DE2705997A1

DE2705997A1 - Ueberspannungsschutzvorrichtung

Info

Publication number: DE2705997A1
Application number: DE19772705997
Authority: DE
Inventors: Jean Bohin; Max Goldman
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR; Etat Francais
Current assignee: Etat Francais; Bpifrance Financement SA
Priority date: 1976-02-13
Filing date: 1977-02-12
Publication date: 1977-08-18
Also published as: US4096541A

Description

Dlpl.-lng. G. Schllebs ei ommm ciaudiusweg i7a

Patentanwalt Telefon (08151) 48753

₄ ^ _% Poetscheckkonto: Frankfurt a. M. 1111 57-808

α * Bankverbindung: Deutsche Bank AG., Darmstadt

Konto-Nr. 481434 Γ P^nt«m.itDipl.-in_e.Sd,itai».«o«n»wt.a««lh-«^i7A ι Telegramme: inventroo

An das

Deutsche Patentamt

ZweibrüokenstraBe 12
München 2

IhrZaldMii Ihr Sohraibwi MaInZaIdMn M 335 hl Tag - 9t 2. Betrifft: Patentanmeldung

Anmelder: ETAT FRANQAIS, vertreten durch den Staatsminister für das Post- und Fernmeldewetsen (Centre National d'Etudes et Telecommunications), Issy-Les-Moulineaux und

Agence Nationale de Valorisation de la Recherche (ANVAR), Neuilly-Sur-Seine (Frankreich)

Überspannungaschutzvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Gehäuse, in dem auf einer Grundplatte aus Isoliermaterial eine elektrische Schaltung angeordnet ist, die als Schaltelemente eine erste Entladungselektrode an einem ersten, das Gehäuse durchsetzenden Leiter, eine zweite Entladungselektrode an einem zweiten, das Gehäuse durchsetzenden Leiter, die von der ersten Entladungselektrode durch eine Entladungestreoke getrennt ist, eine in die Entladungsstrecke reichende Zündelektrode und einen diese mit der ersten Entladungselektrode verbindenden Widerstand aufweist.

Überspannungeschutzvorrichtungen oder Blitzableiter dieser Art werden verwendet, um mittels einer elektrischen Kurzschluß-Entladung Überspannungen zu absorbieren oder abzuschwächen, die von atmosphärischen oder anderen Phänomenen hervorgerufen werden (Blitzschlag, induzierte Spannungen, Kurzschlüsse u.dgl.) und die an den

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FOr daa AuftragmarMHnts gilt dta i

BrM vom BMI *

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• ··

Anschlußklemmen von elektrischen oder elektronischen Geräten, Schaltkreisen oder Installationen auftreten können, wie sie üblicherweise in der Schwachstromtechnik, z.B. in Telefonanschlüssen der Fernsprechteilnehmer verwendet werden.

Die Überspannungsschutzvorrichtungen, insbesondere solche, die in Teilnehmer-Telefonanschlüssen verwendet werden, müssen mit Bezug auf Punktion und Saunbedarf verhältnismäßig strengen Anforderungen genügen. Sie am häufigsten verwendeten Schutzvorrichtungen enthalten in einem luftdicht abgeschlossenen und mit einem radioaktiven Gas gefüllten Gehäuse zwei Entladungselektroden. Die Zündung der Entladung innerhalb einer verkürzten Ansprechzeit wird durch die erhöhte Wahrscheinlichkeit sichergestellt, daß im Augenblick des Auftretens einer Überspannungswelle mindestens ein Keimelektron im Elektrodenspalt vorhanden ist.

Andere bekannte, zum Schutz von Telefonanschlüssen verwendete Schutzvorrichtungen sind in Anschlußdosen montiert, die in einem Becher oder auf einer Grundplatte fünf Sohraub klemmen, zwei auswechselbare Sicherungen und zwei auswech selbare Überspannungaschutzkreise enthalten. Zwei Klemmen dienen zur Verbindung mit den beiden Leitern der Telefonleitung des Fernsprechnetzes, zwei andere zur Verbindung mit den beiden Leitern des Teilnehmeranschlusses, und die fünfte Klemme dient zur Verbindung mit einen örtlichen Erdleiter. Die beiden Sicherungen sind jeweils zwischen einer Klemme des Fernsprechnetzes und einer Klemme des Teilnehmeranschlusses angeordnet. Die beiden Blitzableiter sind zwischen eine der Telefonleitung-Anachlußklemmen und die Erdklenme geschaltet und haben die Aufgabe, den Leitungsstrom nach Erde abzuleiten, falls - z.B. als Folge eines Blitzschlages - eine Oberspannungespitze auftritt.

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Diese Art von Anschlußdosen weist eine Anzahl Nachteile auf: Ihre Struktur ist heterogen, ihre Konstruktion infolgedessen kompliziert, ihr Ein- und Ausbau nimmt verhältnismäßig viel Zeit in Anspruch, und ihre Schutzwirkung ist nicht sicher.

