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1tVaristor mit Schutzvorrichtung gegen thermische Überlastung"
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Die Erfindung betrifft einen Varistor mit Schutzvorrichtung gegen
thermische Überlastung.
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Varistoren sind bipolare nichtlineare Widerstände, deren Widerstandswert
mit steigender elektrischer Spannung abnimmt. Sie werden in der Elektrotechnik und
vor allem in der Elektronik verwendet um hochwertige Bauelemente wie Transistoren
- Dioden - Widerstände gegen auftretende Überspannungen zu schützen, d. h., elektronische
Funktionsbaugruppen oder elektrische Geräte aufgrund auftretender Überspannungen
vor Schäden zu bewahren. Überspannungen können verschiedene Ursachen haben, z. B.
wegen atmosphärischer Entladungen durch Blitzbeeinflussung, durch induktive Beeinflussung,
durch direkte Berührungen, durch Schaltungsfehler in Versorgungsnetzen oder aber
durch innere über spannungen hervorgerufen durch Schalten von Induktivitäten in
den zu schützenden Einrichtungen.
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Die zu schützenden hochwertigen Bauelemente sind Halbleiterbauelemente,
deren Halbleitermaterialien äußerst empfindlich sind gegen Überspannungen.
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Varistoren sind für die verschiedensten Belastungsfälle in den verschiedensten
Größenordnungen handelsüblich zu beziehen; der anwendungsmäßigen Bestimmung eines
Varistors müssen somit jeweils Maximalbelastungsmöglichkeiten zugrundegelegt werden.
Ein sehr wichtiger und nicht zu vernachlässigender Faktor beim Überspannungsschutz
durch Varistoren ist die Wärmeentwicklung im Metalloxidkörper des Varistors selbst.
Durch zu große Erwärmung aufgrund einer plötzlich auftretenden relativ hohen Überspannung,
können sich die physikalischen Eigenschaften des Metalloxides verändern, was bewirkt,
daß der Varistor bei einer erneut auftretenden Oberspannung nicht mehr die elektrischen
Sicherheitswerte aufweis,um die zu schützenden Bauelemente oder die zu schützenden
Geräte vor Schaden zu bewahren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Varistor mit Schutzvorrichtung
zu schaffen, durch die der Varistor bei überhöhter anliegender Überspannung kurzgeschlossen
wird, so daß die dahinterliegenden, zu schützenden Bauelemente oder -Geräte vorübergehend
außer Betrieb gesetzt werden und erst dann ihrer elektrischen Funktion wieder zur
Verfügung stehen, wenn der jeweils kurzgeschlossene und somit außer Betrieb gesetzte
Varistor ausgewechselt worden ist.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst,
daß eine Kurzschlußfeder vorgesehen ist, die zwei über einen Federbogen miteinander
verbundene Federzungen aufweist, mit einer dieser Federzungen an einer der Außenkontaktflächen
des Varistors anliegt, daß die zweite Federzunge in einem Sicherheitsabstand von
der anderen Außenkontaktfläche oder deren Anschlußleitungen durch Mittel gehalten
wird, die bei Erreichen oder über schreiten einer vorgegebenen Temperatur eine Federzunge
freigeben, so daß aufgrund der gespeicherten Federkraft
eine der
Federzungen an die andere Kontaktfläche oder die Anschlußleitungen angedrückt wird
und derart eine elektrische Kurzschlußbrücke bildet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, wenn die der Außenkontaktfläche
zugeordnete Federzunge der Kurzschlußfeder mit dieser Außenkontaktfläche verlötet
ist.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dient als
den Sicherheitsabstand aufrechterhaltendes Mittel ein isolierendes Schmelzelement,
das zwischen der Außenkontaktfläche und der dieser Außenkontaktfläche zugeordneten
Federzunge der Kurzschlußfeder angeordnet ist.
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Nach einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine
mit einer Federzunge an einem Isolierrand des Varistors anliegende, mehrfach gebogene
Kurzschlußfeder vorgesehen, die mit einem Steg ihres Federbogens an der Außenkontaktfläche
mit einem Weichlot-Schmelzmetall angelötet ist und deren zweite Federzunge einen
Kontaktlappen aufweist, der in einem Sicherheitsabstand von Anschlußdrähten des
Varistors gehalten ist, bei thermischer Einwirkung auf das Weichlot durch dessen
Schmelzen aufgrund der gespeicherten Federkraft sich gegen die Anschlußdrähte anlegt.
