DE3937445A1 - Elektrische schutzvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine elektrische Schutz­ vorrichtung, die dazu dient, Beschädigungen an elektrischen Einrichtungen zu verhindern, welche durch kurzzeitige elek­ trische Signale hoher Leistung entstehen könnten, wie beis­ pielsweise durch Blitzschlag oder durch nukleare elektro­ magnetische Impulse.

Viele Komponenten eines Flugzeugs oder anderer Fahrzeuge, die zuvor aus Metall hergestellt wurden, werden nunmehr durch Verbundmaterialien ersetzt, wie beispielsweise durch Bauteile, die mit Kohlefasern verstärkt sind. Diese Mate­ rialien haben den großen Vorteil einer hohen mechanischen Stabilität bei geringem Gewicht, haben jedoch den Nachteil, daß von ihnen gegenüber elektromagnetischen Wellen praktisch keine Abschirmwirkung ausgeht, da diese Materialien elek­ trisch nicht leitend sind. Diese verminderte elektrische Abschirmwirkung macht elektrische Anlagen in solchen Fahr­ zeugen anfällig gegenüber externer elektromagnetischer Strahlung. Beispielsweise können Blitzschläge und nukleare elektromagnetische Impulse in diesen elektrischen Anlagen Signale hoher Leistung induzieren, die zu einer Zerstörung dieser Anlagen und der Kabelverbindungen führen können, was katastrophale Folgen haben kann.

Im Kabel induzierte elektrische Signale niedriger Leistung können durch Filterung reduziert werden, entweder bei der Verbindung eines Kabels mit dem Anlagengehäuse oder inner­ halb des Gehäuses selbst. Ein Beispiel für eine derartige Filtrierung ist in der GB-A 22 01 050 beschrieben.

Das Unschädlichmachen von Impulsen mit hoher Leistung, wie sie beispielsweise durch Blitze oder nukleare elektromag­ netische Impulse bewirkt werden, stellt dazu ein wesentlich größeres Problem dar, insbesondere in den Fällen, wo es nötig ist, einen elektrischen Schutz für jeden von vielen Leitern durchzuführen, die mit einem Vielfachstecker verbun­ den sind. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, zwischen jedem Leiter und Masse eine gasgefüllte Röhre anzuordnen, die durch Ionisation des eingeschlossenen Gases leitend wird, wenn ein Hochspannungsimpuls an einer solchen Röhre anliegt. Eine solche Maßnahme ist wirksam gegenüber einer Komponenten der Energie in einem Blitzschlag, der allgemein als langsamer Impuls von etwa 100 Mikrosekunden Länge be­ zeichnet wird, jedoch mit dieser Maßnahme nichts gegenüber der anderen Komponente, welche als schneller Impuls von etwa zwei Mikrosekunden Länge bezeichnet wird, da bei solch kurzen Impulsen das Gas innerhalb der Röhre nicht ausrei­ chend ionisiert wird, um eine ausreichende Leitwirkung zu entfalten. Für diese kurzen Impulse ist es notwendig, span­ nungsabhängige Widerstände zu verwenden, wie beispielsweise Zener-Dioden, Varistoren oder Tranzorb-Bauteile, die wesent­ lich schneller leitend werden als die vorerwähnten Gasröh­ ren, die jedoch den Nachteil haben, daß sie im Vergleich zu Gasröhren nur kleine Ströme durchlassen. Um einen wirk­ samen Schutz zu erhalten, ist es notwendig, eine Parallel­ anordnung einer Gasröhre und mindestens eines der vorgenann­ ten spannungsabhängigen Widerstände vorzusehen.

Hierbei ist es notwendig, eine sorgfältige Anpassung vorzu­ nehmen, damit sichergestellt ist, daß die Gasröhre den Haupt­ teil der Leistungsableitung übernimmt, bevor der dazu paral­ lel geschaltete spannungsabhängige Widerstand infolge des hohen durch ihn fließenden Stroms zerstört wird.

Bei Mehrfachsteckern ist es bekannt, zwischen jedem Stecker und Masse eine Parallelschaltung einer gasgefüllten Röhre und einer Zener-Diode vorzusehen. Dies führt jedoch dazu, daß der Mehrfachstecker kompliziert aufgebaut ist, einen erheblichen Raum einnimmt sowie schwer und teuer ist. Hier­ bei fällt insbesondere der Raumbedarf für die gasgefüllten Röhren ins Gewicht. Bei den meisten Mehrfachsteckern ist es physikalisch unmöglich, einen individuellen Leitungs­ schutz durchzuführen, der bei Blitzschlägen in der Lage ist, ausreichend Energie zu absorbieren. Andererseits be­ steht für Stecker, die einen ausreichenden Schutz gegenüber elektromagnetischen Strahlen bieten, ein wachsender Bedarf, da die Abschirmung durch Metallteile immer geringer, ander­ erseits die Empfindlichkeit moderner elektronischer Systeme immer größer wird.

