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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Schutz eines elektrischen Gerätes gegen Überspannung.
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Derartige Vorrichtungen sind allgemein bekannt.
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Eine derartige, bekannte Vorrichtung hat ein virtuell
festes Sicherheitsspannungsniveau, so daß die im allgemeinen
parallel mit der zu schützenden Einrichtung verbundene
Schutzvorrichtung anspricht, wenn die zugeführte Spannung
das Sicherheitsspannungsniveau der Schutzvorrichtung
überschreitet. Wenn das Sicherheitsspannungsniveau der
Schutzvorrichtung so ausgewählt ist, daß es an den Grenzen
kleiner als die maximal zulässigen Spannungen der während der
Betriebsbedingungen zu schützenden Einrichtung ist, so ist
das zu schützende Gerät ausreichend gegen die sehr oft in
Netzwerken auftretenden hohen Spannungen geschützt. Diese
resultieren aus der Verwendung von Schaltern oder aus dem
Auftreten von Blitzschlägen. Die Testspannungen des zu
schützenden Gerätes (beispielsweise eines Transformators)
stellen im allgemeinen nationale und internationale Normen
zufrieden, die höher sind als die maximal zulässige
Spannung des Netzwerkes, in dem das Gerät verwendet wird.
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In der Praxis wurde herausgefunden, daß trotz dieses auf
den ersten Blick offensichtlich ausreichenden Schutzes, auf
diese Weise geschützte Geräte nichts desto Trotz durch
innere Überspannungsphänomene beeinflußt werden können, die
zu einer Funktionsstörung führen können.
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Forschungen haben gezeigt, daß als Resultat der Resonanz
(ein derartiges Gerät ist oftmals mit reaktiven und
kapazitiven Komponenten eingerichtet) das getestete
Spannungniveau lokal überschritten werden kann, während das
Spannungsniveau an den Terminals des Gerätes und an den
Terminals
der Schutzvorrichtung noch unter dem Sicherheitsniveau
liegen. Bei dieser Forschung wurde ebenfalls
herausgefunden, daß derartige Resonanzspannungen üblicherweise hohe
Frequenzen haben.
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Um elektrische Geräte gegen derartige Phänomene zu
schützen, zeigt US-A-4.095.163 ein Gerät zum Schutze einer
elektrischen Einrichtung gegen Überspannung, bei dem das
Schutzspannungsniveau frequenzabhängig ist aufgrund der
Reihenschaltung eines Kondensators und eines Elementes mit
einer spannungsabhängigen Impedanz.
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Als Resultat der Anwendung eines derartigen
frequenzabhängigen Schutzes, wobei das Sicherheitsspannungsniveau der
Schutzvorrichtung in den Frequenzbereichen verringert wird,
bei denen Resonanz auftritt, ist es möglich, die
Entwicklung von inneren Spannungen in dem Gerät als Resultat von
Resonanz, die Werte erreichen kann, welche das Gerät
schädigen können, zu verhindern.
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Es wird hierbei festgehalten, daß die resonanten Frequenzen
derartiger Phänomene, selbst des gleichen Gerätes, nicht
konstant sind; unter anderen Faktoren hängen sie von der
magnetischen Sättigung der Eisenschaltkreise, welche einen
Teil der im Inneren des Gerätes vorliegenden
Selbstinduktionen bilden, von der Schaltkreiskonfiguration der
innerhalb des Gerätes angeordneten Elemente und von der
bestehenden Netzwerkkonfiguration ab.
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Allgemein gesprochen ist die Frequenz eines derartigen
Phänomens größer als die Netzwerkfrequenz, so daß es im
Falle von Frequenzen, die von der Netzwerkfrequenz
abweichen, ein geringeres Sicherheitsniveau ausgewählt wird, um
einfach ein derartiges Phänomen auffangen zu können.
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In diesem aus der US-A-4.095.163 bekannten Schaltkreis wird
dem Einfluß der Netzwerkkonfiguration (und auch nicht der
Impedanz des zu schützenden Gerätes) Rechnung getragen,
wobei die Impedanzen hauptsächlich einen induktiven
Charakter aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, den Einfluß der
Impedanz des Gerätes und des Netzwerkes zu reduzieren.
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Demgemäß liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zum Schutz eines elektrischen Gerätes, mit einer
Reihenschaltung zweier Elemente mit einer spannungsabhängigen
Impedanz und einem Kondensator, der parallel mit einem der
Elemente, wie dies in Anspruch 1 ausgeführt ist,
schaltungsmäßig verbunden ist.
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In dem mehrere Freiheitsgrade bei der Dimensionierung zur
Verfügung gestellt werden, kann die Impedanz (Induktivität)
des Netzwerkes und des zu schützenden Gerätes
berücksichtigt werden, wobei deren Einfluß reduziert wird.
