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Überspannungsschutz für elektronische Schaltungen
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsschutz für elektronische
Schaltungen oder Bauelemente, bestehend aus einer Funkenstrecke und einem Widerstand,
die in Reihe geschaltet sind und Überspannungen gegen Masse ableiten.
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Schaltungen mit elektronischen Bauteilen, wie z. B. IC's, Transistoren,
Dioden, sind gegen von außen anliegende Überspannungen empfindlich. Da diese Bauteile,
z. B. in der Hochfrequenztechnik, mit nur geringen Spannungen und Strömen arbeiten,
genügen oft nur geringe Spannungsüberschläge an den Geräteanschlüssen, um diese
Bauteile zu zerstören.
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Es gibt vielfältige Abhilfemaßnahmen, die Zerstörung solcher Bauteile
zu verhindern. So können z. B. Glimmlampen, Gasentladungslampen, Funkenstrecken
oder Schutzdioden an den Anschlüssen solcher Geräte gegen Masse geschaltet werden.
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Beim Einsatz von Schutzdioden ergeben sich jedoch mehrere Nachteile.
Da die Kristalle dieser Dioden relativ groß gehalten sein müssen, haben sie eine
relativ große Sperrschichtkapazität. Dies führt, z. B. beim Eingang eines Tuners,
zu einem erhöhten Rauschen, insbesondere wenn
zwei Dioden antiparallel
geschaltet sind. Auch können unerwünschte Modulationen des Nutzsignals durch Steuersignale
auftreten, da vor diesen Dioden keinerlei Frequenzselektion vorhanden ist. Am Ausgang
gegen Masse geschaltete Schutzdioden begrenzen die Ausgangsamplitude auf die Schwellspannung
der Dioden.
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Beim Einsatz von Funkenstrecken, die zur Strombegrenzung einen in
Serie geschalteten Widerstand aufweisen können, können diesr Nachteile vermieden
werden, jedoch ergeben sich andere Nachteile. Werden nämlich solche Funkenstrecken,
um ihren Aufbau relativ billig zu halten, als flächenhafte Leitungszüge auf die
Printplatte aufgebracht, so ist die Überschlagstrecke relativ groß. Eine solche
Funkenstrecke hat eine relativ große Überschlagspannung.
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Es können also beim Auftreten von Störspannungen unterhalb dieser
überschlagspannung Bauteile in der elektronischen Schaltung zerstört werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Überspannungsschutz für elektronische
Schaltungen zu schaffen, der in der Lage ist, auch relativ kleine Überspannungen
sicher abzuleiten, ohne jedoch die Eigenschaften der Schaltung z. B. durch erhöhtes
Rauschen oder Störmodulationen negativ zu verändern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Überspannungsschutz
aus mindestens einem Widerstand besteht, in dem der Stromfluß durch mindestens einen
Spalt unterbrochen ist, der die Funkenstrecke bildet.
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Ein Überspannungsschutz dieser Bauart besteht nur noch aus einem Bauteil
und ist deshalb billig in der Herstellung.
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Als weiterer Vorteil kann die Zündspannung der
Funkenstrecke
je nach Wahl der Breite des Spaltes niedrig gewählt werden, was eine große Sicherheit
gegen Störspannungen ergibt. Ferner treten keinerlei Modulationseffekte oder Begrenzungseffekte
auf. Eine solche Schaltung hat eine sehr geringe Zusatzkapazität und führt zu praktisch
keiner Rauscherhöhung. Auch ist sie wegen der sehr geringen Abmessungen bis in den
GHz-Bereich hinein verwendbar. In der Fertigung ist ihre Herstellung einfach, da
der Widertand zusammen mit den anderen elektronischen Bauteilen automatisch bestickt
werden kann.
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Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Überspannungsschutz aus einem ersten, kleineren und einem zweiten, größeren Widerstand
gebildet ist, die parallelgeschaltet sind, wobei der erte Widerstand zwei Spalte
und der zweite Widerstand einen Spalt aufweist, wobei beispielsweise der zweite
Widerstand einen Wert von ca. 50 bis 1000 Ohm und der erste Widerstand einen mindestens
um den Faktor 10 kleineren Wert aufweisen kann.
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Ist der Generator eines Störsignals relativ niederohmig und der Widerstand
in der Funkenstrecke relativ hochohmig, so kann auch nach dem Zünden der Funkenstrecke
die Spannung über den Widerstand ansteigen. Dieser Nachteil wird umgangen durch
einen zweiten parallelgeschalteten Widerstand, der niederohmiger ist als der erste
und der zwei Spalte und damit Funkenstrecken aufweist. Steigt nach dem Zünden der
ersten Funkenstrecke die Spannung weiter an, so zünden die zweiten Funkenstrecken
nach Erreichen ihrer Zündspannung. Da diese zweiten Funkenstrecken mit einem relativ
niederohmigen Widerstand in Reihe geschaltet sind, wird ein weiteres Ansteigen der
Spannung verhindert. Durch entsprechende Wahl der Parameter läßt sich ein solcher
Überspannungsschutz
für jede elektronische Schaltung optimal dimensionieren.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
der oder die Spalte, die die Funkenstrecken bilden, durch einen Lasertrahl eingebrannt
sind.
