NO870996L - Koblingsanordning til aa verne en forbruker mot overspenninger. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en kob1ingsanordning til å verne en forbruker mot overspenninger. som angitt i den innledende del av patentkrav 1.

Ved en kjent koblingsanordning av denne art blir der innsatt en forkoblingsmotstand mellom koblingsanordningens inngang og utgang. Parallelt med utkoblingens utgang, altså med forbrukeren, er der koblet en spenningsbegrenser bestående av en seriekobling av en ohmsk motstand og et bryterelement som har to ant iparal1e11 forbundne tyristorer. Begrensning av spenningen på forbrukeren til en maksimalt tillatelig toppverdi bevirkes ved tilkobling av den ohmske motstand når spenningen på forbrukeren når en verdi svarende til spenningsbegrenserens innkoblingsterskei. Denne måte å be-grense spenning på har imidlertid den avgjørende ulempe at den ohmske motstand har en lineær strøm-spenningskarakter i - stikk, og en tilvekst i spenningen ved inngangen tilsvarer en proporsjonal tilvekst i spenningen på forbrukeren ved innkoblet spenningsbegrenser.

Der er også kjent koblingsanordninger hvor ikke-lineære komponenter, særlig komponenter med eksponentiell karakteristikk arbeider i para11e11kob1 mg til forbrukeren. Blant disse anordninger er også en spenningsåvhengig motstand, en varistor, som er kjennetegnet ved en maksimalt tillatelig varig dr i ftsspennmg og en såkalt var istor spenning som ligger ved knekkpunktet i varistorens eksponent ie11e karakteristikk. Å anvende en varistor i varig drift er bare mulig dersom den maksimalt tillatelige merkespenning på forbrukeren er lavere enn varistorens tillatelige varige dr i ftsspenning. Denne betingelse innebærer en betraktelig begrensning i muligheten for å anvende varistorer.

Til grunn for oppfinnelsen ligger derfor den oppgave å utvikle en koblingsanordning i samsvar med den innledende del av patentkrav 1 slik at den lineære karakteristikk for spenningsbegrenseren ifølge den innledende del av patentkrav 1 blir erstattet med en ikke-lineær, steilt eksponentielt stigende karakteristikk, og at det ved en omhyggelig dimensjonering av spenningsbegrenserens komponenter er sikret at de ikke-lineære komponenter kan anvendes uten fare for ødeleggelse.

Ifølge oppfinnelsen blir denne oppgave løst med en spenningsbegrenser som oppviser en seriekobling med en begrenser og et bryterelement.

Begrensningsvaristoren har en i sin opprinnelse symmetrisk strøm-spenningskarakteristikk og egner seg altså både til begrensning av en likespenning på forbrukeren og til begrensning av en vekse 1 spenning, dvs. av positive og negative spenninger.

Begrensningsvaristorens begrensningsevne er tilveiebragt ved den steilt eksponentiell stigning i karakteristikken ovenfor var i s tor spenningen.

Fordelaktig blir der i spenningsbegrenseren anvendt en begrensningsvar istor hvis var istor spenning er lik eller større enn den maksimale verdi av merkespenningen som kan opptre på forbrukeren. I tillegg kan var istor spenn ingen være mindre enn en maksimalt tillatelig toppverdi av spenningen på forbrukeren, en toppverdi som komponentene av forbrukeren som skal beskyttes, maksimalt er dimensjonert for.

Som bryterelement kan der anvendes en elektronisk bryter bestående av et halvledermateriale eller også en elektromekanisk bryter, f.eks. et relé. Hensiktsmessig trekker brytere1ementet en svakest mulig sperrestrøm i sper re111standen. I ledende tilstand har bryterelementet en liten gjennorns 1 ipningsmotstand så spenningsfallet på bryterelementet kan ignoreres i forhold til spenningsfallet på begrensningsvaristoren. Fordelaktig blir disse egenskaper oppfylt av en tyristor som er kjennetegnet ved en holdestrøm ved hvis under skr ide 1 se tyristoren vipper tilbake til sperreti 1standen, og ved nullkippspenningen ved hvis under skr ide1 se tyristoren selv tenner, i det positive spenningsområde. I det negative spenningsområde forholder tyristoren seg som en zenerdiode og blir derfor hensiktsmessig anvendt når der skal begrenses en likespenning som også kan være en pulserende likespenning.

