerufen wird und es sind Fälle
bekannt, wo Telefonvermittlungen vollkommen zerstört wurden, nachdem sie von einem
Blitz getroffen wurden oder durch Überlastung durch einen der oben erwähnten Fälle.
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Um die nötigen Erfordernisse zum Schutz von Telefonschaltungen und
-vermittlungen zu erfüllen, wurde es Vorschrift, eine Schutzvorrichtung zwischen
Jede Leitung und Erde zu schalten, wie sie allgemein als Blitzschutzvorrichtung
bekannt sind. Eine solche Schutzvorrichtung darf keine Stromverluste unter normalen
Bedingungen hervorrufen, d.h. daß sie einen unendlichen Widerstand hat und andererseits
muB sie Jede Überlastung sofort zur Erde ableiten* d.h. daß sie in diesem Falle
einen niedrigen Widerstand hat, der geringer ist als der der zu schützenden Schaltung
-und daß sie über einer bestimmten Spannungsgrenze auch einen sehr hohen Strom fUhren
kann.
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Unterhalb einer bestimmten Spannung, welche als Zündspannung bekannt
ist, hat die EntladungÇr8hre einen unendlichen Widerstand, während bei Spannungen
an ihren Anschlüssen, die grd8-aer sind als die Zündspannung, eine Entladung beginnt
mit einem niedrigen Widerstand. Eine solche Rohre kann sehr hohe Überlastungen aushalten,
wenn sie von genügend rubustem Aufbau ist und solche Überlastungen zur Erde hin
ableiten. Die Ztlndspannung wird bestimmt durch geeignete Wahl der Abmessungen des
Entladungszwlschenraumes. Die Strombelastbarkeit ist bestimmt durch den Röhrenaufbau.
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Daraus folgt, daß der Hersteller bestimmte verschiedene Parameter
der Röhre vorherbestimmen kann, was für die Vorteilhaftigkeit von Blitzschutzentladungsröhren
spricht.
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Die Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Telefonleitungen
und Schaltungen sind Jedoch sehr streng. Insbesondere besteht ein Erfordernis fUr
eine parallel geschaltete Schutzvorrichtung darin, daß die Schutzvorrichtung einen
Kurzschluß bildet, wenn sie unbrauchbar wird. Wenn diese Anforderung nicht erfüllt
wird, wird das Versagen der Schutzvorrichtung überhaupt nicht angezeigt und die
Leitung wird bei der ersten Oberlastung zerstört. Dies kann nur dadurch vermieden
werden, daß das Bauelement sein eigenes Versagen anzeigt.
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In diesem Falle muß dann, da die Leitung nicht länger arbeitet, dieser
Fehler korrigiert werden, indem das fehlerhafte Bauelement ausgewechselt wird, um
die Leitung wieder in ihren normalen Betriebszustand zurückzuversetzen. Aus diesem
arunde muß das Bauelement einen dauernden Kurzschluß erzeugen, wenn es seine Funktion
nicht mehr erfüllen kann, gleichgültig, aus welchem Grund das Bauelement ausfällt.
Die werdung der Leitung macht es dann erforderlich, die fehlerhafte Schutzvorrichtung
auszuwechseln.
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Um diese Bedingung zu erfüllen, wird gemäß der Erfindung eine EntladungßrOhre
vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie Mittel zum automatischen
Erzeugen eines Kurzschlusses besitzt, wenn sie aus irgendeinem Grunde nicht mehr
als Entladungsrohre arbeitfähig ist.
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Um dieses Erfordernis zur Erzeugung eines Kurzschlusses im Falle eines
Ausfalles der Entladungsr8hre zu erfüllen, die
eine verdünnte Gasatmosphäre
innerhalb einer dichten Umhüllung enthält und mindestens zwei Entladungselektroden,
deren Enden durch eine Entladungsstrecke von vorbestimmter Länge voneinander getrennt
sind, welche einer bestimmten Zündspannung Vo entspricht und deren Aufbau so gewählt
ist, daß sie eine innere Arbeitstemperatur T aushält, welche zwischen einer oberen
Grenze TF und einer unteren Grenze TL liegt, werden gemäß der Erfindung interne
Mittel verwendet, die darin bestehen, daß die dichte Durchführung mindestens einer
der Entladungselektroden durch die UmhUllungswand aus einem Material besteht, dessen
Erweichungstemperatur nahe bei der oberen Temperaturgrenze TL liegt.
