DE1193594B

DE1193594B - Overvoltage protection

Info

Publication number: DE1193594B
Application number: DEG34773A
Authority: DE
Inventors: Pritindra Chowdhuri
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1961-04-26
Filing date: 1962-04-19
Publication date: 1965-05-26
Also published as: GB960667A

Description

überspannungsschutz Die vorliegende Erfindung betrifft Einrichtungen zum Schutze gegen überspannungsimpulse und insbesondere Einrichtungen dieser Art für Gleichstromquellen mit niedriger Ausgangsspannung.Surge Protection The present invention relates to devices for protection against overvoltage impulses and in particular devices of this type for DC power sources with low output voltage.

Viele moderne Leistungssysteme erhalten ihre Energie aus Wechselspannungsquellen. Falls eine Gleichspannung benötigt wird, stellt man diese im allgemeinen durch Gleichrichtung einer Wechselspannung her. Die überspannungsschutzeinrichtungen, die das Gleichspannungssystem gegen durch Blitzschläge und äußere Umschaltungen entstehende Spannungsimpulse schützen sollen, sind im allgemeinen auf der Wechselspannungsseite angeschlossen. Diese Systeme gewährleisten dann keinerlei Schutz gegen überspannungen, die durch Schaltvorgänge im Gleichspannungskreis selbst verursacht werden, und der Spielraum zwischen der Betriebsspannung und der Spannung, bei der ein Zusammenbruch der Gleichspannungseinrichtung eintritt, hängt von einem Schutz gegen überspannungsimpulse ab, die durch interne Schaltvorgänge verursacht werden. Durch die zunehmende Verwendung von Festkörpereinrichtungen, wie Siliziumdioden, gesteuerte Siliziumgleichrichter, Transistoren usw. in Gleichspannungssystemen, treten neue Probleme hinsichtlich des Schutzes gegen durch interne Schaltvorgänge verursachte Überspannungen auf. Bekanntlich ist bei diesen Festkörpereinrichtungen der Spielraum zwischen der Betriebsspannung und der maximal zulässigen Spannung sehr klein. Es besteht daher ein dringendes Bedürfnis für Einrichtungen zum Schutz gegen Überspannungen, die durch interne Schaltvorgänge in Gleichspannungssystemen erzeugt werden, die Festkörpereinrichtungen, die mit relativ niedrigen Spannungen arbeiten, enthalten.Many modern power systems get their energy from AC voltage sources. If a DC voltage is required, this is generally provided by rectification an alternating voltage. The surge protectors that make up the DC voltage system Protect against voltage pulses caused by lightning strikes and external switching are generally connected to the AC voltage side. These systems then guarantee no protection against overvoltages caused by switching operations in the DC circuit itself, and the margin between the Operating voltage and the voltage at which a breakdown of the DC voltage device occurs depends on protection against overvoltage impulses caused by internal Switching operations are caused. With the increasing use of solid state devices, such as silicon diodes, controlled silicon rectifiers, transistors, etc. in DC voltage systems, new problems arise with regard to protection against internal switching processes caused overvoltages. It is known that these solid-state devices the margin between the operating voltage and the maximum allowable voltage tiny. There is therefore an urgent need for facilities for protection against overvoltages caused by internal switching processes in DC voltage systems are generated, the solid-state devices, with relatively low voltages work included.

Zum Schutz eines Systems gegen vorübergehende Überspannungen, beispielsweise infolge von Blitzschlägen und Schaltvorgängen, ist es erforderlich, daß die Schutzeinrichtungen in der Lage sind, die kurzzeitigen Spannungsimpulse auf einen sicheren Wert zu verringern, der ausreichend unterhalb der maximal zulässigen Spannung liegt, bei der eine Zerstörung des Systems eintreten würde, ohne daß dabei die Leistungsversorgung ausfällt. Ein überspannungsschutz muß daher drei Bedingungen erfüllen: Er muß als erstes beim Auftreten eines überspannungsimpulses schnell ansprechen, so daß das geschützte System nicht mehr beansprucht wird, als es sicher vertragen kann. Als zweites soll der überspannungsschutz in einer ausreichend kurzen Zeit nach dem Abklingen des Impulses wieder abschalten, so daß die Leistungsquelle nicht durch den überspannungsschutz kurzgeschlossen wird und die Energieversorgung ausfällt. Als drittes soll der überspannungsschutz schließlich diese beiden obenerwähnten Funktionen wiederholt ohne Beschädigung erfüllen können. Der Hauptzweck der Erfindung besteht daher darin, eine überspannungsschutzeinrichtung für ein Gleichspannungssystem anzugeben, die die obengenannten drei Forderungen erfüllt.To protect a system against temporary surges, for example as a result of lightning strikes and switching operations, it is necessary that the protective devices are able to reduce the short-term voltage pulses to a safe value, which is sufficiently below the maximum permissible voltage at which destruction of the system would occur without the power supply failing. A Overvoltage protection must therefore meet three conditions: It must be the first at If an overvoltage pulse occurs, respond quickly so that the protected The system is not stressed more than it can safely handle. Second is supposed to the surge protection in a sufficiently short time after the Pulse off again so that the power source is not affected by the overvoltage protection is short-circuited and the power supply fails. Thirdly, the surge protection should finally, perform these two functions mentioned above repeatedly without damage can. The main purpose of the invention is therefore to provide a surge protection device for a DC voltage system that meets the above three requirements Fulfills.