Tyristoren kan ennvidere også anvendes som bryterelementer dersom der på inngangen til kob1ingsanordningen opptrer en veksel spenning, men der på forbrukeren bare kreves en likespenning. Til formålet blir den opptredende vekse 1 spenning omformet til en likespenning ved hjelp av en 1ikeretterkobling innkoblet foran koblingsanordningen.

Til begrensning av vekse 1 spenninger på forbrukeren anvendes hensiktsmessig bidi reksjonale bryterelementer. Der kan f.eks. benyttes to tyristorer i en antiparalleilkobling, men fordelaktig blir der for den bid i reksjonale begrensning av en spenning på forbrukeren benyttet en triac. En triac har en ifølge dens opprinnelse symmetrisk karakteristikk og egner seg derfor til å koble vekse1 spenninger.

For påstyringen av det anvendte bryterelement kan spenningsbegrenseren i tillegg oppvise en pas tyringskob1 ing som har til oppgave å slutte bryterelementet når spenningen på forbrukeren beløpsmessig overskrider spenningsbegrenserens inn-kobl ingsterskei . Til formålet har påstyr ingskob1 ingen en karakteristikk med en terskelverdi som enten er lik spenningsbegrenserens innkob1ingster ske 1 eller i det minste står i en funksjonell sammenheng med dene terskel. Hensiktsmessig er spenningsbegrenserens innkob1 ingster ske 1 lik eller mindre enn den maksimale toppverdi av forbruker spenningen. Da begrensningsvaristorens karakteristikk imidlertid ikke har en ideéll, uendelig stor steilhet, blir innkob1ingster ske 1 en valgt mindre enn den maksimale toppverdi av forbrukerspenningen, så der på karakteristikken ennå kan gjennomløpes et visst toleranse-område opptil toppverdien. Nedad blir innsti 11ingsområdet for spenningsbegrenserens innkob1 ingster ske 1 bestemt ved maksimalverdien av merkespenningen på forbrukeren. Fordelaktig blir der som innsti 11ingsområde for spenningsbegrenserens innkoblingsterskei imidlertid valgt området mellom variator- spenningen og den maksimalt tillatelige toppverdi av forbruker spenningen .

For innkobling av bryterelementet kan der i pas tyringskob-lingen f.eks. kobles en zenerdiode med beskyt te 1sesmotstand parallelt med forbrukeren. Men også en diac med fotmotstand eller en triggerdiode paralleilkoblet med forbrukeren kan anvendes til påstyring av bryterelementet. Fordelaktig blir der imidlertid parallelt med forbrukeren koblet en påstyringsvaristor i seriekobling med en motstand.

Spenningsbegrenserens påstyringskobling kan ennvidere ha til oppgave å åpne bryterelementet så begrensningsvaristoren blir frakoblet. Til formålet har påstyr ingskob1 ingen en ytterligere terskelverdi som tilsvarer eller er tilordnet spenningsbegrenserens utkob1ingster ske 1. Til å realisere utkob1ingster-skelen kan der i påstyr ingskob1 ingen anvendes samme komponenter resp. koblinger som angitt ovenfor, når det gjelder innkob1ingster ske 1 en. Dog blir valget av komponenter når det gjelder dimensjonering truffet med sikte på anvendelsen i spenningsbegrenserens utkoblingsterskei. Fordelaktig kan der i påstyr mgskob1 ingen for sondring mellom innkoblingsterskel og utkob1ingster ske 1 anvendes en logikkobling med den oppgave å sondre mellom stigende og fallende flanker av spenningen på forbrukeren. Derved vil man kunne fastlegge spenningsbegrenserens innkob1 ingster ske 1 og utkob1 ingster ske 1 uavhengig av hverandre.

En påstyringskob1 mg som bevirker både innkobling og utkobling av bryterelementet, kan vær gunstig ved anvendelse av et bryterelement med to styreinnganger, f.eks. en tyr istor tetrode med to påstyringsgates eller en GTO-tyristor (gate-turn-tyristor), men også ved en transistor.

Hvis der anvendes en tyristor, en triac eller en annen tyri-storlignende komponent som bryterelement, kan man fordelaktig dra nytte av det forhold at disse komponenter har en såkalt holdestr øm, ved hvis under skr ide 1 se komponentene vipper tilbake til sper ret i 1standen.