Die Struktur dieser Anschlußdosen ist deshalb heterogen, weil sie eine Ansammlung von Teilen enthalten, die sehr unterschiedlichen mechanischen oder elektrischen Beanspruchungen genügen müssen und die infolgedessen aus unter- schiedlichen Werkstoffen hergestellt sind. Von den Isoliermaterialien ganz abgesehen, kann man bei der installierten Anschlußdose bis zu sieben verschiedene Klemmoder Lötverbindungen zwischen Paarungen von Legierungen oder Metallen (z.B. Kupfer-vernickeltes Messing, vernickel tee Messing-kadmierter Stahl, kadmierter Stahl-rostfreier Stahl usw.) zählen. Die Ausführung wird noch dadurch kompliziert, daß die Sicherungen und die Blitzableiter diskrete Komponenten sind, die auswechselbar sind. Dies alles hat neben anderen Nachteilen ein ungleichmäßiges Korrosi onsverhalten und eine kostspielige Konstruktion zur Folge.

Ein- und Ausbau sind zeitraubend, da sie die Ausführung einer verhältnismäßig großen Zahl von ganz bestimmten Arbeitsgängen erfordern,wie die Befestigung der Anschlußdose an einer Gebäudewand mittels Schrauben und Dübeln, das Ablängen und Abisolieren der fünf Leiter, ihre Befestigung mittels Schraubklemmen, das Einsetzen der Sicherungen und der Blitzableiter und das Aufsetzen und Aufschrauben der Kappe der Anschlußdose. Der Umstand, daß zur Vorsicht und insbesondere in ländlicher Umgebung die Anschlußdose vorzugsweise an einer Außenmauer und in einer solchen Entfernung vom Boden gesetzt werden muß, daß es unmöglich 1st, sie zu erreiohen, erleichtert die Ausführung dieser Arbeitsgänge nicht.

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Der gewährte Schutz ist aus verschiedenen Gründen unsicher. Die Geometrie der Bauteile ist den Besonderheiten impulsförmiger Vorgänge nicht angepaßt. Zum Beispiel bilden ein Sicherungsdraht und die an diesen angelöteten Anschlußfahnen eine Windung, die beim Durchgang eines überstreastoßee erhebliche innere mechanische Beanspruchungen erfahren kann, durch die sich die Lötungen lösen können mit der Folge, daß die Sicherung zerstört wird, obwohl der zu kurz war, um gefährlich zu sein.

Eine korrekt berechnete Sioherung ist deshalb so zerbrech lich, weil der Schmelzdraht sehr fein ist und aus einer Silber-Zinn-Legierung besteht, die mechanisch wenig wider standsfähig ist. In* dem Wunsche, die Reparaturzeiten durch Auswechseln defekter Sicherungen beim Teilnehmer herabzusetzen, neigt man nachteiligerweise dazu, Schmelzdrähte größeren Durchmessers zu verwenden, und dies insbesondere in ländlichen Bezirken» also gerade da, wo die Telefonleitungen am häufigsten Blitzschlägen ausgesetzt sind. Anders ausgedruckt, büßen die Sicherungen ihre

Schutzwirkung ein·

Außerdem 1st zu beachten, daß die Unterbrechung einer Sicherung im Amt kein Signal auslöst. Der Fehler kann also erst festgestellt werden auf Intervention des Teilnehmers,' der sieh dazu zu einem anderen, häufig entfernt gelegenen Anschluß begeben muß, um zu telefonieren·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überepannungsechutzvorriohtung der eingangs genannten'Art zu schaffen,

die ohne Verwendung einer radioaktiven Atmosphäre auskommt, so daß weder Sloherheiteprobleae bei Fertigung, lagerung und Austausch, noeh Alterunfaprobleme auftreten können,

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die die Aufgaben einer Schmelzsicherung zum Schutz sowohl vor Überspannungen als auch vor Überströmen übernimmt, die den Schutz eines Anschlusses mit mehreren Leitern sicherstellen und die Funktion einer Anschlußdose übernehmen kann,

die einfach und schnell ein- und auszubauen ist, die geringen Raumbedarf hat und mit Vorteil auch in herkömmliche Anschlußdosen einzusetzen ist.

Hierfür schlägt die Erfindung vor, daß in dem Gehäuse eine ionisierbare Atmosphäre eingeschlossen ist und die Schaltelemente Metallamellen sind, die flach auf ein und derselben Oberfläche der Grundplatte angeordnet sind. In dieser einfachsten Ausführungsform kann die Schutzvorrichtung zwischen eine Eingangsklemme der zu schützenden Einrichtung oder Schaltung und eine Erdleitung geschaltet werden, um sie gegen Überspannungen einer vorgegebenen Polarität zu schützen.

Bevorzugt weist die Schaltung auf derselben Oberfläche der Grundplatte noch eine zweite Zündelektrode auf, die ebenfalls in die Entladungsstrecke hineinreicht, und einen diese mit der zweiten Entladungselektrode verbindenden weiteren Widerstand, so daß die Vorrichtung auch Schutz gegen Überspannungen entgegengesetzter Polarität bietet.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Schaltung ferner in den ersten und zweiten Leiter eingeschaltete Überstromsicherungen in Form von Metallamellen auf, die ebenfalls flach auf derselben Oberfläche der Grundplatte angeordnet sind. Auf diese Weise bietet eine erfindungsgemäße Überspannungsechutzvorrichtung, mit der zu eohützenden ELnrichtung oder Schaltung in Reihe geschaltet, zugleich Schutz gegen Überspannungen und gegen Überströme«,

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Brief vom BMt f MpL-InQ. α SoMMm

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In Ausgestaltung der Erfindung werden auf ein und derselben Grundplatte zwei BIitzschutzschaltungen angeordnet, so daß eine Installation mit zwei Leitern, z.B. der Telefonanschluß für einen Teilnehmer, abgesichert werden kann.

