EP1566868B1

EP1566868B1 - Überspannungsschutzelement und Zündelement für ein Überspannungsschutzelement

Info

Publication number: EP1566868B1
Application number: EP05003261A
Authority: EP
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Durth
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: US7817395B2; US20050185356A1; CN1674375A; EP1566868A2; CN1674375B; EP1566868A3; DE502005008658D1; ES2337695T3; DE102004009072A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zum Ableiten von transienten Überspannungen, mit mindestens zwei Elektroden, mit mindestens einem zwischen den Elektroden angeordneten Zündelement aus isolierendem Material und mit einer zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Daneben betrifft die Erfindung noch ein Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement, wobei das Zündelement so angeordnet und ausgebildet ist, daß zwischen den beiden Elektroden ein Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) vorgesehen ist.
Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet werden; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet. Überspannungen können in erheblichem Umfang elektrische und elektronische Geräte und Anlagen zerstören. Die Schäden begrenzen sich dabei nicht nur auf industrielle und gewerblichen Anlagen. Auch die Gebäudetechnik, bishin zu den Geräten des täglichen Gebrauchs im privaten Haushalt, wie Küchengeräte, Telefonanlage, Fernsehgeräte und Hifi-Anlagen sowie Computer sind betroffen. Ohne wirkungsvolle Schutzmaßnahmen gegen Überspannungen sind mit hohe Kosten für Reparatur oder Neuanschaffung der betroffenen Anlagen und Geräte zu rechnen.
Elektrische Stromkreise arbeiten mit der für sie spezifizierten Spannung, der Nennspannung, normalerweise störungsfrei. Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzelement bzw. Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsschutzelementen der hier in Rede stehenden Art ist mindestens eine Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung, der Ansprechspannung, anspricht und damit verhindert, daß in dem durch eine Überspannungsschutzeinrichtung geschützten Stromkreis Überspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind.
Die GB 545 677 A offenbart ein Überspannungsschutzelement mit zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden angeordneten sehr dünnen Schicht aus dielektrischem Material, die als Beschichtung auf einer Elektrode aufgebracht ist. Beim Auftreten einer Überspannung kommt es dabei zu Vielzahl von Entladungen zwischen den beiden Elektroden durch die Poren der Schicht, so daß eine große Stoßstromtragfähigkeit gegeben ist.
Aus der DE 23 37 743 A1 ist eine Funkenstrecke mit zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden angeordneten, die Elektroden auf Abstand haltenden Isolationsschicht bekannt, bei der sich die Überschlagstelle zwischen einer Außenseite der einen Elektrode und einer Außenseite der anderen Elektrode befindet, so daß die Überschlagstelle nicht mehr in einer geschlossenen Kammer vorgesehen ist. Dadurch kann die beim Überschlag entstehende Energie rascher abgeführt werden.
Eingangs ist ausgeführt worden, daß das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement zwei Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. Mit Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ist ganz allgemein eine Durchschlag-Funkenstrecke gemeint; umfaßt sein soll damit also auch eine Durchschlag-Funkenstrecke, bei der nicht Luft, sondern ein anderes Gas zwischen den Elektroden vorhanden ist. Neben Überspannungsschutzelementen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt.
Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber Überspannungsschutzelementen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren - und auch nicht sonderlich konstanten - Ansprechspannung. Deshalb sind bereits verschiedene Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorgeschlagen worden, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind. Dabei sind im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke in verschiedener Weise Zündhilfen realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke hineinragt, stegartig ausgeführt ist und aus Kunststoff besteht (vgl. z. B. DE 41 41 681 A1 , DE 42 44 051 A1 oder DE 44 02 615 A1 ).