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Gemäß der Erfindung wird durch diesen Aufbau der Rohre automatisch
ein Kurzschluß erzeugt, wenn aus irgend einem Grunde die Röhre unbrauchbar wird,
da in jedem Falle eine innere Erwärmung auftritt, welche die Temperaturgrenze TL
überschreitet. Das Elektrodendurchführungsmaterial erreicht seine Erweichungstemperatur,
die Elektrode wird nicht mehr weiter starr gehalten und infolge des Druckunterschiedes
zwischen dem äußeren Atmosphärendruck und dem inneren Druck, der viel geringer ist
als der äußere Druck, nach'innen gezogen, so daß die Elektrode mit ihrem freien
Ende mit der gegenüberliegenden Elektrode in Kontakt kommt. Die Entladungsstrecke
ist daher geschlossen und die Sicherheitsvorrichtung kurzgeschlossen.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen hervor.
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In der Zeichnung ist ein Längsschnitt durch eine zylin -drische Entladung8rOhre
gemäß der Erfindung dargestellt. Sie hat Entladungselektroden 1 und 2, welche durch
die Umhüllung 3, 7 verlaufen. Bei der dargestellten praktischen Ausführungsform
enthält die dichte Umhüllung einen Metalltesl, der die Seitenwand 3 und die Basis
5 der Umhüllung bildet, und einen Teil 7, der einen Pfropfen bildet, der aus elektrisch
isolierendem Material besteht und eine dichte Verbindung mit der Wand 3 ergibt.
Die Elektrode 1 ist durch die Umhüllung über die Abdichtung aus isolierendem Material
7 dicht hindurchgeführt. Das isolierende Material 7 ist mit dem Metall der Umhüllung
am ganzen Rand verbunden und liegt auf der inneren Kante 8, 8' der Seitenwand 3
aur. Diese kante kann abgestuft sein.
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Die Elektrode 1 hat einen massiven Ansatz 1t, der dicht unterhalb
der inneren Oberfläche der Durchführung beginnt. Die inneren Enden der Elektroden
10 der Elektrode 1 und 12 der Elektrode 2» welche einen Teil der Basis 5 bildet,
sind durch die Entladungsstrecke zwischen 11 und 12 getrennt, welche die Länge L
hat. Eine Ausnehmung 6 ist in der Mitte des massiven Teils der Elektrode 2 vorhanden.
Diese Ausnehmung kann mit einem gut emittierenden Material gefüllt sein Die äußeren
Teile 1 und 2 der Entladungselektroden haben beispielsweise die Form von Stiften,
deren Länge und Form so gewählt ist, daß sie in Schnapphalterungen passen, die zur
Halterung der Vorrichtung dienen.
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Der Metallteil 3 der Umhüllung besteht aus einem Metall mit guter
elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wie æ.B.
eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung,
Aluminium, Kupfer usw.
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Das Isoliermaterial, welches einerseits mit der Umhüllung und andererseits
mit der Elektrode 1 eine dichte Verbindung ergibt, besteht beispielsweise aus einem
glasartigen Material.
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Die Elektrode 1 besteht aus einer gut in Glas einschmelzbaren Legierung
aus Eisen, Nickel und Kobalt und das glasartige Material ist ein Glas, das sich
gut mit dem Elektrodenmaterial verbindet.
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Die Elektrode 2, welche einen Teil der Umhüllung bildet, besteht aus
massivem Metall.
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Das gut emittierende Material besteht aus einer Mischung, welche Barium,
Zirkon und Aluminium enthält und wird in die Ausnehmung 6 der Elektrode 2 eingebracht,
bevor die Rohre verschlossen wird.
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Wenn die Röhre verschlossen wird, eo wird sie zunächst evakuiert und
dann mit einer inerten Atmosphäre 4 gefüllt von einem Druck, der geringer ist als
der Atmosphärendruck, nachdem auch das emittierende Material eingebracht worden
ist.
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Im vorliegenden Falle besteht die inerte Atmosphäre aus einer Mischung
von Edelgasen, nämlich Argon und Helium. Der innere Druck beträgt 0,3 Atmosphären.
Wenn die Gasfüllung diesen Druck erreicht, wird der Stopfen 7, der bereits die eingeschmolzene
Elektrode enthält, mit der Umhüllung verbunden.
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Beim Einschmelzen des Pfropfens wird die Lage der ersten Elektrode
einjustiert, so daß die Entladungsstrecke der gewünschten ZUndspannung der Röhre
V0 entspricht. Die Entladungestrecke entspricht der maximalen Spannung, welche
die
zu schützenden Schaltungen oder Leitungen aushalten können, Bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel beträgt die Länge der Entladungsstrecke L = 0,3 mm und die Spannung
VO beträgt 200 V. Die Röhre ist dann für den Einsatz fertig.