Bevorzugt sind alle Lamellen aus demselben metallischen

Werkstoff gefertigt und von gleicher Stärke, was die Herstellung der Schaltung(en) nach einem bekannten Verfahren in einer sehr kleinen Zahl von Arbeitsschritten erlaubt, z.B. durch Auftragen einer Metallschicht auf der Grundplatte, gefolgt von einem selektiven Abtragen durch Elek troerosion oder Atzen, oder auch durch Auftragen mit einer Maske im Vakuum·

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, wie das Einbetten der Schutzvorrichtung in einen Schutzkasten aus Kunststoff, in dem Zellen zur Aufnahme der Anschlußklemmen und Einführungen für die Leitungeadern ausgespart sind, sowie die besondere Ausbildung der Anschlußklemme zur problemlosen schnellen elektrischen Verbindung der Zuleitungen mit der Schaltung, sind Gegenstand der Unteran- sprüche. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben und bezüglich ihrer Vorteile näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in vergrößertem Maßstab

Fig. 1 einen Querschnitt längs der Linie X-Z in Pig. 2 durch eine erste Aueführungeform der Erfindung,

die für den Austauaoh gegen bekannte Blit«ableiter in den Anschlußdosen der Fernsprechteilnehmer konzipiert iet|

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung naoh Pig· 1 bei abgenommenem Deokel und Rahmen |

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Brief vom BUM ^ MpUng. Q. IdMi

an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

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Pig. 3 einen Ausschnitt aus Pig. 2 in noch stärkerer Vergrößerung}

Pig. 4 eine Draufsicht ähnlich Pig. 2 auf eine zweite

Ausführungsform der Erfindung als bipolare Uberspannungaa ohutzvorri chtung, versehen mit Siche

rungen und Anschlußklemmen, die ihren Austauach gegen herkömmliche Anschlußdosen ermöglichen;

Fig. 5 einen Längsschnitt längs der Linie I-I durch die Vorrichtung nach Pig· 4;

Fig. 6 einen Halb-Querechnitt längs der Linie H-II in

Pig. 5i ·

und in noch stärkerer Vergrößerung

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Anschlußklemme längs der Linie III-III in Pig. 4 und

Pig· 8 eine Draufsicht auf die Schaltung der Schutzvorrichtung nach Fig. 4·

Zunächst werden die Pig. 1 und 2 betrachtet. Die Bauteile 62 und 64 in fig· 1» deren Bedeutung erst später erläutert wird, sind in Fig. 2 nioht dargestellt. Eine Grundplatte 10 aus Isoliermaterial trägt auf einer ihrer Oberflächen (die Oberseite in Pig. 1) Metallteilen 20, 30, 40 und 50. Die im wesentlichen rechteckigen Metallanellen 20 und 30 liegen mit ihren benachbarten Kanten 21 bzw. 31 im wesentlichen parallel· Die Lamelle 40 ragt mit einer zugespitz- ten Zunge 41 in den Zwischenraum 11 zwisohen den Kanten 21 und 31· Di· Kontur dieser Zunge weist gegenüber der Kante 31 ein· im wesentlichen geradlinige Kante 42 auf.

Brief vom Blatt tf MpL-ing. O. ScMMa

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Aus Pig. 3 sieht man, daß die Kante 42 unter einem spitzen Winkel a relativ zur Kante 31 verläuft, der gegen den Zwischenraum 11 offen ist ο An ihrem dem Zwischenraum 11 abgewandten Ende geht die Kante 42 in eine abgerundete Kuppe 43 mit dem Radius r über, die von der Kante 31 durch einen Abstand d getrennt ist, der wesentlich kleiner als der mittlere Abstand D des Zwischenraumes 11 ist.

Die Lamelle 50 ragt von der anderen Seite her in den Zwischenraum 11 mit einer zugespitzten Zunge 51 hinein, deren Ponn und Anordnung relativ zur Kante 21 der Lamelle 20 derjenigen der Zunge 41 relativ zur Kante 31 der Lamelle 30. entspricht.

Die Lamellen 40 und 50 sind jeweils mit den Lamellen 20 und 30 über elektrische Widerstände 44 und 54 verbunden, deren Punktion später erläutert werden wird.

Die Unterseite der Grundplatte 10 ist mit einer Plakette oder Metallschicht 12 bedeckt, die mit der Lamelle 20 mittels eines in ein Loch der Grundplatte eingesetzten Kontaktstift es 22 verbunden ist. Auf die Lamelle 30 ist ein Leiter 32 in Band- oder Drahtform aufgelötet.