Die bei den bekannten Überspannungsschutzelementen vorgesehenen, zuvor angesprochenen Zündhilfen können gleichsam als "passive Zündhilfen" bezeichnet werden, "passive Zündhilfen" deshalb, weil sie nicht selbst "aktiv" ansprechen, sondern nur durch eine Überspannung ansprechen, die an den Hauptelektroden auftritt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 198 03 636 ist ein Überspannungsschutzelement bzw. eine Überspannungsschutzeinrichtung mit zwei Elektroden, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe bekannt. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung ist die Zündhilfe als "aktive Zündhilfe" ausgebildet, nämlich dadurch, daß neben den beiden Elektroden - dort als Hauptelektroden bezeichnet - noch zwei Zündelektroden vorgesehen sind. Diese beiden Zündelektroden bilden eine zweite, als Zündfunkenstrecke dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung gehört zu der Zündhilfe außer der Zündfunkenstrecke noch ein Zündkreis mit einem Zündschaltelement. Bei Anliegen einer Überspannung an der bekannten Überspannungsschutzeinrichtung sorgt der Zündkreis mit dem Zündschaltelement für ein Ansprechen der Zündfunkenstrecke. Die Zündfunkenstrecke bzw. die beiden Zündelektroden sind in bezug auf die beiden Hauptelektroden derart angeordnet, daß dadurch, daß die Zündfunkenstrecke angesprochen hat, die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden anspricht. Das Ansprechen der Zündfunkenstrekke führt zu einer Ionisierung der in der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorhandenen Luft, so daß - schlagartig - nach Ansprechen der Zündfunkenstrecke dann auch die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden anspricht.
Bei den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzelementen mit Zündhilfen führen die Zündhilfen zu einer verbesserten, nämlich niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung. Nachteilig bei einer aktiven Zündhilfe ist jedoch, daß ein zusätzlichere Zündkreis mit einem Zündschaltelement erforderlich, um ein Ansprechen der Zündfunkenstrecke zu realisieren. Dabei besteht die Gefahr, daß die Zündfunkenstrec-ke bzw. der Zündkreis mit dem Zündschaltelement durch den Blitzstrom oder den zumeist auftretenden Netzfolgestrom zerstört werden.
Insbesondere, ist ein Überspannungschutzelement, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 aus DE-A-4.244.051 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Überspannungssehutzelement der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, bei dem auf besonders einfache und effektive Art und Weise eine relativ niedrige und möglichst konstante Ansprechspannung gewährleistet werden kann. Das dazu verwendete Zündelement soll dabei möglichst einfach und damit kostengünstig hergestellt werden können.
Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß beim Anliegen einer Spannung an dem Zündelement eine Entladung an der Oberfläche des Zündelements zu einer leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden führt, wobei die leitfähige Verbindung eine geringe Stromtragfähigkeit aufweist, so daß es bei einer Belastung dieser leitfähigen Verbindung mit einem Ableitstrom aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit der leitenden Verbindung zu einem "Aufbrennen" der leitenden Verbindung kommt.
Damit ist ein völlig neues Überspannungsschutzelement mit einem Zündelement bzw. ein völlig neues Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement realisiert, wie sich aus der folgenden Funktionsbeschreibung ergibt:
Das Zündelement ist so gewählt bzw. dimensioniert, daß beim Anliegen einer Spannung, die größer als die Ansprechspannung des Überspannungsschutzelements ist, eine Gleitentladung an der Oberfläche des Zündelements auftritt, die zu einer leitfähigen Verbindung zwischen den beiden - an dem Zündelement angrenzenden - Elektroden führt. Bei einer Belastung dieser leitfähigen Verbindung mit einem Ableitstrom kommt es dann aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit der leitenden Verbindung zu einem "Aufbrennen" der leitenden Verbindung. Durch dieses "Aufbrennen" wird der Zündbereich ionisiert, so daß es - schlagartig - zu einem Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden kommt.
Durch die gewollt auftretende leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden der Luft-Durschlag-Funkenstrecke unterscheidet sich das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement wesentlich von den bekannten Überspannungsschutzelementen. Aus dem Stand der Technik (vgl. 198 56 939 A1 ) ist es zwar bekannt, zwischen den beiden Elektroden ein Element aus isolierendem Material anzuordnen, dieses Element besteht jedoch entsprechend seiner Funktion als Dienstanzhalter aus einem Isolierstoff, der auch bei einem anstehenden Lichtbogen die gewollte Isolation zwischen den beiden Elektroden dauerhaft gewährleistet.
