DE4244051C2 - Überspannungsschutzelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zur Ableitung von tran­ sienten Überspannungen, mit mindestens zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke.

Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schalt­ kreise, vor allem auch Fernmeldeeinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Energiever­ sorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zuge­ nommen, indem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thy­ ristoren, verwendet werden; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.

Neben den Überspannungsschutzelementen, von denen die Erfindung ausgeht (vgl. die DE-PS 37 16 997 und 39 10 435), also solchen mit einer Luft- Durchschlag-Funkenstrecke, gibt es Überspannungsschutzelemente mit einer Luft- Überschlag-Funkenstrecke, bei denen also beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt (vgl. die DE-OS 27 18 188, 29 34 236 und 31 01 354).

Überspannungsschutzelemente der Art, von der die Erfindung ausgeht, also sol­ che mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, haben gegenüber Überspannungs­ schutzelementen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren - und auch nicht sonderlich konstanten - Ansprechspannung.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, das Überspannungsschutzele­ ment, von dem die Erfindung ausgeht, in bezug auf die Ansprechspannung zu ver­ bessern.

Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement, bei dem die zuvor hergeleite­ te und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen da­ durch gekennzeichnet, daß die Elektroden plattenförmig ausgeführt sind und sich gegenüberstehen, daß zwischen den Elektroden mindestens eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe vorgesehen ist und das die Zündhilfe nur einen kleinen Teil des durch die Elektroden begrenzten Raumes einnimmt.

Erfindungsgemäß ist also das Überspannungsschutzelement zunächst plattenförmig ausgeführt und ist in das plattenförmig ausgeführte Überspannungsschutzelement, das eine Luft-Durch­ schlag-Funkenstrecke aufweist, gleichsam eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funken­ strecke integriert. Die erfindungsgemäß integrierte Hilfs-Luft-Überschlag- Funkenstrecke hat eine relativ konstante und vor allem geringere Ansprechspan­ nung als die dem eigentlichen Überspannungsschutz dienende Luft-Durchschlag- Funkenstrecke. Einmal angesprochen, bei einer relativ konstanten niedrigen Ansprechspannung, führt die gezündete Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke zu einem "schlagartigen" Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke mit relativ hoher Stoßstromtragfähigkeit. Anders ausgedrückt sind bei dem erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelement die Vorteile einer Luft-Durchschlag-Funken­ strecke und einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke verwirklicht und deren Nach­ teile eliminiert.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird ver­ wiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit einer Zeichnung erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines er­ findungsgemäßen Überspannungsschutzelements,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Überspannungsschutzelement nach Fig. 1 längs der Linie II-II und

Fig. 3 einen dem Schnitt nach Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überspan­ nungsschutzelements.

Die in den Figuren dargestellten Überspannungsschutzelemente dienen der Ab­ leitung von transienten Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphäri­ sche Entladungen, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Ener­ gieversorgungsnetzen auftreten können.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 sind zwei Elektroden 1 und 2 und eine zwischen den Elektroden 1, 2 wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 vorgesehen.

Erfindungsgemäß gilt zunächst, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, daß die Elektro­ den 1 und 2 plattenförmig ausgeführt sind und sich gegenüberstehen und daß zwischen den Elektroden 1 und 2 mindestens eine eine Gleitentladung auslösen­ de Zündhilfe 4 vorgesehen ist. Damit ist erfindungsgemäß in das Überspannungs­ schutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, das also eine Luft-Durchschlag- Funkenstrecke 3 aufweist, gleichsam eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke integriert. Die erfindungsgemäß integrierte Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrec­ ke hat eine relativ konstante und vor allem eine geringere Ansprechspannung als die dem eigentlichen Überspannungsschutz dienende Luft-Durchschlag-Funken­ strecke 3. Einmal angesprochen, und zwar bei einer relativ konstanten niedri­ gen Ansprechspannung, führt die gezündete Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke zu einem "schlagartigen" Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 mit rela­ tiv hoher Stoßstromtragfähigkeit.

Wie insbesondere die Fig. 2 verdeutlicht, nimmt die Zündhilfe 4 nur einen kleinen Teil des durch die Elektroden 1 und 2 begrenzten Raumes ein. Tatsäch­ lich ist nämlich die Zündhilfe 4, die zugleich auch als Abstandhalter zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 wirksam ist, stegartig ausgeführt. Sie besteht im übrigen aus Kunststoff, und zwar aus einem Kunststoff mit geringer Kriech­ stromfestigkeit, der bei Lichtbogeneinwirkung gast, nämlich elektronegative Gase frei setzt.

Weiter oben ist in bezug auf das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement ausgeführt, daß zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 mindestens eine Zünd­ hilfe 4 vorgesehen ist. Vorzugsweise sind jedoch, wie dies vor allem der Fig. 2 entnommen werden kann, zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 drei Zündhilfen 4 - gleichmäßig verteilt angeordnet - vorgesehen.

Im übrigen gilt für das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes, auch für das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutz­ elements, daß eine dritte plattenförmige Elektrode 5 - der Elektrode 2 be­ nachbart - vorgesehen ist; bei den in Figuren dargestellten Ausführungsbei­ spielen erfindungsgemäßer Überspannungsschutzelemente handelt es sich also um Drei-Elektroden-Funkenstrecken. Im einzelnen sind dabei, wie die Fig. 1 und 3 zeigen, die Abstände zwischen der mittleren Elektrode 2 und der äußeren Elek­ trode 1 bzw. der äußeren Elektrode 5 ungleich und sind die beiden äußeren Elektroden 1 und 5 unterschiedlich groß; während die beiden Elektroden 1 und 2 gleich groß sind, ist die dritte Elektrode 5 kleiner.

