DE2714411A1 - OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE - Google Patents
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Description
271U11271U11
Das Hauptpatent betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einem gasgefüllten Überspannungsableiter und einem spannungsabhängigen Widerstand, bei der der spannungsabhängige Wider· stand ein Metalloxidvaristor ist und der gasgefüllte Überspannungsableiter und der Metalloxidvaristor parallel geschaltet sind.The main patent relates to a surge protection device with a gas-filled surge arrester and a voltage-dependent resistor, in which the voltage-dependent resistor stood a metal-oxide varistor and the gas-filled surge arrester and the metal-oxide varistor are connected in parallel are.
Aus der DT-OS 1 803 770 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, die aus einer Reihenschaltung einer Vielzahl von EinFrom DT-OS 1 803 770 there is an overvoltage protection device known, which consists of a series connection of a plurality of one zelf unkenstrecken und von spannungsabhängigen Widerständen be steht und bei der die Funkenstrecken anteilweise mit verschiedenen Zündspannungen ausgebildet sowie mit die unterschiedlichen Zündspannungen kompensierenden Einzelsteuerungen versehen sind, wobei die unterschiedlichen Kenndaten der Einzelfunkenstreckenzelf token lines and voltage-dependent resistances and in which the spark gaps are partially formed with different ignition voltages and with the different ones Individual controls that compensate for ignition voltages are provided, with the different characteristics of the individual spark gaps durch Füllung mit verschiedenen Gasen bewirkt sind. Diese Schutzeinrichtung dient als Hochspannungsabieiter.caused by filling with different gases. This protective device serves as a high-voltage arrester.
Überspannungsableiter mit Funkenstrecken und in Reihe mit den Funkenstrecken geschalteten spannungsabhängigen Widerständen, bei denen parallel zu den Funkenstrecken spannungsabhängige Steuerwiderstände geschaltet sind, gehen beispielsweise auchSurge arresters with spark gaps and voltage-dependent resistors connected in series with the spark gaps, In which voltage-dependent control resistors are connected in parallel to the spark gaps, for example, also work
Rb 1 Pj 30.3.1977Rb 1 Pj March 30, 1977
HU9840/0412HU9840 / 0412
77 P 1 O 3 9 BRD77 P 1 O 3 9 FRG
aus der DT-PS 1 192 733 als bekannt hervor. Bei Übersp« ableitern ist man bestrebt, die Ansprechspannung unter Beibehaltung der Löschsicherheit möglichst niedrig zu halten. Die gleichmäßige Spannungsverteilung über die Funkenstrecken eines Hochspannungsableiter wird allgemein durch ohmsehe oder spannungsabhängige Widerstände erzwungen, die entweder parallel zu jeder Funkenstrecke oder parallel zu Gruppen von Funkenstrecken geschaltet sind.from DT-PS 1 192 733 as known. In case of oversp « one endeavors to keep the response voltage as low as possible while maintaining the extinguishing security. The even one Voltage distribution over the spark gaps of a high voltage arrester is generally by ohmic or voltage-dependent Forced resistances connected either in parallel to each spark gap or in parallel to groups of spark gaps are.
Spannungsabhängige Widerstände gehen beispielsweise aus der DT-OS 1 765 097 als bekannt hervor. Derartige nichtlineare Widerstände bestehen z.B. aus einer gesinterten Zinkoxidscheibe, die an ihren gegenüberliegenden Oberflächen mit Elektroden versehen ist, wobei z.B. die eine Elektrode in ohmschem Kontakt und die andere Elektrode in nichtohmsehern Kontakt mit der Scheibe steht. Andere nichtlineare Widerstände sind z.B. SiIiziumcarbid-Varistoren, Selengleichrichter und Germanium- oder Silizium-pn-Flächengleichrichter.Voltage-dependent resistors emerge as known from DT-OS 1 765 097, for example. Such nonlinear Resistors consist, for example, of a sintered zinc oxide disc, which is provided with electrodes on their opposite surfaces is, for example, one electrode in ohmic contact and the other electrode in non-ohmic contact with the Disc stands. Other non-linear resistances are e.g. silicon carbide varistors, Selenium rectifiers and germanium or silicon pn surface rectifiers.