Aus der DE 42 44 051 A1 ist zwar ebenfalls ein Überspannungsschutzelement bekannt, bei dem zwischen den beiden Elektroden ein Zündelement aus isolierendem Material angeordnet ist, bei diesem bekannten Überspannungsschutzelement erfolgt die Zündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke jedoch nur dadurch, daß an dem Zündelement eine Gleitentladung auftritt. Bei dem bekannten Überspannungsschutzelement wird durch die Anordnung des Zündelements zwischen den beiden Elektroden somit eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke realisiert; eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden über das Zündelement ist dagegen nicht vorgesehen.
Die zuvor beschriebene Anordnung und Ausbildung des Zündelements kann vorzugsweise dadurch erfolgen, daß der Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) durch eine Aussparung im Zündelement realisiert ist. Bei dieser Aussparung kann es sich beispielsweise einfach um ein in dem Zündelement eingebrachtes Loch handeln, wobei dann der Zündbereich vollständig von dem Zündelement umgeben ist. Daneben ist es jedoch auch möglich den Zündbereich randseitig in dem Zündelement auszubilden.
Als Material für das Zündelement kann vorzugsweise ein Kunststoff mit einem relativ niedrigen CTI-Wert (Comperative Trecking Index) verwendet werden. Durch die Verwendung eines Kunststoffes mit einem niedrigen CTI-Wert - und damit mit einer niedrigen Kriechstromfestigkeit - wird die gewollte Ausbildung der leitfähigen Verbindung an der Oberfläche des Zündelements gefördert. Im Unterschied dazu werden bei bekannten Überspannungsschutzelementen für die zwischen den Elektroden angeordneten Distanzhalter Kunststoffe, beispielsweise POM, mit einem möglichst hohen CTI-Wert verwendet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Zündelement so angeordnet und ausgebildet, daß beim Anstehen eines Lichtbogens zwischen den Elektroden eine Verkohlung der Oberfläche des Zündelements auftritt. Dadurch wird erreicht, daß bei einem erneuten Auftreten einer Überspannung die Anfangsbedingungen einer leitfähigen, gering stromtragfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden an der Oberfläche des Zündelements erneut vorliegen, so daß es wieder zu einer Initialzündung der Luft-Durschlag-Funkenstrecke und zu einem "Aufbrennen" der leitenden Verbindung und somit zu einer Ionisierung des Zündbereichs kommt. Dadurch wird ein Überspannungsschutzelement zur Verfügung gestellt, welches auch bei mehreren, zeitlich nacheinander auftretenden Überspannungen ein konstantes Ansprechverhalten mit einer niedrigen Ansprechspannung aufweist.
Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements beim ersten Anliegen einer Überspannung ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung auf der Oberfläche des Zündelements eine leitfähige, gering stromtragfähige Beschichtung aufgebracht. Dadurch wird eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden gewährleistet, die unabhängig von der durch die Entladung an der Oberfläche des Zündelements auftretenden Verkohlung ist. Die Beschichtung kann dabei beispielsweise durch eine chemische, thermische oder elektrothermische Verkohlung der Oberfläche des Zündelements bei der Herstellung des Überspannungsschutzelements realisiert werden.
Da bei dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden realisiert ist bzw. beim Anlegen einer Überspannung durch Entladung an der Oberfläche des Zündelements realisiert wird, ist dem Überspannungsschutzelement vorteilhafterweise ein Spannungsschaltelement in Reihe geschaltet. Ein Spannungsschaltelement kann dabei insbesondere ein gasgefüllter Überspannungsableiter, ein Varistor oder eine Suppressordiode vorgesehen sein. Durch das zusätzlich in Reihe geschaltete Spannungsschaltelement wird dabei verhindert, daß über das Überspannungsschutzelement im Normalfall, d. h. wenn keine Überspannung anliegt, ein Strom fließt. Bei einer derartigen Überspannungsschutzeinrichtung, die dann aus dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement und dem zusätzlichen Spannungsschaltelement besteht, ist das Spannungsschaltelement so gewählt bzw. dimensioniert, daß es bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird, also "schaltet". Dadurch liegt dann an dem Überspannungsschutzelement bzw. an den beiden Elektroden die Überspannung an, was dann zu dem zuvor im einzelnen beschriebenen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke durch die von dem Zündelement ausgelöste Initialzündung führt.
