DE3834514A1 - Schaltungsanordnung zum schutz elektrischer geraete und anlagen vor ueberspannungen - Google Patents

Schaltungsanordnung zum schutz elektrischer geraete und anlagen vor ueberspannungen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Geräte und Anlagen vor Überspannun­ gen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mit zunehmendem Einsatz der Mikroelektronik in elek­ trischen Geräten und Systemen werden diese in wachsendem Ausmaß durch Transienten beeinflußt. Transienten sind kurzzeitig (<8,5 ms) und zufällig auftretende Span­ nungsspitzen. Die charakteristische Wellenform kann sinus- oder exponentialförmig sein. Als Ursachen von Überspannungen kommen Blitzentladungen (LEMP = Lightning Electromagnetic Pulse), elektrostatische Entladungen (ESD = Electrostatic Discharge), durch Schaltvorgänge kapazitiv oder induktiv eingekoppelte elektromagnetische Impulse (EMP = Electromagnetic Pulse), nuklear- elektromagnetische Impulse (NEMP = Nuclear-Electromagnetic Pulse) sowie elektromagnetische Interferenz (EMI = Elec­ tromagnetic Interference) in Frage (Vergleiche hierzu Peter Panzer; Praxis des Überspannungs- und Störspan­ nungsschutzes elektronischer Geräte und Anlagen, Vogel-Verlag Würzburg 1986).
Um unerwünschte Funktionsbeeinflussungen und Zerstö­ rungen, insbesondere elektronischer Halbleiterschal­ tungen zu vermeiden, werden herkömmlicher Weise - oft auch als Funkenstrecke bezeichnete - gasgefüllte Über­ spannungsableiter verwendet. In Wechselstromnetzen löschen jedoch gasgefüllte Ableiter nach einer Ableitung in der Regel nicht, weil die Zeit im Nulldurchgang der Wechselspannung zu kurz ist, um den nachfließenden Strom (Kurzschlußstrom) aus dem Netz zu unterbrechen. Um das Löschen dennoch zu ermöglichen, werden daher den gasge­ füllten Ableitern bekanntermaßen Varistoren in Serie (sogenannte Ventilableiter) geschaltet (vergleiche Walter Büchler, Walter Bosshard; Blitzschutz elektro­ nischer Geräte und Anlagen, Eigenverlag Meteolabor AG, CH-8620 Wezikon, 1982, S.41).
Aus der DE-OS 36 11 793 und der DE-OS 36 06 287 sind Überspannungsschutzeinrichtungen für elektrische Anlagen bekannt, bei welchen die beiden Leitungen des Netzein­ gangs eines elektronischen Apparats jeweils über einen aus der Serienschaltung eines Varistors und eines Überspannungsableiters (Entladungsstrecke) gebildeten Ventilableiter an Schutzerde gelegt sind. Netzseitig sind zusätzlich als Grobschutz dienende Überstrombe­ grenzer (z.B. Schmelzsicherungen) in die Stromzulei­ tungen eingeschleift.
Die im Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung ist jedoch noch insofern nachteilig, als Überspannungen mit sehr steilen Anstiegsflanken (hohe Spannungssteil­ heit (dU/dt) oder Überspannungen, die unterhalb der Varistor-Ansprechspannung liegen oder Überspannungen mit hoher Frequenzfolge noch nicht ausreichend gedämpft werden können.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es somit, die aus dem Stand der Technik bekannte Überspannungsschutzanordnung unter Vermeidung o.g. Nachteile so auszubilden, daß sowohl Transienten hoher Spannungssteilheit und/oder hoher Frequenzfolge und/oder unterhalb der Varistor-An­ sprechspannung liegende Spannungsspitzen optimal ge­ dämpft werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße RC-Beschaltung des Varistors des jeweiligen Ventilableiters kann mittels einer auf die zu erwartende Überspannung eingestellten Dimen­ sionierung des Kondensators die auftretende Energie aufgenommen werden und durch den mit dem Kondensator in Reihe liegenden Widerstand einer eventuell auftretenden Schwingungsneigung entgegenwirkt werden. Da Varistoren bekanntlich aus Sinterkeramiken hergestellte Halbleiterbauelemente sind, die einen spannungsabhängigen nicht linearen Widerstand aufweisen, wobei die U-I-Kennlinie der Kennlinie zweier in Serie gegensinnig geschalteter Zener-Dioden ähnelt, kann die erfindungsgemäße RC-Beschaltung gleichzeitig als TSE-Schutz (TSE = Trägerstaueffekt) der Halbleiterventile dienen.
Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß sowohl der jeweilige Varistor als auch die jeweilige RC-Beschaltung an die in die Stromversorgungsleitungen eingeschleiften Temperatursicherungen thermisch angekoppelt sind. Hierbei wird durch geeignete Dimensionierung erreicht, daß die als Grobschutz dienende jeweilige Temperatur­ sicherung schon vor dem Auftreten kritischer Temperaturauswirkungen (Kennlinienveränderung, Bauele­ ment-Zerstörung, Bauelement-Auslötung) den Hauptstrompfad unterbricht.
Vorteilhafte Ausführungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen näher gekennzeichnet.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels soll die Erfindung näher erläutert und be­ schrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den modularisierten Baugruppen I, II,
Fig. 2 die Schaltungsanordnung der jeweiligen mo­ dularisierten Baugruppe I, II nebst thermischer Ankopplung der Bauelemente untereinander,
Fig. 3 eine Seitenansicht des räumlichen Aufbaus der Bauelemente einer modularisierten Baugruppe I, II,
Fig. 4 eine Aufsicht auf die auf einer Leiterplatte aufgebauten Bauelemente einer modularisierten Baugruppe I, II.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Schaltungsanordnung zum Schutz elektronischer an Netzwechselspannung anzulegender Geräte und Anlagen vor Überspannungen. In einen Phasenleiter L ist zwischen einer netzseitigen Anschlußstelle L′ und einer geräte­ seitigen Anschlußstelle L′′ zwischen den Lötanschlüssen A 1 und A 2 eine bis 10 kA stoßstromfeste Temperatur­ sicherung SI 1 (ϑ) als Grobsicherung (10 A, Schaltpunkt bei ϑ crit = 104°C) eingeschleift. In gleicher Weise ist in einen Null-Leiter N zwischen einer netzseitigen Anschlußstelle N′ und einer geräteseitigen Anschluß­ stelle N′′ zwischen Lötanschlüssen B 1 umd B 2 eine zweite Temperatursicherung SI 2 (ϑ) eingelötet. Zwischen die Lötanschlüsse A 2 und B 2 ist eine Serienschaltung zweier Varistoren VDR 1, VDR 2 gelegt, welche bei normalen Netz-Betriebsspannungen hochohmig sind. Ein die beiden Varistoren VDR 1, VDR 2 verbindender Lötanschluß E ist über einen zwischengeschalteten, vorzugsweise edelgasge­ füllten Überspannungsableiter ÜsAg (500 V/10 kA) an einem geerdeten Schutzleiter SL gelegt. Der Über­ spannungsableiter ÜsAg stellt eine gewisse Isolation der Varistoren VDR 1, VDR 2 gegenüber der Schutzerde dar, um erst ab einer definierten Überspannung einen Ableitstrom zuzulassen. Im Falle eines Störfalls, bei welchem gefährdende Überspannungsspitzen auf den Stromversor­ gungsleitungen L,N auftreten, wird der jeweilige Varistor VDR 1, VDR 2 niederohmig und der zugeordnete gasgefüllte Überspannungsableiter ÜsAg kann nach Zündung seiner Funkenstrecke das gefährdende Potential zur Schutzerde hin ableiten.
Jedoch kann insbesondere bei Überspannungen mit sehr steilen Anstiegsflanken dU/dt das auflaufende Potential bereits zu einer Schädigung des zu schützenden elek­ tronischen Geräts geführt haben, bevor der jeweilige Varistor VDR 1, VDR 2 niederohmig wird. Die gleiche Problematik tritt bei Überspannungen auf, die unterhalb der Varistor-Ansprechspannung liegen sowie bei Tran­ sienten mit hoher Frequenzfolge. Aus diesem Grunde ist dem Varistor VDR 1 eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand R 1 und einem ersten Kondensator C 1 sowie dem zweiten Varistor VDR 2 eine Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand R 2 und einem zweiten Kondensator C 2 elektrisch parallel geschaltet. Hierdurch werden die an­ stehenden Spannungsspitzen optimal gedämpft. Die Grenz­ frequenz des RC-Glieds ist so niedrig wie möglich anzusetzen, um im Bereich hoher Transienten-Frequenzen eine Dämpfung, bzw. sogar ein Saugverhalten zu erzielen.
