EP1523792B1 - Protective element for arresting overvoltages and the use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
Ein Schutzelement zum Ableiten elektrischer Überspannungen ist beispielsweise der
Ein solches Schutzelement aus parallel geschaltetem Varistor und Überspannungsableiter hat den Vorteil, daß bei steil ansteigenden Überspannungen die Zündverzögerung des Überspannungsableiters mit Hilfe des vorzeitig ansprechenden Varistors überbrückt wird. Auf diese Weise wird die Schutzwirkung des Schutzelements während der Ansprechzeit des Überspannungsableiters verbessert.Such a protective element of parallel-connected varistor and surge arrester has the advantage that with steeply increasing overvoltages, the ignition delay of the surge arrester is bridged with the aid of the prematurely responding varistor. In this way, the protective effect of the protective element is improved during the response time of the surge arrester.
Nachteilig an dem bekannten Schutzelement ist jedoch, daß der ringförmige Varistor eine hohe Eigenkapazität aufweist. Diese bestimmt das Dämpfungsverhalten des Schutzelements, wenn es in hochfrequenten Schaltungen eingesetzt wird. Eine höhere Kapazität führt dabei zu höherer Dämpfung, die wiederum die Leitungslänge verringert, die mit einem solchen Schutzelement realisiert werden kann.A disadvantage of the known protective element, however, is that the annular varistor has a high intrinsic capacity. This determines the damping behavior of the protective element when it is used in high-frequency circuits. A higher capacity leads to higher attenuation, which in turn reduces the line length that can be realized with such a protective element.
In hochfrequenten Telekommunikationssystemen, wie beispielsweise ADSL, VDSL und anderen, besteht jedoch ein Bedürfnis nach Schutzelementen zum Ableiten von Überspannungen, die die Ansprechzeit des Überspannungsableiters überbrücken können und gleichzeitig eine niedrige Dämpfung aufweisen und damit insbesondere für die hochfrequenten Systeme geeignet sind.However, in high frequency telecommunications systems such as ADSL, VDSL, and others, there is a need for overvoltage protection elements that can bridge the surge arrestor response time and at the same time have a low attenuation and are therefore particularly suitable for the high-frequency systems.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein solches Schutzelement anzugeben, welches die genannten Nachteile bekannter Schutzelemente vermeidet.The object of the invention is therefore to provide such a protective element which avoids the mentioned disadvantages of known protective elements.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Schutzelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Schutzelements sowie vorteilhafte Verwendungen sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.This object is achieved with a protective element according to claim 1. Advantageous embodiments of this protective element and advantageous uses can be found in further claims.
Im erfindungsgemäßen Schutzelement sind ein Varistor und ein Überspannungsableiter übereinander in einem elektrisch leitenden Becher angeordnet und zwischen dem Becher und einem Kontaktstift elektrisch parallel verschaltet. Der Varistor ist dabei scheibenförmig ausgebildet und sitzt direkt auf einer ersten Elektrode des Überspannungsableiters auf. Die zweite Elektrode des Überspannungsableiters sitzt am Boden des Bechers auf und kontaktiert diesen elektrisch. Die obere Elektrode des Varistors ist mit dem Becher elektrisch leitend verbunden. Der Kontaktstift ist elektrisch leitend mit der ersten Elektrode des Überspannungsableiters verbunden und ist zumindest teilweise im Raum zwischen dem Varistor und dem Becher geführt. Zwischen Varistor und Kontaktstift ist ein isolierendes Zwischenstück angeordnet.In the protective element according to the invention a varistor and a surge arrester are arranged one above the other in an electrically conductive cup and electrically connected in parallel between the cup and a contact pin. The varistor is disk-shaped and sits directly on a first electrode of the surge arrester. The second electrode of the surge arrester sits on the bottom of the cup and contacts it electrically. The upper electrode of the varistor is electrically connected to the cup. The contact pin is electrically conductively connected to the first electrode of the surge arrester and is at least partially guided in the space between the varistor and the cup. Between varistor and contact pin an insulating intermediate piece is arranged.