Das Ganze ist in einem Metallgehäuse angeordnet, das aus einem BecSher 61, auf dessen Boden die Grundplatte 10 mittels ihrer Metallschicht 12 aufgelötet ist, und einem Dekkel 62 besteht. Ein keramischer Rahmen 64 iet zwischen den abgewinkelten Hand 63 des Bechers 61 und den Deckel 62 eingesetzt und Bit beiden verlötet. Der Leiter 32 ist zwischen Deckel 62 und Rahmen 64 eingeklemmt und alt dem Deokel verlötet· Torzugeweise enthält das dicht verschlossene Gehäuse eine Atmosphäre unter verringertem Druck, zu der weiter unten einige Angaben gemacht werden·

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Nach dem Verschließen enthält die Überspannungsschutzvorrichtung also in einer vorgegebenen Atmosphäre zwei gegeneinander isolierte Leitergruppen, nämlich einerseits die Elektroden-Lamellen 20 und 40, die miteinander über den Widerstand 44 und gemeinsam mit dem Becher 61 verbunden sind, und andererseits die Lamellen-Elektroden 30 und 50, die miteinander über den Widerstand 54 und gemeinsam mit dem Deckel 62 verbunden sind.

Wenn an den Becher 61 eine gegenüber dem Deckel 62 negative Spannung angelegt wird und wenn diese Spannung eine von bestimmten Faktoren, die bereits erläutert wurden, abhängige Schwelle überschreitet, treten an der Kuppe 43 der als kalte Kathode wirkenden Elektrode 40 Elektronen in Richtung auf die Kante 31 aus (Figo 3)· Diese Elektronen ioniaieren die Gasmoleküle in der Umgebung, und die Entladung breitet sich durch Ionisation Schritt für Schritt zwischen den Kanten 42 und 31 aus und springt dann auf die Kanten 21 und 31 über. Aufgabe des Widerstandes 44 ist es, den Strom in der Elektrode 41 zu begrenzen, um ihre Beschädigung während des Zündens der Entladung zu verhindern.

Eine Überspannungsschutzvorrichtung, die nur die Elektroden 20, 30 und 40 enthielte, würde nur als unipolare Schutzvorrichtung verwendet werden können. Eine bipolare Vorrichtung könnte realisiert werden, indem man zwei der beschriebenen Vorrichtungen Rücken an Rücken zusammenbauen *flrde. Da« gleiohe Ergebnis wird aber viel einfacher durch die Hinzufügung der Lamellen-Elektrode 50 erreicht.

Die in Pig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform ist zur Verwendung in Verbindung mit Schneidenkontakten bestimmt, wie sie in Teilnehmeransohlüssen verwendet werden, man kann sie aber auch leicht duroh Aufschneiden dta Gehäuses oder

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BrM vom Blatt Vf MBt-tag. O. ScMtota

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durch Anlöten von Kontaktlamellen an dieses so abändern, daß man sie in einen Stromkreis einschalten kann.

Die Erfindung erlaubt darüber hinaus, Stromkreise zum Schutz gegen Oberspannungen zusammen mit den zu schützenden Sehaltelementen oder Stromkreisen zu realisieren. Zum einen ist es möglich, die leitenden lamellen nach bekannten Verfahren darzustellen und aufzubringen, z.B· durch Ausstanzen und Aufkleben, aber auch in Form eines chemischen, elektrolytischen, kathodischen o.dgl. Niederschlages, wobei die Torrn der Lamellen beim Aufbringen mittels Hasken oder nach dem Aufbringen durch Ätzen, Elektroerosion o.dgl· erhalten wird. Andererseits kann das Isoliermaterial für die Grundplatte aus einer breiten Palette ausgewählt werden, z.B. Kunstharzlaminate, Glasfasern, Glas, Siliziumdioxid, Kera mik, Aluminiumoxid u.dgl.

Es ist z.B. auch möglich, ein Schaltelement nach der Erfindung zugleich mit den Verbindungen der zu schützenden Bauteile in einer gedruckten Schaltung zu realisieren. Es ist sogar möglich, ein erfindungsgemäßes Schaltelement in situ in einer integrierten Sohaltung zu realisieren. Diese Möglichkeiten, verbunden mit der Tatsache, daß der Raumbedarf der Vorrichtung extrem verringert werden kann, erlauben z.B., Telefonkabel-EndverschlUese herzustellen, in die die Schutzkreise bereits eingebaut aindj daraus ergibt sich eine fühlbare Einsparung an mechanischen Kontakten, die, wie man weiß, eine nahesu ständige ürsaohe für Punktionsstörungen sein können.

Während es an sich nicht ausgeschlossen 1st, im Priniip die erfindungsgemäße Vorrichtung in der freien Atmosphäre zu betreiben, d.h. Luftmoleküle in der Umgebung der Elektroden zu ionisieren, 1st es Im allgemeinen doch vorzuziehen,

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BrM vom Blatt 1^ D^L-ta«. OL teMafta

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als Atmosphäre ein einatomiges Gas bei verringertem Druck zu verwenden, um eine Ansprechempfindlichkeit bei genügend niedrigen Überspannungen unter reproduzierbaren Bedingungen zu erhalten. Man sieht also ein Schutzgehäuse vor, das möglichst zugleich mit dem Überspannungsschutzkreis die zu schützenden Schaltelemente enthält.