Ein großer Teil der für Wechselspannungen brauchbaren überspannungsschutzeinrichtungen eignet sich nicht für Gleichspannungen, da sie nach dem Abklingen des Spannungsimpulses laufend weiter Strom führen würden. In Wechselspannungsanlagen kann die Schutzeinrichtung wieder ihren Ruhezustand annehmen, wenn die Spannung durch Null geht, dieser Effekt kann jedoch bei Gleichspannungsanlagen nicht nutzbar gemacht werden.A large part of the overvoltage protection devices that can be used for alternating voltages is not suitable for DC voltages, as it occurs after the voltage pulse has decayed would continue to carry electricity. In AC systems, the protective device resume their resting state when the voltage goes through zero, this effect however, cannot be used in DC systems.

In Gleichspannungssystemen mit niedriger Arbeitsspannung hat man bisher im allgemeinen Kondensatoren, nichtlineare Widerstände oder eine Parallelschaltung dieser beiden Bauelemente als überspannungsschutz verwendet. Kondensatoren stellen zwar einen guten Schutz gegen kurzdauernde überspannungsimpulse dar, für längerdauernde überspannungen wären aber sehr hohe Kapazitätswerte erforderlich und außerdem kann ein Kondensator sogar theoretisch die Amplitude eines ankommenden Rechteckimpulses verdoppeln. Die Spannung an einem zu schützenden Gerät kann mit einem nichtlinearen Widerstand wirkungsvoll begrenzt werden, wenn ein solcher Widerstand jedoch der Leitung direkt parallel geschaltet ist, stellt er eine Ursache für einen dauernden Leistungsverlust dar.In DC systems with low working voltage, one has hitherto generally capacitors, non-linear resistors or a parallel connection these two components are used as surge protection. Set capacitors a good protection against short-lasting overvoltage impulses, for longer-lasting ones overvoltages would, however, require very high capacitance values and, moreover, can a capacitor even theoretically has the amplitude of an incoming square pulse double. The voltage across a device to be protected can be varied with a non-linear Resistance can be effectively limited, if such resistance however the line is connected directly in parallel, it represents a cause of one permanent loss of performance.

Eine andere bekannte überspannungsschutzvorrichtung für Gleichstrom weist eine bistabile Schaltvorrichtung auf, die eine genau bekannte Schaltschwelle besitzt. Diese Schaltvorrichtung ist zwischen die Spannungsquelle und das zu schützende Gerät geschaltet. Sie weist einen Leistungstransistor auf, über den der Strom von der Spannungsquelle zum zu schützenden Gerät geführt wird. Im Normalzustand ist dieser Transistor leitend, so daß der Strom ungestört zum zu schützenden Gerät fließen kann. Treten nun in der Spannungsquelle überspannungen auf, so schaltet die bistabile Schaltvorrichtung um. Dabei sperrt der Leistungstransistor, so daß als Wirkung davon das zu schützende Gerät von der Spannungsquelle abgetrennt ist. Diese bekannte überspannungsschutzvorrichtung ist zwar dazu geeignet, überspannungen unwirksam zu machen, die von der Spannungsquelle her zu dem zu schützenden Gerät gelangen können, sie ist jedoch nicht dazu in der Lage, ein Gerät gegen Überspannungen zu schützen, die in dem Gerät, beispielsweise durch Schaltvorgänge, selber entstehen.Another known DC surge protector has a bistable switching device that has a precisely known switching threshold owns. This switching device is between the voltage source and the one to be protected Device switched. It has a power transistor through which the current from the voltage source is led to the device to be protected. In the normal state is this transistor is conductive, so that the current flows undisturbed to the device to be protected can. If overvoltages occur in the voltage source, the bistable switches Switching device around. The power transistor blocks, so that as an effect of it the device to be protected is disconnected from the voltage source. This known surge protector is suitable to make overvoltages ineffective from the voltage source can get to the device to be protected, but it is not able to do so Able to protect a device against surges in the device, for example caused by switching processes themselves.