Das eingangs beschriebene Zündelement, das zur Verwendung bei dem zuvor beschriebenen Überspannungsschutzelement vorgesehen ist, ist dadurch besonders einfach und kostengünstig herstellbar, daß das Zündelement aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Schichten und mindestens einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht besteht, wobei die isolierende Schicht durch Verkleben bzw. Verpressen mit den elektrischen leitfähigen Schichten verbunden ist und einen Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) aufweist. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Zündelements kann dabei entsprechend den bekannten Herstellungsprozessen für mehrschichtige Leiterplatten (Multilayer-Leiterplatten) erfolgen, wobei größtenteils auch die daraus bekannten Materialien, d. h. Kupferfolien für die elektrisch leitfähigen Schichten und Polyimidfolien bzw. FR4-Folien für die isolierende Schicht verwendet werden können.
Die Verwendung von elektrisch leitfähigen Schichten bzw. Folien, insbesondere von Kupferfolien und von isolierenden Folien, beispielsweise Polyimidfolien, ermöglicht es sehr geringe Abstände zwischen den leitfähigen Schichten bei sehr engen Maßtoleranzen herzustellen. Die elektrisch leitfähigen Schichten sind dabei durch die isolierende Schicht so weit voneinander zu beabstanden bzw. zu isolieren, daß die elektrische Isolation deutlich über der im ungünstigsten Fall zu erwartenden Ansprechspannung des Überspannungsschutzelements liegt. In der Praxis können dabei sowohl für die elektrisch leitfähigen Schichten als auch für die isolierende Schicht Kupferfolien bzw. Polyimidfolien oder FR4-Folien mit standardmäßig zur Verfügung stehenden Dicken von 35 µm, 50 µm, 70 µm oder 100µm verwendet werden. Selbstverständlich können jedoch anstelle von Kupferfolien auch andere metallische Folien oder elektrisch leitfähige Kunststofffolien verwendet werden.
Der Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) in der isolierenden Schicht, in dem sowohl die Initialzündung als auch die eigentliche Zündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke stattfindet, kann einfach durch eine Aussparung bzw. ein Loch in der isolierenden Schicht und gegebenenfalls zusätzlich in einer oder beiden elektrisch leitfähigen Schichten realisiert sein. Dabei kann ein Loch, welches sowohl in der isolierenden Schicht als auch in den beiden leitfähigen Schichten ausgebildet ist, beispielsweise einfach durch eine entsprechende Bohrung nach dem Laminieren der einzelnen Schichten erzeugt werden.
Bei einer entsprechenden Dimensionierung der elektrisch leitfähigen Schichten können diese direkt die Funktion der Elektroden eines Überspannungsschutzelements übernehmen, so daß dann ein derartiges Zündelement selber als Überspannungsschutzelement fungieren kann. In der Regel werden die leitfähigen Schichten des Zündelements jedoch so ausgeführt, daß durch sie die Elektroden des Überspannungsschutzelements direkt kontaktiert werden können.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, daß erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement bzw. das erfindungsgemäße Zündelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 8 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
Fig. 2: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündelements,
Fig. 3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündelements,
Fig. 4: ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements, ähnlich der Ausführung gemäß Fig. 1,
Fig. 5: ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements mit einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen und isolierenden Schichten,
Fig. 6: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündelements mit einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen und isolierenden Schichten,
Fig. 7: ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements für ein mehrphasiges Überspannungsschutzsystem und
Fig. 8: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündelements für ein mehrphasiges Überspannungsschutzelement.