Ferner empfiehlt es sich,

a) für die Elektroden eine Legierung oder ein Metall zu verwenden, die bzw· das in der gewählten Atmosphäre einen niedrigen Verdampfungsgrad hat, um eine vorzeitige Abnutzung der Elektroden zu vermeiden,

b) eine Legierung oder ein Metall mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit vorzugsweise unter 5eV zu wählen, um Werte für den Radius r und den Abstand d (Fig. 3) zu ver melden, die schwierig herzustellen sind.

In einer YerSuchsausführung der Vorrichtung nach Fig. 1

bis 3 wurden folgende Ergebnisse erzieltt

Die Elektroden 20, 30» 40 und 50 wurden in einer Legierung

ausgeführt, deren Elektrodenaustrittsarbeit ungefähr 4,5 eV war (Eisen-Hiokel-Kobalt-Molybdän-Legierung oder noch Nickel auf einer Chrom-Unterschicht) und deren Grundplatte aus gesintertem Aluminiumoxid bestand} die Atmosphäre bestand aus reines Argon bei einen Druck von 80 Torri der Abstand D betrug 400 Ai, der Abstand d 10 yu und der

Radius r 40 Ai, der Winkel a lag zwischen 30 und 60°. Bei diesen Werten betrug die statische Überschlagspannung

230 Volt, und die Bogenspannung stellte sich bei etwa 20 Volt ein· Bei einem Spannungsstoß mit einer Steilheit von 5 kV/yus betrug die Ansprechzeit bis sun Überschlag

weniger als 150 Hanosekunden, d.h. die dynamische Über sohlagspannung lag unter 750 Volt· Bei eine· SpannungsstoB

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Brief vom Blatt VZ DipMnfl. O. Schllebe

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mit einer Steilheit von 1 kV/yus sank die dynamische Überschlagsspannung auf den Wert der statischen Überschlagspannung· Sie Entladungsströme, die die Schaltung aushalten kann, sind eine Funktion der Oberfläche der Hauptelek-

troden 20 und 30. Wenn jede Elektrode eine Oberfläche von

ρ
0,24 cm hat, hält die Schaltung einen Strom von 10 kA über einen Impuls mit einem Spitzenwert von 8 MikroSekunden und einem Halbzeitwert von 20 MikroSekunden aus, ohne zerstört zu werden«,

Die Erfindung gestattet daher, auf einem keramischen Substrat von 1 cm eine symmetrische Überspannungsvorrichtung herzustellen, die wie die gebräuchlichen überspannungsvorrichtungen ein Energieniveau von etwa 350 Joule bewältigen kann·

Die Verwendung eines Metalls mit niedriger Elektronenausgangsarbeit wie Magnesium für die Elektroden würde ermöglichen, in der Gegenwart einer Argon-Atmosphäre Bogenspannungen unter 10 Volt zu erhalten.

Im folgenden werden die Figuren 4, 5 und 6 betrachtet.

Auf einer Oberfläche einer rechteckigen Grundplatte aus einem Isoliermaterial wie Sinterkeramik oder verstärktem Kunstharz sind fünf Anschlußklemmen 121 bis 125 befestigt. Die beiden zum Anschluß der Leiter der Außenleitung bestimmten Klemmen 121 und 122 sind beide an einer Schmal- seite des Rechtecks und nahe den Langeeiten angeordnet· Die zum Anschluß der Leitungen der Teilnehmerleitung bestimmten Klemmen 123 und 124 Bind an der anderen Schmalseite angeordnet, und zwar die Klemme 123 an derselben Langseite wie die Klemme 121 und die Klemme 124 an der selben anderen Langβeite wie die Klemme 122. Die Erd klemme 125 sitzt zwischen den Klemmen 123 und 124.

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Brief vom Blatt M DlpMng. O. ScMteb·

an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Ausführung und Befestigung der Klemmen wird später besprochen.

Alle Schaltelemente der Schutzvorrichtung, die mit diesen Klemmen verbunden sind, sind auf derselben Oberfläche der Grundplatte 110 in der Form von Lamellen aus einer leitenden Legierung niedergeschlagen oder befestigt. Dies sind zwei Sicherungen 131 und 132, von denen die erstere die Klemme 121 mit der Klemme 123 über Verbindungslamellen 141 und H3 und die zweite die Klemme 122 mit der Klemme 124 über Verbindungslamellen 142 und 144 verbindet; zwei rechteckige Entladungselektroden 151 und 152, die beiderseits der großen Achse der Grundplatte 110 angeordnet sind und etwa die Hälfte der zwischen den Sicherungen 131 und 132 gelegenen Fläche auf der Seite der Verbindungslamellen 141 und 142 einnehmen, mit denen sie verbunden sind;

eine rechteckige üntladungaelektrode 155, die annähernd die andere Hälfte der Fläche zwischen den beiden Sicherungen 131 und 132 einnimmt und über eine Lamelle 145 mit der Erdklemme 125 verbunden ist und deren den Kanten der Elektrode 151 und 152 gegenüberliegende Kante mit diesen einen Spalt gleichmäßiger Breite bildet; zwei Zündelektroden 161 und 162, deren jede mit einer Elektrode 151 bzw« 152 über widerstandsbehaftete Lamellen verbunden ist und die sich in dem Raum zwischen beiden Elektroden parallel zueinander erstrecken und in dreieokförmigen Spitzen enden, von denen eich die Spitze der Zündelektrode 161 zwischen den Elektroden 151 und 155 und die Spitze der Zündelektrode 162 zwischen den Elektroden 152 und 155 erstreckt»

zwei Zündelektroden 171 und 172, die über widerstandbehaftete Lamellen mit der Elektrode 155 verbunden sind, sioh zwiaohen dieser und den Sicherungen 131 und 132 erstrecken und jede in einer dreieokförmigen Spitze enden, von denen

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die er3tere sich zwischen den Elektroden 151 und 155 und die andere zwischen den Elektroden 152 und 155 erstreckt.

