DE4244133A1 - - Google Patents

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Takashi Shibayama
Takaaki Itoh
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    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage

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Abstract

The surge absorber has a PNPN-structure semiconductor element 21 and PN-structure semiconductor element 22. A terminal 23 connected to an external P-section 21a of element 21 and a terminal 24 connected to an external N-section 21d of element 21 are used as connection terminals. An N-section 22a of PN element 22 is connected to the external P-section 21a of PNPN element 21 and a P-section 22b of element 22 is connected to an internal P-section 21c serving as a gate terminal of element 21. The communication-network surge absorber makes it possible to obtain a large surge-current resistant capacity at a low breakover voltage. The PNPN element 21 may be a triac, (Fig 3), or SCR, Fig 2, and the PN element 22 may be a Zener diode. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsableiter, der geeignet ist für elektronische Vorrichtungen von Übertragungsanlagen, die Telefongeräte, Faksimilegeräte, Telefonvermittlungen und Modems einschließen. Im besonderen bezieht sie sich auf einen Überspannungs­ ableiter für ein Übertragungsnetzwerk zum Schutz elektronischer Bauele­ mente vor Netzüberspannung, die an diese angelegt wird.The present invention relates to a surge arrester, which is suitable for electronic devices of transmission systems, telephone equipment, facsimile equipment, telephone exchanges and modems lock in. In particular, it refers to a surge arrester for a transmission network for the protection of electronic components elements before mains overvoltage, which is applied to this.

Ein Überspannungsableiter, der mit einem Paar Leitern einer elektroni­ schen Vorrichtung von Übertragungsanlagen parallel verbunden ist, so daß er bei einer Spannung höher als die Betriebsspannung der elek­ tronischen Vorrichtung arbeitet, ist bekannt. Der Überspannungsableiter dient als ein Widerstand mit einem hohen Widerstandswert bei einer Spannung geringer als die Anfangsentladespannung. Wenn jedoch die angelegte Spannung höher als die Anfangsentladespannung ist, dient der Ableiter als ein Widerstand mit einem niedrigen Widerstandswert von einigen zehn Ohm oder weniger. Wenn eine Überspannung z. B. eine Netzüberspannung augenblicklich an ein elektronisches Bauelement ange­ legt wird, entlädt sich der Überspannungsableiter und leitet die Über­ spannung ab, um das elektronische Bauelement zu schützen. A surge arrester that is connected to a pair of conductors of an electroni rule device of transmission systems is connected in parallel, so that it is at a voltage higher than the operating voltage of the elec tronic device works is known. The surge arrester serves as a resistor with a high resistance at one Voltage less than the initial discharge voltage. However, if the applied voltage is higher than the initial discharge voltage, the Arrester as a resistor with a low resistance value of a few tens of ohms or less. If an overvoltage z. Legs Mains overvoltage instantly attached to an electronic component is placed, the surge arrester discharges and conducts the over voltage to protect the electronic component.  

Ein Halbleiterelement, z. B. einer Zenerdiode, ein Thyristor oder TRIAC, weist eine zufriedenstellende Überspannungsableitercharakteristik auf, weil es keine Antwortverzögerung für Überspannung hat.A semiconductor element, e.g. B. a zener diode, a thyristor or TRIAC, has a satisfactory surge arrester characteristic because it has no response delay for overvoltage.

Der Einsatz eines dieser Halbleiterelemente als Überspannungsableiter beseitigt jedoch nicht die Probleme. Zum Beispiel weist die Zenerdiode den Nachteil eines Durchbruchs und Kurzschlusses auf, wenn eine Schwachstrom-Überspannung angelegt wird, weil sie eine niedrige Über­ spannungsstrom-Toleranz aufweist. Darüber hinaus kann der Thyristor und der TRIAC nicht konfiguriert werden, um Schutz gegen große Über­ spannungsströme bei geringen Durchbruchsspannungen bereitzustellen.The use of one of these semiconductor elements as a surge arrester however, does not solve the problems. For example, the zener diode the disadvantage of a breakdown and short circuit if one Low current overvoltage is applied because it has a low over voltage current tolerance. In addition, the thyristor and The TRIAC cannot be configured to provide protection against large excesses to provide voltage currents at low breakdown voltages.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Überspannungs­ ableiter für ein Übertragungsnetzwerk bereitzustellen zum Erhalten einer großen Überspannungsstrom-beständigen Kapazität bei einer niedrigen Kippspannung.It is an object of the present invention a surge to provide arresters for a transmission network to obtain a large surge current-resistant capacity at a low Breakdown voltage.

