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ifberspannungsschutz schaltung mit Zenerdiode
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Die Erfindung betrifft eine Uberspannungsschutzanordnung für eine
ohne Vorwiderstand kapazitiv beschalteten elektrischen Schaltungsanordnung mit einer
parallel zum Eingang der elektrischen Schaltungsanordnung angeordneten Zenerdiode.
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Halbleiterbauelemente in elektronischen Schaltungen werden bei Überschreitung
ihrer Spannungsgrenzwerte durch Überspannungen zerstört oder zumindest in ihren
Betriebswerten geschädigt. Diese Überspannungen entstehen z.B.
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durch Ein- und Ausschalten eines Stromes in einer Induktivität oder
bei statischen Entladungen, oder aber auch durch unvorhergesehene Kurzschlüsse zwischen
Betriebsspannungen mit unterschiedlichen Spannungswerten oder Spannungspolaritäten
und bei Versagen von Spannungsregeleinrichtungen. Es ist deshalb allgemeiner Stand
der Technik, elektronische Schaltungen durch Uberspannungsschutzanordnungen vor
der Zerstörung durch Überspannungen zu schützen.
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Da Halbleiterbauelemente und elektronische Schaltungen überwiegend
an Kleinspannungen, d.h. an Spannungen kleiner als 42,4 V betrieben werden, werden
als Überspannungsschutzanordnungen für diesen Bereich im allgemeinen zum Eingang
der elektronischen Schaltungen parallel angeordnete Zenerdioden verwendet, die eine
steile Begrenzungslinie aufweisen.
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Die Impuls- bzw. die Dauer-Verlustleistungsgrenzen dieser Zenerdioden
liegen jedoch sehr niedrig. Beim Auftreten von hohen Überspannungen wird bewußt
die Zerstörung der
Diode in Kauf genommen. Sie legiert dabei durch
und bildet einen parallel zum Eingang der elektronischen Schaltungsanordnung liegenden
Kurzschluß.
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Die Schutzwirkung durch die Legierung der Diode wird aber vermindert,
wenn bei vorhandener kapazitiver Beschaltung ohne Vorwiderstand, wie sie z.B. in
jedem Falle bei der Gleichspannungsversorgung von elektronischen Schaltungen gegeben
ist, ab einer bestimmten Ladungsmenge eine mechanische Zerstörung der Diode beim
Durchlegieren auftritt.
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Ursache ist die im Kondensator gespeicherte Energie, die den Halbleiterkristall
der Diode so schlagartig erwärmt, daß ein regelrechtes Zerplatzen des Kristalls
und meist auch des Diodengehäuses auftritt. Die eintretende mechanische Unterbrechung
im Bereich der Diode führt infolge der an der elektronischen Schaltung anliegenden
Uberspannung zur Zerstörung der elektronischen Schaltungsanordnung, so daß die angestrebte
Schutzwirkung nicht eintreten kann. Außerdem können umberfliegende Diodensplitter
weiteren Schaden anrichten.
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Um derartige Schäden zu vermeiden, ist es allgemeiner Stand der Technik,
anstelle der preisgünstigen Zenerdioden teuere Schutzdioden, sogenannte TAZ-(Transient-Absorbing-Zener)
Dioden zu verwenden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, für Halbleiterbauelemente,
elektronische Schaltungen und dergl. einen kostengünstigen und aufwandarmen Schutz
gegenüber Überspannungen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, daß in Serie zu der Zenerdiode eine Induktivität angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die
Induktivität aus einer UKW-Drossel mit/oder ohne Eisenkern.
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Die Erfindung nützt in einfacher Weise die Tatsache aus, daß beim
Durchlegieren von Zenerdioden dann keine mechanische Zerstörung eintritt, wenn die
Stromänderungsgeschwindigkeit in der Zenerdiode auf ein bestimmtes Maß begrenzt
wird. In diesem Falle explodiert die Diode nicht und wird dadurch nicht mechanisch
unterbrochen, sondern sie legiert in der gewünschten Weise zusammen und bildet einen
Kurzschluß. Die Begrenzung des Stromanstieges wird in einfacher Weise dadurch erreicht,
daß der Zenerdiode eine kleine Induktivität vorgeschaltet wird, wobei diese Induktivität
aus einer kostengünstigen handelsüblichen UKW-Drossel mit/oder ohne Eisenkern besteht.