Weiter unten werden anhand der Fig· θ zusätzliche Angaben über Ausführung und Anordnung der Elektroden, der Sicherungen und ihrer Verbindungen gemacht werden»

Ein auf die Grundplatte 110 und die Verbindungslamellen aufgeklebter oder aufgelöteter Rahmen 111 aus Isoliermaterial umschließt die Sicherungen und die Elektroden und läßt die Anschlußklemmen aus. Ein auf den Rahmen 111 auf geklebter oder mit ihm vergossener Deckel bildet mit der Grundplatte 110 einen luftdicht abgeschlossenen Raum, in den im Zeitpunkt des Verschließens eine in Zusammensetzung und Druck vorgegebene Atmosphäre (trockene Luft, Argon, ein Gemisch dieser beiden Gase u.dgl.) eingegeben werden kann, um für die Elektroden einen vorgegebenen Wert der statischen Überschlagspannung zu schaffen.

Die Grundplatte ist in den Boden eines z.B. durch Abguß abgeformten Bechers 180 aus einem elastomeren oder plastomer en Isoliermaterial eingesetzt. Eine Kappe 182 aus dem gleichen Material, die ebenfalls durch Abguß abgeformt sein kann, umgibt den Rahmen 111 und den Deckel 112. Diese Kappe 182 ist derart gestaltet, daß sie mit dem Becher 180 Zellen 183 zwischen parallelen Stegen bildet, die die Klemmen 121 bis 125 voneinander trennen. Diese Klemmen können Schraubklemmen bekannter Art sein, die man mittels eines von oben in die Zellen eingeführten Schraubenziehers anzieht, nachdem die Adern duroh in de« Becher 180 ausgesparte Öffnungen eingeführt sind. Die Erfindung erlaubt aber eine wesentlich schnellere und sparsamere Befestigung der Leiter.

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Brief vom Blatt >5 DIpMi*. O. Sehltob·

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Hierzu können die Klemmen in der in Pig« 7 gezeigten Art ausgeführt sein. Die hier als Beispiel gezeigte Klemme 121 ist ein U-förmiges Bauteil, von dem Fig. 7 einen Schnitt durch die Basis 191 und einen der Schenkel 192 zeigt. Die Basis 191 ist auf die zugehörige Verbindungslamelle 141 (Fig. 4) aufgelötet. In jeden Schenkel ist eine V-förmige Ausnehmung 193 mit scharfen Kanten 194 eingearbeitet. Diese Ausnehmung setzt sich gegen die Basis 191 in einen rechteckigen Schlitz 195 mit stumpfen Kanten fort, der am Grunde ausgerundet und so bemessen ist, daß er einen Leiter mit leichtem Preßsitz aufnehmen kann.

Die die Klemmen aufnehmenden Zellen können durch Stopfen 1Θ4 verschlossen sein, deren Flanken mit Kerben versehen sind, die mit entsprechenden Kerben in den Flanken der Zellen zusammenwirken derart, daß man die Stopfen 184 eindrücken kann (z.B, mittels einer Zange), ohne daß sie sich lösen können. Es genügt daher, die isolierten Adern, ohne sie abzuisolieren, durch die öffnungen 185 in den Seitenwänden des Bechers (vgl. Fig. 5, Leiter C) bis über die Ausnehmungen 193 der Klemmen einzuschieben. Der beim Eindrücken der Stopfen 184 ausgeübte Druck zwingt zunächst die Adern in die Ausnehmungen 193, wobei deren Isolierung von den Schneidkanten 194 durchtrennt wird, und dann deren Leiter in die Schlitze 195, in denen eie im Preßsitz gehalten werden.

Es sei hier bemerkt, daß eine vollständige Schutzvorrichtung nach der Erfindung nur einige zehn Gramm wiegt und daß die anzuschließenden Adern gewöhnlich an einer Mauer befestigt sind. Man kann dies in der Weise ausnutzen, daß gleichzeitig mit der Herstellung der Verbindungen auch daa Gehäuse der Vorrichtung ohne zusätzliche Maßnahmen befestigt wird. Zu diesem Zweck ist ■> an den

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Schmalseiten des Bechers 180 hinter den Klemmenreihen Je eine weitere Zelle 186 vorgesehen, durch die die isolierten Adern einer Leitung hindurchführen» zu deren Klemmbefestigung ein weiterer Stopfen 187 eingedrückt wird, der mit den daneben liegenden Stopfen 184 über Stege 189 verbunden ist und die isolierten Adern 185 gegen den Boden der Zelle 186 preßt. Jede Einheit 184-187-188 bildet also einen monolithischen Clip 189 (Fig. 5).