Vorzugsweise sind Varistor und Überspannungsableiter rotationssymmetrisch ausgebildet und konzentrisch bzw. koaxial zueinander im Becher angeordnet. Der Durchmesser des Bechers wird vom Durchmesser des Überspannungsableiters bestimmt. Vorzugsweise weist der Querschnitt des Bechers im Bereich des Überspannungsableiters eine stufenartige Erweiterung auf, so daß der Becher im Bereich der oberen Elektrode des Überspannungsableiters von diesem beabstandet ist.Preferably, varistor and surge arrester are rotationally symmetrical and arranged concentrically or coaxially with each other in the cup. The diameter of the cup is determined by the diameter of the surge arrester. Preferably, the cross-section of the cup in the region of the surge arrester on a step-like extension, so that the cup is spaced in the region of the upper electrode of the surge arrester thereof.
Vorzugsweise ist die obere Elektrode des Varistors mechanisch und elektrisch mit einem Spreizelement verbunden, welches zumindest zwei Arme aufweist, die gegen die Innenwand des Bechers verspreizt sind und die obere Elektrode des Varistors elektrisch leitend mit dem Becher verbinden. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, daß sowohl eine zentrierte Ausrichtung des Varistors als auch ein sicherer Halt des Varistors im Becher erzielt wird. Vorteilhaft ist auch ein Spreizelement mit mehr als zwei Armen, die gleichmäßig über einen Kreisbogen gegeneinander versetzt sind. So gelingt eine optimale Verspreizung.Preferably, the upper electrode of the varistor is mechanically and electrically connected to a spreader, which has at least two arms which are spread against the inner wall of the cup and electrically connect the upper electrode of the varistor with the cup. This has the advantage that both a centered orientation of the varistor and a secure hold of the varistor in the cup is achieved. Also advantageous is a spreading with more than two arms, which are offset evenly over a circular arc against each other. This creates an optimal spreading.
Vorzugsweise weist der Kontaktstift zumindest zwei Füße auf, die seitlich zwischen Varistor und Innenwand des Bechers hin zur ersten Elektrode des Überspannungsableiters geführt sind. Diese Füße sind dann gegen die Arme des Spreizelements versetzt, bzw. werden zwischen diesen hindurchgeführt.Preferably, the contact pin has at least two feet, which are guided laterally between the varistor and the inner wall of the cup to the first electrode of the surge arrester. These feet are then offset against the arms of the expansion element, or are passed between them.
Das elektrisch isolierende Zwischenstück ist vorzugsweise elastisch ausgebildet und weist eine derartige Ausformung auf, daß es in der Art eines Gummistopfens fest an der Innenwand des Bechers anliegen kann. Das Zwischenstück weist Öffnungen auf, durch die die Füße des Kontaktstifts geführt sind. Die Arme des Spreizelements sind an der Becherwand vorzugsweise nach oben gebogen, wobei vorteilhaft auch für die nach oben gebogenen Enden der Arme des Spreizelements Öffnungen im Zwischenstück vorgesehen sind. Anzahl der Füße und Arme des Spreizelements entsprechen einander vorzugsweise und sind dann paarweise bzw. alternierend angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführung weisen das Spreizelement drei Arme und der Kontaktstift drei Füße auf.The electrically insulating intermediate piece is preferably formed elastically and has such a shape that it can firmly abut the inner wall of the cup in the manner of a rubber stopper. The intermediate piece has openings through which the feet of the contact pin are guided. The arms of the expansion element are preferably bent upwards on the cup wall, whereby openings in the intermediate piece are advantageously also provided for the upwardly bent ends of the arms of the expansion element. Number of feet and arms of the expansion element preferably correspond to each other and are then arranged in pairs or alternately. In an advantageous embodiment, the spreader element has three arms and the contact pin has three feet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Zwischenstück einen scheibenförmigen Grundkörper auf, der in der Mitte auf zumindest einer Seite eine Vertiefung aufweist, die an den Durchmesser des Kontaktstifts und/oder des Varistors angepaßt ist, wobei Kontaktstift und/oder Varistor zumindest teilweise in der Vertiefung des Zwischenstücks versenkt sind.In a further advantageous embodiment of the invention, the intermediate piece on a disk-shaped base body having in the middle on at least one side of a recess which is adapted to the diameter of the contact pin and / or the varistor, wherein the contact pin and / or varistor are at least partially sunk in the recess of the intermediate piece.
