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Die
Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung,
mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode, mit einer
zwischen den beiden Elektroden ausgebildeten Durchschlag-Funkenstrecke
und mit einem die Elektroden aufnehmenden Gehäuse, wobei beim Zünden der
Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen
innerhalb eines die beiden Elektroden verbindenden Entladungsraums
entsteht.
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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.
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Elektrische
Stromkreise arbeiten mit der für sie
spezifizierten Spannung, der Nennspannung (in der Regel – Netzspannung),
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 elektrische oder elektronische Stromkreise, insbesondere
elektronische Meß-,
Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen
und -anlagen, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen
zu schützen,
sind Überspannungsschutzeinrichtungen
entwickelt worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
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Wesentlicher
Bestandteil von Überspannungsschutzeinrichtung
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.
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Eingangs
ist ausgeführt
worden, daß die
erfindungsgemäße Uberspannungsschutzeinrichtung zwei
Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden ausgebildete
Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. In der Praxis werden derartige
Durchschlag-Funkenstrecken häufig
auch als Luft-Durchschlag-Funkenstrecken
bezeichnet, wobei in Rahmen der Erfindung mit Durchschlag-Funkenstrecke auch
eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gemeint sein soll. Dabei kann
jedoch zwischen den Elektroden außer Luft auch ein anderes Gas
vorhanden sein. Der Bereich der Überspannungsschutzeinrichtung,
in dem sich beim Zünden
der Durchschlag-Funkenstrecke der Lichtbogen ausbildet, wird nachfolgend
als Entladungsraum bezeichnet. Es ist dies in der Regel der Raum
zwischen den beiden Elektroden.
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Neben Überspannungsschutzeinrichtungen mit
einer Durchschlag-Funkenstrecke gibt es auch Überspannungsschutzeinrichtungen
mit einer Überschlag-Funkenstrecke, bei
denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt.
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Überspannungsschutzeinrichtungen
mit einer Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen
mit einer Überschlag-Funkenstrecke den
Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit,
jedoch den Nachteil einer höheren – und auch
nicht sonderlich konstanten – Ansprechspannung.
Deshalb sind bereits verschiedene Überspannungsschutzeinrichtungen
mit einer 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
Durchschlag-Funkenstrecke
in verschiedener Weise Zündhilfen
realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens
eine Gleitentladung auslösende
Zündhilfe
vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Durchschlag-Funkenstrecke
hineinragt, stegartig ausgeführt
ist und aus Kunststoff besteht (vgl. z. B. die
DE 41 41 681 A1 oder die
DE 44 02 615 A1 ).
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Die
bei den bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen
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.
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Aus
der
DE 198 03 636
A1 ist ebenfalls eine Überspannungsschutzeinrichtung
mit zwei Elektroden, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen
Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe bekannt. Bei dieser
bekannten Überspannungsschutzeinrichtung
ist die Zündhilfe,
im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen, eine Gleitentladung auslösenden Zündhilfen,
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 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 Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden
Hauptelektroden, Hauptfunkenstrecke genannt, anspricht. Das Ansprechen
der Zündfunkenstrecke
führt zu
einer Ionisierung der in der Durchschlag-Funkenstrecke vorhandenen
Luft, so daß – schlagartig – nach Ansprechen
der Zündfunkenstrecke
dann auch die Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden,
also die Hauptfunkenstrecke, anspricht.
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Bei
den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzeinrichtungen
mit Zündhilfen
führen
die Zündhilfen
zu einer verbesserten, nämlich
niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung.
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Bei Überspannungsschutzeinrichtungen
der in Rede stehenden Art – mit
oder ohne Verwendung einer Zündhilfe – entsteht
beim Zünden
der Durchschlag-Funkenstrecke
durch den entstehenden Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung
zwischen den beiden Elektroden. Über
diese niederimpedante Ver bindung fließt zunächst – gewollt – der abzuleitende Blitzstrom.