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Nach einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in
vorteilhafter Weise die Kurzschlußfeder U-förmig ausgebildet, derart, daß eine Federzunge
auf einer Anschlußkontaktfläche anliegt und daß eine zweite elastisch vorgespannte
Federzunge ein Isolierteil trägt, auf dem eine mit einer Außenkontaktfläche verbundene
Weichlot-Schmelzmetallkugel als Abstandshalter angeordnet ist.
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In vorteilhafter Weise dient als Isolierteil eine Keramikplatte.
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Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Kurzschlußfeder auf dem Varistor
aufschiebbar ausgebildet ist.
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In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein den Varistor
und die Schutzvorrichtung gegen thermische Oberlastung vollständig aufnehmendes
Gehäuse vorgesehen, mit einem mit Durchführungsöffnungen für die Anschlußdrähte
versehenen Deckel.
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Das Gehäuse ist dabei derart bemessen, daß die Kurzschlußfeder im
Überhitzungsfall sich funktionsgemäß frei bewegen kann. Da bei der erfindungsgemäßen
Ausbildung der Varistor nicht vollständig mit einer Isolierschicht versehen ist,
ist es vorteilhaft,wenn der Deckel mit dem Gehäuse vergossen ist. Insbesondere ist
es zweckmäßig, wenn die Durchführungsöffnungen für die Anschlußdrähte vergossen
sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung
näher erläutert, die schematisch mehrere Ausführungsbeispiele darstellt. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines kreisringförmigen
Varistors mit einer thermisch gesteuerten Kurzschlußfeder, Fig. 2 einen Schnitt
gemäß der Linie A-A in Fig. 1, Fig. 3 eine Vorderansicht eines kreisringförmigen
Varistors mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer thermisch gesteuerten Kurzschlußfeder,
Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie B-B aus Fig. 3, Fig. 5 eine Vorderansicht eines
noch weiteren Ausführungsbeispiels, Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie C-C gemäß
Fig. 5, und Fig. 7 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit einem erfindungsgemäßen
Gehäuse.
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Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
ein kreisringförmiger Varistor 1 mit einer isolierenden Schutzschicht 2 ringförmig
umgeben, so daß an dem Varistor 1 zwei sich gegenüberliegende metallene Anschlußkontaktflächen
3 und 4 frei liegen. Mit der Kontaktfläche 3 ist ein Anschlußdraht 5 homogen verbunden,
an dem die zu schützende Leitung angeschlossen werden kann. Mit der Kontaktfläche
4 ist ein anderer Anschlußdraht 6 homogen verbunden, der im angeschlossenen Zustand
des Varistors 1 mit Erde verbunden ist. Die beiden Anschlußdrähte 5 und 6 können
in dem Bereich, wo sie den Varistor 1 verlassen, von der ringförmigen Schutzschicht
2 umhüllt sein. An der Anschlußkontaktfläche 3 des Varistors 1 ist eine metallene
Kurzschlußfeder 7 unmittelbar angelötet oder mechanisch verbunden, so daß die im
Varistor 1 entstehende Wärme unmittelbar auf diese Kurzschlußfeder 7 übergehen kann.
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An der Anschlußkontaktfläche 4 des Varistors 1 liegt unmittelbar ein
isolierendes Schmelzelement 8, beispielsweise aus einem Schmelzsalz, an.. An diesem
Schmelzelement 8 liegt der gegenüberliegende Federschenkel der Kurzschlußfeder 7
an, wobei ein elektrischer Sicherheitsabstand S einen Stromfluß zwischen der AnschluSkontaktfläche
4 und der Kurzschlußfeder 7 verhindert. Die Schmelztemperatur des Schmelzelementes
8 ist geringfügig größer als die maximal zulässige Erwärmungstemperatur des Varistors
1, die dann erreicht ist, wenn am Varistor 1 über dem An schlußdraht 5 eine maximal
zulässige elektrische Spannung anliegt. Wird diese überschritten, so heizt sich
die Kurzschlußfeder 7 über die Anschlußkontaktfläche 3 auf, bei gleichzeitigem Schmelz
beginn des isolierenden Schmelzelementes 8, so daß die in der Kurzschlußfeder 7
ruhende
Federkraft den elektrischen Sicherheitsabstand S ausschaltet
indem sich der Federschenkel der Kurzschlußfeder 7 an die Anschlußkontaktfläche
4 legt, womit die beiden Anschlußkontaktflächen 3 und 4 des Varistors 1 kurz-geschlossen
sind.
