DE69122447T2 - Einrichtung zum Schutz gegen Überspannungen - Google Patents

Einrichtung zum Schutz gegen Überspannungen

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/043Protection of over-voltage protection device by short-circuiting
    • HELECTRICITY
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    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/041Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using a short-circuiting device

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutzeinrichtung.
  • Fig. 1 zeigt die herkömmliche Anordnung einer Schutzeinrichtung 1. Ist eine Leistungsversorgungsspannung, die zwischen den Eingangsanschlüssen A und B verfügbar ist, und eine zu schützende elektronische Schaltung 2 gegeben, wird die Schutzeinrichtung zwischen den Eingangsanschlüssen A und B positioniert.
  • Zwei Haupt-Typen von Schutzeinrichtungen werden herkömmlicherweise verwendet.
  • Ein erster Typ von Schutzeinrichtung, zum Beispiel eine Zenerdiode, ist konstruiert, um die Überspannungsimpulse, die zwischen den Anschlüssen A und B auftreten, abzuschneiden bzw. zu begrenzen. Die Strom/Spannung-Kennlinie bzw. -Charakteristik dieses Bauteils ist von dem in Fig. 2A dargestellten Typ, nämlich sobald die Spannung über den Zenerdiodenanschlüssen einen bestimmten Wert übersteigt, der Zusammenbruchspannung oder Avalanche-Spannung bzw. Lawinen-Spannung VBR der Diode genannt wird, steigt der Strom bis zu einer im wesentlichen konstanten Spannung an. Somit, wie in Fig. 28 gezeigt ist, werden Impulse P1 und P2, die zu einer Versorgungsspannung addiert sind, wie zum Beispiel einer vollwellengleichgerichteten Spannung, abgeschnitten, und auf das Ende des Impulses hin fährt die normale Versorgung fort, über den Anschlüssen der zu schützenden Einrichtung 2 vorhanden zu sein.
  • Ein zweiter Typ von Schutzeinrichtung, wie zum Beispiel eine triggernder bzw. auslösender Avalanche-Thyristor weist die in der Fig. 3A gezeigte Strom/Spannung-Kennlinie bzw. -Charakteristik auf. Sobald die an diese Einrichtung angelegte Spannung einen Wert VB0, oder Kippwert (breakover-Wert), übersteigt, wird die Einrichtung leitend und die Spannung über ihren Anschlüsse fällt auf einen sehr niedrigen Wert. Die Einrichtung verbleibt dann in dem leitenden Zustand, so lange der Versorgungsstrom nicht auf einen Wert verringert wird, der niedriger als ein Haltestrom IH ist. Beispielsweise kann die Spannung VB0 ungefähr wenige 100 Volt und die Spannung VH ungefähr Volt sein. Der Effekt einer derartigen Schutzeinrichtung auf eine vollwellengleichgerichteten Spannung ist in Fig. 38 dargestellt. Es sei bemerkt, daß vom Impuls P1 die Einrichtung 2 nicht länger versorgt wird, und zwar bis zu der folgenden Halbperiode.
  • Jede der oben beschriebenen Schutzeinrichtungen weist Vorteile und Nachteile auf.
  • Ein Hauptnachteil der Zenerdiodensysteme besteht darin, daß, wenn Impulse eine lange Zeitdauer besitzen, ein wesentlich hoher Strom während der Pulsdauer durch die Diode fließt, die eine hohe Spannung über ihren Anschlüssen besitzt (ungefähr 400 Volt zum Beispiel für eine Netzschutzeinrichtung), was einen Anstieg der Diodentemperatur verursacht. Es ist dann notwendig, teure Dioden mit einer großen Größe vorzusehen.
