EP1423894B1

EP1423894B1 - Überspannungsschutzeinrichtung

Info

Publication number: EP1423894B1
Application number: EP02797632A
Authority: EP
Inventors: Rainer Durth; Martin Wetter; Joachim Wosgien
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2001-09-02
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: US20080084646A1; ATE361567T1; WO2003021735A1; CN1552117A; EP1423894A1; CN1552117B; ES2282511T3; WO2003021735A8; DE50210082D1; US7545619B2; US7324319B2; US20040246646A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode und mit einer zwischen den beiden Elektroden existenten bzw. wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht.
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.
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 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.
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.
Eingangs ist ausgeführt worden, daß die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung 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 Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt.
Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrekke haben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen 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 Überspannungsschutzeinrichtungen 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. die deutschen Offenlegungsschriften 4141 681 oder 44 02 615).
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.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 198 03 636 ist ebenfalls 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, 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 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, Hauptfunkenstrecke genannt, anspricht. Das Ansprechen der Zündfunkenstrecke 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, also die Hauptfunkenstrecke, anspricht.
Bei den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzeinrichtungen mit Zündhilfen führen die Zündhilfen zu einer verbesserten, nämlich niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung.
Bei Überspannungsschutzeinrichtungen der in Rede stehenden Art - mit oder ohne Verwendung einer Zündhilfe - entsteht beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke durch den entstehenden Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Über diese niederimpedante Verbindung 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.
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 deutschen Offenlegungsschrift 44 02 615 bekannt ist, realisiert. Die aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 02 615 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.
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.
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 Bereich der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, ist jedoch noch fast vollständig mit Plasma gefüllt. Durch das vorhandene Plasma ist jedoch die Ansprechspannung zwischen den beiden Elektroden derart herabgesetzt, daß es bereits bei anliegender Betriebsspannung zu einem erneuten Zünden der Luft-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.
Um ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzeinrichtung, d. h. der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, zu verhindern, sind bisher verschiedene Maßnahmen getroffen worden, um die ionisierte Gaswolke von den Zündelektroden wegzutreiben oder abzukürzen. Hierzu sind konstruktiv aufwendige Labyrinthe und Kühlkörper verwendet worden, wodurch sich die Herstellung der Überspannungsschutzeinrichtung verteuert.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 10040632 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, bei der ein erneutes Ansprechen der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke nach dem Ableitvorgang wirkungsvoll verhindert wird, die gleichwohl konstruktiv einfach realisiert werden kann. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung handelt es sich um eine solche mit einer Hauptfunkenstrecke, mit einer die Hauptfunkenstrecke zündenden Nebenfunkenstrecke und mit einem die Hauptfunkenstrecke und die Nebenfunkenstrecke aufnehmenden Gehäuse, wobei die Hauptfunkenstrecke eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine zwischen den Hauptelektroden existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist und beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ein Lichtbogen zwischen der ersten Hauptelektrode und der zweiten Hauptelektrode entsteht, wobei die Nebenfunkenstrecke eine erste Nebenelektrode, eine zweite Nebenelektrode und eine zwischen den Nebenelektroden existente bzw. wirksame zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist und ein Zünden der zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zu einem Zünden der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke führt und wobei die zweite Nebenelektrode über mindestens eine Impedanz, direkt oder indirekt, mit der zweiten Hauptelektrode verbunden ist.
Aus der US Patentschrift US 5,436,608 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der die Ansprechspannung bzw. Zündspannung mittels der geometrischen Abmessung eines Silizium-Chips voreingestellt wird. Die Zündspannung wird durch die Höhe eines Vorsprungs am Silizium-Chip, wobei der Vorsprung isoliert zwischen einer Elektrode und dem Silizium-Chip angeordnet ist. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die Ansprechspannung durch die präzise Ausbildung der Höhe des Vorsprungs bereitgestellt wird. Dies setzt eine hohe Präzision bei der Herstellung voraus, eine nachträgliche Veränderung der Ansprechspannung ist nicht möglich. Des Weiteren kann die für diese Anordnung notwendige Isolationsschicht bei einer Ableitung einer Überspannung beschädigt oder zerstört werden, wodurch die Überspannungsschutzeinrichtung in ihrer Ansprechspannung derart verändert würde, dass sie nicht mehr funktionstüchtig wäre.