In der Fig, 1 ist ein erfindungsgemäßes Überspannungsschutzelement nur hinsichtlich seines prinzipiellen Aufbaus dargestellt. Zu dem dargestellten Überspannungsschutzelement gehören eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2, ein zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 angeordnetes Zündelement 3 und eine zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4. Beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 entsteht zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein - nicht dargestellter - Lichtbogen über den der abzuleitende Blitzstrom fließt.
Das Zündelement 3 ist nun so angeordnet, daß zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) ausgebildet ist, in dem beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 der Lichtbogen entsteht. Erfindungsgemäß ist das Zündelement 3 so ausgebildet, daß bei Anliegen einer Spannung an dem Zündelement 3 eine Entladung an der Oberfläche 5 des Zündelements 3 zu einer leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 führt, wobei die leitfähige Verbindung nur eine geringe Stromtragfähigkeit aufweist. Beginnt nun über diese leitfähige Verbindung ein Ableitstrom zu fließen, so kommt es aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit der leitfähigen Verbindung zu einem Aufbrennen der leitfähigen Verbindung und damit zu einer Ionisierung des Zündbereichs, was zu einem schlagartigen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 führt.
Der beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 entstehende Lichtbogen sorgt bei einer geeigneten Dimensionierung des Zündelements 3 dafür, daß es zu einer "Verkohlung" an der Oberfläche 5 des Zündelements 3 kommt. Dadurch wird erreicht, daß bei einem erneuten Auftreten einer Überspannung wieder eine leitfähige, gering stromtragfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorliegt, die bei einer Belastung mit einem Ableitstrom wiederum zu einem Aufbrennen und damit zu einer Initialzündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 und damit zu einem Zünden des Überspannungsschutzelemets führt.
Da bei einem derartigen Überspannungsschutzelement auch beim Anliegen der Normalspannung - gewollt - eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorliegt, ist gemäß Fig. 1 dem eigentlichen Überspannungsschutzelement ein zusätzliches Spannungsschaltelement 6 beispielsweise ein Varistor und/oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter in Reihe geschaltet. Bei einer derartigen Überspannungsschutzeinrichtung, die aus dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement und dem zusätzlichen Spannungsschaltelement 6 besteht, ist das Spannungsschaltelement 6 so dimensioniert, daß es bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird. Tritt an der Überspannungsschutzeinrichtung eine Überspannung auf, so führt dies zu einem Schalten des Spannungsschaltelements 6, so daß dann die Überspannung an den beiden Elektroden 1 und 2 anliegt, was zu dem zuvor beschriebenen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 durch die durch die Stromzündung ausgelöste Initialzündung des Zündelements 3 führt. Auf der anderen Seite verhindert das Spannungsschaltelement 6, daß im Normalfall, d. h. wenn keine Überspannung anliegt, ein - dann unerwünschter - Strom über das Überspannungsschutzelement fließt.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Zündelements 3 anhand der Fig. 2 bis 8 erläutert.
Das in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Zündelement 3 besteht aus zwei leitfähigen Schichten 7, 8 und einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht 9, wobei der Bereich geschwächter Isolation durch eine Aussparung 10 in der isolierenden Schicht 9 realisiert ist. Die Aussparung, die beispielsweise gemäß den Fig. 1 und 3 als mittiges Loch ausgebildet sein kann, kann einfach durch Bohren oder Fräsen hergestellt werden. Dabei kann - wie dies ein Vergleich der Fig. 2 und 4 zeigt - die Aussparung 10 entweder nur in einer leitfähigen Schicht 7 oder in beiden leitfähigen Schichten 7, 8 ausgebildet sein.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Zündelements 3 ist nun dadurch besonders einfach, daß die von der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten (Multilayer-Leiterplatten) bekannten Herstellungsprozesse angewendet werden können. So können die leitfähigen Schichten 7, 8, bei den es sich beispielsweise um standardisierte Kupferfolien handeln kann, mit der isolierenden Schicht 9 durch Laminieren verbunden werden. Auch für die isolierende Schicht 9 eignen sich dabei die aus der Herstellung von Multilayer-Leiterplatten bekannten Materialien, wie Polyimidfolien oder FR-4-Folien, mit ihren standardmäßig zur Verfügung stehenden Dicken von 35 bis 100 µm. Dadurch kann der Abstand zwischen den direkt mit den Elektroden 1 und 2 verbindbaren leitfähigen Schichten 7, 8 sehr gering aber dennoch sehr genau eingestellt werden, wodurch sehr geringe Ansprechspannungen realisierbar sind.
