EP3472903B1 - Elektronische folgestromlöschhilfe - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft eine elektronische Folgestromlöschhilfe.
- Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Überspannungsschutzgeräte bekannt. Je nach Einsatzbereich kommen dabei unterschiedliche Überspannungsschutzeinrichtungen zu Verwendung.
- Beispielsweise werden auch Funkenstrecken als Überspannungsschutzeinrichtung verwendet. Allerdings besteht bei Funkenstrecken (aber auch bei anderen Überspannungsschutzeinrichtungen) das Problem, das Folgeströme nicht ohne weiteres gelöscht werden können.
- Daher wurden in der Vergangenheit Löschhilfen vorgeschlagen.
- Beispielsweise ist aus der
DE 20 2007 018 507 U1 eine Vorrichtung bekannt, bei der das Ansprechend der Funkenstrecke detektiert wird. Zur Löschung wird ein parallel geschalteter Halbleiter (Transistor) für eine feste Zeit eingeschaltet, wodurch der fließende Strom in diesen Halbleiter kommutiert und die Funkenstrecke verlöscht. Nach Ausschalten des Halbleiters ist wieder ein stabiler isolierender Zustand erreicht. - Allerdings erweist sich die dort vorgestellte Vorrichtung als nachteilig, da der durch den Halbleiter initiierte Kurzschluss immer gleich lang ist und zwar unabhängig davon, ob die Funkenstrecke bereits gelöscht ist oder nicht. Dieser erzwungene Kurzschluss führt jedoch zu einer starken Rückwirkungen auf das zu schützende System, auch wenn der Folgestrom klein ist und die Funkenstrecke viel schneller gelöscht werden könnte. Zudem wird der Transistor unnötig belastet, sodass dieser relativ schnell altert und die Lebensdauer der Vorrichtung beschränkt ist.
- Aus der
EP 2 537 164 A0 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der parallel zu einer Gasdischarge tube (GDT) ein temperaturveränderlicher Widerstand mit positiven Koeffizient (PTC) geschaltet ist. Durch die Eigenerwärmung des GDTs während des Netzfolgestroms wird der PTC aufgeheizt und dadurch leitfähig. Der Strom kommutiert sodann auf den PTC und der Netzfolgestrom durch den GDT kann verlöschen. - Allerdings erweist sich die thermische Kopplung als nachteilig, da sie sehr träge ist. Daher muss der GDT den Folgestrom relativ lange führen, bevor der PTC ausreichend leitfähig ist. Danach ist der PTC noch längere Zeit leitfähig, bis die Abkühlung erfolgt ist. D.h. beide Elemente unterliegen einer schnellen Alterung.
- Ausgehend von diesen Erfahrungen ist es eine Aufgabe der Erfindung eine neue und kostengünstige Alternative zur Verfügung zu stellen, die einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik vermeiden.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
- Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
- Es zeigen
- Fig. 1
- eine erste schematische Schaltplandarstellung einer Ausführungsformen gemäß der Erfindung,
- Fig. 2
- eine erste schematische Schaltplandarstellung einer weiteren Ausführungsformen gemäß der Erfindung,
- Fig. 3
- eine generalisierte Darstellung des Wirkprinzips gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
- Fig. 4
- eine generalisierte Darstellung eines weiteren Aspekts gemäß Ausführungsformen der Erfindung und
- Fig. 5
- einen weiteren Aspekt der Erfindung.
- Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
- Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter "ein", "eine" und "eines" nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
- In allgemeiner Form weist eine erfindungsgemäße elektronische Folgestromlöschhilfe 1 für ein zu überwachendes Überspannungsschutzelement ÜSE verschiedene Elemente auf.
- Nachfolgend seien zunächst einige Kernelemente beschrieben.
- Zunächst sei klargestellt, dass die Löschhilfe nicht nur für einen gasgefüllten Überspannungsableiter sondern auch für andere Überspannungsschutzelemente ÜSE geeignet ist, die beim Erfüllen ihrer Aufgabe eine Leuchterscheinung generieren. So kann z.B. die Erfindung auch mit einer Funkenstrecke betrieben werden.
- Die erfindungsgemäße Folgestromlöschhilfe 1 weist zumindest ein Überwachungselement O auf, welches das Einsetzen und Aussetzen des Stromflusses durch das Überspannungsschutzelement ÜSE optisch erkennt.