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Wird der Spalt in-die Widerstandsschicht des Widerstandes mit einem
Laser gebrannt, so kann die Funkenstrecke sehr schmal gehalten werden. Damit sinkt
als weiterer Vorteil die Zundspannung der Funkenstrecke auf sehr niedrige Werte.
Dies ergibt einen nahezu idealen Schutz gegen Störspannungen.
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Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß der
oder die Widerstände Chip-Widerstände, MELF-Widerstände oder aus gedruckter Paste
gebildete Widerstände sind.
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Widerstände dieser oder anderer Bauarten sind für einen Einsatz in
dem Überspannungsschutz nach der Erfindung geeignet. Für alle Widerstände gemeinsam
gilt, daß zur Bildung der Funkenstrecke lediglich die Widerstandsschicht mit einem
Spalt versehen wird, z. B. mit Hilfe eines Laserstrahls. Der Überspannungsschutz
nach der Erfindung ist also vielfältig und bei elektronischen Schaltungen mit Bauteilen
verschiedener Bauarten einsetzbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Chip-Widerstand mit einer Widerstandsschicht
für einen Überspannungsschutz für elektronische Schaltungen nach der ersten Ausführungsform,
Fig.
2 einen Chip-Widerstand mit zwei Widerstandsschichten für einen Überspannungsschutz
für elektronische Schaltungen nach der zweiten Ausführungsform, Fig. 3 die Anordnung
eines Überspannungsschutzes am Eingang einer elektronischen Schaltung, Fig. 4 den
Spannungsverlauf am Eingang einer elektronischen Schaltung beim Einsatz des Überspannungsschutzes
für elektronische Schaltungen nach der ersten Ausführungsform, Fig. 5 den Spannungsverlauf
am Eingang einer elektronischen Schaltung beim Einsatz der zweiten Ausführungsform
eines Überspannungsschutzes für elektronische Schaltungen nach der zweiten Ausführungsform.
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In Fig. 1 ist dargestellt ein Chip-Widerstand 1 für einen Überspannungsschutz
nach der ersten Ausführungsform.
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Dieser weist an seinen Enden eine erste Lötfläche 3 und eine zweite
Lötfläche 5 und zwischen diesen angeordnet eine Widerstandsschicht 7 auf. Etwa in
der Mitte der Widerstandsschicht 7 ist ein Spalt 9 vorhanden, der die Funkenstrecke
bildet. Dieser Spalt 9 kann, wie oben beschrieben, z. B. durch einen Laserstrahl
eingebrannt sein. Beim Einbrennen muß der Lasertrahl auf die Widerstandsschicht
7 fokussiert sein und in seiner Energie so geregelt werden, daß er beim Einbrennen
des Spaltes 9 ein unter der Widerstandsschicht 7 befindlichesKeramiksubstrat 10,
das den Träger des Widerstandes bildet, nicht ebenfalls durchbrennt oder beschädigt.
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In der Fig. 2 ist ein Widerstand für einen Überspannungsschutz nach
der zweiten Ausführungsform dargestellt.
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Dieser weist neben einer ersten relativ hochohmigen Widerstandsschicht
13 eine zweite Widerstandsschicht 15 auf, die niederohmiger ist als die erste Widerstandsschicht
13. Die erste Widertandsschicht 13 weist einen Spalt 17 auf, entsprechend dem Spalt
9 in Fig. 1. Die zweite Widerstandsschicht 15 ist mit zwei Spalten 19, 21 versehen,
die so angeordnet sind, daß sie die Widerstandsschicht 15 in etwa drei gleiche Teile
aufteilen. Sind die Spalte 19, 21 jeweils genauso breit wie der erste Spalt 17,
so ist die Überschlagspannung der Funkenstrecken im zweiten Widerstand 15 doppelt
so groß wie die der Funkenstrecke 17 im ersten Widerstand 13.
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Fig. 3 zeigt exemplarisch die Anordnung eines Widerstandes 1 oder
11 für einen Überspannungsschutz nach der ersten oder zweiten Ausführungsform im
Eingang einer elektronischen Schaltung. Hinter der Eingangsklemme 25 der Schaltung
ist eine Induktivität 27 angeordnet, die gegen Masse geschaltet ist. Weiterhin führt
der Eingang 25 über einen Kondensator 29 auf einen Sternpunkt 31. Dieser Sternpunkt
31 ist weiterhin verbunden mit einer weiteren Induktivität 33, die gegen Masse führt,
mit einem Widerstand 1 oder 11 für den Überspannungsschutz, der ebenfalls gegen
Masse geschaltet ist, und mit einer dritten Induktivität 35, die zu weiteren, nicht
dargestellten Teilen der elektronischen Schaltung führt.