Hensiktsmessig blir tyristoren og begrensningsvar istoren med hensyn til dimensjoner slik selektert og avpasset i forhold til hverandre at der når spenningsbegrenserens utkoblingsterskel underskrides av forbrukerspenningen, går en utkob-lingsstrøm gjennom begrensningsvaristoren mindre enn den nevnte holdestrøm for tyristoren. I den forbindelse er det hensiktsmessig å påse at spenningsbegrenserens utkoblingsterskel blir lik eller større enn maksimalverdien av merkespenningen på forbrukeren.

I tilfellet av begrensning av en vekse 1 spenning på forbrukeren kan der i påstyr ingskob1 ingen til å konstatere utkoblings-terskelen i det positive og også i det negative spenningsområde anvendes en komponent med usymmetrisk karakteristikk som f.eks. en zenerdiode. Hensiktsmessig blir spenningsbegrenserens påstyringskob1 ing da drevet i en 1ikeretter-bro-kobling, så bare spenninger med én polaritet opptrer på den ikke-lineære komponent, som f.eks. zenerdioden.

Ved anvendelsen av en tyristor resp. av en tyr istor 1 ignende halvlederkomponent som f.eks. en f i relagsdiode eller en triac som bryterelement hos spenningsbegrenseren kan man fordelaktig gi avkall på å anvende noen påstyringskob1 ing dersom tyristorens nullkippspenning tilsvarer spenningsbegrenserens innkob1 ingster ske 1. Utkoblingsterskeien blir da hensiktsmessig tilordnet tyristorens holdestrøm.

Ytterligere gunstige utformninger av oppfinne1sesgjenstanden erkarakteriserti de uselvstendige patentkrav.

I det følgende vil to utføre1seseksemp1 er på oppfinnelsen bli belyst nærmere under henvisning til tegningen. Fig. 1 viser en kob1ingsanordning med en tyristor som bryterelement og med en påstyringsvaristor i påstyringskob1 ingen. Fig. 2 viser en var istorkarakter istikk med inntegnet rett 1ikestr ørnarbeids1 inje og med angivelse av de spenningsverdier som er avgjørende for koblingsanordningens dimensjoneringer.. Fig. 3 viser en annen koblingsanordning med en triac som bryterelement og en zenerdiode i en 1ikeretterbrokobling som påstyringskob1 ing.

Ved inngangen 10 til koblingsanordningen S på fig. 1 ligger

en spenningskilde 1 som avgir en likespenning. På likespen-ningen kan der være over lagret overspenninger som f.eks.

ytrer seg ved spenningssp isser.

Ved utgangen 20 fra kob1ingsanordningen S er der parallell-koblet en forbruker 4 som vernes mot overspenninger.

Mellom inngangen 10 til og utgangen 20 fra koblingsanordningen S er der innskutt en forkoblingsmotstand 2, som sammenfatter de ohmske tap i en støykorreksjons-fi 11erdrosse1 og parasi-tære ohmske tap i kob1 ingsanordningen, som f.eks. de ohmske tap i ledningene.

Spenningsbegrenseren 3 hos koblingsanordningen S er koblet parallelt med forbrukeren 4 og dannes av en seriekobling bestående av en begrensningsvar istor 31 og et bryterelement 32, og en påstyr ingskob1 ing 33, som likeledes ligger parallelt med forbrukeren 4.

Begrensningsvaristoren 31 har en karakteristikk med en varis-torspenning UVAR og en varig dr i ftspenning UDVAR som ligger under var istor spenningen UVAR. Var istorspenningen hos begrensningsvaristoren 31 ligger under maksimalverdien UNMAX

av merkespenningen på forbrukeren 4 (jfr. fig. 2). Den varige driftsspenning UDVAR for begrensningsvaristoren 31 ligger under minimalverdien UNO av merkespenningen på forbrukeren 4 .

Som bryterelement 32 er der benyttet en tyristor 321 med en gate 3211 til tenning av tyristoren 321. Tyristoren 321 har en holdestrøm ved hvis under skr ide 1se den vipper tilbake til sper ret i 1standen.