Bei anliegender Netzspannung folgt dann jedoch über diese niederimpedante Verbindung
der Überspannungsschutzeinrichtung ein
unerwünschter
Netzfolgestrom, so daß man
bestrebt ist, den Lichtbogen möglichst
schnell nach abgeschlossenem Ableitvorgang zu löschen. Eine Möglichkeit
zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Lichtbogenlänge und
damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern.
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Eine
Möglichkeit,
den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, nämlich die Lichtbogenlänge und
damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern, ist bei der Überspannungsschutzeinrichtung, wie
sie aus der
DE 44 02
615 A1 bekannt ist, realisiert. Die aus der
DE 44 02 615 A1 bekannte Überspannungsschutzeinrichtung
weist zwei schmale Elektroden auf, die jeweils winkelförmig ausgebildet sind
und jeweils ein Funkenhorn und einen davon abgewinkelten Anschlußschenkel
aufweisen. Darüber hinaus
sind die Funkenhörner
der Elektroden in ihren an die Anschlußschenkel angrenzenden Bereichen mit
einer Bohrung versehen. Die in den Funkenhörnern der Elektroden vorgesehenen
Bohrungen sorgen dafür,
daß im
Augenblick des Ansprechens des Überspannungsschutzelements,
also des Zündens, der
entstandene Lichtbogen durch eine thermische Druckwirkung "in Fahrt gesetzt
wird", also von
seiner Entstehungsstelle wegwandert. Da die Funkenhörner der
Elektroden V-förmig zueinander
angeordnet sind, wird somit die von dem Lichtbogen zu überbrückende Strecke
beim Herauswandern des Lichtbogens vergrößert, wodurch auch die Lichtbogenspannung
ansteigt. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß zur Erreichung der gewünschten
Vergrößerung der
Lichtbogenlänge
die geometrischen Abmessungen der Elektroden entsprechend groß sein müssen, so
daß auch die Überspannungsschutzeinrichtung
insgesamt an bestimmte Geometrievorgaben gebunden ist.
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Eine
weitere Möglichkeit,
den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, besteht in der Kühlung des
Lichtbogens durch die Kühlwirkung
von Isolierstoffwänden
sowie die Verwendung von Gas abgebenden Isolierstoffen. Dabei ist
eine starke Strömung
des Löschgases
notwendig, was einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert.
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Darüber hinaus
besteht noch die Möglichkeit,
eine Vergrößerung der
Lichtbogenspannung durch Druckerhöhung zu erzielen. Hierzu wird
in der
DE 196 04 947
C1 vorgeschlagen, das Volumen im Innenraum des Gehäuses so
zu wählen,
daß durch den
Lichtbogen eine Druckerhöhung
auf ein Vielfaches des atmosphärischen
Druckes erreicht wird. Dabei wird die Steigerung des Folgestromlöschvermögens durch
eine druckabhängige
Beeinflussung der Bogenfeldstärke
erreicht. Damit diese Überspannungsschutzeinrichtung
zuverlässig
funktioniert ist jedoch zum einen ein sehr druckbeständiges Gehäuse erforderlich,
muß zum
anderen die Höhe
der Netzspannung sehr genau bekannt sein, um das Volumen im Innenraum
des Gehäuses
entsprechend auslegen zu können.
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Ist
bei Überspannungsschutzeinrichtungen der
in Rede stehenden Art der Lichtbogen gelöscht, so ist zwar zunächst die
niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden unterbrochen, der
Raum zwischen den beiden Elektroden, d. h. der Entladungsraum, ist
jedoch noch fast vollständig
mit einem leitfähigen
Plasma gefüllt.
Durch das vorhandene Plasma ist die Ansprechspannung zwischen den
beiden Elektroden derart herabgesetzt, daß es bereits bei anliegender
Netzspannung zu einem erneuten Zünden
der Durchschlag-Funkenstrecke kommen kann. Dieses Problem tritt
besonders dann auf, wenn die Überspannungsschutzeinrichtung
ein gekapseltes oder halboffenes Gehäuse aufweist, da dann ein Abkühlen oder
Verflüchtigen
des Plasmas durch das im wesentlichen geschlossene Gehäuse verhindert
wird.