Aus Patent Abstracts of Japan JP 09266052 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, die aus zwei besonders geformten gegenüberliegenden Elektroden besteht, bei der zwischen den Elektroden eine kapazitive Impedanz, insbesondere ein Kondensator und ein Widerstand, geschaltet. Diese Anordnung kann jedoch nur kleinere Überspannungen ableiten, bei noch kein Funken zwischen den gegenüberliegenden Elektroden entsteht. Zur Zündung der Funkenstrecke zwischen den gegenüberliegenden Elektroden muss die Zündspannung der Funkenstrecke erreicht bzw. überschritten sein.
Aus der deutschen Patentschrift DE 19510181 C1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, bei der eine erste Funkenstrecke zur Zündung des Überschlags an der zweiten, also der Hauptfunkenstrecke, dient. Hierbei wird die Ansprechspannung der ersten Funkenstrecke durch den Elektrodenabstand der ersten Funkenstrecke und einer daran in Reihe geschalteten Impedanz eingestellt. Auch bei dieser Anordnung ist eine präzise Dimensionierung des Elektrodenabstandes der ersten Funkenstrecke zur Einstellung der Zündspannung notwendig.
Aus französischen Patentschrift FR 1105378 A ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, die eine Hauptfunkenstrecke und eine parallel dazu angeordnete Nebenfunkenstrecke mit einer Kapazität enthält. An der Nebenfunkenstrecke ist eine Kapazität angeschlossen, wobei die geometrische Anordnung derart gestaltet ist, dass eine gezündete Nebenfunkenstrecke nicht die Hauptfunkenstrecke zündet. Hier ist die Nebenfunkenstrecke zur Ableitung kleinerer Überspannungen bestimmt, wobei die Hauptfunkenstrecke erst beim Auftreten einer größeren Überspannung ohne Zündhilfe selbständig zündet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art in besonders einfacher Weise mit einer besonders einfach wirkenden Zündhilfe zu versehen.
Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung, bei der die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines Zündelements vorgesehen ist.
Damit ist eine völlig neue Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Zündhilfe bzw. eine völlig neue Zündhilfe in einer Überspannungsschutzeinrichtung realisiert, wie sich aus der folgenden Funktionsbeschreibung ergibt:
Das Spannungsschaltelement ist so gewählt bzw. dimensioniert, daß es bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird, also "schaltet". Als Spannungsschaltelement kann ein Varistor, eine Surpressordiode oder ein gasgefüllter Spannungsableiter vorgesehen sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, als Spannungsschaltelement eine Kombination eines Varistors und einer Surpressordiode, eine Kombination eines Varistors und eines gasgefüllten Überspannungsableiters, eine Kombination einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters oder Kombination eines Varistors, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters vorzusehen. Für das Zündelement gilt, daß es aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und lichtbogenbeständig sein muß; außerdem muß sichergestellt sein, daß das Zündelement nicht mit der ihm zugeordneten Elektrode, also mit der Elektrode, mit der es in elektrisch leitendem Kontakt steht, verschweißen oder verschmelzen kann. Vorzugsweise besteht das Zündelement oder / und die dem Zündelement zugeordnete Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, aus einem nicht verschweißenden metallischen Material oder / und aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff. Im übrigen ist vorzugsweise dafür gesorgt, daß zwischen dem Zündelement und der dem Zündelement zugeordneten Elektrode dauerhaft ein Übergangswiderstand gegeben ist.
Tritt an der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 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 erste Elektrode - Spannungsschaltelement - Zündelement - zweite Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt; Überspannungen mit geringem Energiegehalt werden also über die zuvor beschriebene Reihenschaltung abgeleitet. Wenn der Energiegehalt der an der Überspannungsschutzeinrichtung anstehenden Überspannung größer ist, fließt ein entsprechend größerer Strom. Dieser Strom führt an der Kontaktstelle zwischen dem Zündelement und der zugeordneten Elektrode wegen des hohen Übergangswiderstandes an der Kontaktstelle zu Entladungen, die zu einer Vorionisierung des Kontaktbereiches führen, so daß sich ein Lichtbogen ausbildet, der die Kontaktstelle überbrückt. Wegen des nicht unerheblichen Widerstands des Zündelements wandert der Lichtbogen am Zündelement, um dessen Widerstand zu überbrücken. Dieser Mechanismus führt dann dazu, daß die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden zündet, also zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht.