Ein überspannungsschutz für Gleichstromanlagen, der alle drei bereits gestellten Forderungen erfüllt, weist eine geeichte, bistabile Schaltvorrichtung auf, die als Shunt der Gleichspannungsquelle parallel geschaltet ist und bei Normalspannung nicht leitet. Dieser überspannungsschutz ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die geeichte Schaltvorrichtung ein steuerbarer Siliziumgleichrichter mit einer Steuerelektrode ist, der in Reihe mit einem nichtlinearen Widerstand an eine Gleichspannungsquelle geschaltet ist, dessen Widerstandswert bei niedrigen Spannungen hoch und bei hohen Spannungen niedrig ist und dessen Leitwert sich exponentiell mit der angelegten Spannung ändert, daß weiterhin die Steuerelektrode mit der Gleichspannungsquelle über eine Anordnung verbunden ist, die bewirkt, daß der steuerbare Gleichrichter in den stromführenden Zustand übergeht, wenn an der Gleichspannungsquelle ein Spannungsstoß einer bestimmten Amplitude auftritt, und daß dem nichtlinearen Widerstand ein Kondensator parallel geschaltet ist, so daß der Siiiziumgleichrichter wieder sperrt, wenn die überspannung abgeklungen ist.A surge protector for DC systems, all three already Fulfilled demands made, has a calibrated, bistable switching device which is connected in parallel as a shunt to the DC voltage source and at normal voltage does not conduct. According to the invention, this overvoltage protection is characterized by that the calibrated switching device is a controllable silicon rectifier with a The control electrode is connected in series with a non-linear resistor to a DC voltage source is switched, the resistance value of which is high at low voltages and high at high voltages Voltages is low and its conductance increases exponentially with the applied Voltage changes that continues to connect the control electrode to the DC voltage source is connected via an arrangement that causes the controllable rectifier goes into the live state when there is a voltage surge at the DC voltage source a certain amplitude occurs, and that the non-linear resistance is a capacitor is connected in parallel, so that the Siiiziumrectifier blocks again when the overvoltage has subsided.

Das Kennzeichnende liegt in der Kombination der angegebenen Merkmale.The distinguishing feature lies in the combination of the specified features.

An Stelle eines steuerbaren Siliziumgleichrichters kann man als geeichte Schaltvorrichtung auch eine Funkenstrecke oder eine Vierschichtdiode verwenden. Die dann notwendigen Abwandlungen des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzes liegen aber im Bereich handwerklichen Könnens.Instead of a controllable silicon rectifier, one can use a calibrated Switching device also use a spark gap or a four-layer diode. The necessary modifications of the overvoltage protection according to the invention are then but in the area of craftsmanship.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen beschrieben werden. Es zeigt F i g. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, die einen gesteuerten Siliziumgleichrichter enthält, F i g. 2 eine schematische Darstellung eines steuerbaren Sfiziumgleichrichters, der in der Schaltung nach F i g. 1 verwendet werden kann, F i g. 3 ein Schaltbild einer anderen Ausführung der Erfindung, die mit einer Vierschicht-Shockleydiode arbeitet, F i g. 4 eine schematische Darstellung der in F i g. 3 verwendeten Shockleydiode und F i g. 5 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die mit einer Funkenstrecke arbeitet.In the following, the invention will be based on exemplary embodiments will be described in detail in conjunction with the drawing. It shows F i g. 1 is a circuit diagram of an embodiment of the invention employing a silicon controlled rectifier contains, F i g. 2 a schematic representation of a controllable silicon rectifier, in the circuit according to FIG. 1 can be used, FIG. 3 a circuit diagram another embodiment of the invention, that with a four-layer shockley diode works, F i g. 4 is a schematic representation of the FIG. 3 used shockley diode and F i g. 5 is a circuit diagram of a third embodiment of the invention, which is shown with a spark gap works.