  • Ein Hauptnachteil der Einrichtungen vom Typ des Avalanche-Thyristors besteht darin, daß nach jeder Überspannung die Versorgung unterbrochen ist, bis die Versorgungsspannung zurückgesetzt ist. Deshalb treten Fehlfunktionen in der zu schützenden Einrichtung auf, die nicht länger mit Energie versorgt wird, oder die einen Kondensator mit hohem Eingangsfassungsvermögen aufweisen muß, um diese Spannungsabfälle abzuschwächen. Trotz dieses Nachteils verwendet man Schutzeinrichtungen dieses Typs, wenn Überspannungen dazu neigen, hochenergetisch zu sein (und zwar in der Amplitude oder Dauer)
  • Jedoch ist das in der Praxis anzutreffende Problem etwas verschieden. In der Tat zeigt Fig. 4 die Ergebnisse einer statistischen Umfrage bzw. Untersuchung, die an Leitungen von Teilnehmern in Europa durchgeführt wurde. Diese Un tersuchung entspricht einer Beobachtung für 112 Tage einer Leitung eines Teilnehmers und zeigt das Auftreten von 1009 Überspannungen. Insbesondere ist Fig. 4 eine Tabelle, die die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Überspannungen einer bestimmten Amplitude und Dauer zeigt. Die Tabelle der Fig. 4 zeigt, daß 29,44 % der beobachteten Überspannungen einen Wert besitzen, der von 200 bis 300 Volt oberhalb der normalen Netzspannung reicht, und eine Dauer, die von 1 bis 3 Mikrosekunden reicht, wogegen nur 0,42 % der beobachteten Überspannungen einen Wert besitzen, der von 600 bis 700 Volt und eine Dauer im Bereich von 3 bis 10 Mikrosekunden besitzen.
  • Die beobachteten Überspannungen können in zwei Gruppen klassifiziert werden: Hochstrom- und Niedrigstromüber spannungen. Hochenergieüberspannungen sind entweder durch eine lange Zeitdauer (zum Beispiel über 10 Mikrosekunden), und zwar sogar wenn ihre Amplitude relativ niedrig ist (zum Beispiel niedriger als 300 Volt), oder durch eine hohe Amplitude (zum Beispiel über 600 Volt), sogar wenn ihre Dauer relativ kurz ist (zum Beispiel kürzer als 1 Mikrosekunde) gekennzeichnet. Niedrigenergieüberspannungen weisen komplementäre Charakteristiken auf. In dem obigen Beispiel besitzen sie eine Amplitude, die kleiner als 600 Volt ist und eine Zeitdauer, die kürzer als 10 Mikrosekunden ist.
  • Unter Bezugnahme auf die Tabelle der Fig. 4 sei bemerkt, daß Niedrigenergieimpulse in 96,38 % der beobachteten Fälle auftreten, wogegen Hochstromüberspannungen nur 3,62 % der Fälle repräsentieren. Jedoch ist herkömmlicherweise und um Hochenergieüberspannungen zu berücksichtigen, eine Schutzeinrichtung vom Abschneidetyp, wie zum Beipiel eine Zenerdiode, nicht ausreichend, und es ist notwendig, eine Einrichtung vom Kurzschlußtyp des Avalanche-Thyristors einzusetzen.
  • Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Schutzeinrichtung vorzusehen, die in einer Abschneidebetriebsart für Niedrigenergieüberspannungsimpulse und in einer Kurzschlußbetriebsart nur für Hochenergieimpulse betrieben wird.
  • Derartige Schaltungen sind in FR-A-2 172 332 und US-A-4 068 281 offenbart, aber diese Schaltungen verwenden unterschiedliche Abschneideverfahren. Die erste Druckschrift offenbart die serielle Verbindung einer Zenerdiode mit einem Widerstand. Der Thyristor wird angeschaltet, wenn der Abschneidestrom, der durch den Thyristor fließt, den Spannungsabfall veranlaßt, oberhalb einer Schwelle anzusteigen. Die zweite Druckschrift schlägt ein Abschneiden durch einen Varistor vor, der einen dritten Anschluß besitzt, dessen Spannung von der Abschneidespannung abhängt. Wenn der Strom hoch ist, schaltet diese Spannung, und zwar durch Treiben des Gates eines Thyristors durch einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC = negative temperature coefficient), den Thyristor an.