Diese Aufgabe kann erfüllt werden durch die vorliegende Erfindung, die einen Überspannungsableiter mit einer Diode bereitstellt, die als eine erste Schicht eines Halbleitermaterials eines ersten Typs verbunden mit einer zweiten Schicht aus Halbleitermaterial eines zweiten Typs kon­ struiert ist. Die Diode ist gegenüber einem Thyristor verbunden. Der Thyristor ist mit einer Endschicht des zweiten Halbleitermaterialtyps und einer inneren Schicht des gleichen Typs konstruiert. Die Diode ist mit dem Thyristor elektrisch so verbunden, daß die erste Schicht der Diode mit der Endschicht des Thyristors und die zweite Schicht der Diode mit der inneren Schicht des Thyristors verbunden ist.This object can be achieved by the present invention provides a surge arrester with a diode that acts as a first layer of a semiconductor material of a first type connected to a second layer of semiconductor material of a second type is structured. The diode is connected to a thyristor. The Thyristor is with an end layer of the second semiconductor material type and an inner layer of the same type. The diode is with electrically connected to the thyristor so that the first layer of the diode with the end layer of the thyristor and the second layer of the diode with the inner layer of the thyristor is connected.

Der erfinderische Überspannungsableiter zeigt einen hohen Widerstand, wenn die zwischen den Eingangsleitungen angelegte Spannung niedriger als die Durchbruchspannung des pn-Elements ist. Wenn die angelegte Spannung die Durchbruchspannung des pn-Elements überschreitet, fließt Strom in den inneren p-Bereich (Gate) des pnpn-Elements, wodurch verursacht wird, daß der meiste Überstrom durch das pnpn-Element fließt.The inventive surge arrester shows a high resistance, when the voltage applied between the input lines is lower  than the breakdown voltage of the pn element. If the created Voltage exceeds the breakdown voltage of the pn element flows Current in the inner p-area (gate) of the pnpn element, which most overcurrent is caused by the pnpn element flows.

Sobald der Überstrom nachläßt, wird der Strom, der durch das pnpn- Element fließt, gleich oder weniger als der Haltestrom des pnpn-Ele­ ments, was den Überspannungsableiter in seinen Hochwiderstandszustand zurückführt.As soon as the overcurrent subsides, the current flowing through the pnpn Element flows, equal to or less than the holding current of the pnpn-Ele ment what the surge arrester in its high resistance state leads back.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen­ den Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeich­ nung zeigtFurther advantages, features and possible uses of the present the invention result from the following description of Embodiments in connection with the drawing. In the drawing shows

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Überspannungs­ ableiters gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of a surge arrester according to the present invention;

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm einer Überspannungsableiter-Schaltung, die den Überspannungsableiter von Fig. 1 verwendet; Fig. 2 is a circuit diagram of a surge arrester circuit using the surge arrester of Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm des Überspannungsableiters von Fig. 1; Fig. 3 is a circuit diagram of the surge arrester of Fig. 1;

Fig. 4 die Diagramme einer anfänglichen V-I-Charakteristik eines Über­ spannungsableiters der vorliegenden Erfindung und zwei bekann­ ten Überspannungsableitern; und Fig. 4 are diagrams of an initial VI characteristic of a surge arrester of the present invention and two known surge arresters; and