Gleichzeitig ist in vorteilhafter Weise mit dieser vorstehend beschriebenen Beschaltung auch eine Schutz-Beschaltung der Varistoren VDR 1, VDR 2 verbunden. Da Varistoren den Varistorstrom in Abhängigkeit von der Varistorspannung ändern und sich dieser Vorgang im Nano-Sekundenbereich abspielt, steigt als Folge einer steilen Überspannung der Strom im Varistor rasch an, so daß sich aufgrund der Induktivität des Elementes und seiner Anschlußdrähte ein als "Over-Shoot" bezeichneter Einschwingvorgang der Varistorspannung ergibt. Dieser ist bei Stromanstiegen von 100A/ms unbedeutend, kann aber bei 10kA/ms je nach Varistortyp bis 50% der eigentlichen Begrenzungsspannung ausmachen. Die meisten Varistoren überstehen einen "Over-Shoot" von 30%, ohne daß im Sintermaterial partielle Durchbrüche erfolgen und sich dadurch die Varistorspannung im 1-mA-Punkt ändert. Es ist daher nicht auszuschließen, daß der Varistor in Folge häufiger Beanspruchung seine Strom-Spannungs-Kenn­ linie verändert, d.h. niederohmiger wird und dadurch schon bei normaler Betriebsspannung einen unzulässigen Leckstrom führt. Dieser Leckstrom führt zu einer unzu­ lässig hohen Erwärmung des Varistors, die u.U. seine Zerstörung herbeiführt. Insbesondere ist bei einer solchen Veränderung der Varistor-Kennlinie aber auch die Gefahr gegeben, daß am Varistor im Falle einer im Störfall abzuleitenden Überspannungsspitze nicht mehr ein hinreichend hoher Spannungsabfall entstehen kann. Da die für den Überspannungsableiter ÜsAg erforderliche Zündspannung an der Funkenstrecke dann auch nicht mehr erreicht werden kann, ist die Ableitfunktion des Ventil­ ableiters entscheidend gestört.
Aus diesem Grunde sind die in der Fig. 1 als Baugruppen I, II gestrichelt umrandeten Bauelemente auf einer Lei­ terplatte 1 modularisiert angeordnet und untereinander sowie mit der jeweiligen Temperatursicherung SI 1 (ϑ), SI 2 (ϑ) thermisch gekoppelt, so daß im Fall des Über­ schreitens einer kritischen Temperatur die jeweilige Temperatursicherung SI 1 (ϑ), SI 2 (ϑ) anspricht (ϑ crit ≈104°C) und den jeweiligen Hauptstrompfad L, N unterbricht. Hierbei wirkt sich sicherheitserhöhend aus, daß das über vorzugsweise in einer Steckdosenleiste zu integrierende, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aufweisende Überspannungsschutzmodule zu schützende elektrische Gerät (z.B. Fernsehapparat, PC, Stereo-Anlage u.s.w.) erst nach erfolgter Reparatur (z.B. Modulaus­ tausch) wieder an die Stromversorgung angeschlossen werden kann. Durch eine parallel zur jeweiligen Tempe­ ratursicherung S I 1 (ϑ), SI 2 (ϑ) liegende und in Durchlaßrichtung gepolte Reihenschaltung einer Diode D 1, D 2, einer Leuchtdiode LED 1, LED 2 sowie eines zuge­ hörigen LED-Strombegrenzungswiderstands R 3, R 4 wird der Fehlerfall (thermische Überlast) angezeigt.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer modularisierten Bau­ gruppe I, II nebst thermischer Kopplung der in diesen Baugruppen I, II vorhandenen Bauelemente. Die am jewei­ ligem Widerstand R (470 Ω, 1/4 W), am jeweiligen Kondensator C (0,033 µF/250 V∼) sowie am jeweiligen Va­ ristor VDR auftretende Umgebungstemperatur ϑ wird über geeignete Materialien (Kupfer-Band, Wärmeleitpaste, Vergußmaterial) an die jeweilige Temperatursicherung SI (ϑ) weitergeleitet.
Die Fig. 3, 4 zeigen die räumliche Anordnung der in den Baugruppen I, II zusammengefaßten Bauelemente auf einer Leiterplatte 1. Die thermische Kopplung der Varistoren VDR 1, VDR 2, der Widerstände R 1, R 2 sowie der Kondensatoren C 1, C 2 mit der jeweiligen Temperatur­ sicherung SI 1 (ϑ), SI 2 (ϑ) wird im wesentlichen durch ein vorzugsweise aus Kupfer gefertigtes Wärmeleitungs­ band 5, welches zwischen dem jeweiligen Varistor VDR 1, VDR 2 und dem jeweiligen Kondensator C 1, C 2 herausgeführt ist und in innigem Kontakt mit den Varistoren VDR 1, VDR 2, den Kondensatoren C 1, C 2 den Widerständen R 1, R 2 sowie den Temperatursicherungen SI 1 (ϑ), SI 2 (ϑ) steht. Um einen möglichst optimalen Wärmeübergang von den Bauelementen auf das Kupferband zu erreichen, kann das Kupferband angelötet oder umgewickelt werden. In eventuell verbleibende Zwischenräume kann auch eine Wärmeleitpaste eingebracht werden. Nach Abdeckung der Anordnung mit einer Abdeckkappe 2 wird der verbleibende Hohlraum 3 mit einer elektrisch isolierenden und vor­ zugsweise wärmeleitenden Vergußmasse 4 ausgegossen. Neben einem hierdurch bewirkten mechanischen Schutz der Überspannungsschutzmodule gegen Umwelteinflüsse (z.B. Luftfeuchtigkeit) wird durch Einbringen der Vergußmasse 4 die Isolationsfestigkeit zwischen den Bauelementen auf 40 kV/mm erhöht.