- Weiterhin weist die erfindungsgemäße Folgestromlöschhilfe 1 ein elektronisches Schaltelement S auf, welches parallel zum Überspannungsschutzelement ÜSE geschaltet ist. Das elektronische Schaltelement S wird dabei durch das Überwachungselement O gesteuert, wobei bei einem erkannten Einsetzen eines Netzfolgestromes durch das Überspannungsschutzelement ÜSE das elektronische Schaltelement S schließt, sodass ein Strom parallel abgeleitet wird, wobei wenn der Lichtbogen im Überspannungsschutzelement ÜSE verlöscht das elektronische Schaltelement S öffnet, sodass kein Strom mehr über das elektronische Schaltelement S fließt.
- Mit der vorgestellten Erfindung ist es möglich eine schnelle Abschaltung bereitzustellen, die nach dem Löschen des Folgestromes durch das Überspannungsschutzelement zeitnah den löschenden "Kurzschluss" über das elektronische Schaltelement S wieder öffnet, sodass zum einen die Bauelemente lange haltbar sind und nicht vorzeitig altern als auch die Störung der nachfolgenden Gerätschaften möglichst gering ist.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung, ist die elektronische Folgestromlöschhilfe 1 Platinenbestückbar. D.h. sie kann ohne weiteres in einem normalen Herstellungsprozess integriert werden und erlaubt die kostengünstige Integration.
- In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin eine Fernmeldeeinrichtung vorgesehen, die das Einsetzen und Aussetzen der Überspannungsschutzfunktion signalisiert. Somit kann das Schaltverhalten / Ansprechen der Überspannungsschutzeirichtung ÜSE aus der Ferne erkannt werden und z.B. in Abhängigkeit der Häufigkeit pro Zeit oder der Anzahl der Ereignisse eine Überprüfung veranlasst werden. Hierdurch wird die Betriebssicherheit erhöht.
- Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung ist weiterhin eine Fernmeldeeinrichtung vorgesehen, die das Schalten des elektronischen Schaltelements S signalisiert. D.h. auch die Funktion der elektronische Folgestromlöschhilfe 1 kann somit überwacht und sichergestellt werden. Somit kann das Schaltverhalten / Ansprechen des elektronischen Schaltelements S aus der Ferne erkannt werden und z.B. in Abhängigkeit der Häufigkeit pro Zeit oder der Anzahl der Ereignisse eine Überprüfung veranlasst werden. Hierdurch wird die Betriebssicherheit erhöht.
- Besonders vorteilhaft kann die Erfindung in Zusammenhang mit Gleichstrom betrieben werden. Insbesondere bei Gleichströmen tritt das Problem von Netzfolgeströmen auf, die nicht ohne weiteres gelöscht werden können. Jedoch treten bei leistungsstarken Wechselstromnetzen ähnliche Probleme auf.
- Durch die relative einfache Ausgestaltung der elektronischen Folgestromlöschhilfe 1 kann diese in einem weiten Einsatzbereich verwendet werden. So kann die elektronische Folgestromlöschhilfe 1 beispielsweise in Umgebungen eingesetzt werden, in den Temperaturen von weniger als -50°C und mehr als 125°C herrschen.
- Die elektronische Folgestromlöschhilfe 1 kann dabei mit unterschiedlichsten Schaltelementen S bestückt sein. Beispielsweise kann das elektronische Schaltelement S einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Feldeffekt-Transistor und/oder einen Bipolar-Transistor, aufweisen.
- Beispielhaft ist in den
Figuren 1 und2 ein IGBT (insulated-gate Bipolar-Transistor) als elektronisches Schaltelement S aufgezeigt. - Die elektronische Folgestromlöschhilfe 1 kann dabei mit unterschiedlichsten Überwachungselementen O zur optischen Erkennung bestückt sein. Beispielsweise kann das Überwachungselementen O zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe Fotowiderstand, Fotodiode, Fototransistor, Fotovoltaik-Element aufweisen.
