[0001] Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zum Ableiten von transienten
Überspannungen, mit mindestens zwei Elektroden, mit mindestens einem zwischen den
Elektroden angeordneten Zündelement aus isolierendem Material und mit einer zwischen
den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Daneben betrifft die Erfindung
noch ein Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement.
[0002] 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. Überspannungen können in erheblichem Umfang elektrische und elektronische
Geräte und Anlagen zerstören. Die Schäden begrenzen sich dabei nicht nur auf industrielle
und gewerblichen Anlagen. Auch die Gebäudetechnik, bishin zu den Geräten des täglichen
Gebrauchs im privaten Haushalt, wie Küchengeräte, Telefonanlage, Fernsehgeräte und
Hifi-Anlagen sowie Computer sind betroffen. Ohne wirkungsvolle Schutzmaßnahmen gegen
Überspannungen sind mit hohe Kosten für Reparatur oder Neuanschaffung der betroffenen
Anlagen und Geräte zu rechnen.
[0003] 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 elektronische
Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen
und -anlagen, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu
schützen, sind Überspannungsschutzelement bzw. Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt
worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
[0004] Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsschutzelementen 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.
[0005] Eingangs ist ausgeführt worden, daß das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement
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 Überspannungsschutzelementen
mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzelemente mit einer
Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt.
[0006] Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber
Überspannungsschutzelementen 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 Überspannungsschutzelemente
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. DE 41 41 681 A1, DE 42 44 051 A1 oder DE
44 02 615 A1).
[0007] Die bei den bekannten Überspannungsschutzelementen 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.
[0008] Aus der deutschen Offenlegungsschrift 198 03 636 ist ein Überspannungsschutzelement
bzw. 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 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 anspricht. Das Ansprechen der Zündfunkenstrekke
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 anspricht.
[0009] Bei den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzelementen
mit Zündhilfen führen die Zündhilfen zu einer verbesserten, nämlich niedrigeren und
konstanteren Ansprechspannung. Nachteilig bei einer aktiven Zündhilfe ist jedoch,
daß ein zusätzlicher Zündkreis mit einem Zündschaltelement erforderlich ist, um ein
Ansprechen der Zündfunkenstrecke zu realisieren. Dabei besteht die Gefahr, daß die
Zündfunkenstrekke bzw. der Zündkreis mit dem Zündschaltelement durch den Blitzstrom
oder den zumeist auftretenden Netzfolgestrom zerstört werden.
[0010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Überspannungsschutzelement der
eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, bei dem auf besonders einfache
und effektive Art und Weise eine relativ niedrige und möglichst konstante Ansprechspannung
gewährleistet werden kann. Das dazu verwendete Zündelement soll dabei möglichst einfach
und damit kostengünstig hergestellt werden können.
[0011] Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe
gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement
so angeordnet und ausgebildet ist, daß zwischen den beiden Elektroden ein Bereich
geschwächter Isolation (Zündbereich) vorgesehen ist und daß beim Anliegen einer Spannung
an dem Zündelement eine Entladung an der Oberfläche des Zündelements zu einer leitfähigen
Verbindung zwischen den beiden Elektroden führt, wobei die leitfähige Verbindung eine
geringe Stromtragfähigkeit aufweist.
[0012] Damit ist ein völlig neues Überspannungsschutzelement mit einem Zündelement bzw.
ein völlig neues Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement realisiert,
wie sich aus der folgenden Funktionsbeschreibung ergibt:
[0013] Das Zündelement ist so gewählt bzw. dimensioniert, daß beim Anliegen einer Spannung,
die größer als die Ansprechspannung des Überspannungsschutzelements ist, eine Gleitentladung
an der Oberfläche des Zündelements auftritt, die zu einer leitfähigen Verbindung zwischen
den beiden - an dem Zündelement angrenzenden - Elektroden führt. Bei einer Belastung
dieser leitfähigen Verbindung mit einem Ableitstrom kommt es dann aufgrund der geringen
Stromtragfähigkeit der leitenden Verbindung zu einem "Aufbrennen" der leitenden Verbindung.
Durch dieses "Aufbrennen" wird der Zündbereich ionisiert, so daß es - schlagartig
- zu einem Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden
kommt.