Für den direkten Ersatz von mechanischen Durchschalteelementen werden für moderne Fernsprechvermittlungsämter hochspannungsfeste Halbleiterkoppelpunkte vorgeschlagen (man vergl. Erich Bächle "Einhochspannungsfester Halbleiterkoppelpunkt zum direkten Ersatz von mechanischen Durchschalteelementen" aus "Wiss.Ber. AEG-Telefunken" 49 (1976) 4/5). Das Vorhaben gestaltet sich recht schwierig, weil diese Halbleiterkoppelpunkte relativ hohe Spannungen beider Polaritäten, insbesondere bei hohen Störspannungen, und bei relativ kleinen Übertragungsströmen große Störströme ohne Beeinträchtigung aushalten müssen. Als Schutzschaltung wird für die halbleitenden Koppelpunkte ein in der übertragungsleitung liegender Begrenzungswiderstand und ein vor dem Koppelpunkt angeordneter Metalloxid-Varistor (MOV) vorgeschlagen. Die Ansprechzeit der Metalloxid-Varistoren ist mit kleiner als 50 ns kürzer als bei den Gasentladungs-Überspannungsableitern. Sie reagieren so auf jeden Fall schneller als Thyristorhalbleiterkoppelpunkte und nehmen Energien bis zu 20 Ws auf. Setzt man voraus, daß für die Varistoren der Strom bei KurzschlußFor the direct replacement of mechanical switching elements for modern telephone exchanges are high voltage resistant Semiconductor coupling points proposed (see Erich Bächle "Einhochspannungsfester semiconductor coupling point for direct replacement of mechanical switching elements "from" Wiss.Ber. AEG-Telefunken "49 (1976) 4/5). Shaping the project quite difficult because these semiconductor crosspoints have relatively high voltages of both polarities, especially at high voltages Interference voltages and, in the case of relatively small transmission currents, have to withstand large interference currents without impairment. as A protective circuit is a limiting resistor and a in the transmission line for the semiconducting crosspoints Metal oxide varistor (MOV) arranged in front of the coupling point is proposed. The response time of the metal oxide varistors is with less than 50 ns shorter than with gas discharge surge arresters. In any case, they react faster than thyristor semiconductor crosspoints and absorb energies up to 20 Ws. Assuming that the varistors are short-circuited
ο ■ '■ y .η i* υ / υ u 12ο ■ '■ y .η i * υ / υ u 12
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auf 100 A begrenzt werden soll, dann ergeben sich bei Spitzenspannungen von 2000 V auf der Freileitung für den Reihenwiderstand 20 Ohm. Die Widerstände müssen also für 2000 V stoßspannungsfest aufgebaut sein. Die angenommenen Voraussetzungen gelten sicherlich in Hauptverteilern zum Schutz der Koppelelemente im Fernsprechamt, da die Blitzbeeinflussung sich auf die parallel verlaufenden Leitungen verteilt und die Belastung der Schutzschaltungen entsprechend reduziert wird. Die vorgeschlagene Schutzschaltung mit Widerständen und Metalloxid-Varistoren kann aber nicht ohne weiteres auf den Teilnehmer- oder Kabelschutz übertragen werden, wenn mit direkten Blitzbeeinflussungen zu rechnen ist. Die kostengünstigen, sehr schnellen und wartungsfreien Metalloxid-Varistoren wären jedoch für den Stationsüberspannungsschutz wegen ihrer Zuverlässigkeit und An-Sprechschnelligkeit sehr erwünscht, zumal auch besondere Konstruktionsformen bekannt sind, die ihren Einsatz bei hohen Frequenzen gestatten.should be limited to 100 A, then at peak voltages of 2000 V on the overhead line for the series resistance 20 Ohm. The resistors must therefore be surge proof for 2000 V. be constructed. The assumed prerequisites certainly apply in main distributors to protect the coupling elements in the telephone exchange, since the lightning influence is distributed over the parallel lines and the load on the Protection circuits is reduced accordingly. The proposed protective circuit with resistors and metal oxide varistors but cannot simply be transferred to subscriber or cable protection if it is directly affected by lightning is to be expected. The inexpensive, very fast and maintenance-free metal oxide varistors would, however, be used for station overvoltage protection Very desirable because of their reliability and responsiveness, especially special designs are known that allow their use at high frequencies.