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Um
ein erneutes Zünden
der Überspannungsschutzeinrichtung,
d. h. der Durchschlag-Funkenstrecke, zu verhindern, sind bisher
verschiedene Maßnahmen
getroffen worden, um die ionisierte Gaswolke von den Zündelektroden
wegzutreiben oder abzukühlen.
Hierzu werden konstruktiv aufwendige Labyrinthe und Kühlkörper verwendet,
wodurch sich die Herstellung der Überspannungsschutzeinrichtung
verteuert.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzeinrichtung
der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die sich durch ein hohes
Netzfolgestromlöschvermögen auszeichnet,
trotzdem jedoch konstruktiv einfach realisiert werden kann. Darüber hinaus
soll die Überspannungsschutzein richtung
nach Möglichkeit
eine geringe Ansprechspannung und damit ein vorteilhaftes Zündverhalten
aufweisen.
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Die
erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung,
bei der die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und
im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum derart
ausgebildet ist, daß er
zumindest teilweise quer und/oder entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen
Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft, so daß die vom Lichtbogen zu überwindende
Strecke zwischen den beiden Elektroden eine Querkomponente zum elektrischen
Feld E aufweist. Dies hat zur Folge, daß das elektrische Feld bzw.
die elektrische Spannung, die an den beiden Elektroden anliegt,
die in dem Plasma enthaltenen freien Ladungsträger nicht mehr durchgängig von
einer Elektrode zur anderen Elektrode beschleunigen kann, wodurch
ein Netzfolgestrom verhindert wird.
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Bei
bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen
wird das nach dem eigentlichen Ableitvorgang vorhandene aber unerwünschte leitfähige Plasma
bzw. die darin enthaltenen freien Ladungsträger dadurch "entfernt", daß das Plasma
von den Elektroden weggetrieben wird. Derartige Überspannungsschutzeinrichtungen,
die auch als "ausblasende" Funkenstreckenanordnungen
bezeichnet werden, haben zunächst
den Nachteil, daß zum "Ausblasen" des Plasmas eine
relativ starke Strömung
im Inneren der Überspannungsschutzeinrichtung
erzeugt werden muß,
wozu in der Regel gasabgebende Isolierstoffe verwendet werden. Das
heiße
Plasma wird dann durch Ausblasöffnungen
im Gehäuse
der Überspannungsschutzeinrichtung
nach Außen
in die Umgebung abgeführt.
Dies hat den Nachteil, daß am Einbauort
der Überspannungsschutzeinrichtung
bestimmte Mindestabstände
zu anderen spannungsführenden
oder brennbaren Teilen bzw. Geräten
einzuhalten sind, was den Einsatz derartiger ausblasender Überspannungsschutzeinrichtungen
nur bei bestimmten Einbaubedingungen ermöglicht.
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Im
Unterschied dazu kann bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung auf
das "Ausblasen" des heißen Plasmas
verzichtet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung und geometrische
Ausgestaltung des Entladungsraums wird die unerwünschte Folge des Vorhandenseins
des Plasmas – Ausbildung
eines Netzfolgestroms nach dem eigentlichen Ableitvorgang – verhindert,
ohne daß das
Plasma von den Elektroden weggetrieben oder abgekühlt werden
muß.
