DE3924472A1

DE3924472A1 - Anordnung zum unterdruecken eines spannungsstosses

Info

Publication number: DE3924472A1
Application number: DE3924472A
Authority: DE
Inventors: Toru Yoshimura; Akio Uchida; Takaaki Ito; Nobuya Saruwatari
Original assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1990-02-01
Anticipated expiration: 2009-07-25
Also published as: GB8917141D0; CA1331783C; KR900002354A; KR970009767B1; GB2221361B; DE3924472C2; JP2562045B2; GB2221361A; JPH0241620A; US5036420A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Unterdrücken eines Spannungsstoßes, bestehend aus einem einen Span nungsstoß unterdrückenden Element vom Mikrospalt-Typ und einem mit diesem elektrisch in Reihe verbundenen Vari stor.

Der ZnO-Varistor zeichnet sich durch eine bemerkenswerte Nichtlinearität des Spannungs-/Stroms-Verlaufs aus. Un ter der Annahme, daß dieser Verlauf durch eine Gleichung I=kVα wiedergegeben werden kann, ist der Nichtline aritätsfaktor α der Spannung eines solchen Varistors meist in dem Bereich 25 bis 50, jedoch manchmal sogar höher als 50. Diese vorteilhafte Nichtlinearität wurde bisher zur Unterdrückung von Spannungsstößen genutzt. Bei Anlegen einer Spannung zeigt der ZnO-Varistor jedoch Leckströme, so daß bei einer Verwendung über einen langen Zeitraum unter ständiger Anlegung einer Spannung die Spannungs-/Strom-Eigenschaft langsam zerstört wird. Es besteht damit die Gefahr, daß der Varistor zusammen bricht und einen Kurzschluß bildet mit der Folge einer thermischen Zerstörung.

Um sicherzustellen, daß der oben angegebene ZnO-Varistor gut arbeitet bei einer hohen Fähigkeit zur Unterdrückung von Spannungsstößen unter Unterdrückung der erwähnten Leckströme auf einen Minimalwert zur Verhinderung seiner Zerstörung und zur Vermeidung der beschriebenen Gefahr, wurde eine Anordnung zum Unterdrücken von Spannungsstößen vorgeschlagen, die aus einem ZnO-Varistor und einem einen Spannungsstoß unterdrückenden Element vom Mikro spalt-Typ, die elektrisch in Reihe verbunden sind, be steht (vgl. die japanische Offenlegungsschrift 58-95 933). Diese Anordnung zum Unterdrücken von Spannungs stößen verwendet jedoch einen ZnO-Varistor, der durch einen großen Nichtlinearitätsfaktor α der Spannung ge kennzeichnet ist und so unter solchen Produkten ausge wählt wird, deren Varistorspannung größer ist als die Netzspannung.

Die Anordnung zum Unterdrücken von Spannungsstößen nach dem Stand der Technik verwendet einen ZnO-Varistor, dessen Varistorspannung größer ist als die Netzspannung, so daß die Anordnung zum Unterdrücken von Spannungsstößen durch eine hohe Zündspannung und eine hohe Unter drückungsantwortspannung gekennzeichnet ist, was notwen digerweie zu einer trägen Absorptionsantwort führt.

Entsprechend stellt sich bei der oben angegebenen Anordnung zum Unterdrücken von Spannungsstößen das Problem der geringen Entladungskapazität, was bedeutet, daß die Unterdrückungskapazität zum Schutz von Geräten unzu reichend ist.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Unterdrücken von Spannungsstößen zu schaffen, die bessere Absorptionseigenschaften hat.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Varistorspannung größer als die Netzspannung ist und einen Nichtlinearitätsfaktor α hat, der der Ungleichung 1<a<20 genügt.

Aus der oben angegebenen japanischen Offenlegungsschrift 54-95 933 und der japanischen Offenlegungsschrift 55-1 28 283 sind Anordnungen zum Unterdrücken von Spannungsstößen bekannt, wie sie bei dieser Erfindung verwendet werden. Das Spannungsstöße unterdrückende Element ist ein Festkörperschaltungselement, das einen auf der Ober fläche eines Isolationskörpers aufgebrachten leitenden Film mit Mikrospalten in einer Breite von 10 bis 100 µm, die den leitenden Film in mehrere Teile aufteilen, auf weist, wobei eine Elektrode, an den eine Leitung ange schlossen ist, an beiden Endteilen des geteilten leitfä higen Films angeschlossen ist und die Fläche des leitfä higen Films zwischen diesen Elektroden durch ein Isola tionsmaterial eingeschlossen wird mit einem inerten Gas, wie Argon, Neon od. dgl. Das einzige Erfordernis für das obige Element ist eine Zündspannung, die höher ist als die maximale Arbeitsspannung des Schaltkreises, in den das Element eingebaut ist. Die Entladungsstartspan nung ist geeignet gewählt zur Auswahl des Varistors nach der Art, den Eigenschaften usw. des zu schützenden Schaltkreises.