Man kann eine fast vollständige Abdichtung der Klemmen und der äußeren Verbindungen des Rahmens 111 gegen die Außenluft (Feuchtigkeit, Salzsprühnebel, Säuredämpfe usw.) erreichen, indem man vor dem Einsetzen der Clips 189 oder vor dem vollständigen Eindrücken (also in der Stellung gem. Fig. 5 rechts) eine bestimmte Menge eines Feuchtigkeit abweisenden Fettes (z.B. ein Siliconfett) beigibt, von der ein Teil beim Eindrücken der Clips in den Becher 181 in die Zwischenräume zwischen den Adern der Leitungen und den öffnungen 185 ausgepreßt wird.

Im folgenden werden zu den einzelnen Bauteilen Beispiele

für die Materialwahl gegeben:

Grundplatte 110 und Rahmen 111t Sinterkeramik; Lamellen der Elektroden, der Sicherungen und der Verbindungen t Eis en-Nickel-Kobalt-Legierung; Deckel 1T2: rostfreier Stahlt

Anschlußklemmen 121 bis 125: Beryllumkupfer (für Kupferadern) oder rostfreier Stahl (für Aluminiumadern); Becher 180, Kappe 182, Clips 189t spritzfähiger Kunststoff (Polyamid oder Polycarbonate

Die Werkstoffliste zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ist also gegenüber der bei den bekannten Schutzvorrichtungen verwendeten Werketoffliste wesentlich eingeschränkt. Andererseits werden für die

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Fabrikation - ausgenommen das Entgraten der Spritzteile und das Stanzen und Biegen der Anschlußklemmen - keine Vorrichtungen zur Bearbeitung benötigt. Insbesondere verlangt keines der Bauelemente das Schneiden von Gewinden. Die Mehrzahl der Arbeitsgänge kann automatisiert werden.

Man erkennt außerdem, daß die Zahl der Arbeitsgänge bei der Montage sich auf das Ablängen der isolierten Adern, auf das Einführen der Adern durch die Öffnungen und auf das Eindrücken der Clips 189 mit einer Zange beschränkt.

In Fig. 8 sind die Schaltelemente mit denselben Bezugszeichen versehen wie in den Pig. 4 bis 6. Piß. 8 stellt den innerhalb des Rahmens 111 gelegenen Teil der Oberfläche der Grundplatte 110 dar.

Die Widerstände 611 und 621, die jeweils die Zündelektroden 161 und 162 mit den Entladungselektroden 151 und 152 verbinden, sind ebenso wie die Widerstände 711 und 721, die die Zündelektroden 171 und '\72 mit der Entladungselektrode 155 verbinden, durch schleifenförmig angeordnete Streifen (z.B. im Mäander, wie es Pig· 8 zeigt, oder im Zick-Zack) gebildet, was erlaubt, ihnen ohne erhöhten Platzbedarf einen hinreichend großen Widerstandswert zu geben. Wie bereits beschrieben, haben diese Widerstände die Aufgabe, den Strom in den Zündelektroden zu begrenzen, um deren Beschädigung im Falle eines Überschlages zu verhindern.

Die lamellen 131 und 132, die die Rolle von Sicherungen spielen, haben die Form einer Reihung von abwechselnd breiteren Leiterstücken wie 311 und schmäleren Leiterstücken wie 312. Wenn diese Abmessungen nach der Art der Legierung und der Dicke der Lamellen passend gewählt sind, bewirkt ein Überstromstoß von hinreichender Größe

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und Dauer, bei dem die Vorrichtung zerstört werden würde, daß mindestens eines der schmalen Leiterstücke durchschmilzt. Hingegen wird ein Stromstoß, dessen Dauer zu kurz ist (z.B. unter 20 Hanosekunden), um die Vorrichtung zu beschädigen, durch die aus den Sprüngen in der Breite aufeinander folgender Leitungsstücke herrührende Impedanzverteilung gedämpft. Die breiteren Leitungsstücke 311 spielen im übrigen eine mechanische Bolle: Sie stärken die Verbindung zwischen der Grundplatte 110 und der Sicherung 131, 132 als Ganzes und erhöhen so die Widerstanda schwelle gegen mechanische Schockwirkungen aufgrund der Spannungsatöße.

Zum anderen kann ein Schmelzen eines Elements der Sicherung eine Metallisierung des Substrats hervorrufen, die einen Kurzschluß speziell zwischen dem überlasteten Leiter und der sehr nahe neben diesem liegenden Erdungselektrode 155 fördert, wodurch eine Fehlermeldung zur Zentrale ausgelöst werden kann.

Wie die verschiedenen Ausführungsbeispiele bereits zeigen, kann die Erfindung in Einzelheiten je nach Anwendungszweck abgewandelt werden. So kann z.B. der Boden 181 des Bechers 180 aus Metall bestehen, wenn man die mechanische Festigkeit des Gehäuses verbessern will. Auch kann der ganze Becher aus Buckelblech als Einlage in einer Umhüllung aus einem Polymer bestehen.