[0014] Durch die gewollt auftretende leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden
der Luft-Durschlag-Funkenstrecke unterscheidet sich das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement
wesentlich von den bekannten Überspannungsschutzelementen. Aus dem Stand der Technik
(vgl. 198 56 939 A1) ist es zwar bekannt, zwischen den beiden Elektroden ein Element
aus isolierendem Material anzuordnen, dieses Element besteht jedoch entsprechend seiner
Funktion als Dienstanzhalter aus einem Isolierstoff, der auch bei einem anstehenden
Lichtbogen die gewollte Isolation zwischen den beiden Elektroden dauerhaft gewährleistet.
Aus der DE 42 44 051 A1 ist zwar ebenfalls ein Überspannungsschutzelement bekannt,
bei dem zwischen den beiden Elektroden ein Zündelement aus isolierendem Material angeordnet
ist, bei diesem bekannten Überspannungsschutzelement erfolgt die Zündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
jedoch nur dadurch, daß an dem Zündelement eine Gleitentladung auftritt. Bei dem bekannten
Überspannungsschutzelement wird durch die Anordnung des Zündelements zwischen den
beiden Elektroden somit eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke realisiert; eine
leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden über das Zündelement ist dagegen
nicht vorgesehen.
[0015] Die zuvor beschriebene Anordnung und Ausbildung des Zündelements kann vorzugsweise
dadurch erfolgen, daß der Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) durch eine
Aussparung im Zündelement realisiert ist. Bei dieser Aussparung kann es sich beispielsweise
einfach um ein in dem Zündelement eingebrachtes Loch handeln, wobei dann der Zündbereich
vollständig von dem Zündelement umgeben ist. Daneben ist es jedoch auch möglich den
Zündbereich randseitig in dem Zündelement auszubilden.
[0016] Als Material für das Zündelement kann vorzugsweise ein Kunststoff mit einem relativ
niedrigen CTI-Wert (Comperative Trecking Index) verwendet werden. Durch die Verwendung
eines Kunststoffes mit einem niedrigen CTI-Wert - und damit mit einer niedrigen Kriechstromfestigkeit
- wird die gewollte Ausbildung der leitfähigen Verbindung an der Oberfläche des Zündelements
gefördert. Im Unterschied dazu werden bei bekannten Überspannungsschutzelementen für
die zwischen den Elektroden angeordneten Distanzhalter Kunststoffe, beispielsweise
POM, mit einem möglichst hohen CTI-Wert verwendet.
[0017] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Zündelement
so angeordnet und ausgebildet, daß beim Anstehen eines Lichtbogens zwischen den Elektroden
eine Verkohlung der Oberfläche des Zündelements auftritt. Dadurch wird erreicht, daß
bei einem erneuten Auftreten einer Überspannung die Anfangsbedingungen einer leitfähigen,
gering stromtragfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden an der Oberfläche
des Zündelements erneut vorliegen, so daß es wieder zu einer Initialzündung der Luft-Durschlag-Funkenstrecke
und zu einem "Aufbrennen" der leitenden Verbindung und somit zu einer Ionisierung
des Zündbereichs kommt. Dadurch wird ein Überspannungsschutzelement zur Verfügung
gestellt, welches auch bei mehreren, zeitlich nacheinander auftretenden Überspannungen
ein konstantes Ansprechverhalten mit einer niedrigen Ansprechspannung aufweist.
[0018] Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements
beim ersten Anliegen einer Überspannung ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
auf der Oberfläche des Zündelements eine leitfähige, gering stromtragfähige Beschichtung
aufgebracht. Dadurch wird eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden
gewährleistet, die unabhängig von der durch die Entladung an der Oberfläche des Zündelements
auftretenden Verkohlung ist. Die Beschichtung kann dabei beispielsweise durch eine
chemische, thermische oder elektrothermische Verkohlung der Oberfläche des Zündelements
bei der Herstellung des Überspannungsschutzelements realisiert werden.
[0019] Da bei dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement eine
leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden realisiert ist bzw. beim Anlegen
einer Überspannung durch Entladung an der Oberfläche des Zündelements realisiert wird,
ist dem Überspannungsschutzelement vorteilhafterweise ein Spannungsschaltelement in
Reihe geschaltet. Ein Spannungsschaltelement kann dabei insbesondere ein gasgefüllter
Überspannungsableiter, ein Varistor oder eine Suppressordiode vorgesehen sein. Durch
das zusätzlich in Reihe geschaltete Spannungsschaltelement wird dabei verhindert,
daß über das Überspannungsschutzelement im Normalfall, d. h. wenn keine Überspannung
anliegt, ein Strom fließt. Bei einer derartigen Überspannungsschutzeinrichtung, die
dann aus dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement und dem zusätzlichen Spannungsschaltelement
besteht, ist das Spannungsschaltelement so gewählt bzw. dimensioniert, daß es bei
der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird, also "schaltet".