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Ihr geringer ohmscher Widerstand und ihre geringe Induktivität bedingen
eine kleine Zeitkonstante, die jedoch die eigentliche Schutzfunktion der Zenerdiode
nicht beeinflußt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden beispielsweise näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 eine Überspannungsschutzanordnung für eine elektrische
Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik und Fig. 2 ein Druckschaltbild einer
Überspannungsschutzanordnung gemäß der Erfindung.
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Die in der Fig. 1 dargestellte, allgemein übliche Überspannungsschutzanordnung
für eine elektronische Schaltungsanordnung ES, die z.B. aus Halbleiterbauelementen
oder sonstigen elektronischen Bauelementen bestehen kann,
und die
üblicherweise in einem Spannungsbereich mit Kleinspannungen kleiner 42,4 Volt betrieben
wird, ist als Überspannungsschutz parallel zum Eingang der elektronischen Schaltungsanordnung
ES eine Zenerdiode Z geschaltet. Die elektrische Schaltungsanordnung ES wird über
eine Gleichspannungsquelle SQ versorgt, wobei diese Gleichspannungsversorgungseinrichtung
mit Kleinspannungen üblicherweise kleiner als 42,4 Volt betrieben wird, und eine
Kapazität K enthält, womit die Spannungsquelle SQ ohne Vorwiderstand direkt an der
Schaltungsanordnung ES anliegt.
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Bei Auftreten von durch einen Blitz symbolisierten Überspannungen,
die über die Betriebsspannungen hinausgehen und ihre Ursache in statischen Entladungen,
unvorhergesehenen Kurzschlüssen oder dergleichen haben, tritt infolge der hohen
Ströme in der Zenerdiode ein Legieren der Zenerdiode auf. Sie bildet einen Kurzschluß
und verhindert damit eine Zerstörung der elektrischen Schaltung ES.
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Diese Schutzwirkung wird jedoch verhindert, wenn die Überspannung
so hoch ist, daß der in der Zenerdiode Z auftretende Strom i zu einer schlagartigen
Erwärmung der Zenerdiode Z führt und damit ein Zerplatzen des Kristalls und eine
Unterbrechung der Verbindung verursacht. Damit liegt die Überspannung direkt an
der elektrischen Schaltungsan ordnung ES an und führt zu deren Zerstörung.
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Die gemäß Fig. 2 seriell zur Zenerdiode Z angeordnete erfindungsgemäße
Schutzdrossel SD, die aus einer handelsüblichen UKW-Drossel mit oder ohne Eisenkern
bestehen kann, sorgt nun dafür, daß beim Durchlegieren der Zenerdiode Z keine mechanische
Zerstörung mehr eintritt, da die Stromänderungsgeschwindigkeit im Kristall durch
die Schutzdrossel SD auf ein bestimmtes Maß begrenzt wird und nicht wie
auf
der in der Fig. 1 dargestellten direkten kapazitiven Beschaltung nahezu unendlich
ist. Der geringe ohmsche Anteil der Schutzdrossel SD und ihre geringe Induktivität
bedingen eine kleine Zeitkonstante, die jedoch auf die Schutzfunktion der Zenerdiode
Z keinen Einfluß hat.
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Durch die Schutzdrossel SD wird auch bei hohen Energiemengen verhindert,
daß die Zenerdiode Z zerplatzt und damit eine mechanische Unterbrechung erfolgt.
Der zur Schutzfunktion der elektrischen Schaltungsanordnung ES erforderliche Kurzschluß
der Zenerdiode Z bleibt in jedem Falle erhalten.
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Als Beispiel für übliche Schaltungswerte gilt: Schutzdrossel: 4 µH
Betriebsspannung 40 V Kondensator: 5000 g Stromänderungsgeschwindigkeit 10 A/s 2
Patentansprüche 2 Figuren