Die Hauptbestandteile eines überspannungsschutzes für Gleichspannungen gemäß der Erfindung sind ein Um- oder Ableitkreis, der aus einer geeichten Schalteinrichtung, die mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist, besteht und ein Kommutator- oder Umpolkeis, der den Ableitkreis unterbricht, nachdem die überspannungswelle abgeklungen ist, so daß die normale Ausgangsspannung der Quelle nicht über den Ableitkreis kurzgeschlossen wird. Die drei dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung enthalten in den Ableitkreisen jeweils ein verschiedenes Bauelement als geeichte Schaltvorrichtung.The main components of surge protection for DC voltages according to the invention are a bypass or discharge circuit, which consists of a calibrated switching device, which is connected in series with a resistor, and a commutator or Polarity reversal, which interrupts the discharge circuit after the surge wave has decayed so that the normal output voltage of the source is not short-circuited across the bypass circuit will. The three illustrated embodiments of the invention contained in the Discharge circuits each have a different component as a calibrated switching device.

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform enthält als geeichte Schaltvorrichtung einen steuerbaren Siliziumgleichrichter. Ein steuerbarer Siliziumgleichrichter ist im wesentlichen eine PNPN-Halbleitereinrichtung mit drei Sperrschichten und einer dritten Elektrode, der sogenannten Steuerelektrode, die mit der inneren P-Schicht verbunden ist, wie F i g. 2 zeigt. Ein steuerbarer Siliziumgleichrichter leitet nicht, wenn eine in Flußrichtung zugeführte Spannung kleiner ist als die Flußdurchbruchsspannung. Wenn jedoch ein kleiner positiver Stromimpuls von der Steuerelektrode zur Kathode fließt, beginnt der Gleichrichter innerhalb weniger Mikrosekunden zu leiten und bleibt auch nach Beendigung der Erregung der Steuerelektrode leitend. Der Stromfluß durch den Gleichrichter kann dadurch wieder unterbrochen werden, daß er unter den Stromflußpegel abgesenkt wird, dies kann entweder dadurch bewirkt werden, daß zwischen Anode und Kathode eine Gegenspannung gelegt wird oder daß in Reihe mit dem Gleichrichter ein hoher Widerstand geschaltet wird.The in F i g. 1 shown embodiment contains as a calibrated Switching device a controllable silicon rectifier. A controllable silicon rectifier is essentially a PNPN semiconductor device with three barrier layers and a third electrode, the so-called control electrode, which is connected to the inner P-layer connected as F i g. 2 shows. A controllable silicon rectifier conducts not when a voltage applied in the forward direction is smaller than the forward breakdown voltage. However, if there is a small positive current pulse from the control electrode to the cathode flows, the rectifier begins to conduct and within a few microseconds remains conductive even after the excitation of the control electrode has ended. The flow of electricity by the rectifier can be interrupted again that he is under the Current flow level is lowered, this can either be effected by between Anode and cathode a counter voltage is placed or that in series with the rectifier a high resistance is switched.

Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält zwei Eingangsklemmen 10, 11, die zum Anschluß an eine nicht dargestellte Gleichspannungsquelle bestimmt sind. Der Schalterteil der Schaltungsanordnung enthält einen steuerbaren Siliziumgleichrichter 12 und einen der Gleichspannungsquelle parallelgeschalteten, nichtlinearen Widerstand 13. Der steuerbare Siliziumgleichrichter 12 gehört dem in Verbindung mit F i g. 2 beschriebenen Typ an und enthält ein Steuerelement 15.The in Fig. 1 contains illustrated embodiment of the invention two input terminals 10, 11 for connection to a DC voltage source, not shown are determined. The switch part of the circuit arrangement contains a controllable one Silicon rectifier 12 and one of the DC voltage source connected in parallel, non-linear resistance 13. The controllable silicon rectifier 12 belongs to the in connection with F i g. 2 and contains a control element 15.

Als nichtlinearer Widerstand 13 dient ein bekanntes Bauelement mit einer solchen Strom-Spannungs-Kennlinie, daß der Widerstand 13 bei einer niedrigen Klemmenspannung einen hohen und bei einer hohen Klemmenspannung einen niedrigen Widerstand hat. Genauer gesagt ändert sich der Strom durch den Widerstand exponentiell mit der angelegten Spannung. Der Exponent hängt von einer Reihe von Faktoren des Herstellungsprozesses ab und beträgt im allgemeinen mindestens 3,5, in Sonderfällen auch bis zu 7.A known component also serves as the non-linear resistor 13 such a current-voltage characteristic that the resistor 13 at a low Terminal voltage has a high and, if the terminal voltage is high, a low one Has resistance. More precisely, the current through the resistor changes exponentially with the applied voltage. The exponent depends on a number of factors of the Manufacturing process and is generally at least 3.5, in special cases also up to 7.