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Es 8011 nun zunächst die normale Wirkungsweise der Röhre beschrieben
werden und anschließend die Bedingungen genannt werden, unter denen die Röhre unter
ungewöhnlichen Umständen ausfallen kann, Bei der normalen Wirkungsweise wirkt die
Entladungsröhre wie Jede andere Entladungsröhre, d.h. so lange die Spannung an den
Anschlüssen geringer ist als die Zündspannung, ist sie nichtleitend.
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Wie bereits oben beschrieben wurde, wird die Zündspannung durch die
Konstruktion der Röhre und insbesondere durch die Entladungsstrecke 11-12 zwischen
den Elektroden bestimmt.
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Wenn die Spannung an den Anschlüssen der Entladungsröhre die Zündspannung
erreicht, tritt eine Entladung ein.
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Da die Röhre sehr massive Elektroden besitzt Cvergleiche z.B.
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den massiven Ansatz 10 der Elektrode 1 und die Basis 5 der Elektrode
2), kann sie sehr große Ströme nach Erde ableiten.
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Die Röhre kann einen Strom I von mehreren Ampere für eine 50 Zeit
T (in Sekunden) aushalten, die kleiner oder gleich T ist, bevor ihre Temperatur
den vorbestimmten Wert TL erreicht.
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Ein sehr kurzzeitiger Strom kann mehrere tausend Mal größer sein,
um die gleiche Temperaturbedingung zu erreichen, was von der Impulsform und der
Zeit zwischen den einzelnen Impulsen abhängt.
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Wenn die Röhre unter abnormalen Betriebsbedingungen betrieben wird,
erzeugt sie einen Kurzschluß. Die Betriebsbedingungen werden abnormal, wenn eine
anfängliche Oberlastung die Strombelastungsfähikeit der Röhre, für die sie bestimmt
ist, Uberschreitet oder wenn die Röhre selbst ausfällt. Dieser Ausfall kann durch
eine mechanische Einwirkung hervorgerufen sein, durch einen Verbrauch an emittierendem
Material, durch eine Verschlechterung der Röhreneigenschaften oder aus irgendeinem
anderen Grund erfolgen.
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Ein abnormaler Betrieb der Röhre ist immer mit einer abnormalen Erhitzung
der Röhre verbunden. Die innere Temperatur der Röhre erreicht und überschreitet
die Grenztemperatur TL, die durch die Bauart der Röhre bestimmt ist.
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In allen Fällen, wenn das isolierende Material 7 seine Erweichungstemperatur
erreicht, serlLert das ganze Material 7, das den Pfropfen in der Umhüllung bildet,
seine Festigkeit.
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Da der Innendruck der Röhre geringer ist als der Umgebungsdruck, wird
das erweichte Material nach innen gezogen und nimmt dabei die Elektrode 1 mit, welche
durch das Material gehalten war. Durch die Bewegung der Elektrode wird die Entladungsstrecke
11-12 geschlossen. Dabei bilden die Enden 11 und 12 der Elektroden einen Kurzschluß.
Unter einem Kurzschluß wird in diesem Zusammenhang ein Kontakt verstanden, dessen
Kontaktwiderstand niedriger als 0,02 Ohm ist.
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Die Entladungsröhre gemäß der Erfindung hat somit einen unendlichen
Widerstand, wenn die Spannung an den Anschlüssen niedriger liegt als die Schutzspannung
VO und einen sehr
niedrigen Widerstand, durch den sie befähigt
ist> im Verhältnis zu ihren Abmessungen sehr starke Ströme zu fUhren, wenn die
Spannung an den Anschlüssen den Wert VO erreicht.
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Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hat die Umhüllung 3 eine
Länge von nur 11 mm und einen Durchmesser von 4 mm.
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Die Röhre kann dauernd Ströme von 5 bis 10 Ampere führen, wobei der
Spannungsabfall an den Anschlüssen 8 bis 12 V beträgt. Die Röhre hält auch Stromimpulse
mit Spitzenwerten von 5000 Ampere (Wellen 8/20) aus, die in Abständen von 25 bis
30 Sekunden auftreten. Die Vorrichtung wird unbrauchbar durch einen dauernden Strom
von 10 bis 20 Ampere bei 50 Hz, Durch. die Zerstörung der Röhre wird automatisch
ein Kurzschluß zwischen den Elektroden erzeugte gleichgUltig, worauf der Einfluß
zurückzuführen ist.