- Beispielhaft ist in den
Figuren 1 und2 eine Fotodiode als Überwachungselement O dargestellt. - Wie aus
Figur 4 ersichtlich kann die elektronische Folgestromlöschhilfe 1 auf der geschützten Seite (dargestellt rechts) mindestens ein induktives Element LL, LS zur Koordination mit den im zu schützenden Gerät vorhandenen Überspannungsschutzelementen aufweisen. - D.h., falls ein in einem nachfolgenden elektrischen Gerät vorhandenes Überspannungsschutzelement auslösen würde, so würde der schnelle Stromanstieg in den Spulen zu einer entsprechenden Gegenspannung führen, sodass anschließend auch das Überspannungsschutzelement ÜSE auslösen würde.
- In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein elektronische Folgestromlöschhilfen-Ensemble E bereitgestellt, das neben der bereits beschriebenen elektronischen Folgestromlöschhilfe 1 auch das zu überwachende Überspannungsschutzelement ÜSE aufweist.
- In einer Ausgestaltung ist auch das elektronische Folgestromlöschhilfen-Ensemble E Platinenbestückbar. D.h. sie kann ohne weiteres in einem normalen Herstellungsprozess integriert werden und erlaubt die kostengünstige Integration.
- D.h. die Erfindung macht sich zu Nutze, dass im Falle des Ansprechens der Überspannungsschutzelement ÜSE ein Leuchteffekt auftritt. Dieser Leuchteffekt wird optisch detektiert.
- Dabei kann zusätzlich eine weitere Steuerung, z.B. in Form eines Microcontrollers oder Zählers vorgesehen sein, wie z.B. aus der
Figur 1 oder2 ersichtlich. So kann z.B. das Aufleuchten in Bezug auf Dauer und/oder Frequenz ausgewertet werden, sodass z.B. erst bei sicherer Erkennung eines Folgestromes das elektronische Schaltelement S aktiviert wird, wodurch das Schaltelement S vor Überspannungen geschützt wird. Der Microcontroller kann zudem die Funktion der Fernmeldung bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine passive Verzögerung (integrierendes Element, RC-Kreis, LC-Kreis, etc.) vorgesehen sein, die z.B. erst nach einer vorbestimmten Zeit - beispielsweise 1 ms - das Schaltelement S aktiviert, um dem Überspannungsschutzelement ÜSE genügend Zeit zu geben 10/350 µs Impulsströme (z.B. 10/350 µs) vollständig abzuleiten. - Bei Detektion einer Leuchterscheinung kann unmittelbar oder zeitverzögert elektronisch einen parallelen Pfad über das elektronische Schaltelement S aktiviert werden, z.B. in dem der Parallelpfad leitfähig wird. Sobald das Überspannungsschutzelement ÜSE gelöscht hat und kein Leuchten mehr vorhanden ist, wird der Parallelpfad deaktiviert.
- Mittels der Erfindung wird eine sehr schnelle Reaktion sowohl zum Beginn des Löschvorgangs als auch zum Ende des Löschvorgangs bereitgestellt. Dabei wird ein selbstregelndes System vorgeschlagen, welches kostengünstig herstellbar ist.
- Zudem können so Überspannungsschutzgeräte mit geringen Baugrößen und hohem Ableitvermögen bereitgestellt werden.
- In den
Figuren 1 und2 sind beispielhafte Schaltungsvarianten aufgeführt. - Dabei wird eine Fotodiode als Überwachungselemente O betrieben. Die Fotodiode wird hier im Kurzschluss betrieben (UD = 0). Der durch die Beleuchtung der Foto-diode hervorgerufene Fotostrom (Ip) bewirkt am Gegenkopplungswiderstand RN einen Spannungsabfall.
- Der Gegenkopplungswiderstand RN wird hier beispielsweise relativ hoch (20 MΩ) gewählt, um schon bei sehr geringer Beleuchtung ein möglichst hohes Ausgangssignal zu erzielen. Hierdurch wird bereits ein geringes Leuchten des Überspannungsschutzelements ÜSE detektiert. Dabei kann das Überwachungselement O eigenständig neben dem Überspannungsschutzelement ÜSE oder aber in das Überspannungsschutzelement ÜSE integriert sein.
- Bei einer eigenständigen Ausgestaltung kann es unter Umständen erforderlich sein durch Blenden und/oder Filter Umgebungslicht fernzuhalten bzw. bestimmte spektrale Teile der Leuchterscheinung selektiv zu betrachten, um nicht eine fehlerhafte Auslösung des elektronischen Schaltelements S hervorzurufen.