In einer Ausgestaltung der Erfindung bildet das Zwischenstück den oberen Abschluß des Bechers, wobei der Kontaktstift die Becherwand und das Zwischenstück überragt. Die Arme des Spreizelements enden unterhalb des oberen Becherrands und können in einer vorteilhaften Ausgestaltung vollständig vom oberen Bereich des Zwischenstücks überdeckt sein.In one embodiment of the invention, the intermediate piece forms the upper end of the cup, wherein the contact pin projects beyond the cup wall and the intermediate piece. The arms of the expansion element terminate below the upper cup rim and can be completely covered in an advantageous embodiment of the upper portion of the intermediate piece.
Becher und Kontaktstift sind vorteilhaft aus Messing ausgebildet.Cup and contact pin are advantageously formed of brass.
Der Varistor ist vorteilhaft als an sich bekannter Metalloxidvaristor ausgebildet.The varistor is advantageously designed as a known metal oxide varistor.
Auch der Überspannungsableiter kann beliebig gewählt werden und ist in seiner genauen Ausgestaltung an sich bekannt. Vorteilhaft werden gasgefüllte Überspannungsableiter eingesetzt, die einen Zündstrich aufweisen und bei Überspannung eine Gasentladung zu einer Ableitungselektrode ausbilden können.Also, the surge arrester can be chosen arbitrarily and is known in its exact configuration per se. Advantageously, gas-filled surge arresters are used, which have a priming line and can form a gas discharge to a discharge electrode in the event of overvoltage.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen in teilweiser nicht maßstabsgetreuer und schematischer Darstellung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung.
- Figur 1
- zeigt ein erfindungsgemäßes Schutzelement im sche- matischen Querschnitt
- Figur 2
- zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schutzele- ments im schematischen Querschnitt (
Figur 2a ) bzw. in der Draufsicht (Figur 2b ) - Figur 3
- zeigt in perspektivischer Explosionszeichnung Ein- zelteile eines erfindungsgemäßen Bauelements
- Figur 4
- zeigt die Teile von
Figur 3 in zusammengesetzter Form - Figur 5
- zeigt das Ausführungsbeispiel von
Figur 4 innerhalb eines Bechers.
- FIG. 1
- shows a protective element according to the invention in the schematic cross section
- FIG. 2
- shows a further embodiment of a protection element in schematic cross section (
FIG. 2a ) or in plan view (FIG. 2b ) - FIG. 3
- shows in perspective exploded view of individual parts of a device according to the invention
- FIG. 4
- shows the parts of
FIG. 3 in composite form - FIG. 5
- shows the embodiment of
FIG. 4 inside a mug.
