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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Überspannungsschutzeinrichtung.
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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.
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Zwei Haupt-Typen von Schutzeinrichtungen werden
herkömmlicherweise verwendet.
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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.
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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.
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Jede der oben beschriebenen Schutzeinrichtungen weist
Vorteile und Nachteile auf.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine
Schutzeinrichtung vorzusehen, die in einer Abschneidebetriebsart für
Niedrigenergieüberspannungsimpulse und in einer
Kurzschlußbetriebsart nur für Hochenergieimpulse betrieben
wird.
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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.
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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.
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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:
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Fig. 1 bis 4 den Stand der Technik und das Problem, auf
dessen Lösung die vorliegende Erfindung abzielt,
wobei diese Figuren oben beschrieben wurden;
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Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen
Schutzeinrichtung; und
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Fig.6A und 6B zwei spezifische Typen des Betriebs der
erfindungsgemäßen Schutz einrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dann wird eine Einrichtung erhalten, die als eine
Abschneideschaltung für Niedrigstromimpulse und als eine
Kurzschlußschaltung für Hochstromimpulse betrieben wird.
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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.
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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.
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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.
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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.