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Konstruktiv
kann der Entladungsraum derart ausgestaltet sein, daß er mindestens
drei Bereiche aufweist, wobei der erste Bereich mit der ersten Elektrode,
der zweite Bereich mit der zweiten Elektrode und der dritte Bereich
einerseits mit dem ersten Bereich und andererseits mit dem zweiten
Bereich verbunden ist. Der dritte Bereich stellt somit die Verbindung
zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich und damit auch
zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode her. Der
dritte Bereich ist nun konstruktiv so ausgestaltet, daß in ihm
die in dem Plasma enthaltenen freien Ladungsträger durch das elektrische Feld
der anliegenden Netzspannung nicht bzw. nur gering vom ersten Bereich
zum zweiten Bereich bzw. umgekehrt beschleunigt werden. Hierzu weist
der dritte Bereich zumindest eine Querkomponente zu elektrischen
Feld auf. Im einzelnen kann der dritte Bereich schräg, im wesentlichen
senkrecht oder sogar teilweise entgegengesetzt zur Richtung des
elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung ausgerichtet
sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Entladungsraum
konstruktiv dadurch realisiert, daß die der zweiten Elektrode
zugewandte Seite der ersten Elektrode und die der ersten Elektrode
zugewandte Seite der zweiten Elektrode jeweils teilweise mit einem
isolierenden oder hochohmigen Material bedeckt sind, wobei der nicht
mit dem isolierenden oder hochohmigen Material bedeckte Bereich
der ersten Elektrode bzw. der zweiten Elektrode versetzt zueinander
angeordnet sind. Durch die Ausbildung und Anordnung des isolierenden
oder hochohmigen Materials auf der ersten bzw. der zweiten Elektrode
kann die Form des Entladungsraums auf einfache Art und Weise bestimmt
werden. Wird auf den beiden Elektroden ein hochohmiges aber dennoch
leitfähiges
Material aufgebracht, dessen Widerstand so groß ist, daß sich auf dessen Oberfläche aufgrund
der Strombeschränkung
kein Lichtbogen bilden kann, so führt dies nach dem eigentlichen
Ableitvorgang dazu, daß die
in dem Entladungsraum zwischen den beiden Elektroden vorhandenen
freien Ladungsträger
durch das elektrische Feld einer anliegenden Netzspannung getrennt
und je nach Polarität von
dem hochohmigen Material auf der ersten oder der zweiten Elektrode "abgesaugt" werden.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Entladungsraum
konstruktiv dadurch realisiert, daß die der zweiten Elektrode
zugewandte Seite der ersten Elektrode und die der ersten Elektrode
zugewandte Seite der zweiten Elektrode jeweils teilweise mit einem
isolierenden Material bedeckt sind, wobei zusätzlich die der zweiten Elektrode
zugewandte Seite des isolierenden Materials und die der ersten Elektrode
zugewandte Seite des isolierenden Materials zumindest teilweise mit
einem hochohmigen Material bedeckt sind. Die beiden Elektroden sind
somit jeweils teilweise mit einem isolierende Material und einem
auf dem isolierenden Material aufgebrachten hochohmigen Material
bedeckt.
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In
einem vorgegebenen, definierten Bereich sind die beiden Elektroden
jeweils elektrisch leitend mit dem hochohmigen Material verbunden.
Der Bereich kann dabei entweder beabstandet vom oder in unmittelbarer
Nähe zum
nicht mit isolierenden Material bedeckten Bereich der jeweiligen
Elektrode liegen. Hierdurch wird zunächst erreicht, daß nach dem Durchschlag
im Entladungsraum sich befindende freie Ladungsträger durch
das hochohmige Material "abgesaugt" werden. Dabei fließt durch
das hochohmige Material ein Strom, was zu einem Spannungsabfall
entlang des hochohmigen Materials führt, wodurch wiederum ein elektrisches
Feld entsteht. Hierdurch wird im Entladungsraum eine Änderung
der elektrischen Feldverhältnisse
gegenüber
dem stationären
Feld erzeugt, die durch die Wahl des Kontaktierungsbereichs der
Elektroden mit dem hochohmigen Material beeinflußt werden kann. Je nach Lage der
Kontaktierung des hochohmige Material mit den Elektroden kann somit
das Netzfolgestromverhalten und das Zündverhalten der Überspannungsschutzeinrichtung
beeinflußt
werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Entladungsraums zwischen den beiden Elektroden, wobei der Entladungsraum
zumindest eine Querkomponente zum elektrischen Feldes aufweist, wird – wie zuvor
beschrieben – die
Ausbildung eines unerwünschten
Netzfolgestroms verhindert. Gleichzeitig wird jedoch auch die Ansprechspannung
der Durchschlag-Funkenstrecke erhöht, was in der Regel ebenfalls
unerwünscht
ist. Daher ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung
eine aktive Zündhilfe zur
Verringerung der Ansprechspannung vorgesehen. Prinzipiell können hierzu
verschiedene, aus dem Stand der Technik be kannte, aktive Zündhilfen verwendet
werden. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die aktive Zündhilfe jedoch dadurch realisiert,
daß an
die beiden Elektroden die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements
und eines Zündelements
angeschlossen ist, wobei die Ansprechspannung des Spannungsschaltelements
unterhalb der Ansprechspannung der Durchschlag-Funkenstrecke liegt und wobei beim Ansprechen
des Spannungsschaltelements zunächst
ein Ableitstrom über
das Zündelement
fließt.