Wie nun die Fig. 1 und 3 zeigen, ist auch zwischen der der dritten Elektrode 5 benachbarten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 mindestens eine - eine Gleitentladung auslösende - Zündhilfe 6 vorgesehen. Tatsächlich sind auch hier drei Zündhilfen 6 - gleichmäßig verteilt angeordnet - vorgesehen. Die Zünd­ hilfen 6 zwischen der der dritten Elektrode 5 benachbarten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 sind gegenüber den Zündhilfen 4 zwischen der ersten Elek­ trode 1 und der mittleren Elektrode 2 umfangsmäßig versetzt vorgesehen; eine Zündhilfe 6 befindet sich immer genau in der Mitte zwischen zwei Zündhilfen 4.

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-Funken­ strecke 3 zwischen den Elektroden 1 und 2 und die Luft-Durchschlag-Funken­ strecke 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 erfin­ dungsgemäßen Überspannungsschutzelemente gesteuert werden kann. Dazu kann eine Ausgestaltung hilfreich sein, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zünd­ hilfen 6 zwischen der mittleren Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 eine andere Größe und/oder Form haben und/oder aus anderem Material bestehen als die Zündhilfen 4 zwischen der ersten Elektrode 1 und der mittleren Elektro­ de 2.

Besondere Bedeutung kommt noch einer weiteren Lehre der Erfindung zu, die im folgenden in Verbindung mit dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements erläutert werden soll.

Überspannungsschutzelemente der erfindungsgemäßen Art, also solche mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 bzw. mit Luft-Durchschlag-Funkenstrecken 3, 7, haben gegenüber Überspannungsschutzelementen mit einer Luft-Überschlag-Fun­ kenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, - weil eine re­ lativ geringe Lichtbogenspannung zu einer relativ geringen Leistung im Licht­ bogen führt. Das Löschverhalten solcher Überspannungsschutzelemente ist jedoch unter Umständen verbesserungsbedürftig.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements ist nun der Abstand zwischen den Paaren benachbar­ ter Elektroden 1 und 2 bzw. 2 und 5 - über den Umfang gesehen - unterschied­ lich. Dadurch steigt der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden von ei­ nem Kleinstwert zu einem Größtwert an und beim Ansprechen entsteht der Licht­ bogen natürlich dort, wo der Abstand zwischen den benachbarten Elektroden am geringsten ist. Der Lichtbogen wandert dann jedoch - thermisch bedingt, also von "heiß" nach "kalt" - dahin, wo der Abstand zwischen den benachbarten Elek­ troden am größten ist. Die Verlängerung des Lichtbogens ist mit einer Erhöhung der Lichtbogenspannung und folglich mit einem verbesserten Löschverhalten ver­ bunden.

Die zuvor erläuterte ergänzende Lehre der Erfindung ist im in Fig. 3 darge­ stellten Ausführungsbeispiel konkret dadurch realisiert, daß sowohl die äuße­ re Elektrode 1 und die mittlere Elektrode 2 als auch die mittlere Elektrode 2 und die dritte Elektrode 3 einen spitzen Winkel einschließen. Das gleiche Er­ gebnis kann man auch dadurch erreichen, daß man die Elektroden 1, 2 und 5 in unterschiedlicher Stärke ausführt.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die Zündhilfen 6 im einzelnen so ausgeführt sein können, wie dies in bezug auf die Zündhilfen 4 im einzelnen beschrieben ist.

Claims (16)

1. Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transienten Überspannungen, mit mindestens zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro­ den (1, 2) plattenförmig ausgeführt sind und sich gegenüberstehen, daß zwi­ schen den Elektroden (1, 2) mindestens eine - eine Gleitentladung auslö­ sende - Zündhilfe (4) vorgesehen ist und daß die Zündhilfe (4) nur einen kleinen Teil des durch die Elektroden (1, 2) begrenzten Raumes einnimmt.

2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) stegartig ausgeführt ist und zugleich auch als Abstandhal­ ter zwischen den beiden Elektroden (1 und 2) wirksam ist.

3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zündhilfe (4) aus Kunststoff besteht.

4. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus einem Kunststoff mit geringer Kriechstromfestigkeit besteht.

5. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zündhilfe (4) aus einem bei Lichtbogeneinwirkung gasenden, näm­ lich elektronegative Gase freisetzenden Kunststoff besteht.

6. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (1, 2) drei Zündhilfen (4) vorgesehen sind.

7. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfen (4) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

8. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine dritte plattenförmige Elektrode (5) - einer der bei­ den anderen Elektroden (2) benachbart - vorgesehen ist.

9. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen der mittleren Elektrode (2) und der äußeren Elektro­ de (1 bzw. 3) ungleich sind.

10. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden äußeren Elektroden (1, 5) unterschiedlich groß sind.

11. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der der dritten Elektrode (5) benachbarten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) mindestens eine - eine Gleit­ entladung auslösende - Zündhilfe (6) vorgesehen ist.

12. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der der dritten Elektrode (5) benachbarten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) drei Zündhilfen (6) vorgesehen sind.

13. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfen (6) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

14. Überspannungsschutzelement nach den Ansprüchen 7 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zündhilfen (6) zwischen der mittleren Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) gegenüber den Zündhilfen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der mittleren Elektrode (2) umfangsmäßig ver­ setzt angeordnet sind.

15. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe bzw. die Zündhilfen (6) zwischen der mitt­ leren 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 bzw. die Zündhilfen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der mittleren Elektrode (2).

16. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Elektroden (1 und 2) bzw. zwischen mindestens einem Paar benachbarter Elektroden (1 und 2 bzw. 2 und 5) - über den Umfang gesehen - unterschiedlich ist.