  • Um diese und weitere Ziele zu erreichen, sieht die Erfindung eine Schutzeinrichtung gegen Überspannungen vor, die dazu neigen, zwischen zwei Versorgungsanschlüssen (A, B) aufzutreten, wobei die Schutzeinrichtung folgendes aufweist: zwischen diesen Anschlüssen einerseits einen Thyristor und andererseits erste und zweite Zenerdioden in Serie, wobei die Anode der ersten Diode mit der Kathode der Thyristors und die Kathode der zweiten Diode mit der Anode des Thyristors verbunden ist und eine dritte Zenerdiode, die zwischen dem Thyristorgate und der Verbindung bzw. Grenzschicht der ersten und zweiten Dioden positioniert ist, wobei die Anode der dritten Diode mit dem Gate verbunden ist, und wobei die dritte Diode eine Avalanche-Spannung besitzt, die höher als diejenige der ersten Diode ist. Die Bauteile werden derart ausgewählt, daß die ersten und zweiten Dioden Überspannungen, die höher als die Summe ihrer Avalanche- Spannungen sind, abschneiden, und daß der Thyristor eingeschaltet wird, wenn die Spannung über der ersten Diode die Avalanche-Spannung der dritten Diode erreicht.
  • Die vorhergehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von spezifischen Ausführungsbeispielen, wie sie in der Begleitzeichnung dargestellt sind, offenbar werden. In der Zeichnung zeigen bzw. zeigt:
  • Fig. 1 bis 4 den Stand der Technik und das Problem, auf dessen Lösung die vorliegende Erfindung abzielt, wobei diese Figuren oben beschrieben wurden;
  • Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung; und
  • Fig.6A und 6B zwei spezifische Typen des Betriebs der erfindungsgemäßen Schutz einrichtung.
  • Wie in Fig. 5 gezeigt ist, weist die erfindungsgemäße Einrichtung zwischen Anschlüssen A und B, wo ein Überspannungsimpuls dazu neigt, aufzutreten, die serielle Verbindung von zwei Dioden D2 und D1 auf, wobei die Kathode der Diode D2 mit dem Anschluß A und die Anode der Diode D1 mit dem Anschluß B verbunden ist. Zwischen den Anschlüssen A und B ist ebenfalls ein Thyristor Th positioniert, dessen Anode mit dem Anschluß A und dessen Kathode mit dem Anschluß B verbunden ist. Der Thyristor weist ein Kathodengate bzw. Kathodengatter auf, das durch eine dritte Zenerdiode D3 mit der Verbindung bzw. Grenzschicht 10 der Dioden D1 und D2 verbunden ist. Der Thyristor Th wird derart ausgewählt, daß seine Kippspannung VBO wesentlich höher als die Summe der Avalanche-Spannungen der Dioden D1 und D2 ist. Somit kann in der Erfindung der Thyristor Th nur durch Gatesteuerung leitend gemacht werden.
  • Die Dioden D1, D2 und D3 besitzen Avalanche-Spannungen, die gleich VBR1, VBR2 bzw. VBR3 sind. Erfindungsgemäß wird VBR3 höher als VBR1 ausgewählt. Sind die Spannungswerte, die dazu neigen, an die Schutzeinrichtungen angelegt zu werden (ungefähr wenige 100 Volt) gegeben, ist der Gate-Kathode-Spannungsabfall des Tyristors (ungefähr 1 Volt) vernachlässigbar und wird nicht in den folgenden Erklärungen in Betracht gezogen werden.
  • Fig. 6A ist ein Strom/Spannung (I/V)-Diagramm des Betriebs der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung für Niedrigenergieüberspannungen. Wenn der Über spannungswert höher als VBR1 + VBR2 wird, werden beide Dioden D2 und D1 in die Avalanche-Betriebsart eingestellt und halten die Spannung über ihre Anschlüsse im wesentlichen auf jeweilige Werte VBR1 und VBR2. Jedoch, wie durch Kurven 21 und 22, die in einer strichpunktierten Linie gezeichnet sind, gezeigt ist, steigt die Spannung über ihren Anschlüssen etwas an, während ein Strom dahindurch zirkuliert. Die sich ergebende VAB -Spannung wird durch eine mit einer durchgezogenen Linie gezeichnete Kurve dargestellt.