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Das
Spannungsschaltelement ist dabei so gewählt, daß es bei der Ansprechspannung
der Überspannungsschutzeinrichtung
leitend wird, also "schaltet". Als Spannungsschaltelement
kann ein Varistor, eine Suppressordiode oder ein gasgefüllter Spannungsableiter
vorgesehen sein. Das Zündelement
besteht vorzugsweise aus einem leitfähigen Kunststoff, einem metallischen
Material oder einer leitfähigen
Keramik und steht mit der zweiten Elektrode in mechanischem Kontakt.
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Tritt
bei der Überspannungsschutzeinrichtung
mit der zuvor beschriebenen aktiven Zündhilfe eine Überspannung
auf, die gleich oder größer als die
durch das Spannungsschaltelement vorgegebene Ansprechspannung ist,
so spricht das Spannungsschaltelement an, so daß über die Reihenschaltung erster
Elektrode – Spannungsschaltelement – Zündelement – zweite
Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt. Der Strom erzeugt
dabei durch eine Initialzündung
leitfähiges
Plasma, das in den Entladungsraum eingebracht werden kann, wodurch
es zu einer Zündung
der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen der ersten Elektrode und
der zweiten Elektrode und damit zur Ausbildung eines Lichtbogens
in dem Entladungsraum kommt. Bezüglich weiterer
Einzelheiten einer derartigen aktiven Zündhilfe, die auch als "Stromzündung" bezeichnet werden
kann, wird auf die
DE
101 46 728 A1 verwiesen.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits
auf die dem Schutzanspruch 1 nachgeordneten Schutzansprüche, andererseits
auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine
Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
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2 eine
Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
-
3 eine
Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
-
4 eine
Prinzipskizze eines vierten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
-
5 eine
Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
-
6 eine
Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
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7 eine
Prinzipskizze eines letzten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
und
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8 eine
weitere Prinzipskizze des Ausführungsbeispiels
einer Überspannungsschutzeinrichtung,
gemäß 7.
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In
den Figuren sind verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung
dargestellt. Zu der Überspannungsschutzeinrichtung – die nur
hinsichtlich ihres prinzipiellen Ausbaus dargestellt ist – gehören jeweils
eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2 und
ein die Elektroden 1, 2 aufnehmendes Gehäuse 3.
Zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 existiert eine
Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke
zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein Lichtbogen 4 entsteht.
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Erfindungsgemäß ist zwischen
den beiden Elektroden 1 und 2 ein Entladungsraum 5 vorgesehen,
wobei der Entladungsraum 5 zumindest teilweise schräg (2),
teilweise quer (1, 5, 6 und 7),
teilweise entgegengesetzt (3) oder
teilweise quer und entgegengesetzt (4) zur Richtung
des durch Pfeile 6 dargestellten elektrischen Feldes einer
anliegenden Netzspannung verläuft.
Bei allen Ausführungsbeispielen
weist die Haupterstreckungsrichtung des Entladungsraumes 5 somit
zumindest eine Querkomponente zum elektrischen Feld auf. Im Unterschied
zu den bekannten Überspannungsschutzeinrichtung
fungiert somit nicht der gesamte Raum zwischen den Elektroden 1, 2 als
Entladungsraum 5, was im Stand der Technik dazu führt, daß das elektrische
Feld bzw. die elektrische Spannung, die an den beiden Elektroden 1, 2 anliegt,
die in dem Plasma enthaltenen freien Ladungsträger durchgängig von einer Elektrode 1 zur anderen
Elektrode 2 beschleunigen kann.