Dadurch liegt dann an dem Überspannungsschutzelement bzw. an den beiden Elektroden
die Überspannung an, was dann zu dem zuvor im einzelnen beschriebenen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
durch die von dem Zündelement ausgelöste Initialzündung führt.
[0020] Das eingangs beschriebene Zündelement, das insbesondere bei dem zuvor beschriebenen
Überspannungsschutzelement verwendet werden kann, ist dadurch besonders einfach und
kostengünstig herstellbar, daß das Zündelement aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen
Schichten und mindestens einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht besteht,
wobei die isolierende Schicht durch Verkleben bzw. Verpressen mit den elektrischen
leitfähigen Schichten verbunden ist und einen Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich)
aufweist. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Zündelements kann dabei entsprechend
den bekannten Herstellungsprozessen für mehrschichtige Leiterplatten (Multilayer-Leiterplatten)
erfolgen, wobei größtenteils auch die daraus bekannten Materialien, d. h. Kupferfolien
für die elektrisch leitfähigen Schichten und Polyimidfolien bzw. FR4-Folien für die
isolierende Schicht verwendet werden können.
[0021] Die Verwendung von elektrisch leitfähigen Schichten bzw. Folien, insbesondere von
Kupferfolien und von isolierenden Folien, beispielsweise Polyimidfolien, ermöglicht
es sehr geringe Abstände zwischen den leitfähigen Schichten bei sehr engen Maßtoleranzen
herzustellen. Die elektrisch leitfähigen Schichten sind dabei durch die isolierende
Schicht so weit voneinander zu beabstanden bzw. zu isolieren, daß die elektrische
Isolation deutlich über der im ungünstigsten Fall zu erwartenden Ansprechspannung
des Überspannungsschutzelements liegt. In der Praxis können dabei sowohl für die elektrisch
leitfähigen Schichten als auch für die isolierende Schicht Kupferfolien bzw. Polyimidfolien
oder FR4-Folien mit standardmäßig zur Verfügung stehenden Dicken von 35 µm, 50 µm,
70 µm oder 100µm verwendet werden. Selbstve r-ständlich können jedoch anstelle von
Kupferfolien auch andere metallische Folien oder elektrisch leitfähige Kunststofffolien
verwendet werden.
[0022] Der Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) in der isolierenden Schicht, in
dem sowohl die Initialzündung als auch die eigentliche Zündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
stattfindet, kann einfach durch eine Aussparung bzw. ein Loch in der isolierenden
Schicht und gegebenenfalls zusätzlich in einer oder beiden elektrisch leitfähigen
Schichten realisiert sein. Dabei kann ein Loch, welches sowohl in der isolierenden
Schicht als auch in den beiden leitfähigen Schichten ausgebildet ist, beispielsweise
einfach durch eine entsprechende Bohrung nach dem Laminieren der einzelnen Schichten
erzeugt werden.
[0023] Bei einer entsprechenden Dimensionierung der elektrisch leitfähigen Schichten können
diese direkt die Funktion der Elektroden eines Überspannungsschutzelements übernehmen,
so daß dann ein derartiges Zündelement selber als Überspannungsschutzelement fungieren
kann. In der Regel werden die leitfähigen Schichten des Zündelements jedoch so ausgerührt,
daß durch sie die Elektroden des Überspannungsschutzelements direkt kontaktiert werden
können.
[0024] Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, daß erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement
bzw. das erfindungsgemäße Zündelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird
verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 8 nachgeordneten Patentansprüche,
andererseits auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in
Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
- Fig. 1
- eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
- Fig. 2
- ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündelements,
- Fig. 3
- ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündelements,
- Fig. 4
- ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements, ähnlich der Ausführung gemäß Fig. 1,
- Fig. 5
- ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements mit einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen
und isolierenden Schichten,
- Fig. 6
- ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündelements mit einer Mehrzahl von elektrisch
leitfähigen und isolierenden Schichten,
- Fig. 7
- ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements für ein mehrphasiges Überspannungsschutzsystem
und
- Fig. 8
- ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündelements für ein mehrphasiges Überspannungsschutzelement.
