Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Blitz- und Überspannungsschutzeinrichtung für Datennetzwerke, Telefonie, elektroakustische Anlagen oder Bussysteme mit mindestens zwei netzseitigen Eingangsklemmen sowie mindestens zwei Ausgangsklemmen, an welche die zu schützende Last anschließbar ist sowie weiterhin mit einem, die Eingangsklemmen verbindenden

Gasentladungsableiter sowie einer zwischen der jeweiligen Ein- und

Ausgangsklemme befindlichen Induktivität gemäß Patentanspruch 1. In Datennetzwerken und in der Messsteuerungs- und Regelungstechnik existiert eine Vielzahl von Schnittstellen mit unterschiedlichen

Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der hierfür notwendigen

Überspannungsschutzkomponenten.

Neben dem Schutz der betreffenden Schnittstelle vor Blitz- und

Überspannungen müssen die eingesetzten Überspannungsabieiter auch die systemrelevanten Signalparameter übertragen können.

Bekannte Schutzmodule, insbesondere für Datennetzwerke, Telefonie, elektroakustische Anlagen, Bussysteme oder dergleichen weisen zwischen den Eingangsklemmen befindliche Gasentladungsableiter auf, wobei zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen jeweils Induktivitäten geschalten sind. Je nach Ausführungsform der

Überspannungsfeinbegrenzung Ader zur Erde oder Ader zu Ader für den Schutz gegen unsymmetrische oder symmetrische Störungen sind noch TVS-Dioden zwischen den Ausgangsklemmen bzw. zwischen einer

Ausgangsklemme und Erde geschalten.

Der diesbezügliche Stand der Technik ist geprägt durch die

BLITZDUCTOR®-Module der Firma DEHN + SÖHNE GmbH + Co. KG,

Neu markt/Oberpfalz. Nachteilig beim Einsatz der bekannten BLITZDUCTOR®-Einrichtungen ist die Längsinduktivität, die insbesondere im Dauerbetrieb nachteilig ist, da bei einer ohmschen Entkopplung eine nicht zu vernachlässigende

Verlustleistung auftritt. Weiterhin ist ohne Anwendung zusätzlicher

Schaltungskomponenten kein Schutz vor Gleichtaktstörungen möglich.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine

weiterentwickelte Blitz- und Überspannungsschutzeinrichtung für

Datennetzwerke, Telefonie, elektroakustische Anlagen, Bussysteme oder dergleichen Anwendungen anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und darüber hinaus die Möglichkeit schafft, höhere Ströme zu tragen, indem eingesetzte Gasentladungsableiter nach einem Überspannungsfall wieder gelöscht werden können.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die

Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Erfindungsgemäß werden die Induktivitäten der bekannten Blitz- und Überspannungsschutzeinrichtung, welche üblicherweise als ohmsche

Widerstände ausgeführt sind, durch eine stromkompensierte Drossel mit Kern ersetzt, wobei die stromkompensierte Drossel eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist.

Eine stromkompensierte Drossel weist mehrere gleiche Wicklungen auf, die gegensinnig vom Arbeitsstrom durchflössen werden, so dass sich dessen magnetische Felder im Kern der Drossel aufheben. Bekannt ist der Einsatz stromkompensierter Drosseln zur Dämpfung von Störemissionen.

Störströme treten in vielen Fällen gleichsinnig in Hin- und Rückleitung auf. Für derartige Gleichtaktstörungen kann eine stromkompensierte Drossel eine sehr hohe Induktivität bilden, da sich die Störstörme in ihr nicht kompensieren.

Im Fall der erfindungsgemäßen weitergebildeten Blitz- und

Überspannungsschutzeinrichtung sind die Primärwicklung und die

Sekundärwicklung der stromkompensierten Drossel so verschalten, dass der Laststrom die Wicklungen in unterschiedlichen Richtungen durchfließt, so dass sich die jeweiligen Magnetfelder aufheben.

Im Falle des Auftretens transienter Überspannungen wird erfindungsgemäß der auftretende Stoßstrom mittels einer sich dann schließenden

Schalteinrichtung an einer der beiden Wicklungen vorbeigeführt.