Es besteht die Aufgabe, die elektrische Schutzvorrichtung so auszubilden, daß sie bei einfachem Aufbau einen wirksamen Schutz gegenüber energiereicher Streustrahlung bewirkt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seiten­ ansicht eines Mehrfachsteckers und

Fig. 2 einen im Maßstab vergrößerten Teilschnitt durch ein Teil nach Fig. 1.

Der Verbinder 1 ist an einer Seite eines Gehäuses 2 eines nicht dargestellten elektrischen Geräts angeordnet mit dem der Verbinder 4 zusammenwirkt. Bei den Verbindern kann es sich um die Arinc-Typen 600 oder 404 handeln. Der Verbinder 4 ist am Ende eines Kabels 5 angeordnet, das aus mehreren voneinander isolierten Drähten 6 besteht. Innerhalb des Verbinders 1 verlaufen vertikal stangenförmige Kontaktele­ mente oder Leiter 10, die durch ein Kunststoffteil 11 von­ einander isoliert sind. Jeder Leiter 10 steht in elektri­ scher Verbindung mit einem der Drähte 6. Die Kontaktelemente 10 können an ihrem oberen Ende eine Buchse oder einen Stift aufweisen, die in Steckkontakt stehen mit entsprechenden Kontaktelementen des Verbinders 4.

Unterhalb des isolierenden Kunststoffteils 11 verläuft eine erste horizontale Platte 12 mit einer elektrisch hochlei­ tenden oberen Oberfläche 13, welche eine erste gemeinsame elektrische Ebene darstellt. Die Platte 12 ist ebenfalls bevorzugt leitend oder kann aus einem Isoliermaterial beste­ hen, mit Leitungsbahnen auf der Plattenoberfläche. Die Plat­ te 12 weist eine Reihe von Bohrungen 14 auf, die mit den Kontaktelementen 10 fluchten.

Jeder Bohrung 14 ist eine Siliziumleistungsdiode 15 zugeord­ net, die im einzelnen in Fig. 2 gezeigt ist. Die Anode jeder Diode 15 ist direkt mit einer Vertiefung an einer Seite des betreffenden Kontaktelements 10 verlötet, während die Kathode mit einem leitenden Bolzen 16 verlötet ist. Eine Isoliermuffe 17 umgibt die Diode und den Bereich des Kontaktelements 10, der sich durch die Bohrung 14 der Platte 12 erstreckt. An einer Seite der Muffe 17 ist ein Loch ange­ formt, durch das sich der Kontaktbolzen 16 erstreckt, der in Kontakt steht mit der Kante der Bohrung 14, an welche er angelötet ist. Die Platte 12 trägt weiterhin eine Gasent­ ladungsröhre 20 und einen spannungsabhängigen Widerstand 21, die parallel geschaltet zwischen der Platte und einem Metallgehäuse 7 des Verbinders 1 verlaufen, wobei dieses Metallgehäuse 7 wiederum elektrisch verbunden ist mit dem leitenden Gehäuse 2 der elektrischen Vorrichtung, das an Masse liegt. Die Gasentladungsröhre 20 ist in der Lage, einen Strom von mehr als 1000 Ampere mit einer Zündzeit von etwa einer Mikrosekunde zu leiten. Bei dem spannungs­ abhängigen Widerstand 21 kann es sich um einen Varistor, eine Zener-Diode oder um ein Tranzorb-Bauteil handeln, das bei niedriger Spannung einen hohen Widerstand jedoch einen hohen Widerstandsverlust bei hoher Spannung aufweist. Dieser spannungsabhängige Widerstand 21 bildet einen Stromweg gerin­ gen Widerstands zwischen der Platte 12 und Masse, der schnel­ ler aufgebaut wird als derjenige der Gasentladungsröhre 20 und dessen nicht linearer Bereich oberhalb der Zündspan­ nung der Gasentladungsröhre liegt. In einigen Anwendungs­ fällen können ein Varistor und eine Zener-Diode zusammen verwendet werden, entweder in Verbindung mit einer Gasent­ ladungsröhre oder ohne eine solche Röhre, abhängig von der Gesamtenergie, die durch den Verbinder 1 abzuleiten ist. Unterhalb der oberen Platte 12 verläuft parallel dazu eine zweite horizontale Platte 22, die eine zweite gemeinsame elektrische Ebene bildet. Die untere Platte 22 weist eine Reihe von Bohrungen 24 auf, die mit den Bohrungen 14 der oberen Platte 12 fluchten und die bei jeder Bohrung eine Leistungsdiode 25 trägt, entsprechend den Dioden 15, jedoch mit umgekehrter Polarität. Die Anode jeder Diode 25 ist elektrisch verbunden mit der unteren Platte 22 während die jeweilige Kathode elektrisch verbunden ist mit einem Kontakt­ element 10, wobei diese Kontaktelemente 10 sich nach unten über die untere Oberfläche der Platte 22 erstrecken. Die untere Platte 22 trägt ebenfalls eine Parallelschaltung einer Gasentladungsröhre 30 und eines spannungsabhängigen Widerstands 31, die zwischen der Platte 22 und dem Gehäuse 7 des Verbinders 1 geschaltet sind.