Zur Realisierung von Schutzschaltungen für mechanische Kontakte und Bauelemente in den Fernsprechvermittlungsämtern, bei den Fernsprechteilnehmern und den Kabeln gegen Überspannungen werden schnell ansprechende gasgefüllte Überspannungsableiter mit Zündstrichen verwendet. Bei einer Steilheit der Störspannung von 5 kV//us ist die Ansprechzeit der schnellsten Ableiter kleiner als 240 ns. Zur Beherrschung der Ansprechsicherheit bei galvanischer Berührung mit der Nennspannung von 220 V werden in Überspannungsableitern radioaktive Vorionisationspräparate benutzt, deren Wirkung allerdings als Funktion der Halbwertszeit nachläßt. Die Zuverlässigkeit niedriger Erstzündspannungswerte nimmt also mit der Lebensdauer der Ableiter stark ab. Der große Vorteil der überspannungsableiter liegt dagegen in ihrer großen Stromtragfähigkeit bei nahezu konstanter Brennspannung. Entsprechend ihrer Leistungsklasse können sie daher für die Ableitung von Stoßströmen ohne Veränderung ihrer Eigenschaften einzein eingesetzt werden.To implement protective circuits for mechanical contacts and components in telephone exchanges, telephone subscribers and cables against overvoltages fast-responding gas-filled surge arresters with ignition lines are used. With a steepness of the interference voltage of 5 kV // us, the response time of the fastest arrester is shorter than 240 ns. In order to control the response reliability in the event of galvanic contact with the nominal voltage of 220 V, surge arresters radioactive preionization preparations are used, the effect of which, however, diminishes as a function of the half-life. The reliability of low initial ignition voltage values therefore decreases sharply with the service life of the arrester. the big advantage The surge arrester, on the other hand, has a large current carrying capacity with an almost constant operating voltage. Corresponding In their performance class, they can therefore be used for the discharge of surge currents without changing their properties can be used.
HU9840/0412HU9840 / 0412
mimmim
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzeinrichtung mit reduzierter Ansprechstoßspannung und sehr kurzer Zündverzögerung zu schaffen, die zum Überspannungsschutz von Halbleiterschaltungen an Fernmeldeleitungen, insbesondere Halbleiterkoppelpunkten, besonders geeignet ist. In vorteilhafter Ausgestaltung des Hauptpatents wird deshalb bei einer überspannungsschu-tzeinrich-tung der eingangs genannten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß der Widerstand einer Übertragungsleitung durch einen in der Schutzeinrichtung befindlichen ohmsehen Widerstand erhöht ist, daß der gasgefüllte Überspannungsableiter auf der Seite des Widerstandes angeordnet ist, auf der die Überspannung auftritt und daß auf der anderen Seite des Widerstandes der Metalloxidvaristor die Spannung an einer zu schützenden Halbleiterschaltung, insbesondere Halbleiterkoppelpunkten, begrenzt.The invention is based on the object of creating an overvoltage protection device with reduced response surge voltage and very short ignition delay, which is particularly suitable for overvoltage protection of semiconductor circuits on communication lines, in particular semiconductor crosspoints. In an advantageous embodiment of the main patent, it is therefore proposed in a voltage protection device of the type mentioned according to the invention that the resistance of a transmission line is increased by an ohmic resistor located in the protection device, that the gas-filled surge arrester is arranged on the side of the resistor on which the overvoltage occurs and that on the other side of the resistor the metal oxide varistor limits the voltage across a semiconductor circuit to be protected, in particular semiconductor coupling points.
Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung finden bevorzugt als gasgefüllte überspannungsableiter Knopfableiter Verwendung, die sich mit den Metalloxid-Varistoren besonders raumsparend in einem Gehäuse anordnen lassen.In the overvoltage protection device according to the invention, button arresters are preferably used as gas-filled surge arresters Use which can be arranged in a housing with the metal oxide varistors in a particularly space-saving manner.
Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung weist den Vorteil auf, daß - da die Ansprechzeit der Metalloxid-Varistoren sehr viel kürzer als die der überspannungsableiter ist - die Metalloxid-Varistoren schneller ansprechen und selbst bei sehr großen Spannungssteilheiten die Überspannung auf die vorgeschriebenen Werte begrenzen. Der resultierende Stoßstrom erzeugt am Widerstand der Schutzschaltung einen zusätzlichen Spannungsabfall, der mit dem. Spannungsabfall des Metalloxid-Varistors mit einer Zeitverzögerung den Überspannungsableiter zündet, so daß der Strom wegen des wesentlich kleineren Innenwiderstandes des Überspannungsabieiters auf diesen kommutiert. Mit größer werdender Stromverträglichkeit der Metalloxid-Varistoren kann der Schutzwiderstand kleiner gewählt werden, bis schließlich der Spannungsabfall des angesprochenen Metalloxid-Varistors selber bei zunehmendem Stoßstrom ausreicht, um den überspannungsableiter zu zünden. Die Verwendung eines zusätz-The overvoltage protection device according to the invention has the The advantage is that - since the response time of the metal oxide varistors is much shorter than that of the surge arrester - the metal oxide varistors respond faster and even with very large voltage slopes the overvoltage on the limit prescribed values. The resulting surge current creates an additional one at the resistance of the protective circuit Voltage drop associated with the. Voltage drop of the metal oxide varistor with a time delay the surge arrester ignites, so that the current commutates because of the significantly smaller internal resistance of the surge arrester. With increasing current tolerance of the metal oxide varistors the protective resistance can be selected to be smaller, until finally the voltage drop of the addressed metal oxide varistor even if the surge current increases, it is sufficient to ignite the surge arrester. The use of an additional
-& , 77 P 1 03 8 BRD - &, 77 P 1 03 8 FRG
lichen Schutzwiderstandes ist dann der direkten Paralielschaxtung von Überspannungsableiter und Metalloxid-Varistor überlegen, wenn diese Schaltung kostengünstiger ist.lichen protective resistance is then the direct parallel axis of surge arresters and metal oxide varistors are superior if this circuit is more cost-effective.
Da die Ansprechzeit der Metalloxid-Varistoren kürzer ist als die der gasgefüllten Überspannungsableiter, arbeitet die Parallelschaltung auch noch, wenn die Ansprechgleichspannung beider Elemente gleich 1st. Auf den zusätzlichen Schutzwiderstand kann verzichtet werden, wenn der ohmsche Widerstand der Metalloxid-Varistoren mit der Erhöhung des Stoßstroms zunimmt, so daß die Ansprechstoßspannung des Überspannungsabieiters erreicht wird.Because the response time of the metal oxide varistors is shorter than that of the gas-filled surge arrester, the parallel connection also works when the response DC voltage of both Elements equal to 1st. The additional protective resistor can be dispensed with if the ohmic resistance of the metal oxide varistors increases with the increase in the surge current, so that the surge voltage of the surge arrester is reached.