Beispielsweise kann hier die Schalteinrichtung so ausgebildet werden, dass im Fall transienter Überspannungen die Primärwicklung Li weiterhin durchströmt wird, hingegen die Sekundärwicklung L ₂ keiner

Strombelastung unterliegt. Durch die stromdurchflossene Wicklung, im erwähnten Fall durch den Stromfluss in der Primärwicklung bei geschlossener Schalteinrichtung gelangt der Wicklungskern in die Sättigung und es ist die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung nahezu aufgehoben mit der Folge, dass über der Last keine Spannung aufgebaut wird. Die Stromänderung in der Primärwicklung führt zu einer Spannung und sorgt dafür, dass der Gasentladungsableiter zündet mit der Folge, dass der gewünschte

Überspannungsschutz eintritt. Eine Rückwirkung der Primärstromänderung auf die Sekundärseite ist wegen des gesättigten Kerns ausgeschlossen.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist die Schalteinrichtung als Halbleiter, insbesondere als MOSFET, ausgebildet. Die Basis des

Halbleiters bzw. das Gate des Halbleiters ist dabei mit einer der

Eingangsklemmen verbunden, insbesondere mit derjenigen

Eingangsklemme, an welche die Primärwicklung der stromkompensierten Drosseln angeschlossen ist. In Weiterbildung der Erfindung kann als MOSFET insbesondere ein IGBT mit Freilaufdiode eingesetzt werden. Grundsätzlich besteht weiterhin die Möglichkeit, die Schalteinrichtung auf der Basis zwei antiparallel

geschalteter IGBTs mit einer Seriendiode zu realisieren. Die

Schalteinrichtung ist bipolar aufzubauen, um positive wie negative

Überspannungen zu beherrschen. Nach Ableiten der Überspannung bzw. des Stoßstromes kann mittels Öffnen der Schalteinrichtung der Gasentladungsableiter gelöscht werden, so dass die Schutzeinrichtung erneut betriebsbereit ist.

Der Wicklungskern wird bevorzugt als Ringkern realisiert. Über das Ansprechverhalten der Schalteinrichtung lässt sich der

gewünschte Schutzpegel vorgeben bzw. einstellen.

Insofern wird der Feinschutz durch den Halbleiter als Schalteinrichtung realisiert.

Mindestens die Primärwicklung, das heißt die Wicklung, die im Fall der geschlossenen Schalteinrichtung weiterhin stromdurchflossen ist, weist eine wirksame Induktivität von > 2 pH auf.

Der Wicklungskern der stromkompensierten Drossel weist ein möglichst kleines Volumen auf, um den Kern schnell in eine Sättigung zu überführen, wenn die Schalteinrichtung in den Schließzustand übergeht. In Weiterbildung der Erfindung ist die Basis oder das Gate des Halbleiters über eine TVS-Diode mit der betreffenden Eingangsklemme verbunden, wobei über die Diode der Schutzpegel und der Schaltpunkt für den

Halbleiter festlegbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es nicht nur, einen Schutz im Sinne eines Filters gegen Gleichtaktstörungen durch Anwendung einer stromkompensierten Drossel zu bewirken, sondern es ist eine

kaskadierbare Schutzeinrichtung geschaffen, welche schnell und sicher die angeschlossene Last von transienten Überspannungen und/oder

Stoßströmen entkoppelt und gleichzeitig durch Aktivieren des

Gasentladungsableiters das betreffende Überspannungsereignis

unterdrückt. Durch Wahl der Induktivitäten, insbesondere durch die

Primärwicklung, lässt sich eine ausreichend hohe Spannung zum sicheren Zünden des Gasentladungsableiters aufbauen. Da die jeweiligen Induktivitäten der Wicklungen der stromkompensierten Drossel deutlich kleiner als diejenigen des Standes der Technik sind, ergibt sich eine deutlich geringere Verlustleistung im Dauerbetrieb.

Die eingesetzte stromkompensierte Drossel wird durch den Halbleiter als bevorzugte Schalteinrichtung quasi gesteuert, so dass die Drossel bei

Impulsbelastung möglichst schnell in den Sättigungszustand übergeht, um die magnetische Gegenkopplung aufzuheben und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass die Induktivität auf der Primärseite steigt.

Die Realisierung der stromkompensierten Drossel wird auch bezogen auf die Auswahl des Kerns so vollzogen, dass bei einer Sättigung des Kerns die Magnetfeldlinien der Primärseite nicht mehr auf die Sekundärseite gelangen.

Zusammengefasst zeigt sich das Wesen der Erfindung in der Anwendung stromkompensierter Drosseln, welche bevorzugt auf der

Primärwicklungsseite einer Steuerung unterliegt derart, dass durch eine Schalteinrichtung im Überspannungsfall die Sekundärwicklung

stromflussbefreit wird. Im normalen Dauerbetrieb durchfließt der

Laststrom die gekoppelten Drosseln in unterschiedliche Richtungen mit der Folge des Aufhebens der Magnetfelder der beiden Spulen, so dass sich nur eine geringe Serieninduktivität einstellt.