Es kann hier jeder Varistor eingesetzt werden, solange die Varistorspannung geringer ist als die Netzspannung und der Nichtlinearitätsfaktor α der Ungleichung 1<α<20 genügt, obwohl vorzugsweise ein Transistor gewählt wird, der vom TiO₂-, SrTiO₃-, SiC- oder SnO₂-Typ ist und dessen Nichtlinearitätsfaktor α vorzugsweise zwischen 5 und 10 liegt.

Das Element zum Unterdrücken von Spannungsstößen vom Mikrospalt-Typ und der Varistor können durch jedes ge eignete Mittel miteinander verbunden werden, solange eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen diesen besteht, etwa durch Verlöten, Verquetschen, Verdrahten auf einer Schaltkarte od. dgl.

Zur Stabilisierung der Form des Spannungsabsorbers nach der Erfindung wird die ganze Anordnung vorzugsweise von einem isolierten Gehäuse aufgenommen, mit einer Be schichtung versehen, in einen Wärmeschrumpfschlauch od. dgl. eingebracht und zwar mit oder ohne einem Füll material.

Der Spannungsabsorber nach der Erfindung kann in eine große Anzahl von elektrischen Geräten, Instrumenten und Ausrüstungen eingebracht sein, er wird vorzugsweise dort verwendet, wo Netzspannungsversorgungen vorhanden sind, wobei die Geräte zwischen den einzelnen Netzleitungen oder zwischen einer der Netzleitungen und Masse angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Anordnung zum Unterdrücken von Spannungsstößen nach der Erfindung,

Fig. 2 typische Spannungs/Strom-Verläufe, die zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung zum Unterdrücken eines Spannungsstoßes dienen,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines verwen deten Elements zum Unterdrücken von Spannungsstößen, und

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Darstel lung eines alternativen Ausführungs beispiels.

Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Spannungsstoßab sorbers 1, der aus einem Absorptionselement vom Mikro spalt-Typ 2 und einem Varistor 3 besteht, die elektrisch in Reihe verbunden sind.

Fig. 2 zeigt verschiedene mögliche Spannungs-/Strom- Verläufe des Varistors 3. Der Faktor der Nichtlinearität der Spannung α=1/log₁₀ (V₁₀_mA/V₁_mA) gibt ein Maß der Steilheit der Spannungs-/Strom-Kurve zwischen 1 mA und 10 mA an. Der Spannungs-/Strom-Verlauf "a" eines Vari stors mit einem α hat eine höhere Steilheit als der Ver lauf der "b" mit einem größeren Wert von α.

Der Varistor 3 muß in den vorerwähnten Spannungsstoßab sorber 1 in einer derartigen Ausbildung des Schaltkreises eingebaut sein, daß jede Zerstörung des den Span nungsstoß unterdrückenden Elements vom Mikrospalt-Typ vermieden wird. Dies setzt natürlich die Auswahl eines Varistors voraus, der eine Varistorspannung (V₁_mA) auf weist, die groß genug ist, um jeden Folgestrom zu unter drücken. Ein Erfordernis für einen solchen Varistor ist, daß der Netzstrom I _L, wie er an einem Punkt vorliegt, wo die Netzspannung V _L die Spannungs-/Strom-Kurve "b′" muß kleiner sein als der Bogenhaltestrom I _A, es muß also die Ungleichung I _L<I _A erfüllt sein. Der ZnO-Varistor, der bei dem Spannungsabsorber nach dem Stand der Technik verwendet worden ist, ist durch eine typische Spannungs-/ Strom-Kurve "b" gekennzeichnet. Solange die Ungleichung I _L<I _A erfüllt ist, fließt kein Folgestrom. Es ist so möglich einen ZnO-Varistor zu verwenden, der durch eine Spannungs-/Strom-Kurve "b′" gekennzeichnet ist, wobei die Varistorspannung V₀ auf V₀′ abgesenkt ist. Bei einer Varistoreigenschaft, die durch die Spannungs-/Strom- Kurve "a" mit einer geringeren Steilheit zwischen 1 mA und 10 mA gekennzeichnet ist, also einem kleineren Wert für den erwähnten Parameter α als die Kurve "b′", wird der Strom I _L′ durch einen Punkt bestimmt, wo die Netz spannung V _L die Spannungs-/Strom-Kurve "a" kreuzt, klei ner ist als I _L, also I _L′<I _L, weil die Spannungsände rung zwischen V₁_mA und V₁₀_mA größer als die Kurve "a" ist.