Fig. 5 Überspannungsableiter-Wellenformen eines Überspannungsablei­ ters der vorliegenden Erfindung und zwei bekannten Überspan­ nungsableitern. Fig. 5 surge arrester waveforms of a surge arrester of the present invention and two known surge arresters.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Überspannungsableiter 13 der vor­ liegenden Erfindung für ein Übertragungsnetzwerk mit einem pnpn-struk­ turierten Halbleiterelement 21 und einem pn-strukturierten Halbleiter­ element 22 versehen und verwendet einen Anschluß, der mit einem äußeren p-Bereich 21a des Halbleiterelements 21 verbunden ist und einen Anschluß, der mit einem äußeren n-Bereich 21d des Halbleiter­ elements 21 verbunden ist, jeweils als Verbindungsanschlüsse 23 und 24.Referring to Fig. 1 is a surge arrester 13 of the front lying invention for a transmission network with a pnpn-constructive-structured semiconductor element 21 and a pn-structured semiconductor element 22, and uses a terminal connected to an outer p region 21 a of the semiconductor element 21 is connected and a connection which is connected to an outer n-region 21 d of the semiconductor element 21 , in each case as connection connections 23 and 24 .

Wie gezeigt ist ein n-Bereich 22a des Halbleiterelements 22 elektrisch mit einem äußeren p-Bereich 21a des Halbleiterelements 21 verbunden und ein p-Bereich 22b des Halbleiterelements 22 ist elektrisch mit einem inneren p-Bereich 21c verbunden, der als ein Gate-Anschluß des Halblei­ terelements 21 dient.As shown, an n-region 22 a of the semiconductor element 22 is electrically connected to an outer p-region 21 a of the semiconductor element 21 , and a p-region 22 b of the semiconductor element 22 is electrically connected to an inner p-region 21 c, which as a Gate connection of the semiconductor element 21 is used.

In der erfinderischen Überspannungsableiter-Schaltung von Fig. 2 sind Verbindungsanschlüsse 23 und 24 des Überspannungsableiters 13 zwischen einem Paar Eingangsleitungen 11 und 12 der elektronischen Vorrichtung 10 für Übertragungsanlagen und parallel mit Vorrichtung 10 verbunden.In the inventive surge arrester circuit of FIG. 2, connection terminals 23 and 24 of the surge arrester 13 are connected between a pair of input lines 11 and 12 of the electronic device 10 for transmission systems and in parallel with the device 10 .

Ein Thyristor, TRIAC und ähnliches kann als Halbleiterelement 21 der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Eine Zenerdiode oder ähn­ liches kann als Halbleiterelement 22 verwendet werden.A thyristor, TRIAC and the like can be used as the semiconductor element 21 of the present invention. A zener diode or the like can be used as the semiconductor element 22 .

Für diesen Überspannungsableiter für ein Übertragungsnetzwerk dienen Halbleiterelemente 21 und 22 als ein Widerstand mit einem hohen Widerstandswert, wenn die zwischen den Anschlüssen 23 und 24 angeleg­ te Spannung kleiner als die Durchbruchspannung von Halbleiterelement 22 ist. Wenn die angelegte Spannung die Durchbruchspannung des Halbleiterelements 22 überschreitet, fließt ein Auslösestrom durch einen inneren p-Bereich 21c, der als ein Gate-Anschluß von Halbleiterelement 21 dient. Als Ergebnis wird das Halbleiterelement 21 eingeschaltet und das meiste des Überspannungsstroms fließt durch das Halbleiterelement 21.For this surge arrester for a transmission network, semiconductor elements 21 and 22 serve as a resistor with a high resistance value if the voltage applied between the terminals 23 and 24 is less than the breakdown voltage of semiconductor element 22 . When the applied voltage exceeds the breakdown voltage of the semiconductor element 22 , a tripping current flows through an inner p-region 21 c, which serves as a gate terminal of the semiconductor element 21 . As a result, the semiconductor element 21 is turned on and most of the overvoltage current flows through the semiconductor element 21 .