Der Einschaltteil der Schaltungsanordnung enthält einen Kondensator 16, der in Reihe mit zwei Spannungsteilerwiderständen 17, 18 dem gesteuerten Gleichrichter 12 parallel geschaltet ist. Der Kondensator hält die Gleichspannung der Quelle von der aus den Widerständen 13, 17 und 18 bestehenden Spannungsteileranordnung fern. Eine vorübergehende Spannungswelle, gegen die ein Schutz erwünscht ist, durchläuft jedoch den Kondensator 16 und erscheint an den Spannungsteilerwide.rständen. Die Steuerelektrode 15 des Siliziumgleichrichters 12 ist mit dem Verbindungspunkt der Spannungsteilerwiderstände 17, 18 über einen Widerstand 20, der einen gewissen Spannungsabfall bewirkt, und zum Schutz gegen eine umgekehrt gepolte Spannung über eine Gleichrichterdiode 21 und eine Schmelzsicherung 22 verbunden. Parallel zu dem nichtlinearen Widerstand 13 ist ein Kondensator 23 und parallel zu dem gesteuerten Gleichrichter 12 ist eine umgekehrt gepolte Gleichrichterdiode 24 geschaltet.The switch-on part of the circuit arrangement contains a capacitor 16, which is in series with two voltage divider resistors 17, 18 to the controlled rectifier 12 is connected in parallel. The capacitor keeps the DC voltage from the source the voltage divider arrangement consisting of resistors 13, 17 and 18. A transient voltage wave against which protection is desired passes through however, the capacitor 16 and appears across the voltage divider. The control electrode 15 of the silicon rectifier 12 is connected to the connection point of the voltage divider resistors 17, 18 via a resistor 20, which has a certain Voltage drop causes and protection against a reversed voltage across a rectifier diode 21 and a fuse 22 are connected. In parallel with that non-linear resistor 13 is a capacitor 23 and in parallel with the controlled A rectifier diode 24 with reverse polarity is connected to the rectifier 12.

Die im Betrieb an dem steuerbaren Siliziumgleichrichter 12 liegende Spannung der Quelle ist kleiner als dessen Durchbruchsspannung, und der Gleichrichter 12 leitet daher nicht. Wenn jedoch eine vorübergehende, positive Spannungserhöhung oder -welle auftritt, erscheint ein Teil dieser Spannung am Spannungsteilerwiderstand 18 und wird der Steuerelektrode 15 des gesteuerten Siliziumgleichrichters zugeführt. Die Welle oder der Impuls bewirken, daß der Gleichrichter 12 zu leiten beginnt, so daß dem nicht dargestellten, an Ausgangsklemmen 25, 26 angeschlossenen Verbraucher eine Serienschaltung aus dem Gleichrichter 12 und dem nichtlinearen Widerstand 13 parallel geschaltet wird. Hierdurch werden also sowohl der Verbraucher als auch die Spannungsquelle selbst gegen die temporäre Überspannung geschützt.The voltage of the source applied to the controllable silicon rectifier 12 during operation is lower than its breakdown voltage, and the rectifier 12 therefore does not conduct. If, however, a temporary, positive voltage increase or wave occurs, part of this voltage appears at the voltage divider resistor 18 and is fed to the control electrode 15 of the silicon controlled rectifier. The wave or the pulse cause the rectifier 12 to begin conducting, so that a series circuit of the rectifier 12 and the non-linear resistor 13 is connected in parallel to the consumer (not shown) connected to output terminals 25, 26. In this way, both the consumer and the voltage source itself are protected against the temporary overvoltage.

