DE4141682C2 - Überspannungsschutzelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transien­ ten Überspannungen, mit mindestens zwei Elektroden, wobei eine Elektrode, die in­ nere Elektrode, von der anderen Elektrode, der äußeren Elektrode, mantelförmig um­ geben ist, zwischen den Elektroden eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke wirksam ist und die beiden Elektroden exzentrisch zueinander angeordnet sind.

Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Fernmeldeeinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen tran­ siente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, indem elek­ tronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet wer­ den; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.

Neben den Überspannungsschutzelementen, von denen die Erfindung ausgeht (vgl. die CH-PS 421 255 sowie die DE-PSen 37 16 997, 38 37 051 und DE 39 10 435 A1), also solchen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, gibt es Überspannungsschutz­ elemente mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen also beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt (vgl. die DE-OSen 27 18 188, 29 34 236 und 31 01 354).

Überspannungsschutzelemente der Art, von der die Erfindung ausgeht, also mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, haben gegenüber Überspannungsschutzelementen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtrag­ fähigkeit, - weil eine relativ geringe Lichtbogenspannung zu einer relativ geringen Leistung im Lichtbogen führt.

Bei dem Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung konkret ausgeht (vgl. die CH-PS 421 255), ist bereits erkannt worden, daß durch die exzentrische Anord­ nung von zwei kreisrunden Elektroden aufgrund der thermisch bedingten Lichtbo­ genwanderung eine Verlängerung des Lichtbogens stattfindet, was zu einem verbes­ serten Löschverhalten dieses Überspannungsschutzelementes führt. Allerdings kann es vorkommen, daß bei relativ hohen transienten Überspannungen das Löschverhal­ ten des bekannten Überspannungsschutzelementes nicht ausreicht, um elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren sowie integrierte Schaltkrei­ se, zu schützen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, in bezug auf das Löschverhalten zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode einen elliptischen Querschnitt hat. Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement bietet gegenüber dem bekannten Überspannungs­ schutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, den erheblichen Vorteil, daß sich der Spalt zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode, bezogen auf die engste Stelle des Spaltes, bei einer mit elliptischem Querschnitt ausgeführten inneren Elektrode schneller öffnet als bei einer vergleichbaren inneren Elektrode mit kreis­ förmigem Querschnitt, wie dies beim Stand der Technik vorgesehen ist. Das ergibt sich daraus, daß der Radius eines Kreises immer gleich ist, während eine Ellipse eine große Achse und eine kleine Achse aufweist. Dadurch, daß der Spalt zwischen der erfindungsgemäß mit einem elliptischen Querschnitt ausgebildeten inneren Elektrode und einer vorgegebenen äußeren Elektrode im Gegensatz zu einer mit einem kreis­ förmigen Querschnitt ausgebildeten inneren Elektrode und einer vorgegebenen äuße­ ren Elektrode, ausgehend von der engsten Stelle, aufgrund der kleinen Achse der El­ lipse schneller größer wird, wird gleichzeitig schneller eine Verlängerung des Licht­ bogens erreicht, was unmittelbar in einem verbesserten Löschverhalten des erfin­ dungsgemäßen Überspannungsschutzelementes resultiert. Wichtig ist, daß erfin­ dungsgemäß erkannt worden ist, daß es beim Löschverhalten im wesentlichen auf die Verlängerung des Lichtbogens unmittelbar im Anschluß an die engste Stelle der ex­ zentrisch angeordneten Elektroden, also direkt nach dem Entstehen des Lichtbogens ankommt und nicht erst auf eine das Löschverhalten beeinflussende Verlängerung des Lichtbogens, die erst nach einer bestimmten Lichtbogenwanderung, d. h. erst nach einer gewissen Zeit auftritt.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Über­ spannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, anderer­ seits auf Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit einer Zeichnung erläutert werden. In der Zeichnung zeigen, jeweils nur schematisch,

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelements,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelements und

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 3.

Die in den Figuren dargestellten Überspannungsschutzelemente dienen der Ablei­ tung von transienten Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Energiever­ sorgungsnetzen auftreten können, und weisen zunächst zwei im wesentlichen zylin­ drische, vertikal angeordnete Elektroden 1, 2 auf, wobei eine Elektrode 1, die innere Elektrode, von der anderen Elektrode 2, der äußeren Elektrode mantelförmig umge­ ben ist und zwischen den Elektroden 1, 2 eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 wirksam ist.

Wie die Figuren zeigen, sind die beiden Elektroden 1, 2 exzentrisch zueinander ange­ ordnet und hat die innere Elektrode 1 einen elliptischen Querschnitt. Dadurch steigt der Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 von ei­ nem Kleinstwert zu einem Größtwert an. Beim Ansprechen des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes entsteht der Lichtbogen natürlich dort, wo der Ab­ stand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 am geringsten ist. Der Lichtbogen wandert dann - thermisch bedingt, also von "heiß" nach "kalt" - dahin, wo der Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektro­ de 2 am größten ist. Die Verlängerung des Lichtbogens ist mit einer Erhöhung der Lichtbogenspannung und folglich mit einem verbesserten Löschverhalten verbun­ den.

In beiden Ausführungsbeispielen ist die äußere Elektrode 2 elliptisch ausgeführt.