Die vorgeschlagene Parallelschaltung von Überspannungsableiter und Metalloxid-Varistor - gegebenenfalls mit erhöhtem Schutzwiderstand - ist eine zuverlässige Schutzschaltung der Teilnehmerstation, wenn die Stoßströme 100 A überschreiten. Durch die Zündung der überspannungsableiter kommutiert der Ableitstrom auf die gasgefüllten Überspannungsableiter, so daß die Metalloxid-Varistoren vor Überlastung geschützt sind. Bei kleinen Überspannungen und niedrigen Stoßströmen werden nur die Metalloxid-Varistoren für die Spannungsbegrenzung der überspannung sorgen. Mit der Parallelschaltung von gasgefülltem überspannungsableiter und Metalloxid-Varistor, gegebenenfalls mit erhöhtem Schutzwiderstand, können alle Stoßströme sicher beherrscht werden.The proposed parallel connection of surge arrester and metal oxide varistor - possibly with increased protective resistance - is a reliable protective circuit for the subscriber station when the surge currents exceed 100 A. By the ignition of the surge arrester commutates the leakage current on the gas-filled surge arrester, so that the metal oxide varistors are protected from overload. With small ones Overvoltages and low surge currents are only used by the metal oxide varistors for limiting the voltage of the overvoltage care for. With the parallel connection of gas-filled surge arresters and metal oxide varistors, if necessary with increased protective resistance, can safely control all surge currents will.
An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing.
Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung, bei der je ein gasgefüllter Überspannungsableiter 1 mit Je einem spannungsabhängigen Widerstand 2 parallelgeschaltet ist. Die aus gasgefülltem Überspannungsableiter 1 spannungsabhängigen Widerstand 2 und Schutzwiderstand 3 bestehende Überspannungsschutzeinrichtung ist zwischen die überspannungsbeeinflußbare Leitung 4 und die zu schützende Halbleiterschaltung 5, insbesondere die Halbleiterkoppelpunkte, geschaltet. InThe figure shows schematically an overvoltage protection device according to the invention, each with a gas-filled surge arrester 1 with a voltage-dependent resistor 2 connected in parallel is. The gas-filled surge arrester 1, voltage-dependent resistor 2 and protective resistor 3 The overvoltage protection device is between the line 4 which can be influenced by overvoltage and the semiconductor circuit to be protected 5, in particular the semiconductor crosspoints, switched. In
HU98A0/0A12HU98A0 / 0A12
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diesem Ausführungsbeispiel ist der Leitungswiderstand der übertragungsleitung 4 durch je einen Schutzwiderstand 3 erhöht. Die gasgefüllten überspannungsableiter 1 sind auf der Seite der Widerstände 3 angeordnet, auf der die überspannung auftritt. Auf der anderen Seite der Widerstände 3 begrenzen die Metalloxid-Varistoren 2 die Spannung am Koppelpunkt. Als gasgefüllte Überspannungsableiter 1 finden sogenannte Knopfabieiter bevorzugt Verwendung. Solche Überspannungsableiter, bei denen zwei kegelstumpf förmig ausgebildete Elektroden mit ihren einander zugekehrten Auswölbungen in die Enden eines rohrförmigen, aus Glas oder Keramik bestehenden Isolierkörpers gasdicht eingesetzt sind, zeichnen sich besonders durch ihre kleinen Abmessungen aus. Als spannungsabhängige Widerstände 2 finden bevorzugt Metalloxid-Varistoren Verwendung. Die spannungsabhängige Keramik dieser Varistoren ist beispielsweise auf der Basis von Zinkoxid, Titanoxid, Kupferoxid oder Eisenoxid aufgebaut.This embodiment is the line resistance of the transmission line 4 increased by a protective resistor 3 each. The gas-filled surge arresters 1 are on the side of the Resistors 3 arranged on which the overvoltage occurs. On the other side of the resistors 3, the metal oxide varistors limit 2 the voltage at the coupling point. So-called button arresters are preferred as gas-filled surge arresters 1 Use. Such surge arresters, in which two truncated cone-shaped electrodes with their facing each other Bulges in the ends of a tubular, made of glass or ceramic insulating body used gas-tight are characterized by their small dimensions. Metal oxide varistors are preferably used as voltage-dependent resistors 2 Use. The voltage-dependent ceramic of these varistors is based, for example, on zinc oxide, Titanium oxide, copper oxide or iron oxide built up.
3 Patentansprüche, 1 Figur.3 claims, 1 figure.
809840/041 2809840/041 2
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■ 1- ■ 1- r s er s e
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