Bezugszeichenliste
1
Leiterplatte
2 Abdeckkappe
3 Hohlraum der Abdeckkappe 2
4 Vergußmasse
5 Wärmeleitungsband
SI₁ (δ) 1. Temperatursicherung
SI₂ (δ) 2. Temperatursicherung
VDR₁ 1. Varistor
C₁ 1. Kondensator
C₂ 2. Kondensator
R₁ 1. Widerstand
R₂ 2. Widerstand
ÜsAg edelgasgefüllter Überspannungsableiter
D₁ 1. Diode
D₂ 2. Diode
LED₁ 1. Leuchtdiode
LED₂ 2. Leuchtdiode
R₃ 1. LED-Strombegrenzungswiderstand
R₄ 2. LED-Strombegrenzungswiderstand
L Phasenleiter
N Null-Leiter
SL Schutzleiter
A₁, A₂ Lötanschlüsse
A₃, A₄ Lötanschlüsse
B₁, B₂ Lötanschlüsse
B₃, B₄ Lötanschlüsse
E₁, E₂ Lötanschlüsse
δ Kopplungs-Temperatur

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Geräte und Anlagen vor Überspannungen, mit jeweils einer in eine erste Stromversorgungsleitung sowie in eine zweite Stromversorgungsleitung des zu schützenden elektrischen Geräts eingeschleiften Sicherung, mit einer die geräteseitigen Anschlüsse der beiden Sicherungen verbindenden Serienschaltung zweier Varistoren, wobei eine die beiden Varistoren verbindende Amschlußstelle über einen gasgefüllten Überspannungsableiter an einen geerdeten Schutzleiter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Sicherungen als Tem­ peratursicherungen (S I 1 (ϑ), SI 2 (ϑ)) ausgebildet sind,
daß dem ersten Varistor (VDR 1) sowie dem zweiten Va­ ristor (VDR 2) jeweils eine RC-Serienschaltung aus einem ersten Widerstand (R 1) und einem ersten Kondensator (C 1) bzw. aus einem zweiten Widerstand (R 2) und einem zweiten Kondensator (C 2) elektrisch parallel geschaltet ist und
daß sowohl die in einer modularisierten ersten Baugruppe (I) angeordneten elektrischen Bauelemente (S I 1 (ϑ), VDR 1, R 1, C 1) als auch die in einer modularisierten zweiten Baugruppe (II) angeordneten elektrischen Bauele­ mente (S I 2 (ϑ), VDR 2, R 2, C 2) untereinander thermisch leitend gekoppelt sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Varistoren (VDR 1, VDR 2) Zink­ oxid-Varistoren sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die modularisierten Baugruppen (I, II) im wesentlichen eine Leiterplatte (1) aufweisen, auf welcher die jeweils zugeordneten Bauelemente (S I 1 (ϑ), VDR 1, R 1, C 1; SI 2 (j), VDR 2, R 2, C 2) angeordnet und durch eine Abdeckkappe (2) abgedeckt sind, wobei jeweils Lötanschlüsse (A 1, B 1, E 1; A 2, B 2, E 2) nach außen herausge­ führt sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Baugruppen (I, II) vorliegende thermische Kopplung durch ein vorzugsweise aus Kupfer bestehendes Wärmeleitungs­ band (5) und/oder eine einen Hohlraum (3) der Abdeck­ kappe (2) ausfüllende wärmeleitende sowie elektrisch isolierende Vergußmasse verwirklicht ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Varistor (VDR 1, VDR 2) und der jeweilige Kondensator (C 1, C 2) der Baugruppen (I, II) unmittelbar benachbart angeordnet sind, und daß das zwischen dem jeweiligen Varistor (VDR 1, VDR 2) und dem jeweiligen Kondensator (C 1, C 2) herausgeführte sowie auf diesen Bauelementen (VDR 1, C 1; VDR 2, C 2) jeweils im innigen Kontakt aufliegende Wärmeleitungsband (5) um die jeweilige Temperatursich­ erung (SI 1 (ϑ); SI 2 (ϑ)) herumgewickelt ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch parallel zur jeweiligen Temperatursicherung (SI 1 (ϑ); SI 2 (ϑ)) jeweils eine Serienschaltung (D 1, LED 1, R 3; D 2, LED 2, R 4) einer Diode (D 1; D 2), einer Leuchtdiode (LED 1; LED 2) sowie eines LED-Strombegrenzungswiderstands (R 3; R 4) geschaltet ist, wobei die Dioden (D 1; D 2) und die Leuchtdioden (LED 1; LED 2) netzseitig gesehen in Durchlaß­ richtung gepolt sind.
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