Im übrigen gilt sowohl für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 als auch für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4, daß zwischen den beiden Elektroden 1 und 2, und zwar an der Stelle des geringsten Abstandes zwischen der inneren Elek­ trode 1 und der äußeren Elektrode 2, eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe 4 vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme, der besondere Bedeutung zukommt, ist in das Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, das also eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 aufweist, gleichsam eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke integriert. Die integrierte Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke hat eine relativ konstante und vor allem geringere Ansprechspannung als die dem eigent­ lichen Überspannungsschutz dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3. Einmal angesprochen, und zwar bei einer relativ konstanten niedrigen Ansprechspannung, führt die gezündete Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke zu einem "schlagartigen" Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 mit relativ hoher Stoßstromtragfähig­ keit. Damit sind bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Überspannungsschutzelementes die Vorteile einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke verwirklicht und deren Nachteile eliminiert.

In den in den Fig. 1 und 2 sowie 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ragt die Zündhilfe 4 nur teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 hinein. Im üb­ rigen ist die Zündhilfe 4 stegartig ausgeführt. Sie besteht aus Kunststoff, und zwar aus einem Kunststoff mit geringer Kriechstromfestigkeit, der bei Lichtbogeneinwir­ kung gast, nämlich elektronegative Gase freisetzt.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Über­ spannungsschutzelemente unterscheiden sich von den in den Fig. 1 und 2 dargestell­ ten Ausführungsbeispielen nun dadurch, daß eine dritte Elektrode 5 vorgesehen ist, wobei die dritte Elektrode 5 elliptisch ausgeführt ist und die zweite Elektrode 2 man­ telförmig umgibt. Es handelt sich hier also jeweils um Drei-Elektroden-Funken­ strecken. In den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die dritte Elektrode 5 jeweils exzentrisch zur zweiten Elektrode 2 angeordnet, - wie die zweite Elektrode 2 zur ersten Elektrode 1 exzentrisch angeordnet ist, wobei jedoch der ge­ ringste Abstand zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 nicht dort verwirklicht ist, wo der geringste Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 verwirklicht ist, vielmehr ist der geringste Abstand zwischen der Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 um 180° versetzt gegenüber dem gering­ sten Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2.

Im übrigen gilt für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4, daß zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 eine Zündhilfe 6 vorgesehen ist. Es können zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 auch mehrere Zündhilfen 6 vorgesehen sein, - umfangsmäßig versetzt, insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilt.

Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß die Zündhilfen 4 bzw. 6 als Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecken zwischen den Elektroden 1 und 2 bzw. 2 und 5 wirken, mit den Zündhilfen 4 bzw. 6 also die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 zwischen den Elektroden 1 und 2 und die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 7 zwischen den Elektroden 2 und 5 "schlagartig" zum Zünden gebracht werden können. Folglich können die Zündhilfen 4 und 6 insgesamt so ausgelegt werden, daß mit Hilfe der Zündhilfen 4 und 6 das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Überspannungs­ schutzelemente gesteuert werden kann. Dazu kann eine Ausgestaltung hilfreich sein, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zündhilfe 6 bzw. die Zündhilfen 6 zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 eine andere Größe und/oder Form hat bzw. haben und/oder aus anderem Material besteht bzw. bestehen als die Zündhilfe 4 zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2.

Schließlich kann das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Überspannungs­ schutzelemente auch dadurch beeinflußt werden, daß die Elektroden 1, 2 und/oder die Elektrode 5, soweit vorhanden, unterschiedlich lang ausgeführt werden. Ab­ schließend sei darauf hingewiesen, daß die Zündhilfe 6 bzw. die Zündhilfen 6 in glei­ cher Weise ausgeführt sein kann bzw. können, wie dies in bezug auf die Zündhilfe 4 im einzelnen beschrieben worden ist.

Claims (16)

1. Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transienten Überspannungen, mit mindestens zwei Elektroden, wobei eine Elek­ trode, die innere Elektrode, von der anderen Elektrode, der äußeren im wesentlichen zylindrischen Elektrode, mantelförmig umgeben ist, zwischen den Elektroden eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke wirksam ist und die beiden Elektroden exzentrisch zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (1) einen elliptischen Querschnitt hat.

2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (2) elliptisch ausgeführt ist.

3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (1, 2), vorzugsweise an der Stelle des geringsten Abstandes zwischen der inneren Elektrode (1) und der äußeren Elektrode (2), eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe (4) vorgesehen ist.

4. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) nur teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) hineinragt.

5. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) stegartig ausgeführt ist.

6. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus Kunststoff besteht.

7. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus einem Kunststoff mit geringer Kriechstromfestigkeit besteht.

8. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus einem bei Lichtbogeneinwirkung gasenden, nämlich elek­ tronegative Gase freisetzenden Kunststoff besteht.

9. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine dritte Elektrode (5) vorgesehen ist und die dritte Elektrode (5) die zweite Elektrode (2) mantelförmig umgibt.

10. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (5) exzentrisch zur zweiten Elektrode (2) angeordnet ist.

11. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die dritte Elektrode (5) elliptisch ausgeführt ist.

12. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) eine Zündhilfe (6) vorgesehen ist.

13. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) mehrere, vorzugs­ weise drei Zündhilfen (6) vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt - vor­ gesehen sind.

14. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfen (6) zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) gegenüber den Zündhilfen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) umfangsmäßig versetzt vorgesehen sind.

15. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zündhilfe (6) bzw. die Zündhilfen (6) zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) eine andere Größe und/oder Form haben und/oder aus anderem Material besteht bzw. bestehen als die Zündhilfe (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2).

16. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2, 5) unterschiedlich lang ausgeführt sind.