Die obere Platte 12 ist mit einer Quelle 18 positiver Span­ nung und die untere Platte 22 mit einer Quelle 28 negativer Spannung verbunden. Der Spannungswert jeder Quelle 18 und 28 ist so gewählt, daß er gleich oder geringfügig größer ist als die Maximalspannung, die normalerweise an den Leitun­ gen 6 anliegt, jedoch geringer als der Spannungswert, der die Gasentladungsröhren 20 und 30 oder die spannungsabhängi­ gen Widerstände 21 und 31 leitend macht. Auf diese Weise werden die Leistungsdioden 15 und 25 in Sperrichtung vorge­ spannt und sind für normale Spannungswerte, die an den Lei­ tern 6 anliegen, nicht leitend. Die Spannungsquellen 18 und 28 bestehen bevorzugt aus Speicherkondensatoren, falls die maximale Spannungsspitze an den Leitern 6 eine Wechsel­ stromspannungsspitze ist. Es können jedoch auch andere Span­ nungsquellen verwendet werden und in einigen Anwendungsfäl­ len werden sie nicht benötigt.

Unterhalb der unteren Platte 22 ist ein HF-Filter 40 ange­ ordnet, wie es beispielsweise in der GB-A 22 01 050 beschrie­ ben ist. Dieses Filter 40 umfaßt eine gedruckte Schaltungs­ platte 41, auf der Kondensatoren 42 angeordnet sind, welche elektrisch zwischen Masse und Muffen 43 geschaltet sind, durch die jeweils mit Schiebesitz ein Kontaktelement 10 geführt ist.

An ihrem unteren Ende sind die Kontaktelemente als elektri­ sche Anschlüsse 50 ausgebildet, an welche elektrische Leiter angelötet oder in anderer Weise verbunden werden können.

Im Normalbetrieb werden elektrische Signale, die in den Leitungen 6 auftreten, über die Kontaktelemente 10 des Ver­ binders 1 den unteren Anschlüssen 50 zugeführt, mit Ausnahme von HF-Signalen geringer Energie, die durch das Filter 40 abgeleitet werden. Die Dioden 15 und 25 sind hierbei nicht leitend, so daß die Kontaktelemente 10 voneinander isoliert sind.

Falls ein Blitzschlag auftritt und dieser ein positives Signal hoher Spannung in einem der Leiter 6 induziert, dann wird die Leistungsdiode 15 leitend, die dem Kontaktelement 10 zugeordnet ist, mit der der Leiter verbunden ist. Über diese Diode wird dann das Kontaktelement mit der Parallel­ schaltung aus Gasentladungsröhre 20 und spannungsabhängigem Widerstand 21 verbunden. Hierbei wird der Widerstand 21 zuerst leitend, so daß der erste Teil des Spannungsimpulses an Masse abgeleitet wird. Die Abstimmung der Röhre 20 und des Widerstands 21 ist so gewählt, daß die Röhre 20 für länger dauernde Impulse ebenfalls leitend wird und dabei den Hauptteil der Leistungsdissipation des Widerstands 21 übernimmt. Auf diese Weise wird infolge des Widerstands 21 ein rasches Ansprechen bewirkt, jedoch durch die Gasentla­ dungsröhre 20 verhindert, daß der Widerstand infolge Über­ hitzung beschädigt wird. Die Leistungsableitung über die Leistungsdiode 15 ist hierbei nur ein kleiner Teil der gesam­ ten abzuleitenden Energie, so daß es möglich ist, Leistungs­ dioden zu verwenden, die wenig Raum beanspruchen.