Nachdem das meiste des Überspannungsstroms vorüber ist, wird der Strom, der zwischen den Anschlüssen 23 und 24 fließt, kleiner oder gleich wie der Haltestrom des Halbleiterelements 21. Dann dienen die Halbleiterelemente 21 und 22 wieder als ein Widerstand mit einem hohen Widerstandswert.After most of the overvoltage current is over, the current flowing between the terminals 23 and 24 becomes less than or equal to the holding current of the semiconductor element 21 . Then the semiconductor elements 21 and 22 again serve as a resistor with a high resistance value.

Wie gezeigt in Fig. 3 ist der Überspannungsableiter 13 mit einem TRIAC 21 und einer Zenerdiode 22 versehen. Anschlüsse T2 und T1 des TRIAC 21 werden als Verbindungsanschlüsse 23 bzw. 24 verwendet. Wie gezeigt in Fig. 1 ist ein n-Bereich 22a der Zenerdiode 22 elektrisch mit dem Verbindungsanschluß 22 des TRIAC 21 verbunden und ein p-Be­ reich 22b der Zenerdiode ist elektrisch mit dem Gate-Anschluß des TRIAC 21 verbunden.As shown in FIG. 3, the surge arrester 13 is provided with a TRIAC 21 and a Zener diode 22 . Connections T 2 and T 1 of the TRIAC 21 are used as connection connections 23 and 24 , respectively. As shown in Fig. 1, an n-region 22 a of the Zener diode 22 is electrically connected to the connection terminal 22 of the TRIAC 21 and a p-Be region 22 b of the Zener diode is electrically connected to the gate terminal of the TRIAC 21 .

In der vorliegende Verbindung werden die folgenden Bereiche für die Charakteristiken Halbleiterelemente verwendet:In the present connection, the following areas for the Characteristics of semiconductor elements used:

10 V Vz 400 V
500 V VGT 1000 V
15 mA VGT 600 mA
10 mA IH 500 mA
600 V VBD 1000 V10 V Vz 400 V
500 VV GT 1000 V
15 mA V GT 600 mA
10 mA I H 500 mA
600 VV BD 1000 V

wobei Vz die Zenerspannung ist, VGT die Gate-Anslösespannung ist, IGT der Gate-Auslösestrom ist, IH der Haltestrom ist und VBD die Durchbruchspannungs ist. where Vz is the Zener voltage, V GT is the gate trigger voltage, I GT is the gate trigger current, I H is the hold current and V BD is the breakdown voltage.

Der charakteristische Wert der Zenerdiode 22 in dieser Ausführungsform beträgt nominal 62 V als Zenerspannung und die Nennleistung beträgt 1 W. Die charakteristischen Werte des TRIAC 21 sind 800 V für die Gate-Auslösespannung, 15 mA für den Gate-Auslösestrom, 10 mA für den Haltestrom und 800 V für die Kippspannung.The characteristic value of the Zener diode 22 in this embodiment is nominally 62 V as a Zener voltage and the nominal power is 1 W. The characteristic values of the TRIAC 21 are 800 V for the gate trigger voltage, 15 mA for the gate trigger current, 10 mA for the holding current and 800 V for the breakover voltage.

Es folgt nun die Beschreibung von Testbeispiel 1.Test Example 1 is now described.

Fig. 4(a) zeigt die anfängliche V-I-Kennlinie des Überspannungsableiters 13 der obigen Ausführungsform. Im Vergleich zeigt Fig. 4(b) die anfäng­ liche V-I-Kennlinie des Überspannungsableiters aus nur einer Zenerdiode 22, die eine Komponente des Überspannungsableiters 13 ist und Fig. 4(c) zeigt die anfängliche V-I-Kennlinie des Überspannungsableiters aus nur einem TRIAC 21, der eine Komponente des Überspannungsableiters 13 ist. Fig. 4 (a) shows the initial VI characteristic of the surge arrester 13 of the above embodiment. In comparison, FIG. 4 (b) shows the initial VI characteristic of the surge arrester from only one Zener diode 22 , which is a component of the surge arrester 13 , and FIG. 4 (c) shows the initial VI characteristic of the surge arrester from only one TRIAC 21 , which is a component of the surge arrester 13 .