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Wie
aus den Figuren erkennbar ist, kann der Entladungsraum 5 in
drei Bereiche 7, 8 und 9 unterteilt werden.
Dabei ist der erste Bereich 7 mit der ersten Elektrode 1,
der zweite Bereich 8 mit der zweiten Elektrode 2 und
der erste Bereich 7 über
den dritten Bereich 9 mit dem zweiten Bereich 8 verbunden.
Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen verlaufen
der erste Bereich 7 und der zweite Bereich 8 im
wesentlichen parallel zur Richtung des elektrischen Feldes. Dagegen
verläuft
der dritte Bereich 9 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1, 5 und 6 im
wesentlichen senkrecht bzw. quer zur Richtung des elektrischen Feldes.
Im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 verläuft der
dritte Bereich 9 des Entladungsraums 5 schräg und im Ausführungsbeispiel
gemäß 3 schräg entgegengesetzt
zur Richtung des elektrischen Feldes, d. h. die Längsrichtung
des dritten Bereichs 9 des Entladungsraums 5 hat
eine Querkomponente zur Richtung des elektrischen Feldes. Bei der
erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß 4 weist
der dritte Bereich 9 des Entladungsraums 5 sowohl
Bereiche auf, die senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes
verlaufen als auch einen Bereich, der entgegengesetzt zur Richtung
des elektrischen Feldes verläuft.
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Durch
die Ausrichtung des dritten Bereichs 9 des Entladungsraums 5 schräg, quer
oder entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden
Netzspannung wird erreicht, daß die
in dem Plasma enthaltenen freien Ladungsträger nicht mehr durchgängig von
der ersten Elektrode 1 zur zweiten Elektrode 2 – oder umgekehrt – beschleunigt werden,
wodurch die Ausbildung eines Netzfolgestroms verhindert wird.
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Zur
Realisierung des Entladungsraums 5 ist auf der der zweiten
Elektrode 2 zugewandten Seite 10 der ersten Elektrode 1 ein
isolierendes oder hochohmiges Material 12 und auf der der
ersten Elektrode 1 zugewandten Seite 11 der zweiten
Elektrode 2 ein isolierendes oder hochohmiges Material 13 aufgebracht.
Wie aus den Figuren ersichtlich, ist dabei das isolierende oder
hochohmige Material 12 und 13 nicht vollflächig auf
der ersten Elektrode 1 bzw. der zweiten Elektrode 2 aufgebracht
sondern es ist jeweils ein Bereich 14 bzw. 15 auf
der ersten Elektrode 1 bzw. der zweiten Elektrode 2 ausgespart,
der nicht mit dem isolierenden oder hochohmigen Material 12 bzw. 13 bedeckt
ist. Dabei sind, wie aus den Figuren unmittelbar erkennbar ist,
die beiden nicht mit dem isolierenden oder hochohmigen Material 12 bzw. 13 bedeckten
Bereiche 14 bzw. 15 der ersten Elektrode 1 bzw.
der zweiten Elektrode 2 versetzt zueinander angeordnet.
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Aus
einem Vergleich der in den 1, 2 und 3 dargestellten
Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung
ist dabei erkennbar, daß durch
eine entsprechende Wahl der Abmessungen des Materials 12, 13 der
Verlauf des Entladungsraums 5 auf einfache Art und Weise
festgelegt werden kann. Weißt
das Material 12, 13 über seine Länge eine konstante Dicke auf,
wie dies bei dem Ausführungsbeispiels
gemäß 1 der
Fall ist, so führt
dies zu einem Bereich 9 des Entladungsraums 5,
der quer bzw. senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes verläuft. Verändert sich
die Dicke des Materials 12, 13 über seine
Länge (2 und 3),
so führt
dies zu einem schräg (2)
oder teilweise entgegengesetzt (3) zur Richtung
des elektrischen Feldes verlaufenden Entladungsraum 5.