Bei einer - in den Ausführungsbeispielen dargestellten - kreisförmigen Ausbildung des Zündelements 3 weist die isolierende Schicht 9 einen geringfügig größeren Außendurchmesser als die leitfähigen Schichten 7, 8 auf, so daß am Randbereich 11 des Zündelements 3 durch eine verlängerte Kriechstrecke eine erhöhte Isolation gegeben ist, wodurch ein Zünden in diesem Bereich verhindert wird.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements 3, das mehrere leitfähige Schichten 7, 8 und mehrere isolierende Schichten 9 aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei die drei leitfähige Schichten 7, 7' und 7" und die drei leitfähige Schichten 8, 8' und 8" jeweils elektrisch miteinander verbunden, so daß zwar insgesamt sechs leitfähige Schichten 7, 7', 7" und 8, 8', 8" vorhanden sind, diese jedoch nur zwei verschiedene Potentiale aufweisen, wobei die beiden Potentiale jeweils abwechselnd zueinander angeordnet und jeweils durch eine isolierende Schicht 9 getrennt sind. Natürlich können anstelle der gezeigten sechs leitfähige Schichten auch noch mehr leitfähige Schichten abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Potentialen angeordnet sein.
Durch eine derartige Vervielfachung des prinzipiell in Fig. 2 gezeigten Aufbaus des Zündelements 3 können herstellungsbedingte Schwankungen bezüglich der Eigenschaften der isolierenden Schichten 9 und dadurch bedingte Schwankungen hinsichtlich der Ansprechspannung des Zündelements 3 ausgeglichen werden. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des Zündelements 3 wird die Initialzündung stets von dem Teilzündelement 3' ausgelöst, daß die geringste Ansprechspannung aufweist, d. h. bei ansonsten gleichen Eigenschaften bei dem Teilzündelement 3' mit der dünnsten isolierenden Schicht 9.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 weist das Zündelements 3 mehrere leitfähige Schichten 7, 7', 8, 8' und mehrere isolierende Schichten 9 auf, wobei die leitfähigen Schichten 7, 7' und 8, 8' elektrisch miteinander verbunden sind, so daß auch hier lediglich zwei unterschiedliche Potentiale vorliegen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sind hier jedoch die beiden unterschiedlichen Potentiale nicht mehrfach abwechselnd angeordnet. Der Vorteil dieser Ausführungsform im Vergleich zu der Ausführung gemäß Fig. 2 besteht darin, daß nach dem Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 der Lichtbogen direkt auf die außenliegenden leitfähigen Schichten 7, 8 überspringt, so daß ein größerer Lichtbogen ansteht.
Die Fig. 7 und 8 zeigen schließlich zwei Ausführungsbeispiele eines Zündelements 3 mit drei horizontal übereinander (Fig. 7) bzw. vier horizontal nebeneinander angeordneten Potentialen (Fig. 8). Derartige Zündelemente 3 eignen sich somit zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement, das in einem Drei-Phasen-Netz eingesetzt wird. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist dabei bei dem Zündelement 3 gemäß Fig. 7 eine dritte leitfähige Schicht 13 vorgesehen, die von der zweiten leitfähigen Schicht 8 durch eine zweite isolierende Schicht 14 getrennt ist, so daß die drei leitfähigen Schichten 7, 8, 13 drei unterschiedliche Potentiale aufweisen.