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Fig. 4 zeigt einen möglichen Spannungsverlauf am Sternpunkt 31 der
Schaltung nach Fig. 3. Ist kein Überspannungsschutz 1 oder 11 vorhanden, so wird
sich beim Auftreten einer Störspannung in etwa der Spannungsverlauf 35 ergeben.
Ist jedoch ein Überspannungsschutz nach der ersten Ausführungsform entsprechend
Fig. 3 verschaltet,
so wird nach einem Anstieg der Eingangsspannung
in einem Anfangsbereich 37 des Spannungsverlaufes 35 die Zündstrecke im Widerstand
zünden, so daß die Spannung wieder abfällt, dargestellt durch den Kurvenabschnitt
39. Die Steilheit des Abfalles ist abhängig vom gewählten Widerstandswert des Widerstandes
1 und der Parameter der Gesamtschaltung. Wird die Brennspannung der Funkenstrecke
unterschritten, so erlischt diese, und es ergibt sich ein weiterer leichter Abfall
der Spannung bis auf den Wert der am Eingang 25 (Fig. 3) anliegenden Spannung. Durch
entsprechende Wahl der Spaltbreite und damit der Zündspannung und des Widerstandswertes
des Widerstandes 1 kann der Überspannungsschutz einer gegebenen Schaltung leicht
angepaßt werden. Der Spannungsverlauf beim Auftreten eines Störimpulses entsprechend
den Kurvenabschnitten 37, 39 und 41 zeigt einen nahezu idealen Verlauf ohne negative
Uberschwinger und mit einer relativ niedrigen Spannungsspitze, die durch entsprechende
Wahl der Spaltbreite des Widerstandes noch abgesenkt werden kann.
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Fig. 5 zeigt wiederum den Spannungsverlauf am Sternpunkt 31 fig. 3),
diesmal mit einem Überspannungsschutz nach der zweiten Ausführungsform mit einem
Widerstand 11 mit zwei Widerstandsschichten. Es wird in diesem Beispiel zunächst
davon ausgegangen, daß der Generator, der die Störspannung liefert, einen, verglichen
mit dem ersten Widerstand des Überspannungsschutzes, relativ niedrigen Innenwiderstand
aufweist. Nach dem Ansteigen der Spannung, entsprechend dem Kurvenverlauf 37, wird
dann die Funkenstrecke 17 der ersten Widerstandsschicht 13 zünden. Durch den niedrigen
Innenwiderstand des Störspannungsgenerators wird jedoch nach einem kurzen Abfall
der Spannung am Sternpunkt 31 diese wieder ansteigen, was im Kurvenverlauf 43 dargestellt
ist. Wird nun die Zündspannung der zweiten
Funkenstrecken 19, 21
erreicht, so zünden auch diese, was zu einem Abfall der Spannung am Sternpunkt 31,
entsprechend dem Kurvenverlauf 45, führt, da die zweite Widerstandsschicht 15 relativ
niederohmig gewählt ist. Unterschreitet die Spannung am Sternpunkt 31 die Brennspannung
der zweiten Funkenstrecken 19, 21, fällt die Spannung, entsprechend dem Kurvenverlauf
47, etwas flacher ab, da nun nur noch die erste Funkenstrecke gezündet ist, deren
Brennspannung noch nicht unterschritten wurde. Wird auch deren Brennspannung unterschritten,
so ergibt sich ein noch flacherer Kurvenverlauf 49, der ebenso wie in dem in Fig.
4 dargestellten Ausführungsbeispiel sich langsam der am Eingang 25 anliegenden Eingangsspannung
nähert.
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Der Überspannungsschutz für elektronische Geräte nach der zweiten
Ausführungsform gestattet es also, den Widerstandswert der ersten Widerstandsschicht
13 relativ niederohmig zu wählen. Dies hat den Vorteil, daß beim normalerweise gegebenen
Fall, daß nur die erste Funkenstrecke zündet, der Spannungsabfall 51 sehr flach
verläuft und damit das Auftreten relativ weniger höherfrequenter Störanteile, die
evtl. nachfolgenden Schwingkreise antoßen könnten.
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Dieser Überspannungsschutz für elektronische Geräte bietet also nicht
nur den Vorteil einer sehr niedrig wählbaren Zündspannung und damit nur sehr niedriger
Störspannungswerte, sondern vermindert negative Auswirkungen auf nachfolgende Schaltungen
auch dadurch, daß er bei anderen Überspannungsschutzschaltungen auftretende höherfrequente
Störanteile weitestgehend unterdrückt.
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