Påstyringskob1 ingen består av en påstyr ingsvar istor 331 og

en påstyringsmotstand 332 i en seiekobling som ligger parallelt med forbrukeren. Midtpunktklemmen 333 mellom påstyringsvaristoren 331 og påstyringsmotstanden 332 er her forbundet med påstyringselektroden 323 for bryterelementet 32, her med gaten 3211 hos tyristoren 321.

Påstyr ingsvar istoren 331 har en var istor spenning UAVAR som omtrent er lik innkob1ingsterske 1 en UINN for spenningsbegrenseren 3 hos koblingsanordningen S. Var istorspenningen UAVAR på påstyringsvaristoren 331 ligger høyere enn var istor spenningen UVAR på begrensningsvar istoren 31 og er lik eller mindre enn den maksimalt tillatelige toppverdi UMAX av forbruker spenningen på forbrukeren 4.

Overskrider spenningen på forbrukeren 4 innkob1ingster ske 1 en UINN for spenningsbegrenseren 3, går der gjennom påstyrings-tyristoren 331 til gaten 3211 hos tyristoren 321 en strøm som er tilstrekkelig til å tenne tyristoren 321. Dermed blir be-grensnmgsvaristoren 31 koblet inn og begrenser spenningen på forbrukeren 4 til en verdi som i det ideelle tilfelle av uendelig steil karakteristikk for begrensningsvaristoren 31 tilsvarer var i stor spenningen, men som på grunn av den endelige steilhet av karakteristikken ligger ubetydelig over varistor-spenningen UVAR. Underskrider verdien av støyspenningen på forbrukeren 4 utkob1 ingster ske 1 en UUT for spenningsbegrenseren 3, en terskel som ligger mellom maksimalverdien UTMAX og innkoblingsterskeien UINN, går der gjennom begrensningsvaristoren 31 i samsvar med dennes karakteristikk en utkob-lingsstrøm I UT, som er mindre enn holdestrømmen for tyristoren 321, så tyristoren 321 vipper tilbake til sper reti 1standen. Dermed er begrensningsvaristoren 31 utkoblet.

Fig. 3 viser et annet utførelseseksempel på kob1ingsanordningen S. Ved denne kobling oppviser spenningsbegrenseren

3.1 i serie med begrensningsvaristoren et bid i reksjonalt bryterelement 32.1, som er en triac 321.1. Triacen 321.1

har ifølge sin opprinnelse symmetrisk karakteristikk, og dermed er det sikret at en veksel spenning kan begrenses ved utgangen fra kob1ingsanordningen S.

Påstyringskob1 ingen 33.1 hos spenningsbegrenseren 3.1 oppviser en 1ikeretterbrokobling med 1ikeretterdioder 334.1, hvis inngangsport 338.1 ligger parallelt med forbrukeren 4, og hvis utgangsport 339.1 ligger på en seriekobling med to beskyttel-sesmotstander 337.1 og en i sperreretningen polarisert zenerdiode 335.1. Uttaksklemmen 336.1 er forbundet med gaten 3211.1 hos triacen 321.1.

Innkob1 ingster ske 1 en UINN for spenningsbegrenseren 3.1 blir takket være forbindelsen av zenerdioden 335.1 med en like-retterbrokobling likestillet med zenerspenningen for zenerdioden 335.1 med hensyn til absolutt verdi. Ugangsterskeien UUT for spenningsbegrenseren 3.1 er fastlagt ved hoIdestrømmen for triacen 321.1. Overskrider spenningen på forbrukeren 4 innkoblingsterskeien UINN beløpsmessig i negativ eller positiv retning, går der gjennom zenerdioden 335.1 en strøm som er begrenset ved beskytte1sesmotstandene 337.1. Fra uttaksklemmen 336.1 går der da til gaten hos triacen 3211.1 en strøm som strekker til for å tenne triacen 321.1. Begrensningsvaristoren 31 er tilkoblet og begrenser spenningen på forbrukeren 4 absolutt regnet til en verdi i området for var istor spenningen UVAR. Begrensningsvaristoren 31 forblir tilkoblet så lenge til spenningen på forbrukeren absolutt regnet underskrider utkoblingsterskeien UUT. Strømmen gjennom begrensningsvaristoren 31 er da med hensyn til absolutt verdi mindre enn holdestrømmen for triacen 321.1, som derved vipper tilbake til sper ret i 1standen og frakobler begrensningsvaristoren 31.