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Wie
aus dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 erkennbar
ist, sind durch eine entsprechende Ausgestaltung und Anordnung der
Materialien 12, 13 auf den Elektroden 1, 2 nahezu
beliebige Verläufe des
Entladungsraums 9 realisierbar. Der für den jeweiligen Anwendungsfall
optimale Verlauf des Entladungsraums 5 richtet sich dabei
einerseits nach dem erforderlichen Netzfolgestromlöschvermögen andererseits
nach der Höhe
der gewünschten
Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung. Letztere
kann jedoch auch dadurch bestimmt werden, daß eine geeignete Zündhilfe,
insbesondere eine aktive Zündhilfe,
vorgesehen ist.
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Die Überspannungsschutzeinrichtungen
gemäß den 1 und 5 unterscheiden
sich dadurch voneinander, daß bei
der Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß 1 ein
isolierendes Material 12, 13 auf den Elektroden 1, 2 aufgebracht
ist, während
bei der Überspannungsschutzeinrichtung gemäß 5 ein
hochohmiges aber dennoch leitfähiges
Material 12, 13 verwendet wird. Die Anordnung eines
hochohmigen, aber dennoch leitfähigen
Materials 12, 13 direkt auf der einen Seite 10 der
ersten Elektrode 1 bzw. der einen Seite 11 der
zweiten Elektrode 2 führt
dazu, daß nach
dem eigentlichen Ableitvorgang die in dem Entladungsraum 5 vorhandenen freien
Ladungsträger
durch die anliegende Netzspannung getrennt und – je nach Polarität – von dem Material 12 oder
dem Material 13 "abgesaugt" werden. Durch die
Verringerung der Anzahl der freien Ladungsträger in dem Entladungsraum 5 erhöht sich die
Impedanz des Entladungsraums 5, wodurch auch bei anliegender
Netzspannung das Auftreten eines Netzfolgestroms verhindert wird.
Anstelle eines – im Stand
der Technik bekannten – mechanischen "Ausblasens" des Plasmas bzw.
der freien Ladungsträger erfolgt
hier ein elektrisches "Absaugen" der freien Ladungsträger, wodurch
jedoch ebenfalls der unerwünschte
Netzfolgestrom verhindert und gleichzeitig die Nachteile des bekannten "Ausblasens" vermieden werden.
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In 6 ist
eine weitere Variante einer Uberspannungsschutzeinrichtungen dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
ist zunächst – vergleichbar
mit der Ausführung
gemäß 1 – ein isolierendes
Material 12, 13 auf den Elektroden 1, 2 aufgebracht.
Der Entladungsraum 5 wird jedoch nicht nur durch die Form
des isolierenden Materials 12, 13, sondern in erster
Linie durch zusätzlich
auf dem isolierenden Material 12, 13 aufgebrachtes
hochohmiges Material 17, 18 – vergleichbar mit der Ausführung gemäß 5 – bestimmt.
Das hochohmige Material 17 ist dabei beabstandet vom Bereich 14 mit
der ersten Elektrode 1 und das hochohmige Material 18 beabstandet
vom Bereich 15 mit der zweite Elektrode 2 elektrisch
leitend verbunden. Die beiden Bereiche 19, 20,
in denen die erste Elektrode 1 mit dem hochohmigen Material 17 und
die zweite Elektrode 2 mit dem hochohmigen Material 18 verbunden
ist, sind ebenfalls versetzt zueinander angeordnet.
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Durch
das hochohmige Material 17, 18 wird zunächst erreicht,
daß nach
dem Durchschlag im Entladungsraum 5 sich befindende freie
Ladungsträger "abge saugt" werden. Da das hochohmige
Material 17, 18 durch das isolierende Material 12, 13 von den
Elektroden 1, 2 getrennt ist – mit Ausnahme der Bereiche 19, 20 – fließt durch
das hochohmige Material 17, 18 ein Strom, was
zu einem Spannungsabfall entlang des hochohmigen Materials 17, 18 führt. Durch
diesen Spannungsabfall entlang des hochohmigen Materials 17, 18 entsteht
ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien 6' eine Komponente entgegengesetzt
zur Richtung des Lichtbogens 4 aufweisen. Es entsteht somit
eine Verzerrung des elektrischen Feldes im Entladungsraum 5,
wodurch der "Quercharakter" des Entladungsraums 5 verstärkt wird.