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FR-A-2097418 offenbart eine Schaltung zum Schutz eines
elektrischen Gerätes gegen Überspannung, mit einer
Vorrichtung mit zwei Hauptelektroden und einer Hilfselektrode, der
die Spannung über einen Resonanzkreis zugeführt wird. Diese
Konfiguration, bei der die Hilfselektrode die Zündung
einleitet, wird zur Minderung der Verzerrung zwischen den
Elektroden verwendet. Desweiteren findet die Resonanz in
dem Resonanzkreis bei der Netzwerkfrequenz statt um
gegenüber Überspannung in der Netzwerkfrequenz zu schützen. Die
folgende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 ein Diagramm eines bekannten klassischen
Schutzschaltkreises;
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Fig. 2 ein Diagramm eines anderen bekannten
Schutzschaltkreises;
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Fig. 3 ein Diagramm eines ersten Schutzschaltkreises
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 4 ein Diagramm eines zweiten Schutzschaltkreises
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 5 einen Graphen zur Erläuterung der Erfindung und
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Fig. 6 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Form ein durch eine
Spannungsquelle 2 und eine Impedanz 3 repräsentiertes Netzwerk
1. Dieses Netzwerk ist mittels einer
Spannungsversorgungsleitung mit einem Transformator 4 verbunden. Um den
Transformator 4 gegen eine vom Netzwerk 1 stammende Überspannung
zu schützen ist eine Überspannungsschutzschaltung 6
zwischen dem Netzwerk 1 und dem Transformator 4 angeordnet.
Diese bekannte Überspannungsschutzschaltung 6 ist durch
einen spannungsabhängigen Widerstand, in diesem Falle einen
Varistor 7, gebildet. Dieser Varistor 7 ist derart
dimensioniert, daß er bei Überschreiten seines
Sicherheitsspannungsniveaus zu leiten beginnt, so daß ein das
Sicherheitsspannungsniveau des Transformators 4 überschreitender
Spannungspeak über den Varistor 7 zur Erde abgeleitet wird.
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Die Grenzen dieser Schaltung wurden in der Einleitung
diskutiert.
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Um diese Probleme zu vermeiden, wurde ein
frequenzabhängiger Überspannungsschutz im Stand der Technik
vorgesehen, dessen Ausführungsbeispiel in Fig. 2 gezeigt
ist. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel der
Überspannungsschutzschaltung 8 ist in diesem Falle wieder zwischen
einem durch die Kombination einer Spannungsquelle 2 und
einer Impedanz 3 repräsentierten Netzwerk 1 und einen
Transformator schaltungsmäßig verbunden.
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Diese Überspannungsschutzschaltung 8 ist durch eine
Reihenschaltung eines Kondensators 9 und eines Varistors 10
ausgebildet,
die zwischen die Spannungsversorgungsleitung 5
und Erde geschaltet sind.
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Der Kondensator 9 und der Varistor 10 sind derart
dimensioniert, daß der Betrieb dieser Überspannungsschutzschaltung
8 im Falle einer Netzwerkfrequenz der gleiche ist wie der
einer bekannten Überspannungsschutzschaltung 6 gemäß Fig.
1. Bei höheren Frequenzen wird jedoch die Impedanz des
Kondensators 9 abnehmen, so daß die Spannung über dem
Varistor 10 größer wird. Dies hat zur Folge, daß das
Sicherheitsspannungsniveau des Varistors 10 schon bei einer
geringeren Arbeitsspannung erreicht wird als im Falle der
Netzwerkfrequenz. In dieser Schaltung wird der Impedanz 3
des Netzwerkes (und dem zu schützenden Gerät) keine
Rechnung getragen, wobei die Impedanz im allgemeinen einen
induktiven Charakter hat. Diese Impedanz wird dazu neigen,
die erforderliche frequenzabhängige Natur der Schaltung zu
zerstören.
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Die in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Schaltung zielt
darauf ab, den Einfluß der Netzwerkimpedanz bei Betrieb der
Schaltung zu verringern. Diese Schaltung umfaßt zwei in
Reihe geschaltete Varistoren 10, 11, wobei ein Kondensator
9 parallel zu dem Varistor 11 geschaltet ist. Bei der
Dimensionierung dieser Schaltung wurde die Impedanz
(Induktanz) des Netzwerkes berücksichtigt, so daß die gewünschte
Charakteristik angenähert werden kann. Die Varistoren 10
und 11 stellen einen Schutz bei normalen Netzwerkfrequenzen
sicher, wobei sich im Falle höherer Frequenzen als Folge
des Kondensators 9 die Spannung über dem Varistor 10
erhöht, so daß dieses Element dann alleine den Schutz
übernimmt. Der Betrieb dieser Schaltung ist jedoch immer noch
bis zu einem gewissen Grade abhängig von der (variablen)
Impedanz des Netzwerkes und dem zu schützenden Gerät.