Das Verhalten der Vorrichtung gegenüber elektrischen Überspannungen kann noch verbessert werden, indem man die Erdverbindungen verstärkt. Sie Erdklemme kann z.B. eine Schraubklemme mit Kontermutter sein, die außen am Gehäuse sitzt und mit dem Deckel 112 verbunden ist, der aus Metall besteht und seinerseits mit der Brdelektrode 155 verbunden

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Brief vom Blatt ty' Dtpl.-Ing. O. Mutete

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ist» Man kann auch die Erdverbindung mittels einer Metallplatte herstellen, die zwischen der Grundplatte 110 und dem Boden 181 des Bechers 180 angeordnet und einerseits mit einer außen am Gehäuse angeordneten Erdklemme und andererseits mit der Erdelektrode 155 mittels eines durch die Grundplatte 110 hindurchgeführten Leiters verbunden ist.

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Claims

Brief vom Blatt 3^ kUpl -Ing. Q. Schitob·

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Iat ent ans prü ehe

Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Gehäuse, in. dem auf einer Grundplatte aus Isoliermaterial eine elektrische Schaltung angeordnet ist, die als Schaltelemente eine erste Entladungselektrode an einem erst en, das Gehäuse durchsetzenden leiter, eine zweite Entladungselektx-ode an einem zweiten, das Gehäuse durchsetzenden leiter, die von der ersten Entladungselektrode durch eine Entladungsstrecke getrennt iet, eine in die Entladungsstrecke reichende Zündelektrode und einen diese mit der ersten Entladungselektrode verbindenden Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (61, 62; 180) eine ionisierbare Atmosphäre eingeschlossen ist und die Schaltelemente laetallaaellen sind, die flach auf ein und derselben Oberfläche der Grundplatte (11; 110) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf derselben Oberfläche der Grundplatte (11) eine zweite Zündelektrode (41 bzw. 51), die ebenfalls in die ^intladungsstrecke (11) hineinreicht, und ein diese mit der zweiten Entladungselektrode (20 bzw. 30) verbindender zweiter Widerstand (44 bzw. 54) als flache ketallamellen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-5 zeichnet, daß die Schaltung ferner in den ersten und zweiten leiter eingeschaltete tjberstromsicherungen (131, 132) in Form von Metallamellen aufweist, die ebenfalls flach auf derselben Oberfläche der Grundplatte (110) angeordnet sind.

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ORIGINAL INSPECTED

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ο Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen aus demselben metallischen Werkstoff gefertigt und von gleicher Stärke sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (11; 110) zwei elektrische Schaltungen in 3^iegelsymmetrischer Anordnung trägtο

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaltungen auf derselben Oberfläche der Grundplatte (110) angeordnet sind und die zweite Entladungselektrode (155) beiden Schaltungen gemeinsam ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen Metallboden und einen Metalldeckel (62) hat, zwischen denen ein Rahmen (64) aus Isoliermaterial angeordnet ist, und daß die Grundplatte (110) mit ihrer von Schaltelementen freien Unterseite auf dem Metallboden befestigt ist derart, daß eine der Entladungselektroden (20) mit dem Metallboden und die andere Entladungselektrode (30) mit dem Metalldeckel verbunden ist, die beide mit Leitungsanschlüssen versehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente über flach auf der Grundplatte (110) angeordnete Anschlußlamellen an metallene Anschlußklemmen (121 bis 125) geführt sind und daß die die Schaltelemente tragende Oberfläche der Grundplatte einen Rahmen (111) aus Isoliermaterial trägt, der die Anschlußklemmen voneinander trennt und mit einem Deckel (112) verschlossen ist, so daß Grundplatte, Rahmen und Deckel das Gehäuse bilden.

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Brief vom Blatt 2<T Dipt-Ing. Q. Schitob·

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9_β Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußklemmen (121 bis 125) ein- oder mehrfach abgewinkelte Blechstreifen sind, die an ihrer Basis (191) auf den Anschlußlamellen befestigt sind und deren Schenkel (192) Einschnitte (193) aufweisen, deren Kontur und Kanten (194, 195) 00 geformt und bemessen sind, daß die Isolierung einer in den Einschnitt eingedrückten Ader durchschnitten und die Seele der Ader unter elektrischer Kontaktgabe eingeklemmt wird«

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Grundplatte, Rahmen und Leckel in einen Schutzkasten (180) aus Kunststoff eingebettet sind, in dem Zellen (183) zur Aufnahme der Anschlußklemmen und Einführungen (185) für die Leitungsadern ausgespart sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dde Zellen (183) Stopfen (184) einschiebbar sind, welche die Leitungsadern in die Einschnitte (193) der Anschlußklemmen (121) hineinpressen, und daß die Seitenwände der Zellen und Stopfen mit Kerben versehen sind, die sägezahnartig ineinander greifen und ein Lösen der Stopfen verhindern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zellen (183) ein feuchtißkeitsabweisendea Fett eingesetzt ist.

13„ Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schutzkasten (180) zwischen den Leitungseinführungen (185) und den Ansciilußklemaen-Zellen (183) weitere Zellen (186) ausgespart sind, 3C in die weitere Stopfen (187) zur Klemmung der Leitungsadern einschiebbar sind.

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Brief vom BWt &Γ MpL-ta» O. ScMMa

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H. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfen (187) zur Klemmung der Leitungsadern und die Stopfen (1S4) zur Kontaktierung der Seelen der leitungsadern durch Stege (188) zu einstückigen Befestigungsclips (189) verbunden sind.

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