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Bei der systematischen Untersuchung von einigen hundert Entladungsröhren
konnte gezeigt werden, daß dies zu 100 % bei den geprüften Röhren der Fall ist.
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Der Vorteil der beschriebenen Schutzvorrichtung besteht einmal darin,
daß sie für eine genau definierte Spannungsgrenze ausgelegt werden kann> da der
Wert dieser Grenze leicht durch Einstellen der Entladungsstrecke während der Herstellung
jedes Typs von Blitzschutzeinrichtung eingestellt werden kann, daß mit mathematischer
Genauigkeit eine automatische Selbstzerstörung der Röhre mit einem dauernden Kurzschluß
garantiert werden kann, daß starke Uberbeld ungen bei sehr kleinen Abmessungen des
Bauelementes ausgehalten werden, daß die Röhre leicht reproduzierbar hergestellt
werden kann durch Wahl ihrer Abmessungen, daß sie aus wenigen einfachen Teilen aufgebaut
ist und daß nur wenige Verfahrensschritte zu ihrer Herstellung benötigt werden.
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Die wesentlichen Verfahrensschritte bei der Herstellung bestehen im
Verschweißen von verschiedenen Metallen miteinander, so z.B. zwischen der Elektrode
1 und ihrem Ansatz 10, und Metall-Glas-Verbindungen zwischen der Elektrode i und
dem Material des Pfropfens 7 und zwischem dem Pfropfen 7 und der inneren Wand der
UmhUllung 3, und dem Auspumpen und dem Einfüllen von Gas.
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Eine maschinelle Bearbeitung von Teilen ist nur geringfügig erforderlich:
Die Herstellung der runden Kante oder des Absatzes 8 an der inneren Kante der UmhUllungswand
3, die Herstellung der Ausnehmung 6 usw. Die Robustheit der Vorrichtung bei starken
Überlastungen beruht nicht allein auf der Anordnung von großdimensionierten Elektroden,
wie dies oben beschrieben wurde, sondern auch auf der Tatsache, daß die Umhüllung
aus Metall besteht, so daß eine gute Wärmeableitung vorhanden ist.
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Die Vorrichtung ist praktisch unbrennbar.
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Die oben genannten Abmessungen und Formen einer praktischen Ausführungsform
des Bauelementes sind nur als Beispiel genannt worden. Es ist für jeden Fachmann
klar, welche Abwandlungen der Vorrichtung möglich sind, ohne von der Erfindung selbst
abzuweichen.
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Insbesondere kann der Glasstopfen eine andere Form haben, wie auch
die Umhüllung, welche mit dem Pfropfen zusammen eine Abdichtung der Entladungsrohre
ergibt und die Selbstzerstörung der Röhre durch einen Kurzschluß der Elektroden
garantiert.
Anstelle der Abstufung 8 an der Innenkante der Umhüllung kann ein anderes Profil
verwendet werden, um die Verbindung mit dem Glaspfropfen an der Kante zu erleichtern.
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Um den Kontakt zwischen den Elektroden zu verbessern, wenn die Röhre
zerstört wird, ist es möglich, auf mindestens einem Elektrodenende oder auf der
Basis der Umhüllung gegenüberliegend der anderen Elektrode einen Überzug aus elektrisch
leitendem Material vorzusehen, dessen Schmelzpunkt nahe bei der Grenzbetriebstemperatur
liegt. Wenn durch eine abnormale Arbeitsweise eine Erhitzung eintritt, wird durch
den erweichten Pfropfen die dadurch getragene Elektrode nicht mehr gehalten, so
daß sie sich zu der gegenüberliegenden Elektrode hin bewegt, Das Uberzugsmaterial
ändert seinen physikalischen Zustand und benetzt dabei die gegenüberliegende Oberfläche,
wodurch eine verbesserte Kohäsion auftritt, wenn die Elektroden miteinander in Kontakt
kommen.
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Die Wahl des Überzugsmaterials hängt von der gewählten Temperaturgrenze
ab und von der in Aussicht genommenen praktischen Anwendung der Röhre. Es können
beliebige Verfahren dazu verwendet werden, um einen solchen Überzug aufzubringen,
beispielsweise auf die innere Oberfläche der Basis 5 der Umstillung.
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Verzeichnis der Bezugszeichen 1 Elektrode 2 Elektrode 3 Seitenwand
4 inerte Atmosphäre 5 Basis 6 Ausnehmung 7 Pfropfen 8s 8' Kante 10 Ansatz lil 12J
L Länge der Entladungsstrecke 7 Patentansprüche 1 B1. Zeichnung