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Fig. 4 zeigt eine zweite erfindungsgemäße
Überspannungsschutzschaltung. Diese Überspannungsschutzschaltung 12 ist
wieder zwischen einem Netzwerk 1 und einem Transformator 4
schaltungsmäßig verbunden. Die Überspannungsschutzschaltung
12 ist durch eine Reihenverbindung eines Kondensators 13
und einer Induktanz bzw. Induktivität l4, ausgebildet. Ein
Varistor 15 bzw. 16 ist parallel mit dem Kondensator 13 wie
auch mit der Induktanz bzw. Induktivität 14 verbunden. In
dieser Schaltung ist der Einfluß der Impedanz des
Netzwerkes und des zu schützenden Gerätes tatsächlich eliminiert,
da diese Impedanzen im Verhältnis zu der Induktanz bzw.
Induktivität 14 klein sind.
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Der Betrieb dieser Schaltung basiert gleichfalls auf der
Tatsache, daß die Spannung über dem Kondensator mit der
Frequenz abnimmt und ebenfalls auf der Tatsache, daß die
Spannung über der Induktivität mit der Frequenz zunimmt.
Indem eine geeignete Auswahl der relevanten Varistoren
getroffen wird, wird das Sicherheitsspannungsniveau der
Schutzvorrichtung fixiert. Sicherlich muß hier der Tatsache
Beachtung geschenkt werden, daß das
Sicherheitsspannungsniveau in der Netzwerkfrequenz dem
Sicherheitsspannungsniveau der in Fig. 1 gezeigten Schaltung entspricht.
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Durch Verwendung beispielsweise eines Schalters ist es
ebenso möglich das Sicherheitsspannungsniveau einstellbar
zu gestalten. Das Sicherheitsspannungsniveau kann auf diese
Weise auf den in dieser Situation geeignetsten Wert
eingestellt werden wenn die Schutzschaltung installiert ist.
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Diese Schaltung hat den weiteren Vorteil gegenüber den in
Fig. 3 gezeigten Schaltungen, das aufgrund der größeren
Anzahl an Komponenten die Anzahl an Freiheitsgraden bei der
Wahl der gewünschten Frequenzcharakteristik größer ist.
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Sicherlich muß hier der Tatsache Rechnung getragen werden,
daß es keine vollkommen freie Wahl der Werte für den
Kondensator und die Induktivität gibt, da der
Blindleistungseingang und -ausgang dieser Schaltung berücksichtigt werden
müssen. Die niedrigst mögliche Resonanzfrequnez der
Reihenschaltung
des Kondensators und der Induktivität können
ausgewählt werden, so daß das Sicherheitsspannungsniveau
steil über die Netzwerkfrequenz fällt.
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Fig. 5 zeigt einen Graphen der Admittanz der Schaltung
gemäß Fig. 4, wobei Y = Admittanz, f = Frequenz und f&sub0; =
Resonanzfrequenz der L-C Reihenschaltung.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der in Fig. 4 gezeigten
Überspannungsschutzschaltung. Diese
Überspannungsschutzschaltung wird durch ein auf einem Metallfuß 17
angeordnetes Isolationsgehäuse ausgebildet, wobei das Gehäuse an
seiner Spitze mit einer Metallabdeckung 19 abgeschlossen
ist. Zwei jeweils von einem Isolationsgehäuse 20 umgebene
säulenförmige Räume 21, 22 sind in dem Gehäuse angeordnet.
Unterhalb jeder dieser Säulen 21, 22 ist eine mit einem
Gehäuse versehene Spiralfeder 23 montiert. Auf einer der
Spiralfedern 23 in der Säule 21 ist eine Spule 24
befestigt, welche die Induktanz bzw. Induktivität 14
repräsentiert. Eine Aufeinanderfolge von in Reihe miteinander
verbundener Kondensatoren 25 sind oberhalb der Spule 24
angeordnet. Diese Kondensatoren repräsentieren die Kapazität
13.
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Ein Stapel an Varistoren 26 ist in der anderen Säule 22
oberhalb der anderen Spiralfeder 23 angeordnet eingepaßt.
Dieser Stapel an Varistoren 26 repräsentiert den Varistor
16. Ein zweiter Stapel an Varistoren 27 ist oberhalb des
Stapels an Varistoren 26 angeordnet. Dieser zweite Stapel
an Varistoren repräsentiert den Varistor 15.
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Zwischen Spule 24 und dem Stapel an Kondensatoren 25 und
zwischen den zwei Stapeln an Varistoren 26, 27 ist eine
Leiterplatte 30 angeordnet, welche die Querverbindung 31 in
Fig. 4 repräsentiert. Oberhalb des zweiten Stapels an
Varistoren 27, wie auch oberhalb des Stapels an Kondensatoren
25 ist wieder eine Spiralfeder 28 montiert. Spiralfedern 28
und 23 halten die Stapel an Varistoren, Kondensatoren und
die Spule zurück und fixieren sie in ihrer korrekten
Position. Die Spiralfedern dienen außerdem als Leiter, so daß
die Unterseite des relevanten Stapels mit dem Fuß 17
verbunden ist und das obere Ende mit der Abdeckung 19. Oben
auf der Abdeckung 19 ist eine Verbindung 29 angeordnet.
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Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung muß selbstverständlich
nicht in dieser Weise ausgeführt sein; viele andere
Ausführungsformen sind möglich.