Erfindungsgemäß ist also eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Zündhilfe entstanden, bei der auf einfache Weise die Ansprechspannung in weiten Grenzen mit geringen Toleranzen eingestellt werden kann, nämlich durch die Auswahl bzw. Dimensionierung des Spannungsschaltelements. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß die Zündhilfe bei der erfindungsgemäßen Überspannungseinrichtung unempfindlich ist gegen mechanische und thermische Beanspruchungen und direkt im Inneren der durch die beiden Elektroden gebildeten Funkenstrecke eingesetzt werden kann. Von Bedeutung ist ferner, daß bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung eine "passive Zündhilfe" realisiert worden ist, es also eines zusätzlichen Zündkreises - mit einer Zündimpulserzeugung - nicht bedarf.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung und
Fig. 2: eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung nur hinsichtlich ihres prinzipiellen Aufbaus dargestellt. Zu den dargestellten Überspannungsschutzeinrichtungen gehören jeweils eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2 und eine zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3. Für die erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtungen gilt, wie für die Überspannungsschutzeinrichtungen, von denen die Erfindung ausgeht, daß beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein - nicht dargestellter - Lichtbogen entsteht.
Erfindungsgemäß ist an die beiden Elektroden 1 und 2 die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements 4 und eines Zündelements 5 angeschlossen.
In den Fig. 1 und 2 ist das Spannungsschaltelement 4 nur schematisch dargestellt. Als Spannungsschaltelement 4, mit dem die Ansprechspannung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung vorgegeben wird, kann ein Varistor, eine Surpressordiode oder gasgefüllter Überspannungsableiter vorgesehen sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, als Spannungsschaltelement 4 eine Kombination eines Varistors und einer Surpressordiode, eine Kombination eines Varistors und eines gasgefüllten Überspannungsableiters, eine Kombination einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters oder eine Kombination eines Varistors, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters vorzusehen.
Wie das Spannungsschaltelement 4, so ist in den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Überspannungsschutzeinrichtungen auch das Zündelement 5 nur schematisch dargestellt. Das Zündelement 5 besteht aus einem Material, das elektrisch leitfähig und lichtbogenbeständig ist. Darüber hinaus muß sichergestellt sein, daß das Zündelement 5 an der Kontaktstelle 6 zur Elektrode 2 mit der Elektrode 2 nicht verschweißen kann. Vorzugsweise besteht das Zündelement 5 oder / und die dem Zündelement 5 zugeordnete Elektrode 2 aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, aus einem nicht verschweißenden metallischen Material oder / und aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff.
Im übrigen ist zwischen dem Zündelement 5 und der dem Zündelement 5 zugeordneten Elektrode 2 dauerhaft ein Übergangswiderstand gegeben; die Kontaktstelle 6 hat also dauerhaft einen Übergangswiderstand. Dieser Übergangswiderstand kann durch eine geeignete Wahl der elektrischen Leitfähigkeit der Materialien des Zündelements 5 oder / und der dem Zündelement 5 zugeordneten Elektrode 2 realisiert sein, vorzugsweise durch eine geeignete Wahl des Materials des Zündelements 5. Der an der Kontaktstelle 6 dauerhaft gegebene Übergangswiderstand kann statt durch eine geeignete Wahl der elektrischen Leitfähigkeiten der Materialien des Zündelements 5 oder / und der Zündelement 5 zugeordneten Elektrode 2 oder zusätzlich durch eine geeignete geometrische Ausbildung des Zündelements 5 an der Kontaktstelle 6 zur zugeordneten Elektrode 2 oder / und durch eine geeignete geometrische Ausbildung der Elektrode 2 an der Kontaktstelle 6 zum Zündelement 5 realisiert sein, vorzugsweise durch eine geringe Kontaktfläche.