In einer bevorzugten Verwendung des Schutzelements wird dieses über eine Federspannung zwischen zwei Kontakten gehalten, die mit dem Kontaktstift KS und dem Becherboden BB in Verbindung stehen. Auf diese Weise ist eine darüber hinausgehende mechanische Fixierung der Einzelteile des Schutzelements nicht erforderlich. Möglich ist es aber, daß Einzelteile des Schutzelements formschlüssig im Becher B eingebracht sind und auf diese Weise mechanisch mit diesem fixiert sind. Dabei bietet sich an, den Überspannungsableiter als die vom Volumen her größte Komponente des Schutzelements formschlüssig in den Becher einzupassen. Ebenfalls formschlüssig kann das Zwischenstück sein, insbesondere da dieses vorzugsweise aus einem elastischen Material, wie beispielsweise Gummi oder Silikonkautschuk gefertigt ist. Eine weitere Fixierung kann über die elektrische Verbindung EV erfolgen, die in einem Ausführungsbeispiel als Spreizelement ausgebildet ist, welches zumindest zwei Arme aufweist, die sich gegen die innere Becherwand BW verspreizen können. Der Fuß F des Kontaktstifts KS ist wie dargestellt durch das Zwischenstück ZS durchgeführt. Möglich ist es jedoch auch, das elektrisch isolierende Zwischenstück mit geringerem Durchmesser zu gestalten, wobei der Fuß dann am Zwischenstück vorbei hin zum Überspannungsableiter UA geführt wird.In a preferred use of the protective element, this is held by a spring tension between two contacts which are in communication with the contact pin KS and the cup bottom BB. In this way, an additional mechanical fixation of the individual parts of the protective element is not required. But it is possible that individual parts of the protective element are positively inserted in the cup B and are fixed in this way mechanically with this. there It makes sense to fit the surge arrester as the volume-largest component of the protective element form fit into the cup. Likewise, the intermediate piece may be positive, in particular since this is preferably made of an elastic material, such as rubber or silicone rubber. Another fixation can take place via the electrical connection EV, which is formed in one embodiment as a spreading element, which has at least two arms that can be braced against the inner cup wall BW. The foot F of the contact pin KS is performed as shown by the intermediate piece ZS. However, it is also possible to design the electrically insulating intermediate piece with a smaller diameter, the foot then being guided past the intermediate piece to the surge arrester UA.
Auf der ersten Elektrode E1 sitzt der Varistor V auf und ist hier in einer Vertiefung der ersten Elektrode E1 angeordnet. Dadurch läßt sich die Höhe des gesamten Schutzelements reduzieren. Innerhalb der Vertiefung ist der Varistor auf einer mesa-artigen abgeflachten Erhebung angeordnet, so daß nur ein zentraler Bereich der unteren Elektrode des Varistors mit der ersten Elektrode E1 des Überspannungsableiters UA in Kontakt tritt. Damit wird sichergestellt, daß nur die Metallisierung des Varistors kontaktiert wird und unerwünschte Strompfade über die Mantelflächen des scheibenförmigen Varistors vermieden werden.The varistor V sits on the first electrode E1 and is arranged here in a depression of the first electrode E1. As a result, the height of the entire protection element can be reduced. Within the recess, the varistor is arranged on a mesa-like flattened elevation, so that only a central region of the lower electrode of the varistor contacts the first electrode E1 of the surge arrester UA. This ensures that only the metallization of the varistor is contacted and unwanted current paths are avoided over the lateral surfaces of the disc-shaped varistor.
Die obere Elektrode des Varistors V ist mit einem metallischen Spreizelement SE verbunden, von dem in der Figur einer der insbesondere in dreifacher Ausfertigung vorhandenen Arme im Schnitt dargestellt ist. Diese bestehen beispielsweise aus metallischen Streifen, die am Ende nach oben gebogen sind und insgesamt formschlüssig in dem Becher einpaßbar sind. Über dem Varistor V bzw. dem mit diesem verbundenen Spreizelement SE ist ein elektrisch isolierendes Zwischenstück angeordnet. Dieses weist im Bereich der Becherwand eine durchgehende oder sacklochartige Öffnung auf, durch die das abgebogene Ende des Spreizelements SE geführt ist und dort an der Becherwand BW anliegt. Auf dem Zwischenstück ZS sitzt der Kontaktstift auf, der zumindest einen Fuß F aufweist, der durch eine weitere Öffnung des Zwischenstücks nach unten geleitet ist und mit der ersten Elektrode E1 des Überspannungsableiters UA elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung kann als Anpreßkontakt ausgeführt sein.The upper electrode of the varistor V is connected to a metallic expansion element SE, of which in the figure one of the present in particular in triplicate arms is shown in section. These consist for example of metallic strips which are bent upwards at the end and can be fitted in a form-fitting manner in the cup as a whole. About the varistor V and the associated with this expansion element SE an electrically insulating intermediate piece is arranged. This has in the region of the cup wall on a continuous or blind hole-like opening, through which the bent end of the expansion element SE is guided and abuts there against the cup wall BW. On the intermediate piece ZS sits on the contact pin, which has at least one foot F, which is passed through a further opening of the intermediate piece down and electrically connected to the first electrode E1 of the surge arrester UA. The electrical connection can be designed as a contact.