Im Falle einer transienten Überspannung wird der Stoßstrom durch den Halbleiterschalter an der Sekundärdrossel vorbeigeleitet, was zur Folge hat, dass sich die Magnetfelder nicht mehr aufheben und die Induktivität im Drosselkreis steigt. Die hohe Induktivität führt dazu, dass sich eine Spannung über dem

Gasentladungsableiter aufbaut, wodurch dieser in gewünschter Weise gezündet wird. Nach dem Überspannungsereignis kann der

Gasentladungsableiter durch den Halbleiterschalter gelöscht werden, was den Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung auch bei hohen Nennströmen ermöglicht. Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. la ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Blitz- und

Überspannungsschutzeinrichtung im Normalbetrieb mit offener Schalteinrichtung Si;

Fig. lb ein ideales Ersatzschaltbild im Normalbetrieb mit offener

Schalteinrichtung Si;

Fig. 2a ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Blitz- und

Überspannungsschutzeinrichtung mit geschlossener Schalteinrichtung Si; und

Fig. 2b ein Ersatzschaltbild im Überspannungsfall und gegebener

Sättigung der Primärwicklung Li.

Die erfindungsgemäße Blitz- und Überspannungsschutzeinrichtung wie in den Figuren dargestellt, geht von zwei Eingangsklemmen 1 und 2 aus, wobei an den Ausgangsklemmen 3, 4 eine Last angeschlossen ist.

Darüber hinaus ist ein die Eingangsklemmen 1; 2 verbindender

Gasentladungsableiter GDT vorgesehen.

Zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme 3 liegt die Primärwicklung Li einer stromkompensierten Drossel mit Kern.

Zwischen der Eingangsklemme 2 und der Ausgangsklemme 4 liegt die Sekundärwicklung L ₂ der stromkompensierten Drossel.

Weiterhin ist an der Ausgangsklemme 3 und an der Eingangsklemme 2 eine Schalteinrichtung Si angeschlossen, die beim Normalbetrieb geöffnet ist. Aufgrund der Ausführung der Primärwicklung Li und der Sekundärwicklung L ₂ als stromkompensierte Drossel mit Kern, heben sich bei gewünschter idealer Kopplung die Induktivitäten auf, so dass sich das in Figur lb gezeigte Ersatzschaltbild ergibt. Die hier relevanten Beziehungen zur Gegenkopplung und Kopplung k sind in den Figuren la und lb erläuternd hinzugefügt. Im Überspannungsfall wie in den Figuren 2a und 2b gezeigt wird die Schalteinrichtung Si, die bevorzugt als Halbleiterschalter, wiederum bevorzugt als IGBT ausgeführt ist, geschlossen. Im Ergebnis fließt durch die Primärwicklung Li ein hoher Strom, welcher den Wicklungskern in die Sättigung treibt. Hierdurch wird die Kopplung k zwischen der

Primärwicklung Li und der Sekundärwicklung L ₂ aufgehoben.

Bei Sättigung findet also keine Energieübertragung von der Primärseite auf die Sekundärseite der stromkompensierten Drossel mehr statt, das heißt über der Last wird keine Spannung aufgebaut.

Die verbleibende Restinduktivität von der Primärwicklung Li baut eine hohe Spannung auf, die in gewünschter Weise den Gasentladungsableiter GDT zündet.

Das entsprechende ideale Ersatzschaltbild im Überspannungsfall bei Sättigung ist in der Figur 2b gezeigt.

Der Wicklungskern der stromkompensierten Drossel wird so dimensioniert, dass die Kopplung k im Normalbetrieb k nahe 1 und im Überspannungsfall k nahe 0 ist.

Um die induktive Kopplung im Störimpulsfall möglichst schnell aufzuheben, ist es erforderlich, im Überspannungsfall den Kern der Drossel möglichst schnell in die Sättigung zu treiben. Um dies zu erreichen, haben sich auf der Grundlage umfangreicher Untersuchungen mit unterschiedlichen

Kernen folgende Dimensionierungsparameter ergeben. Zum einen ist das Kernvolumen möglichst klein zu halten, um eine schnelle Sättigung zu erreichen. Weiterhin ist bei der Dimensionierung der Wicklungen darauf zu achten, dass sich diese nicht überlappen, das heißt, dass im Sättigungsfall die Sekundärinduktivität nicht von den Feldlinien der Primärinduktivität durchsetzt wird. Eine niedrige Kopplung im Sättigungsfall ist vorteilhaft. Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Wicklungen um 90° gedreht zueinander aufgebaut werden, so dass die Feldlinien die Sekundärspule bei Sättigung nicht mehr senkrecht schneiden.

Diesbezüglich kommen speziell gefertigte Kerne zum Einsatz, die in sich gedreht sind.