Entsprechend ist es möglich, die typische Spannungs-/ Strom-Kurve "a" nach rechts zu verschieben, bis sie die Kurve "a′" überlappt mit der Varistorspannung V₀′ der Kurve "a" abgesenkt auf V₀′′.

Basierend auf dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß ein Varistor verwendet, dessen Varistorspannung kleiner ist als die Netzspannung und dessen Nichtlinearitätsfaktor der Spannung α einer Ungleichung 1<α<20 in dem oben angegebenen Spannungsabsorber 1 als Varistor 3 genügt. Ein Spannungsabsorber wurde hergestellt, der eine ge ringere Zündspannung hat und eine Unterdrückungsantwort spannung mit einer schnelleren Unterdrückungsantwort, der weiter gekennzeichnet ist durch eine geringere Rest spannung nach der Unterdrückungsantwort gegenüber dem Unterdrückungssabsorber nach dem Stand der Technik.

Beispiel 1

Fig. 3 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Spannungsabsorber, der aus einem Absorptionselement 4 und einem Varistor 5 besteht, die durch eine Quetschver bindung 6 miteinander elektrisch verbunden sind. Beide werden von einer zylindrischen Isolationskappe 7 aufge nommen, die von einem Wärmeschrumpfrohr 8 abgedeckt werden. Zum Zwecke der Prüfung werden Spannungsstöße wie folgt auf den Spannungsabsorber aufgegeben.

Ein SrTiO₃ mit α=10 und einer Varistorspannung=20 V wurde bei einer Wellenform des Spannungsstoßes von (1,2×50) µsec-5 kV aufgegeben. Zum Vergleich wurde dasselbe Experiment wiederholt unter Verwendung eines ZnO-Varistors mit α=60 und einer Varistorspannung von 220 V statt dem oben angegebenen Varistor.

Die Tabellen 1 und 2 geben die Versuchsverhältnisse und die Ergebnisse an.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Ergebnisse nach Tabelle 2 zeigen erhebliche Verringerungen in dem Zündpotential, der Antwortspannung und der Nachantwort-Restspannung bei Beispiel 1 gegenüber Vergleichsversuch 1 an.

Beispiel 2

Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung eines anderen Spannungsstoßabsorbers, das aus einem Spannungsstoß- Absorptionselement 9 und einem Varistor 10, die mitein ander in Reihe über eine Quetschverbindung 6 verbunden sind. Beide werden von dem Inneren eines zylindrischen Isolationsgehäuses 11 aufgenommen, das mit einem Isola tionsmaterial 12 gefüllt ist. Bei Verwendung dieses Spannungsstoßabsorbers wurde dasselbe Experiment wie im Beispiel 1 wiederholt.

In diesem Beispiel wurde ein TiO₂-Varistor mit α=8 und einer Varistorspannung von 50 V verwendet, der in einem Vergleichsexperiment mit einem ZnO-Varistor α=70 und einer Varistorspannung=470 V ersetzt wurde.

Die Tabellen 3 und 4 geben die Versuchsbedingungen und die Ergebnisse an.

Tabelle 3

Tabelle 4

Die Ergebnisse, wie sie in Tabelle 4 angegeben worden sind, zeigen bedeutsame Reduktionen des Zündpotentials, der Antwortspannung und der Nachantwort-Restspannung bei dem Beispiel 2 gegenüber dem Vergleichsbeispiel 2.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß durch die Erfindung eine Anordnung zum Unterdrücken von Spannungs stößen geschaffen wird, die gekennzeichnet ist durch ein geringes Zündpotential, eine geringe Antwortspannung und eine geringe Nachantwort-Restspannung, was eine schnelle Spannungsstoßantwort und eine hohe Spannungsabsorptions kapazität bedeutet.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombi nationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Absorber
2 Element
3 Varistor
4 Element
5 Varistor
6 Verklemmung
7 Kappe
8 Schlauch
9 Element
10 Varistor
11 Gehäuse
12 Füllmaterial

Claims

1. Anordnung zum Unterdrücken von Spannungsstößen, be stehend aus einem einen Spannungsstoß unterdrückenden Element vom Mikrospalt-Typ und einem mit diesem in Reihe elektrisch verbundenen Varistor, dadurch gekennzeichnet, daß die Varistorspannung geringer als eine gegebene Netzspannung ist und einen Nichtlinearitäts faktor α hat, der der Ungleichung 1<α<20 genügt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nichtlinearitätsfaktor x der Ungleichung 5<α<10 genügt.