Falls der Blitzschlag ein negatives Signal bewirkt, werden die Dioden 25 der unteren Platte 22 leitend, wobei die indu­ zierte Spannung, wie zuvor erwähnt, über die Gasentladungs­ röhre 30 und den Widerstand 31 an Masse abgeleitet werden.

Die Parallelschaltung von Gasentladungsröhre und einem im Vergleich dazu schneller ansprechenden spannungsabhängigen Widerstand gewährt auch effektiven Schutz gegenüber oszillie­ renden hochfrequenten Signalen, die beispielsweise bei elek­ tronischen nuklearen Impulsen auftreten.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die elektrische Schutz­ vorrichtung lediglich zwei Gasentladungsröhren und zwei Zener-Dioden oder zwei dazu gleichwertige spannungsabhängige Widerstände für eine Vielzahl von Kontakten des Verbinders benötigt. Für jeden Kontakt werden zwei Leistungsdioden benötigt, die jedoch im Vergleich zu den Gasentladungsröhren relativ kompakt sind. Auf diese Weise ergibt sich eine elek­ trische Schutzvorrichtung geringen Gewichts und einfachen Aufbaus.

Eine Modifikation besteht darin, daß die Platten 12 und 22 sandwichförmig zusammengefügt und voneinander isoliert sind. Anstelle der Platten kann auch eine einzige beidseits bedruckte Platte verwendet werden, bei der die Leistungsdio­ den 15 mit der einen und die Leistungsdioden 16 mit der ande­ ren Oberfläche verbunden sind. Durch die Platten kann auch gegebenenfalls der Isolierblock 11 entfallen.

Claims (10)

1. Elektrische Schutzvorrichtung mit mehreren elektrischen Leitern, die über spannungsabhängige Schaltmittel beim Auftreten von Überspannungen mit Masse verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter (10) jeweils über einen ersten Stromgleichrichter (15) mit einer ersten elektrischen Ebene (12) verbunden ist und diese Stromgleichrichter (15) alle in gleicher Rich­ tung geschaltet sind, jeder Leiter (10) jeweils über einen zweiten Stromgleichrichter (25) mit einer zweiten elektrischen Ebene (22) verbunden ist und diese Strom­ gleichrichter (25) alle in der gleichen Richtung entgegen derjenigen der ersten Stromgleichrichter (15) geschaltet sind und zwischen Masse und der ersten und zweiten elek­ trischen Ebene (15, 25) jeweils spannungsabhängige Schalt­ mittel (20, 21, 30, 31) geschaltet sind, die beim Auftre­ ten von Überspannungen positiver bzw. negativer Polarität ansprechen.

2. Elektrische Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Quelle posi­ tiver Spannung (10) mit der ersten Ebene (12) vorgesehen ist, die die ersten Gleichrichter (15) in Sperrichtung vorspannt, eine zweite Quelle negativer Spannung (28) mit der zweiten Ebene (22) verbunden ist, die die zweiten Stromgleichrichter (25) in Sperrichtung vorspannt und die Spannungen beider Quellen mindestens gleich der Maximalspannung ist, die normalerweise an den Leitern (10) anliegt, jedoch geringer ist als die Spannung, bei der die spannungsabhängigen Schaltmittel (20, 21, 30, 31) in den Leitzustand überführt werden.

3. Elektrische Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Quelle (18, 28) durch Speicherkondensatoren gebildet werden.

4. Elektrische Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Schaltmittel (20, 21, 30, 31) jeweils eine Gasentladungsröhre (20, 30) aufweisen.

5. Elektrische Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Schaltmittel (20, 21, 30, 31) jeweils einen spannungsabhängigen Widerstand (21, 31) umfassen.

6. Elektrische Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasentladungsröhre (20, 30) jeweils parallel zu einem spannungsabhängigen Widerstand (21, 31) geschaltet ist.

7. Elektrische Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite gemeinsame elektrische Ebene jeweils von einer Platte (12, 22) mit einer elektrisch leitenden Oberfläche (13) gebildet wird.

8. Elektrische Schutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (10) durch entsprechende Bohrungen (14, 24) der Platten (12, 22) verlaufen und jeweils ein Stromgleichrichter (15, 25) zwischen jedem Leiter (10) und seiner Bohrung (14, 24) angeordnet ist.

9. Elektrische Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter (10) über ein HF-Filter (40) mit Masse verbunden ist.

10. Elektrische Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende jedes Leiters (10) als Steckkontakt zur Verbindung mit einem Verbinder (4) ausgebildet ist.