- Die Ausgangsspannung am Überwachungselement O bzw. am Gegenkopplungswiderstand RN ist proportional zur Beleuchtungsstärke, wobei die Ausgangsspannung schon bei geringer Beleuchtung in Sättigung geht.
- Das Ausgangssignal der Lichtdetektion dient als Eingangssignal der Zeitverzögerung. Mit UDC ist die Versorgungsspannung für die Schaltung bezeichnet. Der durch die Eingangsspannung hervorgerufene Stromfluss durch R2 steuert den npn-Transistor T1 an. Dadurch wird dieser leitfähig. Aufgrund dessen startet der Entladevorgang des Kondensators C1. Fällt nun die Spannung am Kondensator C1 unter die Vergleichsspannung an R6, schaltet der Operationsverstärker LM258 den Ausgang OUT2 durch.
- Ist die angeschlossene Gleichspannungsquelle durch den eingesetzten Leistungshalbleiter / das elektronische Schaltelement S (im Schaltplan auch als T2 bezeichnet) kurzgeschlossen, kommt es zu einem hohen Stromfluss durch das elektronische Schaltelement S (im Schaltplan auch als T2 bezeichnet). Dieser Stromfluss kann bis zu dem maximalen Kurzschlussstrom der Gleichspannungsquelle ansteigen. Wird das elektronische Schaltelement S (im Schaltplan auch als T2 bezeichnet) nun wieder in den sperrenden Zustand überführt, ändert sich der fließende Strom schnell gegen Null. Diese Stromänderung kann dazu führen, dass durch parasitären Induktivitäten in dem DC-Netz, Spannungsspitzen entstehen. Sind diese Spannungsspitzen hoch genug, könnte es zu einem weiteren Durchzünden des Überspannungsschutzelements ÜSE führen.
- Um dies zu vermeiden, kann wie in
Figur 1 gezeigt das elektronische Schaltelement S (im Schaltplan auch als T2 bezeichnet) nur langsam wieder in den sperrenden Zustand überführt werden. Hierfür kann das Ausgangssignal der Zeitverzögerung entsprechend moduliert werden. Die Kapazität C3 kann über den Widerstand R8 schnell geladen werden, um ein schnelles Ansteigen der Ausgangspannung und somit ein schnelles Einschalten des durch das elektronische Schaltelement S (im Schaltplan auch als T2 bezeichnet) zu erreichen. Liegt an der Eingangsseite keine Spannung mehr an, entlädt sich der Kondensator C3 über den Widerstand R9. Da dieser Widerstand R9 vergleichsweise groß dimensioniert ist, dauert das Entladen der Kapazität entsprechend lange. Somit wird ein schnelles Laden und ein langsames Entladen der Kapazität C3 bereitgestellt, was einem schnellen Ansteigen und einem langsamen Abfallen der Ausgangsspannung Ua entspricht. - Weiterhin kann die Schaltung auch noch eine Spannungsstabilisierung auf 30 V für die Versorgung der elektronischen Bauteile aufweisen. Zum Schutz des elektronischen Schaltelements S (im Schaltplan auch als T2 bezeichnet) - hier als IBGT ausgeführt - gegenüber negativen Impulsen kann eine Diode D3 eingesetzt werden.
- Die Spannungsstabilisierung kann z.B. eine Zenerdiode D6 aufweisen, welche im Durchbruchbereich betrieben wird und daher in Sperrrichtung eingebaut ist. Weiterhin kann die Spannungsstabilisierung ein Vorwiderstand R9 aufweisen, welcher den durch die Schaltung fließenden Strom begrenzt. Dieser Widerstand R9 sollte nicht zu groß dimensioniert werden, da der Stromfluss groß genug sein soll, damit der Arbeitspunkt der Diode erreicht wird. Weiterhin kann die Spannungsstabilisierung eine Kapazität C2 aufweisen. Diese Kapazität C2 hat die Aufgabe bei kurzgeschlossener Gleichspannungsquelle noch genug Energie für die elektronischen Bauteile bereitzustellen, um deren weitere Funktion zu gewährleisten. Als Schutz gegen rückwärtiges Entladen dieser Kapazität kommt die Diode D2 zum Einsatz.