Auf Grund seiner Eigenschaften bleibt der gesteuerte Siliziumgleichrichter 12 auch nach dem Abklingen der überspannungswelle leitend, wenn er nicht auf irgendeine Weise gesperrt wird. Hierzu dient der Kondensator 23. Während des Durchlaufens der Spannungswelle bietet der nichtlineare Widerstand 13 dem Strom einen veränderlichen Widerstand dar, und der Parallelkondensator 23 lädt sich auf die am nichtlinearen Widerstand abfallende Spannung auf. Unmittelbar nach dem Abklingen der Spannungswelle ist die Spannung am Kondensator gleich dem durch die vorübergehende Spannungswelle erzeugten Spannungsabfall am nichtlinearen Widerstand 13. Diese Spannung ist höher als die Spannung des Systems; die resultierende Spannung am steuerbaren Gleichrichter 12 ist die algebraische Differenz zwischen der Spannung am Kondensator 23 und der Systemspannung und hat eine Richtung, die dem Systemstrom durch den gesteuerten Gleichrichter 12 entgegenwirkt. Mit der Zeit nimmt die resultierende Spannung am gesteuerten Gleichrichter 12 ab, während sich der Kondensator 23 durch den nichtlinearen Widerstand 13 entlädt. Der Widerstandswert des nichtlinearen Widerstandes 13 steigt jedoch mit abnehmender Kondensatorspannung an, so daß die Entladungszeitkonstante des Kondensators 23 vergrößert wird. Dieser Effekt verlängert die Zeitdauer, während der eine Gegenspannung am gesteuerten Gleichrichter 12 liegt, und als Folge davon tritt innerhalb weniger Mikrosekunden eine Entionisierung des Gleichrichters ein.Due to its properties, the silicon controlled rectifier remains 12 conductive even after the overvoltage wave has subsided, if it does not respond to any Way is locked. The capacitor 23 is used for this purpose. During the passage through the The non-linear resistor 13 offers the current a variable voltage wave Resistance is, and the parallel capacitor 23 charges on the non-linear Resistance dropping voltage. Immediately after the stress wave subsided the voltage across the capacitor is the same as that caused by the transient voltage wave generated voltage drop across the non-linear resistor 13. This voltage is higher than the tension of the system; the resulting voltage at the controllable rectifier 12 is the algebraic difference between the voltage across capacitor 23 and the System voltage and has a direction that the system current is controlled by the Rectifier 12 counteracts. Over time, the resulting voltage increases controlled rectifier 12, while the capacitor 23 through the non-linear Resistor 13 discharges. The resistance value of the non-linear resistor 13 increases however, with decreasing capacitor voltage, so that the discharge time constant of the capacitor 23 is increased. This effect extends the length of time while which is a counter voltage across the controlled rectifier 12, and as a result deionization of the rectifier occurs within a few microseconds.

Die Gleichrichterdiode 24 hat zwei Aufgaben. Es hat sich nämlich gezeigt, daß, kurz nachdem ein positiver Impuls der Steuerelektrode 15 des steuerbaren Siliziumgleichrichters 12 angelegt worden ist und bevor der Gleichrichter voll zu leiten beginnt, seine Anode infolge des schnellen Schaltvorganges kurzzeitig negativ bezüglich seiner Kathode wird. Es ist möglich, daß diese negative Spannung zeitweilig die maximal zulässige Sperrspannung des steuerbaren Gleichrichters übersteigt und er dadurch zerstört wird. Um dies zu verhindern, ist die Gleichrichterdiode 24 dem steuerbaren Gleichrichter 12 mit umgekehrter Polarität parallel geschaltet.The rectifier diode 24 has two functions. It has been shown that that shortly after a positive pulse of the control electrode 15 of the controllable silicon rectifier 12 has been applied and before the rectifier begins to conduct fully, its Due to the rapid switching process, the anode is briefly negative with regard to its Cathode will. It is possible that this negative voltage is temporarily the maximum permissible reverse voltage of the controllable rectifier exceeds and he thereby gets destroyed. To prevent this, the rectifier diode 24 is controllable Rectifier 12 connected in parallel with reversed polarity.

Bei der Beschreibung der Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung war bisher angenommen worden, daß der Spannungsimpuls oder die vorübergehende Spannungswelle dasselbe Vorzeichen hat wie die Systemspannung. Dies ist der ungünstigste Fall, da der Systemstrom nach dem Abklingen der Spannungswelle weiterfließen wird, wenn er nicht durch irgendwelche äußeren Maßnahmen unterbrochen wird. Wenn eine Spannungswelle der entgegengesetzten Polarität an der Schutzeinrichtung auftritt, kann der steuerbare Gleichrichter 12 das Gerät nicht schützen, ohne selbst Schaden zu leiden. Durch die im steuerbaren Gleichrichter 12 mit umgekehrter Polarität parallelgeschaltete Diode 24 wird eine solche Spannungswelle jedoch abgeleitet und kann weder den steuerbaren Gleichrichter noch das zu schützende Gerät zerstören. In diesem Fall fließt nach dem Abklingen des Spannungsimpulses kein Strom aus dem System durch die Diode, da die Diode bezüglich der Systemspannung in Sperr-Richtung gepolt ist.In describing the operation of this embodiment the invention had previously been assumed that the voltage pulse or the temporary Voltage wave has the same sign as the system voltage. This is the worst Case where the system current will continue to flow after the voltage wave has subsided, if it is not interrupted by some external measure. When a Voltage wave of opposite polarity occurs at the protective device, the controllable rectifier 12 cannot protect the device without harming itself to suffer. By being connected in parallel in the controllable rectifier 12 with reversed polarity Diode 24 is diverted from such a voltage wave and can neither the controllable The rectifier or the device to be protected. In this case there is more flow When the voltage pulse dies down, there is no current from the system through the diode the diode is polarized in the reverse direction with respect to the system voltage.