Kontaktstift und Becher sowie die Füße und das Spreizelement SE sind insbesondere aus Messing ausgeführt. Die elektrische Verbindung zwischen Kontaktstift KS und dessen Fuß F ist vorzugsweise als Lötverbindung ausgeführt, ebenso die Verbindung zwischen der oberen Elektrode des Varistors und dem Spreizelement SE. Die elektrische Verbindung zwischen unterer Elektrode des Varistors und oberer Elektrode E1 des Überspannungsableiters ist ebenfalls elektrisch leitend, beispielsweise eine Lötverbindung oder auch als elektrisch leitende Klebeverbindung ausgeführt. Möglich ist es jedoch auch, diese elektrische Verbindung als Preßkontakt auszuführen.Contact pin and cup as well as the feet and the spreading element SE are made of brass in particular. The electrical connection between the contact pin KS and its foot F is preferably designed as a solder joint, as well as the connection between the upper electrode of the varistor and the expansion element SE. The electrical connection between the lower electrode of the varistor and the upper electrode E1 of the surge arrester is likewise electrically conductive, for example a soldered connection or else designed as an electrically conductive adhesive connection. However, it is also possible to carry out this electrical connection as a press contact.
Ein weiteres vorteilhaftes Detail des in
Das von der Grundform her scheibenförmig ausgebildete Zwischenstück weist im Randbereich Öffnungen auf, durch die von verschiedenen Seiten her die Füße F bzw. die Arme des Spreizelements SE durchgesteckt werden können.The plate shape of the basic shape formed intermediate piece has openings in the edge region through which the feet F and the arms of the expansion element SE can be pushed through from different sides.
Obwohl die Erfindung nur anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wurde, ist sie doch nicht auf dieses beschränkt. Da sie im wesentlichen Anordnung und Verschaltung von Varistor und Kontaktstift mittels elektrisch isolierendem Zwischenstück, Füßen und Spreizelement darstellt, ist die genaue Ausführung des Überspannungsableiters UA sowie des Varistors V für die Erfindung ohne Bedeutung. Wesentlich ist nur, daß der Varistor scheibenförmig ausgebildet ist, wobei obere und untere Hauptfläche metallisiert sind und so obere und untere Elektrode darstellen. Ein solcher Varistor hat eine geringe Kapazität und erlaubt den Einsatz des Schutzelements in hochfrequenten Systemen, insbesondere für hochfrequente Kommunikationssysteme wie beispielsweise ADSL, VDSL, etc. Die Erfindung zeichnet sich durch den geringen Raumbedarf, den einfachen Aufbau und den sicheren Zusammenhalt über die spezielle geometrische Ausgestaltung aus. Weitere mögliche Variationen der Erfindung ergeben sich aus der Auswahl unterschiedlicher Überspannungsableitertypen, unterschiedlicher Materialien für die einzelnen Komponenten sowie einer von der dargestellten räumlichen Ausgestaltung abweichenden geometrischen Ausführung.Although the invention has been explained by way of example only, it is not limited to this. Since it essentially represents the arrangement and interconnection of varistor and contact pin by means of electrically insulating intermediate piece, feet and spreading element, the exact design of the surge arrester UA and the varistor V for the invention without meaning. It is only important that the varistor is disc-shaped, wherein the upper and lower major surface are metallized and thus represent upper and lower electrode. Such a varistor has a low capacitance and allows the use of the protective element in high-frequency systems, in particular for high-frequency communication systems such as ADSL, VDSL, etc. The invention is characterized by the low space requirements, the simple structure and secure cohesion on the specific geometric design out. Further possible variations of the invention result from the selection of different types of surge arresters, different materials for the individual components as well as a deviating from the illustrated spatial configuration geometric design.