[0025] In der Fig, 1 ist ein erfindungsgemäßes Überspannungsschutzelement nur hinsichtlich
seines prinzipiellen Aufbaus dargestellt. Zu dem dargestellten Überspannungsschutzelement
gehören eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2, ein zwischen den beiden Elektroden
1 und 2 angeordnetes Zündelement 3 und eine zwischen den beiden Elektroden 1 und 2
existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4. Beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
4 entsteht zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein - nicht dargestellter - Lichtbogen
über den der abzuleitende Blitzstrom fließt.
[0026] Das Zündelement 3 ist nun so angeordnet, daß zwischen den beiden Elektroden 1 und
2 ein Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) ausgebildet ist, in dem beim Zünden
der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 der Lichtbogen entsteht. Erfindungsgemäß ist
das Zündelement 3 so ausgebildet, daß bei Anliegen einer Spannung an dem Zündelement
3 eine Entladung an der Oberfläche 5 des Zündelements 3 zu einer leitfähigen Verbindung
zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 führt, wobei die leitfähige Verbindung nur
eine geringe Stromtragfähigkeit aufweist. Beginnt nun über diese leitfähige Verbindung
ein Ableitstrom zu fließen, so kommt es aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit der
leitfähigen Verbindung zu einem Aufbrennen der leitfähigen Verbindung und damit zu
einer Ionisierung des Zündbereichs, was zu einem schlagartigen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
4 führt.
[0027] Der beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 entstehende Lichtbogen sorgt
bei einer geeigneten Dimensionierung des Zündelements 3 dafür, daß es zu einer "Verkohlung"
an der Oberfläche 5 des Zündelements 3 kommt. Dadurch wird erreicht, daß bei einem
erneuten Auftreten einer Überspannung wieder eine leitfähige, gering stromtragfähige
Verbindung zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorliegt, die bei einer Belastung
mit einem Ableitstrom wiederum zu einem Aufbrennen und damit zu einer Initialzündung
der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 und damit zu einem Zünden des Überspannungsschutzelemets
führt.
[0028] Da bei einem derartigen Überspannungsschutzelement auch beim Anliegen der Normalspannung
- gewollt - eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorliegt,
ist gemäß Fig. 1 dem eigentlichen Überspannungsschutzelement ein zusätzliches Spannungsschaltelement
6 beispielsweise ein Varistor und/oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter in Reihe
geschaltet. Bei einer derartigen Überspannungsschutzeinrichtung, die aus dem erfindungsgemäßen
Überspannungsschutzelement und dem zusätzlichen Spannungsschaltelement 6 besteht,
ist das Spannungsschaltelement 6 so dimensioniert, daß es bei der Ansprechspannung
der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird. Tritt an der Überspannungsschutzeinrichtung
eine Überspannung auf, so führt dies zu einem Schalten des Spannungsschaltelements
6, so daß dann die Überspannung an den beiden Elektroden 1 und 2 anliegt, was zu dem
zuvor beschriebenen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 durch die durch die
Stromzündung ausgelöste Initialzündung des Zündelements 3 führt. Auf der anderen Seite
verhindert das Spannungsschaltelement 6, daß im Normalfall, d. h. wenn keine Überspannung
anliegt, ein - dann unerwünschter - Strom über das Überspannungsschutzelement fließt.
[0029] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Zündelements
3 anhand der Fig. 2 bis 8 erläutert.
[0030] Das in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Zündelement 3 besteht aus zwei leitfähigen Schichten
7, 8 und einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht 9, wobei der Bereich geschwächter
Isolation durch eine Aussparung 10 in der isolierenden Schicht 9 realisiert ist. Die
Aussparung, die beispielsweise gemäß den Fig. 1 und 3 als mittiges Loch ausgebildet
sein kann, kann einfach durch Bohren oder Fräsen hergestellt werden. Dabei kann -
wie dies ein Vergleich der Fig. 2 und 4 zeigt - die Aussparung 10 entweder nur in
einer leitfähigen Schicht 7 oder in beiden leitfähigen Schichten 7, 8 ausgebildet
sein.