Diese Verstärkung
des "Quercharakters" erfolgt hier jedoch – im Unterschied
zum Ausführungsbeispiel
gemäß 3 – nicht
geometrisch sondern elektrisch.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 ist – entsprechend
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 – ein isolierendes
Material 12, 13 und zusätzlich ein hochohmiges Material 17, 18 auf
den Elektroden 1, 2 aufgebracht. Im Unterschied
zum Ausführungsbeispiel
gemäß 6 ist
jedoch die erste Elektrode 1 im unmittelbarer Nähe zum nicht
mit dem isolierenden Material 12 bedeckten Bereich 14 elektrisch
leitend mit dem hochohmigen Material 17 und die zweite
Elektrode 2 im unmittelbarer Nähe zum Bereich 15 elektrisch
leitend mit dem hochohmigen Material 18 verbunden. Das
hochohmige Material 17 ist somit im unmittelbarer Nähe zum Bereich 14 mit der
ersten Elektrode 1 und das hochohmige Material 18 im
unmittelbarer Nähe
zum Bereich 15 mit der zweite Elektrode 2 elektrisch
leitend verbunden, wobei auch hier die beiden Bereiche 19, 20,
in denen die erste Elektrode 1 mit dem hochohmigen Material 17 bzw.
die zweite Elektrode 2 mit dem hochohmigen Material 18 verbunden
ist, wiederum versetzt zueinander angeordnet sind.
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Durch
das hochohmige Material 17, 18 wird auch hier
zunächst
erreicht, daß nach
dem Durchschlag im Entladungsraum 5 sich befindende freie Ladungsträger "abgesaugt" werden. Dabei fließt wiederum
ein Strom durch das hochohmige Material 17, 18,
was zu einem Spannungsabfall entlang des hochohmigen Materials 17, 18 führt. Das
dadurch verursachte elektrisches Feld weist nun jedoch Feldlinien 6" auf, die eine
Komponente parallel zur Richtung des Lichtbogens 4 aufweisen.
Es entsteht somit ebenfalls eine Verzerrung des elektrischen Feldes
im Entladungsraum 5, wodurch nun jedoch der "Quercharakter" des Entladungsraums 5 verringert
wird.
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Wird
das hochohmige Material 17, 18 so gewählt, daß sich zunächst auch
auf dessen Oberfläche ein
Lichtbogen 4 bilden kann (8), so bewirkt
das elektrisches Feld, das durch den durch das hochohmige Material 17, 18 fließenden Strom
erzeugt wird, das die Fußpunkte
des Lichtbogens 4 zu den Elektroden 1, 2 wandern.
Diese "Wanderung" der Fußpunkte des
Lichtbogens 4 ist durch die Pfeile 21 angedeutet.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß den 6 bis 8 ist
es somit möglich,
gezielt Einfluß auf
die Bewegungsrichtung der nach der Strombelastung zu resorbierenden
Ladungsträger
und der Lichtbogenfußpunkte
zu nehmen. Je nach Lage der Kontaktierung des hochohmige Material 17, 18 mit
den Elektroden 1, 2, d. h. der Lage der Bereiche 19, 20, kann
somit das Netzfolgestromverhalten und das Zündverhalten der Uberspannungsschutzeinrichtung beeinflußt werden.
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Aus
den Figuren ist schließlich
noch erkennbar, daß das
Gehäuse 3,
welches vorzugsweise als metallisches Druckgehäuse ausgebildet ist, ein inneres
Isoliergehäuse 16 aufweist,
wobei bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 bis 4 das isolierende
Material 12, 13 mit dem Isoliergehäuse 16 oder
mit Teilen des Isoliergehäuses 16 verbunden
ist.