- BB
- Bechercups
- VV
- Varistorvaristor
- UAUA
- ÜberspannungsableiterSurge arresters
- KSKS
- Kontaktstiftpin
- E1,E2E1, E2
- erste und zweite Elektrode des Überspannungsablei- tersfirst and second electrode of the surge arrester
- BBBB
- Boden des BechersBottom of the mug
- BWBW
- Becherwandcup wall
- ZSZS
- elektrisch isolierendes Zwischenstückelectrically insulating intermediate piece
- EVEV
- elektrische Verbindung der oberen Elektrode des Va- ristors mit dem Becherelectrical connection of the upper electrode of the varistor with the cup
- SESE
- Spreizelementspreader
- FF
- Füße des KontaktstiftsFeet of the contact pin
- AA
- Symmetrieachseaxis of symmetry
- LV,LV'LV, LV '
- Lötverbindungsolder
- KHKH
- Keramische HülseCeramic sleeve
- STST
- Stufenartige Erweiterung der BecherwandStep-like extension of the cup wall
Claims (13)
- Protection element for arresting overvoltages having an electrically conductive cup (B), in which a varistor (V) and a surge arrester (UA) are arranged one above the other and are connected electrically in parallel between the cup and a contact pin (KS),
in which the lower electrode of the varistor is seated directly on a first electrode (E1) of the surge arrester,
in which the contact pin makes contact with the first electrode of the surge arrester,
in which the second electrode (E2) of the surge arrester is seated on the bottom (BB) of the cup, having an electrical connection (EV) of the upper electrode of the varistor to the cup, characterized in that
an electrically insulating intermediate piece (ZS) is arranged between the varistor and the contact pin,
the varistor is in the form of a disc and has a smaller diameter than the surge arrester, and
the contact pin is arranged at least partially in the space between the cup and the varistor. - Element according to Claim 1,
in which the upper electrode of the varistor (V) is connected to a spreading element (SE), which has at least two arms which are spread in the cup (B) and are used as the electrical connection to the cup. - Element according to Claim 1 or 2,
in which the contact pin (KS) has at least two feet (F) which pass by the varistor (V) at the side. - Element according to Claim 2 or 3,
in which the intermediate piece (ZS) is matched to the internal diameter of the cup (B) and has openings, which are separated from one another, for the feet (F) of the contact pin (KS) or for the feet of the contact pin and the arms of the spreading element (SE). - Element according to one of Claims 1 to 4,
in which the intermediate piece (ZS) has a depression in the centre, in which depression the contact pin (KS) is partially recessed. - Element according to one of Claims 1 to 4,
in which the intermediate piece (ZS) has a depression in the centre,
in which depression the varistor (V) is partially recessed. - Element according to one of Claims 1 to 6,
in which the varistor (V), the surge arrester (UA) and the cup (B) are rotationally symmetrical, and in which the contact pin (KS), the intermediate piece (ZS), the varistor (V) and the surge arrester (UA) are arranged coaxially and concentrically with respect to the centre axis (A) of the cup. - Element according to one of the preceding claims, in which the cross section of the cup (B) has a step-like widened area (ST) in the area of the surge arrester (UA), such that the cup is separated from the surge arrester in the area of the first electrode (E1) of the surge arrester.
- Element according to one of the preceding claims, in which the cup (B) and the contact pin (KS) are formed from brass.
- Element according to one of the preceding claims, in which the intermediate piece (ZS) is formed from rubber or silicone.
- Element according to one of the preceding claims, in which the operating voltage of the varistor (V) is chosen such that it is above the operating voltage of the surge arrester (UA).
- Use of the element, according to one of the preceding claims, for protection of telecommunications facilities.
- Use of the element, according to one of the preceding claims, for protection of assemblies in radio-frequency telecommunications systems.
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