[0031] Die Herstellung des erfindungsgemäßen Zündelements 3 ist nun dadurch besonders einfach,
daß die von der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten (Multilayer-Leiterplatten)
bekannten Herstellungsprozesse angewendet werden können. So können die leitfähigen
Schichten 7, 8, bei den es sich beispielsweise um standardisierte Kupferfolien handeln
kann, mit der isolierenden Schicht 9 durch Laminieren verbunden werden. Auch für die
isolierende Schicht 9 eignen sich dabei die aus der Herstellung von Multilayer-Leiterplatten
bekannten Materialien, wie Polyimidfolien oder FR-4-Folien, mit ihren standardmäßig
zur Verfügung stehenden Dicken von 35 bis 100 µm. Dadurch kann der Abstand zwischen
den direkt mit den Elektroden 1 und 2 verbindbaren leitfähigen Schichten 7, 8 sehr
gering aber dennoch sehr genau eingestellt werden, wodurch sehr geringe Ansprechspannungen
realisierbar sind.
[0032] Bei einer - in den Ausführungsbeispielen dargestellten - kreisförmigen Ausbildung
des Zündelements 3 weist die isolierende Schicht 9 einen geringfügig größeren Außendurchmesser
als die leitfähigen Schichten 7, 8 auf, so daß am Randbereich 11 des Zündelements
3 durch eine verlängerte Kriechstrecke eine erhöhte Isolation gegeben ist, wodurch
ein Zünden in diesem Bereich verhindert wird.
[0033] Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements 3, das mehrere leitfähige
Schichten 7, 8 und mehrere isolierende Schichten 9 aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind dabei die drei leitfähige Schichten 7, 7' und 7" und die drei leitfähige Schichten
8, 8' und 8" jeweils elektrisch miteinander verbunden, so daß zwar insgesamt sechs
leitfähige Schichten 7, 7', 7" und 8, 8', 8" vorhanden sind, diese jedoch nur zwei
verschiedene Potentiale aufweisen, wobei die beiden Potentiale jeweils abwechselnd
zueinander angeordnet und jeweils durch eine isolierende Schicht 9 getrennt sind.
Natürlich können anstelle der gezeigten sechs leitfähige Schichten auch noch mehr
leitfähige Schichten abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Potentialen angeordnet
sein.
[0034] Durch eine derartige Vervielfachung des prinzipiell in Fig. 2 gezeigten Aufbaus des
Zündelements 3 können herstellungsbedingte Schwankungen bezüglich der Eigenschaften
der isolierenden Schichten 9 und dadurch bedingte Schwankungen hinsichtlich der Ansprechspannung
des Zündelements 3 ausgeglichen werden. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
des Zündelements 3 wird die Initialzündung stets von dem Teilzündelement 3' ausgelöst,
daß die geringste Ansprechspannung aufweist, d. h. bei ansonsten gleichen Eigenschaften
bei dem Teilzündelement 3' mit der dünnsten isolierenden Schicht 9.
[0035] Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 weist das Zündelements 3 mehrere leitfähige
Schichten 7, 7', 8, 8' und mehrere isolierende Schichten 9 auf, wobei die leitfähigen
Schichten 7, 7' und 8, 8' elektrisch miteinander verbunden sind, so daß auch hier
lediglich zwei unterschiedliche Potentiale vorliegen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 5 sind hier jedoch die beiden unterschiedlichen Potentiale nicht mehrfach
abwechselnd angeordnet. Der Vorteil dieser Ausführungsform im Vergleich zu der Ausführung
gemäß Fig. 2 besteht darin, daß nach dem Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
4 der Lichtbogen direkt auf die außenliegenden leitfähigen Schichten 7, 8 überspringt,
so daß ein größerer Lichtbogen ansteht.
[0036] Die Fig. 7 und 8 zeigen schließlich zwei Ausführungsbeispiele eines Zündelements
3 mit drei horizontal übereinander (Fig. 7) bzw. vier horizontal nebeneinander angeordneten
Potentialen (Fig. 8). Derartige Zündelemente 3 eignen sich somit zur Verwendung bei
einem Überspannungsschutzelement, das in einem Drei-Phasen-Netz eingesetzt wird. Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist dabei bei dem Zündelement
3 gemäß Fig. 7 eine dritte leitfähige Schicht 13 vorgesehen, die von der zweiten leitfähigen
Schicht 8 durch eine zweite isolierende Schicht 14 getrennt ist, so daß die drei leitfähigen
Schichten 7, 8, 13 drei unterschiedliche Potentiale aufweisen.