Wie gezeigt in Fig. 4(b) fängt bei 60 V an, Strom zu fließen bei dem Überspannungsableiter mit nur einer Zenerdiode 22. Wie gezeigt in Fig. 4(c) fängt bei einer Spannung von 800 V an, Strom zu fließen bei dem Überspannungsableiter mit nur einem TRIAC 21, und die Spannung fällt ab, wenn die Anschlüsse 23 und 24 miteinander verbunden werden. Demgegenüber; wie gezeigt in Fig. 4(a), ist bei dem Überspannungs­ ableiter 13 der TRIAC 21 eingeschaltet, und die Spannung ist zu einer Spannung abgefallen, wo die Zenerdiode 22 durchbricht.As shown in FIG. 4 (b), current begins to flow at 60 V in the surge arrester with only one Zener diode 22 . As shown in Fig. 4 (c), at a voltage of 800 V, current begins to flow in the surge arrester with only one TRIAC 21 , and the voltage drops when the terminals 23 and 24 are connected together. In contrast; As shown in Fig. 4 (a), the surge arrester 13 of the TRIAC 21 is turned on, and the voltage has dropped to a voltage where the zener diode 22 breaks down.

Überspannungskennlinien werden durch Anlegen einer Scheinüberspan­ nung mit einer Strom-bzw. Spannungswellenform von (1,2×50) µsek-2kV an die drei Überspannungsableiter angelegt, die in Testbeispiel 1 getestet werden. Surge characteristics are created by creating a dummy surge voltage with a current or. Voltage waveform of (1.2 × 50) µsec-2kV applied to the three surge arresters tested in test example 1 will.  

Die Spannungsantwort des Überspannungsableiters mit nur einer Zener­ diode 22 beträgt 110 V und zeigt die Spannungsableiter-Wellenform von Fig. 5(b). Die Spannungsantwort des Überspannungsableiters mit nur einem TRIAC 21 beträgt 1000 V, die in der Überspannungsableiter- Wellenform von Fig. 5(a) gezeigt ist. Demgegenüber tritt bei dem erfin­ derischen Überspannungsableiter 13 die Antwort bei 120 V auf, wie gezeigt in Fig. 5(a). Dies ist nahe der Spannungsantwort des Überspan­ nungsableiters mit nur einer Zenerdiode 22.The voltage response of the surge arrester with only one Zener diode 22 is 110 V and shows the surge arrester waveform of Fig. 5 (b). The voltage response of the surge arrester with only one TRIAC 21 is 1000 V, which is shown in the surge arrester waveform of Fig. 5 (a). In contrast, in the inventive surge arrester 13, the response occurs at 120 V, as shown in Fig. 5 (a). This is close to the voltage response of the surge arrester with only one Zener diode 22 .

Die Überspannungsstrom-beständige Kapazität wird durch Anlegen einer Scheinüberspannung, die eine Strom-bzw. Spannungswellenform von (8×20) µsek aufweist, an die drei Überspannungsableiter untersucht, die in Testbeispiel 1 getestet werden.The surge current-resistant capacity is created by applying a Apparent overvoltage, which is a current or. Voltage waveform of (8 × 20) µsec has examined to the three surge arresters, which in Test example 1 can be tested.

Der Überspannungsableiter mit nur einer Zenerdiode 22 bricht durch und schließt kurz bei einem Überspannungsstrom von 100 A. Der Über­ spannungsableiter mit nur einem TRIAC 21 und der Überspannungs­ ableiter 13 der Erfindung brechen nicht durch, sogar bei einem Über­ spannungsstrom von 600 A.The surge arrester with only one Zener diode 22 breaks down and closes briefly at an overvoltage current of 100 A. The surge arrester with only one TRIAC 21 and the surge arrester 13 of the invention do not break through, even with an overvoltage current of 600 A.