  • Fig. 6B zeigt das gleiche Strom/Spannung-Diagramm in dem Fall eines hohen Stroms oder einen langen Überspannung. Sind einmal die Dioden auf die Avalanche-Betriebsart eingestellt, zirkuliert ein relativ hoher Strom, und, falls die Überspannung eine hohe Amplitude oder eine lange Zeitdauer besitzt, wird die Spannung über den Anschlüssen jeder Diode erhöht, und zwar insbesondere wegen des Temperaturanstiegs, wie durch die Kurven 31 und 32, die in einer punktierten Linie gezeichnet sind, gezeigt ist, erhöht, wobei die resultierende Spannung VAB durch die Kurve 33 dargestellt ist. Sobald die Spannung über die Diode Dl die Avalanche-Spannung VBR3 der Diode D3 erreicht, wird der Thyristor Th leitend eingestellt und die sich ergebende Spannung VAB folgt dem Pfad 34-35. Dann verbleibt der Thyristor leitend, bis der Strom niedriger als der Haltestrom IH des Thyristors wird.
  • Dann wird eine Einrichtung erhalten, die als eine Abschneideschaltung für Niedrigstromimpulse und als eine Kurzschlußschaltung für Hochstromimpulse betrieben wird.
  • Fachleuten wird es möglich sein, und zwar als eine Funktion der Kennlinien bzw. Charakteristiken, die sie für die Schutzeinrichtung im Hinblick auf eine spezielle Anwendung erhalten wollen, den Unterschied bzw. die Differenz zwischen den Avalanche-Spannungen der Dioden D1 und D3 auszuwählen, der den Übergang von einer Abschneideeinrichtung zu einem Kurzschlußeinrichtungsbetrieb bestimmt.
  • Andererseits sei bemerkt, daß die Steigungen und Formen der Strom/Spannung-Diagramme willkürlich gezeichnet sind, um die Darstellung und die Offenbarung der Efindung zu vereinfachen. Fachleuten wird es möglich sein, auf die gewöhnlichen Kennlinien von Zenerdioden und Thyristoren Bezug zu nehmen, um genaue Diagramme zu zeichnen.
  • In der Praxis kann die Summe der Avalanche-Spannungen der Dioden D1 und D2 nahe bei 400 Volt gewählt werden, wobei beide Dioden identisch sind, und die Diode D3 kann mit einer Avalanche-Spannung von ungefähr 250 Volt gewählt werden. Auf diese Weise wirkt das System als eine Abschneideschaltung im wesentlichen von 400 bis 450 Volt, und dann als eine Kurzschlußschaltung über 450 Volt.
  • Die Erfindung wurde auf eine allgemeine Art und Weise und in Verbindung mit spezifischen Ausführungsbeispielen offenbart. Fachleute werden fähig sein, unterschiedliche Varianten und Modifikationen durchzuführen. Insbesondere wurde oben eine unidirektionale Schutzeinrichtung beschrieben. Die Erfindung läßt sich gleichermaßen auf bidirektionale Schutzbauteile anwenden; die Abänderungen und Verbindungen, die konstruiert werden, um bidirektionale Schutzeinrichtungen aus unidirektionalen Schutzeinrichtungen zu bilden, sind Fachleuten gut bekannt.

Claims (1)

1. Schutzeinrichtung gegen Überspannungen, die dazu neigen, zwischen zwei Versorgungsanschlüssen (A, B) aufzutreten, wobei die Schutzeinrichtung einen Thyristor (Th) zwischen den Anschlüssen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner folgendes aufweist: erste und zweite Zenerdioden in Reihe, wobei die Anode der ersten Diode (D1) mit der Kathode des Thyristors verbunden ist, wobei die Kathode der zweiten Diode (D2) mit der Anode des Thyristors verbunden ist, eine dritte Zenerdiode (D3), die zwischen dem Thyristor-Gate und der Verbindung bzw. Grenzschicht(10) der ersten und zweiten Dioden plaziert ist, wobei die Anode der dritten Diode eine Avalanche-Spannung besitzt, die größer als diejenige der ersten Diode ist, wobei die Bauteile der Einrichtung derart ausgewählt werden, daß die ersten und zweiten Dioden Überspannungen größer als die Summe ihrer Avalanche-Spannungen abschneiden, und daß der Thyristor angeschaltet wird, wenn die Spannung über die erste Diode die Avalanche-Spannung der dritten Diode erreicht.
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