Im folgenden sollen typische Werte für die Bauelemente einer Schutzschaltung angegeben werden, die für eine 90-V-Gleichspannungsquelle ausgelegt ist: Widerstand 13 ......... 2 Stück Nr. 3 900 353 G 1 Thyrit der G. E. C. Widerstand 17 ......... 2,5 kohm Widerstand 18 ......... 200 Ohm Widerstand 20 ......... 100 Ohm Kondensator 16 ........ 20 nF Kondensator 23 ........ 0,5 gF F i g. 3 zeigt eine Abwandlung der Erfindung, bei der eine Shockleydiode 30 in Reihe mit dem nichtlinearen Widerstand 13 direkt parallel zu den Gleichspannungsklemmen geschaltet ist. Der Kondensator 23 liegt wieder parallel zum nichtlinearen 'V#liderstand 13, und die Gleichrichterdiode 24 ist der Shockleydiode 30 parallel geschaltet.Typical values for the components of a protective circuit designed for a 90 V DC voltage source are given below: Resistor 13 ......... 2 pieces No. 3 900 353 G 1 Thyrit of the GEC Resistance 17 ......... 2.5 kohm Resistance 18 ......... 200 ohms Resistance 20 ......... 100 ohms Capacitor 16 ........ 20 nF Capacitor 23 ........ 0.5 gF F i g. 3 shows a modification of the invention in which a Shockley diode 30 is connected in series with the non-linear resistor 13, directly in parallel with the DC voltage terminals. The capacitor 23 is again in parallel with the non-linear resistor 13, and the rectifier diode 24 is connected in parallel with the Shockley diode 30.

Der Aufbau einer Shockleydiode, der aus F i g. 4 ersichtlich ist, ähnelt dem eines steuerbaren Siliziurr.-gleichrichters mit der Ausnahme, daß eine Shockleydiode keine dritte Elektrode, d. h. kein Steuerelement enthält. Um eine Shockleydiode einzuschalten, muß ihr daher kurzzeitig ein ihre Durchbruchsspannung übersteigender Impuls- zugeführt werden. Zum Abschalten muß der Stromfiuß in der Diode auf einen Wert unterhalb des einen Dauerstrom gewährleistenden Wertes entweder dadurch abgesenkt werden, daß ein hoher Widerstand in Reihe mit der Diode geschaltet oder eine Gegenspannung an die Diode angelegt wird.The structure of a Shockley diode from FIG. 4 can be seen, is similar to that of a controllable silicon rectifier with the exception that one Shockley diode no third electrode, d. H. contains no control. To a To turn on the Shockley diode, you must therefore briefly a breakdown voltage exceeding impulse can be supplied. To switch off, the current flow must be in the Diode to a value below the value ensuring a continuous current either can be lowered by connecting a high resistance in series with the diode or a counter voltage is applied to the diode.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Schaltung leitet die Shockleydiode natürlich im normalen Betrieb der Schaltungsanordnung nicht. Wenn jedoch eine positive Spannungswelle auftritt, die die Durchschlagsspannung der Shockleydiode 30 übersteigt, wird diese leitend, und die Überspannung wird im nichtlinearen Widerstand 13 vernichtet. Wie bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform lädt sich der Kondensator 23 auf die am nichtlinearen Widerstand 13 abfallende Spannung auf, und nach dem Abklingen der überspannung liegt an der Shockleydiode 30 eine Spannung gleich der algebraischen Differenz zwischen der Spannung am Kondensator 23 und der Systemspannung. Wie oben erklärt wurde, wirkt diese Spannung dem Fluß des Systemstromes durch die Shockleydiode 30 entgegen und bewirkt innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne eine Entionisierung der Shockleydiode, so daß diese nicht länger vom Systemstrom durchflossen wird.In the case of the in FIG. Of course, the circuit shown in FIG. 3 does not conduct the Shockley diode during normal operation of the circuit arrangement. If, however, a positive voltage wave occurs which exceeds the breakdown voltage of the Shockley diode 30, this becomes conductive and the overvoltage is destroyed in the nonlinear resistor 13. As in the case of FIG. In the embodiment shown in FIG. 1, the capacitor 23 is charged to the voltage drop across the non-linear resistor 13 , and after the overvoltage has decayed, the Shockley diode 30 has a voltage equal to the algebraic difference between the voltage across the capacitor 23 and the system voltage. As explained above, this voltage counteracts the flow of the system current through the Shockley diode 30 and causes deionization of the Shockley diode within a very short period of time, so that the system current no longer flows through it.