Die Kontaktstelle 6 zwischen dem Zündelement 5 und der zugeordneten Elektrode 2 hat besonders dann eine geringe Kontaktfläche, wenn das Zündelement 5 an seinem der Elektrode 2 zugeordneten Ende schneidenförmig oder punktförmig und die Elektrode 2 an ihrer dem Zündelement 5 zugewandten Seite konvex ausgebildet ist. Bei der geometrischen Realisierung der Kontaktstelle 6 zwischen dem Zündelement 5 und der Elektrode 2 ist jedoch darauf zu achten, daß der sich an die Kontaktstelle 6 anschließende Luftspalt zwischen dem Zündelement 5 und der Elektrode 2 erfindungsgemäß in elektrischer Hinsicht zwei Kriterien genügen muß. Einerseits muß der Luftspalt so groß sein, daß bei einer Überspannung mit geringem Energiegehalt der Ableitstrom nur über die Kontaktstelle 6 fließt, also der die Kontaktstelle 6 umgebende Kontaktbereich noch keine Vorionisierung erfährt. Andererseits muß der Luftspalt so klein sein, daß dann, wenn der Energiegehalt der Überspannung größer ist, der fließende Strom zu einer Vorionisierung des die Kontaktstelle 6 umgebenden Kontaktbereiches führt. Eine Lösung, die beiden Kriterien gerecht wird, ist bei den dargestellten Ausführungsbeispielen realisiert. Dabei ist das der Elektrode 2 zugewandte Ende des Zündelements 5 kegelförmig-konvex und die dem Zündelement 5 zugewandte Seite der Elektrode 2 kegelförmig-konkav ausgeführt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen insoweit bevorzugte Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Überspannungsschutzeinrichtungen, als der Kontaktdruck zwischen dem Zündelement 5 und der zugeordneten Elektrode 2 einstellbar ist. In den Ausführungsbeispielen ist das durch eine auf das Zündelement 5 einwirkende Druckfeder 7 realisiert; mit Druckfedern 7 unterschiedlicher Federarten können unterschiedliche Kontaktdrücke realisiert werden. Es besteht aber auch die in den Figuren nicht dargestellte Möglichkeit, den Kontaktdruck zwischen dem Zündelement 5 und der zugeordneten Elektrode 2 durch ein mechanisch reversibel deformierbares Material des Zündelements 5 oder / und mindestens einer Elektrode, vorzugsweise der dem Zündelement 5 zugeordneten Elektrode 2, einstellbar zu machen.
Weiter oben ist ausgeführt, daß bei den erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtungen zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements 4 und eines Zündelements 5 vorgesehen ist. Das ist elektrisch, nicht unbedingt mechanisch bzw. räumlich bzw. geometrisch gemeint.
In dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, das in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, sind sowohl das Spannungsschaltelement 4 als auch das Zündelement 5 räumlich zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorgesehen. Demgegenüber zeigt die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Spannungsschaltelement 4 räumlich außerhalb des Bereiches zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorgesehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das räumlich außerhalb des Bereiches zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorgesehene Spannungsschaltelement 4 einerseits über ein äußeres Verbindungselement 8 mit der Elektrode 1 und andererseits über einen Verbindungsstift 9 mit der - elektrisch leitenden - Druckfeder 7 und damit mit dem Zündelement 5 verbunden.

Claims

Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode und mit einer zwischen beiden Elektroden existenten bzw. wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Elektroden (1, 2) die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements (4) und eines Zündelements (5) angeschlossen ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsschaltelement (4) ein Varistor, eine Surpressordiode oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter oder eine Kombination eines Varistors und einer Surpressordiode, eines Varistors und eines gasgefüllten Überspannungsableiters, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters oder eines Varistors, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters vorgesehen ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (5) oder / und die dem Zündelement (5) zugeordnete Elektrode (2) aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, aus einem nicht verschweißenden metallischen Material oder / und aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff besteht.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zündelement (5) und der dem Zündelement (5) zugeordneten Elektrode (2) dauerhaft ein Übergangswiderstand gegeben ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Übergangswiderstand zwischen dem Zündelement (5) und der dem Zündelement (5) zugeordneten Elektrode (2) durch eine geeignete Wahl der elektrischen Leitfähigkeiten der Materialien des Zündelements (5) oder / und der dem Zündelement (5) zugeordneten Elektrode (2), vorzugsweise durch eine geeignete Wahl des Materials des Zündelements (5) realisiert ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Übergangswiderstand zwischen dem Zündelement (5) und der dem Zündelement (5) zugeordneten Elektrode (2) durch eine geeignete geometrische Ausbildung des Zündelements (5) an der Kontaktstelle (6) zur zugeordneten Elektrode (2) oder / und durch eine geeignete geometrische Ausbildung der Elektrode (2) an der Kontaktstelle (6) zum Zündelement (5) realisiert ist, vorzugsweise durch eine geringe Kontaktfläche.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdruck zwischen dem Zündelement (5) und der zugeordneten Elektrode (2) einstellbar ist, z. B. durch eine auf das Zündelement (5) einwirkende Druckfeder (7) oder / und durch ein mechanisch reversibel deformierbares Material des Zündelements (5) oder / und mindestens einer Elektrode, vorzugsweise der dem Zündelement (5) zugeordneten Elektrode (2).
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsschaltelement (4) und das Zündelement (5) räumlich zwischen den beiden Elektroden (1, 2) vorgesehen sind.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsschaltelement (4) räumlich außerhalb des Bereiches zwischen den beiden Elektroden (1, 2) vorgesehen ist.