- Die Verwendung eines IGBT als elektronisches Schaltelement S ist von Vorteil, da IGBTs eine hohe Stromtragfähigkeit bei niedrigen Restspannung und hoher Durchbruchsspannung aufweisen.
- Obwohl zuvor das elektronischen Schaltelements S als parallel zu einem Überspannungsschutzelements ÜSE dargestellt, ist dies nicht als limitierend aufzufassen. Vielmehr können im Stromzweig des elektronischen Schaltelements noch weitere Elemente, insbesondere eine Impedanz Z angeordnet sein. Dabei kann die Impedanz Z sowohl resistiven als auch induktiven Charakter besitzen.
- Beispielhaft ist dies in
Figur 5 aufgezeigt, in dem in dem Stromzweig zum elektronischen Schaltelement S eine Impedanz Z zur Schaltungskoordination angeordnet ist. Dabei ist auf der rechten Seite die Versorgungsseite und auf der linken Seite die Lastseite angeordnet. Tritt nun nachfolgend zu einem Überspannungsereignis, das zu einem Zünden des Überspannungsschutzelements ÜSE und mittelbar zu einem Schalten des elektronischen Schaltelements S geführt hat, ein Folgestrom auf, so wird der Strom durch die Impedanz Z beschränkt.Bezugszeichenliste Elektronische Folgestromlöschhilfe 1 Überspannungsschutzelement ÜSE Überwachungselement O elektronisches Schaltelement S Elektronisches Folgestromlöschhilfe-Ensemble E Widerstand R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 Diode D1, D2, D3, D4, D5 Zenerdiode D6 Operationsverstärker LM258 Transistor T1, T2 Kondensator C1, C2, C3 Induktivität LK, LL,LS Impedanz Z
Claims (12)
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) für ein zu überwachendes Überspannungsschutzelement (ÜSE), wobei das Überspannungsschutzelement (ÜSE) eine Funkenstrecke oder ein gasgefüllter Überspannungsabieiter ist, aufweisend• ein Überwachungselement (O), das das Einsetzen und Aussetzen des Stromflusses durch das Überspannungsschutzelement (ÜSE) optisch erkennt, und• ein elektronisches Schaltelement (S), welches in einem Parallelzweig zum Überspannungsschutzelement (ÜSE) parallel geschaltet ist,• wobei das elektronische Schaltelement (S) durch das Überwachungselement (O) gesteuert wird, wobei bei einem erkannten Einsetzen eines Netzfolgestromes durch das Überspannungsschutzelement (ÜSE) das elektronische Schaltelement (S) schließt, sodass ein Strom parallel abgeleitet wird, wobei wenn der Lichtbogen im Überspannungsschutzelement (ÜSE) verlöscht das elektronische Schaltelement (S) öffnet, sodass kein Strom mehr über das elektronische Schaltelement (S) fließt.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronische Folgestromlöschhilfe Platinenbestückbar ist.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Fernmeldeeinrichtung vorgesehen ist, die das Einsetzen und Aussetzen der Überspannungsschutzfunktion signalisiert.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Fernmeldeeinrichtung vorgesehen ist, die das Schalten des elektronischen Schaltelements (S) signalisiert.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschaltete Strom ein Gleichstrom ist.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzbereich Umgebungstemperaturen von - 50 °C bis zu 125° C aufweist.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Schaltelement (S) einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Feldeffekt-Transistor und/oder einen Bipolar- Transistor, aufweist.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungselement (O) zur optischen Erkennung zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe Fotowiderstand, Fotodiode, Fototransistor, Fotovoltaik-Element verwendet wird.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folgestromlöschhilfe auf der geschützten Seite mindestens ein induktives Element (L) zur Koordination mit den im zu schützenden Gerät vorhandenen Überspannungsschutzelementen aufweist.
- Elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Stromzweig des elektronischen Schaltelements (S) zumindest eine Impedanz (Z) angeordnet ist.
- Elektronisches Folgestromlöschhilfe-Ensemble (E), aufweisend eine elektronische Folgestromlöschhilfe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und ein zu überwachendes Überspannungsschutzelement (ÜSE).
- Elektronisches Folgestromlöschhilfe-Ensemble (E) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ensemble Platinenbestückbar ist.
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