Die der - Shockleydiode 30 parallelgeschaltete Diode 24 dient denselben Zwecken wie die entsprechende Diode in F i g. 1, nämlich zum Schutz der Shockleydiode gegen kurzzeitige negative überspannungen, die ihre Ursache in dem schnellen Schaltvorgang haben, und zum Schutz gegen Spannungsimpulse einer der Systemspannung entgegengesetzten Polarität.The diode 24 connected in parallel with the Shockley diode 30 serves the same purposes as the corresponding diode in FIG. 1, namely to protect the Shockley diode against brief negative overvoltages, which are caused by the rapid switching process, and to protect against voltage pulses of a polarity opposite to the system voltage.

F i g. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem eine Funkenstrecke 40 als geeichte Schaltvorrichtung dient. Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen ist der durch den Kondensator 23 überbrückte nichtlineare Widerstand 13 in Reihe mit der Schaltvorrichtung den Gleichstromleitungen parallel geschaltet.F i g. 5 shows a third exemplary embodiment of the invention, in which a spark gap 40 serves as a calibrated switching device. As in the other exemplary embodiments, the nonlinear resistor 13 bridged by the capacitor 23 is connected in series with the switching device in parallel with the direct current lines.

Die in F i g. 5 dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen. Wenn die Durchschlagsspannung der Funkenstrecke 40 durch eine vorübergehende Spannungswelle oder einen Impuls überschritten wird, zündet sie, und die überspannung wird im nichtlinearen Widerstand 13 vernichtet. Der Kondensator 23 lädt sich auf die am Widerstand 13 abfallende Spannung auf und bewirkt nach dem Abklingen der überspannung die Unterbrechung des über die Funkenstrecke 40 fließenden Stromes. Die Werte des nichtlinearen Widerstandes und des Parallelkondensators werden entsprechend der maximal zu erwartenden überspannung, dem gewünschten Schutzpegel und der Entionisationszeit der Schalteinrichtung bemessen.The in F i g. The circuit arrangement shown in FIG. 5 operates in accordance with the exemplary embodiments described above. If the breakdown voltage of the spark gap 40 is exceeded by a temporary voltage wave or a pulse, it ignites and the overvoltage is destroyed in the non-linear resistor 13 . The capacitor 23 is charged to the voltage drop across the resistor 13 and, after the overvoltage has decayed, causes the current flowing through the spark gap 40 to be interrupted. The values of the non-linear resistance and the parallel capacitor are measured according to the maximum expected overvoltage, the desired protection level and the deionization time of the switching device.

Es ist ersichtlich, daß die in F i g. 5 dargestellte Einrichtung das System sowohl gegen positive als auch gegen negative überspannungen und Impulse schützt und daß der nichtlineare Widerstand 13 und der Kondensator 23 in beiden Fällen in der gleichen Weise arbeiten.It can be seen that the in FIG. The device shown in FIG. 5 protects the system against both positive and negative overvoltages and pulses and that the non-linear resistor 13 and the capacitor 23 operate in the same way in both cases.

Claims

Claims: 1. overvoltage protection for direct current systems to reduce overvoltage pulses, which contains a calibrated, bistable switching device which is connected in parallel as a shunt to the direct voltage system and does not conduct at normal voltage, characterized in that the calibrated switching device is a controllable silicon rectifier (12) with a Control electrode (15) , which is connected in series with a non-linear resistor (13) to a direct voltage source, whose resistance value is high at low voltages and low at high voltages and whose conductance changes exponentially with the applied voltage, so that the control electrode ( 15) is connected to the DC voltage source via an arrangement which causes the controllable rectifier to go into the live state when a voltage surge of a certain amplitude occurs at the DC voltage source, and that the non-linear resistor (13) a condensate or (23) is connected in parallel so that the silicon rectifier (12) blocks again when the overvoltage has subsided.

2. Overvoltage protection for DC systems against overvoltage pulses, which contains a calibrated switching device which is connected in parallel as a shunt of the DC voltage system and does not conduct at normal voltage, characterized in that the calibrated switching device is a spark gap (40) connected in series with a non-linear resistor is, and that the non-linear resistor (13) a capacitor (23) is connected in parallel, which is dimensioned so that it interrupts the flow of current through the spark gap after the overvoltage has subsided. Publications considered: German Auslegeschriften No. 1073 617, 1097539.