Claims (8)

1. Kob1ingsanordning (S) til å verne en forbruker (4) mot en overspenning som er større enn en maksimalt tillatelig toppverdi (UMAX), omfattende en inngang (10) for tilslutning til en spenningskilde (1), en utgang (20) for tilslutning av forbrukeren (4), som ved nominell drift har en merkespenning beliggende mellom en minimalverdi (UNO) og en maksimalverdi (UNMAX), en forkoblingsmotstand (21) mellom inngangen (10) og utgangen (20) og en spenningsbegrenser (3) som inneholder en seriekrets med en motstand og et bryterelement (32) og ligger parallelt med utgangen (20), og som oppviser en innkob1 ingster ske 1 (UINN) og en utkoblingster ske 1 (UUT), karakterisert ved at der som motstand tjener en begrensningsvaristor (31) med en var istorspenning (UVAR) og en maksimalt tillatelig varig driftsspenning (UDVAR), at begrensningsvaristorens (31) var istor spenning (UVAR) er lik eller større enn maksimalverdien (UNMAX) av merkespenningen på forbrukeren (4), og denne maksimalveri (UNMAX) er lik eller større enn begrensningsvaristorens (31) maksimalt tillatelige varige dr iftsspening (UDVAR), at spenningsbegrenserens (3) utkob1 ins ter ske 1 (UUT) er lik eller større enn maksimalverdien (UNMAX) av merkespenningen på forbrukeren (4), og at spenningsbegrenserens (3) innkob1 ingste r ske 1 (UINN) er lik eller mindre enn den maksimalt tillatelige toppvedi (UMAX) av forbrukerspenningen.

2. Kob1 ingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at spenningsbegrenseren (3) oppviser en påstyringskobling (33) med innkoblingsterskelen (UINN) til påstyring av bryterelementet (32).

3. Koblingsanordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at påstyringskoblingen (33) består av en seriekobling med en påstyringsvaristor (331) med var istor spenningen (UAVAR) og en påstyringsmotstand (332), og at midtpunktklemmen (331) mellom påstyringsvari storen (331) og påstyringsmotstanden (332) er forbundet med en påstyrings-elektrode (323) hos bryterelementet (32).

4. Koblingsanordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at den absolutte verdi av påstyrings-varistorens ( 332) var istorspenning (UAV) er større enn den absolutte verdi av begrensningsvaristorens (31) varistor-spenning (UVAR).

5. Koblingsanordning som angitt i et av kravene 1-4. karakterisert ved at der som bryterelement (32) tjener en tyristor (321) med en holdestrøm, og at spenningsbegrenserens (3) utkob1ingster ske 1 (UUT) tilsvarer et spenningsfall på begrensningsvaristoren (31) med en til-hørende utkob1ingsstr øm (IUT) som er lik eller mindre enn tyristorens (321) holdestrøm. ved hvis under skr ide 1 se tyristoren (321) vipper tilbake til sper reti 1standen.

6. Koblingsanordning som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at der i tilfellet av en veksel spenning ved inngangen (10) til koblingsanordningen (S) er anordnet et bid i reksjona11 bryterelement (32.1) i spenningsbegrenseren (3.1).

7. Koblingsanordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at spenningsbegrenseren (3.1) oppviser en 1ikere11erbrokob1 ing med en inngangsport (338.1) og en utgangsport (339.1), at inngangsporten (338.1) er forbundet med koblingsanordningens (S) utgang (20), og at spenningsbegrenserens (3.1) påstyr ingskob1 ing (33.1) ligger parallelt til utgangsporten (339.1).

8. Kob1ingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at der som bryterelement (32) tjener en tyristor (321) med en holdestrm og en nullkippspenning, at spenningsbegrenserens (3) innkoblingsterskei (UINN) er lik tyristorens (321) nullkippspenning, og at spenningsbegrenserens (3) utkoblingsterskei (UUT) til svarer et spenningsfall på begrensningsvaristoren (31) med en tilhørende utkoblingsstrøm (IUT) som er lik eller mindre enn tyristorens (321) holdestrøm (IH), ved hvis underskrid-else tyristoren (321) vipper tilbake til sper ret i 1 standen.