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Die überhöhte anliegende elektrische Spannung wird dann über den Anschlußdraht
6 abgeleitet. Der somit entstandene Kurzschlußeffekt am Varistor 1 bleibt bestehen,
so daß die zu schützende an dem Anschlußdraht 5 angeschlossene Leitung solange mit
Erde verbunden bleibt, bis der Varistor ausgewechselt worden ist.
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Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4
ist eine metallene Kurzschlußfeder lo vorgesehen, die mit einem Schenkel mit der
Isolierschutzschicht 2 verbunden ist und mit einem Steg mit Hilfe eines schmelzpunktdefinierten
Lotes 9 an der Anschlußkontaktfläche 4 des Varistors 1 angelötet ist. Das Lot 9
schmilzt, wenn aufgrund einer überhöhten, am Anschlußdraht 5 anliegenden, elektrischen
Spannung der Varistor 1 sich unzulässig erwärmt. Ist die Schmelztemperatur des Lotes
9 erreicht, reißt aufgrund der in der Kurzschlußfeder lo ruhenden Federkraft die
Lötstelle zwischen Außenkontaktfläche 4 und der Kurzschlußfeder lo auf, so daß ein
Kontaktlappen 11 am anderen Federende der Kurzschlußfeder lo einen Sicherheitsabstand
S1 ausschaltet und sich gegen die beiden Anschlußdrähte 5 und 6 legt, womit die
beiden Anschlußdrähte 5 und 6 kurzgeschlossen sind.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 ist
eine etwa U-förmige Kurzschlußfeder 12 vorgesehen, die mit einer Federzunge 13 an
der Anschlußkontaktfläche 3 anliegt, während eine zweite Federzunge 14 der Kurzschlußfeder
12 an einem Isolierteil 15 ein Weichlot 16
trägt. Dieses Weichlot
16 dient als Abstandshalter und ergibt einen elektrischen Sicherheitsabstand S2.
Wird die vorbestimmbare Schmelz temperatur des Weichlotes 16 erreicht oder überschritten
dann schmilzt dieses Weichlot und die Federzunge 14 legt sich aufgrund der in der
Kurzschlußfeder 12 gespeicherten elastischen Kraft gegen die Anschlußkontaktfläche
4, wodurch wiederum die beiden Anschlüsse-5 5 und 6 kurzgeschlossen sind.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Varistor zumindest im Bereich der Feder
zungen oder Federschenkel der Kurzschlußfedern 7 bzw. lo die Anschlußkontaktflächen
3 und 4 frei liegen, sieht die Erfindung ein Gehäuse 17 vor, welches den Varistor
umgibt, so daß Korrosionserscheinungen ausgeschlossen werden. Das Gehäuse 17 ist
dabei derart gewählt, daß die jeweilige Kurzschlußfeder innerhalb des Gehäuses Ere
Kurzschlußbewegung bei entsprechender Erhitzung des Varistors 1 ungehindert durchführen
kann. Zweckmäßig sind im Inneren des Gehäuses 17 Führungen für den scheibenförmigen
Varistor 1 vorgesehen. Zum Verschluß dient ein Deckel 20, der Durchführungsöffnungen
18 und 19 für die Anschlußdrähte 5 und 6 aufweist. An der Innenseite des Gehäuses
17 kann ein Anschlaginnenrand 22 vorgesehen sein, der die Lage des Deckels 20 festlegt.
Um den Zutritt von Feuchtigkeit oder anderer aggressiver Medien in das Innere des
Gehäuses 17 zu verhindern, ist nach dem Einsetzen des Varistors 1 ins Gehäuseinnere
der Deckel 20 vergossen, zumindest sind die Durchführungsöffnungen 18 und 19 mit
einer Vergußmasse 21 verschlossen.
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Auch bei einer komplexen Schaltung mit mehreren Varistoren, die in
einem Gehäuse untergebracht sind, läßt sich, soferne die Gehäuse nicht durchsichtig
oder durchscheinend sind, durch einfache Widerstandsmessungen feststellen, welcher
der
jeweiligen Varistoren aufgrund Überhitzung durch die erfindungsgemäße
Schutzvorrichtung kurzgeschlossen ist.
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Die Erfindung ist somit nicht auf die dargestellten und beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen
und Weiterbildungen sowie Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen und/oder
dargestellten Merkmale und Maßnahmen.
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- Ansprüche -