Wie oben beschrieben ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft darin, daß sie einen Überspannungsableiter bereitstellt, der bei einer niedrigen Durchbruchspannung eines pn-strukturierten Halbleiterelements arbeitet und der eine hohe Überspannungsstrom-Toleranz aufweist durch Kom­ binieren eines pnpn-strukturierten Halbleiterelements, z. B. eines Thyristors oder TRIACs, mit einem pn-strukturierten Halbleiterelement, z. B. einer Zenerdiode.As described above, the present invention is advantageous in that it provides a surge arrester that operates at a low Breakdown voltage of a pn-structured semiconductor element works and which has a high surge current tolerance due to com bin a pnpn structured semiconductor element, e.g. B. a thyristor or TRIACs, with a pn-structured semiconductor element, e.g. B. one Zener diode.

Claims (12)

1. Überspannungsableiter, der aufweist:
  • (a) eine Diode die aufweist:
    • (i) eine erste Schicht eines ersten Halbleitertyps;
    • (ii) eine zweite Schicht eines zweiten Halbleitertyps, die mit der ersten Schicht verbunden ist;
  • (b) einen Thyristor; der aufweist:
    • (i) eine Endschicht des zweiten Halbleitertyps; und
    • (ii) eine innere Schicht des zweiten Halbleitertyps,
1. Surge arrester, which has:
  • (a) a diode which has:
    • (i) a first layer of a first semiconductor type;
    • (ii) a second layer of a second semiconductor type connected to the first layer;
  • (b) a thyristor; which has:
    • (i) an end layer of the second semiconductor type; and
    • (ii) an inner layer of the second semiconductor type,
wobei die erste Schicht elektrisch mit der Endschicht verbunden ist und die zweite Schicht elektrisch mit der inneren Schicht verbunden ist.the first layer being electrically connected to the end layer and the second layer is electrically connected to the inner layer is. 2. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1, wobei der Thyristor ein TRIAC ist.2. Surge arrester according to claim 1, wherein the thyristor Is TRIAC. 3. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Element eine Zenerdiode ist.3. Surge arrester according to claim 1, wherein the second element is a zener diode. 4. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 3, wobei die Zenerdiode eine Zenerspannung im Bereich von 10 Volt bis 400 Volt aufweist.4. Surge arrester according to claim 3, wherein the zener diode has a Zener voltage in the range of 10 volts to 400 volts. 5. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1, wobei der Thyristor eine Gate-Auslösespannung, einen Gate-Auslösestrom, einen Haltestrom und eine Kippspannung aufweist. 5. Surge arrester according to claim 1, wherein the thyristor Gate trip voltage, a gate trip current, a hold current and has a breakdown voltage.   6. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 5, wobei die Gate-Auslöse­ spannung im Bereich von 500 Volt bis 1000 Volt ist.6. Surge arrester according to claim 5, wherein the gate tripping voltage is in the range of 500 volts to 1000 volts. 7. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 5, wobei der Gate-Auslöse­ strom im Bereich von 15 Milliampere bis 600 Milliampere ist.7. Surge arrester according to claim 5, wherein the gate trip current is in the range of 15 milliamps to 600 milliamps. 8. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 5, wobei der Haltestrom im Bereich von 10 Milliampere bis 500 Milliampere ist.8. surge arrester according to claim 5, wherein the holding current in Is from 10 milliamperes to 500 milliamperes. 9. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 5, wobei die Kippspannung im Bereich von 600 Volt bis 1000 Volt ist.9. surge arrester according to claim 5, wherein the breakover voltage is in the range of 600 volts to 1000 volts. 10. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1, wobei der erste Halblei­ tertyp p ist und der zweite Halbleitertyp n ist.10. Surge arrester according to claim 1, wherein the first half lead is p type and the second semiconductor type is n. 11. Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1, wobei der erste Halblei­ tertyp n ist und der zweite Halbleitertyp p ist.11. Surge arrester according to claim 1, wherein the first half lead is type n and the second semiconductor type is p.
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