[0037] Bei dem Zündelement 3, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, sind neben einer kreisförmigen
leitfähigen Schicht 7 und einer ebenfalls kreisförmigen isolierenden Schicht 9 weitere
leitfähige Schichten 8, 13, 15 und 16 vorgesehen, die jeweils elektrisch nicht miteinander
verbunden sind. Die leitfähigen Schichten 8, 13, 15 und 16 sind dabei jeweils kreissegmentartig
ausgebildet und nebeneinander angeordnet, wobei die kreisförmigen leitfähige Schicht
7 allen gegenüberliegend angeordnet ist. Bei einer anstehenden Überspannung zwischen
der ersten leitfähigen Schicht 7 und einem der anderen leitfähigen Schichten 8, 13,
15 oder 16 kommt es dann zunächst zu einer Initialzündung der jeweiligen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
4, wobei aufgrund der Anordnung der einzelnen leitfähigen Schichten 8, 13, 15 und
16 zueinander bzw. zur leitfähigen Schicht 7 eine Zündung aller Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
4 erfolgt. Bei einer entsprechenden Schaltung des Überspannungsschutzelements ist
dadurch der gewünschte Schutzpegel nicht nur zwischen den aktiven Phasenleitem (L1,
L2, L3) und dem Neutralleiter (N) bzw. zwischen dem Neutralleiter (N) und der Erde
(PE) sondern zwischen allen Leitungszweigen sichergestellt.
1. Überspannungsschutzelement zum Ableiten von transienten Überspannungen, mit mindestens
zwei Elektroden (1, 2), mit mindestens einem zwischen den Elektroden (1, 2) angeordneten
Zündelement (3) aus isolierendem Material und mit einer zwischen den Elektroden (1,
2) wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4), wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke
(4) zwischen den beiden Elektroden (1, 2) ein Lichtbogen entsteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zündelement (3) so angeordnet und ausgebildet ist, daß zwischen den beiden Elektroden
(1, 2) ein Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) vorgesehen ist und daß beim
Anliegen einer Spannung an dem Zündelement (3) eine Entladung an der Oberfläche (5)
des Zündelements (3) zu einer leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden
(1, 2) führt, wobei die leitfähigen Verbindung eine geringe Stromtragfähigkeit aufweist.
2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich geschwächter Isolation durch eine Aussparung (10) im Zündelement (3)
realisiert ist.
3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (3) aus Kunststoff oder einem anderen isolierenden Material mit einem
relativ niedrigen CTI-Wert besteht.
4. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Verbindung nur an der Oberfläche (5) des Zündelements (3) entsteht.
5. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (3) so angeordnet und ausgebildet ist, daß beim Anstehen eines Lichtbogens
zwischen den Elektroden (1, 2) eine "Verkohlung" der Oberfläche (5) des Zündelements
(3) auftritt.
6. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche (5) des Zündelements (3) eine leitfähige, gering stromtragfähige
Beschichtung aufgebracht ist.
7. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch chemische, thermische oder elektrothermische Verkohlung realisiert
ist.
8. Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement, insbesondere nach
einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zündelement (3) aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) und
mindestens einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht (9) besteht, wobei die
isolierende Schicht (9) durch Verkleben bzw. Verpressen mit den elektrisch leitfähigen
Schichten (7, 8) verbunden ist und einen Bereich geschwächter Isolation (5) (Zündbereich)
aufweist.
9. Zündelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich geschwächter Isolation durch eine Aussparung (10) bzw. ein Loch in der
isolierenden Schicht (9) und ggf. zusätzlich in der elektrisch leitfähigen Schicht
(7) bzw. in den elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8), insbesondere durch Bohren
oder Fräsen, realisiert ist.
10. Zündelement nach Anspruch 8 oder 9, mit mindestens drei elektrisch leitfähigen Schichten
(7, 7', 8, 8') und mindestens zwei isolierenden Schichten (9), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei elektrisch leitfähige Schichten (7, 7', 8, 8') elektrisch miteinander
verbunden sind.
11. Zündelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitfähige Schichten (7, 8) Kupferfolien und als isolierende Schicht
(9) eine Polyimidfolie oder eine FR4-Folien verwendet werden.
12. Zündelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der isolierenden Schicht (9) leitfähige Komponenten, beispielsweise Fasern oder
Metallteilchen, isoliert eingebracht sind
13. Zündelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) und/oder die isolierende Schicht (9)
eine Dicke von weniger als 0,2 mm, vorzugsweise von 35 µm bis 70 µm aufweisen.