Bei dem Zündelement 3, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, sind neben einer kreisförmigen leitfähigen Schicht 7 und einer ebenfalls kreisförmigen isolierenden Schicht 9 weitere leitfähige Schichten 8, 13, 15 und 16 vorgesehen, die jeweils elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Die leitfähigen Schichten 8, 13, 15 und 16 sind dabei jeweils kreissegmentartig ausgebildet und nebeneinander angeordnet, wobei die kreisförmigen leitfähige Schicht 7 allen gegenüberliegend angeordnet ist. Bei einer anstehenden Überspannung zwischen der ersten leitfähigen Schicht 7 und einem der anderen leitfähigen Schichten 8, 13, 15 oder 16 kommt es dann zunächst zu einer Initialzündung der jeweiligen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4, wobei aufgrund der Anordnung der einzelnen leitfähigen Schichten 8, 13, 15 und 16 zueinander bzw. zur leitfähigen Schicht 7 eine Zündung aller Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 erfolgt. Bei einer entsprechenden Schaltung des Überspannungsschutzelements ist dadurch der gewünschte Schutzpegel nicht nur zwischen den aktiven Phasenleitern (L1, L2, L3) und dem Neutralleiter (N) bzw. zwischen dem Neutralleiter (N) und der Erde (PE) sondern zwischen allen Leitungszweigen sichergestellt.

Claims

Überspannungsschutzelement zum Ableiten von transienten Überspannungen, mit mindestens zwei Elektroden (1, 2), mit mindestens einem zwischen den Elektroden (1, 2) angeordneten Zündelement (3) aus isolierendem Material und mit einer zwischen den Elektroden (1, 2) wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4), wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4) zwischen den beiden Elektroden (1, 2) ein Lichtbogen entsteht, und
wobei das Zündelement (3) so angeordnet und ausgebildet ist, daß zwichen den beiden Elektroden (1, 2) ein Bereich geschwächter Isolation d.h. Zündbereich vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Anliegen einer Spannung an dem Zündelement (3) eine Entladung an der Oberfläche (5) des Zündelements (3) zu einer leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden (1, 2) führt, wobei die leitfähigen Verbindung eine geringe Stromtragfähigkeit aufweist
so daß es bei einer Belastung dieser leitfähigen Verbindung mit einem Ableitstrom aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit der leitenden Verbindung zu einem "auftrennen der leitenden Verbindung kommt.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich geschwächter Isolation durch eine Aussparung (10) im Zündelement (3) realisiert ist.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (3) aus Kunststoff oder einem anderen isolierenden Material mit einem relativ niedrigen CTI-Wert besteht.
Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Verbindung nur an der Oberfläche (5) des Zündelements (3) entsteht.
Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (3) so angeordnet und ausgebildet ist, daß beim Anstehen eines Lichtbogens zwischen den Elektroden (1, 2) eine "Verkohlung" der Oberfläche (5) des Zündelements (3) auftritt.
Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche (5) des Zündelements (3) eine leitfähige, gering stromtragfähige Beschichtung aufgebracht ist.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch chemische, thermische oder elektrothermische Verkohlung realisiert ist.
Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zündelement (3) aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) und mindestens einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht (9) besteht, wobei die isolierende Schicht (9) durch Verkleben bzw. Verpressen mit den elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) verbunden ist und einen Bereich geschwächter Isolation (5) d.h. Zündbereich aufweist.
Zündelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich geschwächter Isolation durch eine Aussparung (10) bzw. ein Loch in der isolierenden Schicht (9) und ggf. zusätzlich in der elektrisch leitfähigen Schicht (7) bzw. in den elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8), insbesondere durch Bohren oder Fräsen, realisiert ist.
Zündelement nach Anspruch 8 oder 9, mit mindestens drei elektrisch leitfähigen Schichten (7, 7', 8, 8') und mindestens zwei isolierenden Schichten (9), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei elektrisch leitfähige Schichten (7, 7', 8, 8') elektrisch miteinander verbunden sind.
Zündelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitfähige Schichten (7, 8) Kupferfolien und als isolierende Schicht (9) eine Polyimidfolie oder eine FR4-Folien verwendet werden.
Zündelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der isolierenden Schicht (9) leitfähige Komponenten, beispielsweise Fasern oder Metallteilchen, isoliert eingebracht sind
Zündelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) und/oder die isolierende Schicht (9) eine Dicke von weniger als 0,2 mm, vorzugsweise von 35 µm bis 70 µm aufweisen.