Brevet FR2897231A1 — publié le 20070810

-1- La présente invention concerne un dispositif qui permet de protéger un composant électronique contre les surchauffes. Il consiste à mettre en connexion électrique avec le composant électronique un radiateur thermique qui se déconnecte automatiquement dès qu'un certain seuil de température est dépassé. Ces composants sont généralement semi-conducteurs (tels que les varistances ZnO). Les composants semi-conducteurs sont utilisés dans nos équipements électriques, électroniques, informatiques et télécommunications. Mais ces composants ont un défaut en commun : la surchauffe. La surchauffe commence par un point chaud puis un composant entier jusqu'à l'endommagement de l'appareil et peut provoquer des incendies. La varistance ZnO fait partie des composants de céramique semi-conducteurs. Grâce à ses propriétés particulières (non linéarité ; figure 1) elle est très utilisée dans la protection des équipements électriques, électroniques contre les surtensions atmosphériques ou industrielles. En état normal, la varistance ZnO a une forte résistance. Le chemin de protection est un circuit ouvert. En présence d'une surtension transitoire, la varistance se met à conduire et écoule la surcharge à la terre. En même temps, elle absorbe une partie d'énergie transitoire. Lorsque l'énergie de la surtension ne dépasse pas la capacité d'absorption d'une varistance, elle retrouve sa caractéristique initiale et est de nouveau prête à fonctionner pour la prochaine surtension. En revanche, si l'énergie de la surtension dépasse la limite d'absorption d'une varistance, elle se dégrade au niveau de la caractéristique électrique et lorsque la tension de seuil d'une varistance à 1mA est inférieure à celle de service, elle entre dans un emballement thermique. Elle chauffe, brûle et se met en court-circuit non franc (10-500). Cet emballement thermique est dangereux pour l'équipement à protéger. Il est donc impératif de mettre un circuit de protection thermique pour éviter ce défaut. On trouve actuellement sur le marché pour les varistances enrobées, des protections par fusible, disjoncteur ou fusible thermique. Ces moyens ne sont pas tout à fait adaptés à la protection d'une varistance contre l'emballement thermique. Les exigences nécessaires d'un système de déconnection pour une varistance contre l'emballement thermique sont les suivantes : 1- Une varistance est un composant de protection contre les surtensions, son rôle essentiel est d'écouler les surcharges transitoires à la terre. Première exigence : le système de déconnection doit tenir le courant de décharge nominal d'une varistance (de quelques cent ampères jusqu'à 10kA). 2- La varistance en état normal a un petit courant de fuite qui traverse le composant (de l'ordre de A). Une fois la varistance dégradée, elle commence à chauffer à partir de 10mA. Deuxième exigence : le système de déconnection doit fonctionner à partir de faibles courants en cas d'emballement thermique (500mA ou 2A). 2897231 -2- La protection d'une varistance par fusible peut répondre à la première critère si on sélectionne le calibre important pour écouler le courant de décharge. Mais il ne peut pas couper l'alimentation pour des courants inférieurs à son calibre. La protection par disjoncteur est similaire au fusible. 5 La protection d'une varistance par fusible thermique : un fusible thermique peut couper le circuit lorsque sa température dépasse le seuil de déclenchement. Ce composant est bien utilisé dans la protection des appareils électriques ou électroniques contre la surchauffe. En revanche, un fusible thermique normal n'est pas fait pour supporter les courants de chocs : certains perdent même leurs 10 caractéristiques thermiques initiales. Après des courants de chocs il se met à circuit ouvert ou fonctionne très mal à la température. Nous avons trouvé un système de déconnection qui répond parfaitement aux deux exigences pour les varistances enrobées. Le circuit de protection est constitué d'une plaque métallique déposée par collage spécifique sur une des deux surfaces 15 de la varistance enrobée. On soude ensuite un élément de fusion à basse température (alliage ou fil d'étain) ou bien un alliage élastique avec une soudure de basse température. La position de l'élément soudé peut variée (parallèle ou perpendiculaire) suivant les circonstances. Selon des modes particuliers de réalisation : 20 - le moyen de refroidissement est en contact thermique avec le composant placé en série dans le circuit d'alimentation du composant et comporte des moyens de rupture du circuit électrique en cas de dépassement de température. - les moyens de coupure du circuit sont constitués d'un élément conducteur fusible. - l'élément de coupure constitué par une pièce conductrice électrique en tension 25 mécanique sur le radiateur se libère mécaniquement sous effet de la chaleur (température qui dépasse un seuil déterminé) de façon à ouvrir le circuit. - le radiateur est constitué d'une plaque métallique conductrice de la chaleur et de l'électricité placée en contact thermique avec le composant et en série avec le circuit alimentant le composant. 30 - la plaque métallique est fixée par collage spécifique. - l'élément de coupure thermique peut se déplacer dans le plan de la plaque du composant électronique de façon à ce que l'ensemble occupe un emplacement très compact. - le composant électronique est un composant de protection contre les surtensions. 35 - un circuit de protection contre les surtensions occasionnant une surchauffe thermique. - le composant électronique est une varistance ZnO. - le point de fusion de la connexion entre la varistance et la plaque métallique est toujours supérieur en température à celui de l'élément de fusion. 40 Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 présente les caractéristiques électriques d'une varistance ZnO. 2897231 -3- La figure 2 présente un schéma de protection contre la surtension avec notre circuit de protection thermique. La figure 3 représente la configuration en détail de notre circuit de protection thermique. 5 En référence à ces dessins : En état normal, un courant de fuite traverse la varistance (4). En présence d'une surtension transitoire (5), le courant de décharge passe l'élément de fusion (2) puis la plaque métallique (3) et traverse la varistance (4) avant d'entrer dans la terre. Le diamètre de l'élément de fusion (2) est sélectionné 10 pour faire passer le fort courant. La plaque métallique (3) collé spécifiquement sur la varistance enrobée (4) agit comme un radiateur et prolonge la durée de vie de la varistance. Lorsque la varistance (4) est fortement dégradée, elle entre en emballement thermique. Un point chaud parait (la position du point chaud étant aléatoire d'une 15 varistance à une autre) ; la varistance (4) chauffe de plus en plus. La plaque métallique (3) collée sur la varistance enrobée (4) devient un collecteur de chaleur. Grâce à la faible épaisseur du plaque métallique (3) ( REVENDICATIONS 1) Dispositif de protection thermique d'un composant électrique contre les surchauffes caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de refroidissement en contact thermique avec le composant placé en série dans le circuit d'alimentation du composant et comporte des moyens de rupture du circuit électrique en cas de dépassement de température. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de coupure du circuit sont constitués d'un élément conducteur fusible. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de coupure constitués par une pièce conductrice électrique en tension mécanique sur le radiateur se libèrent mécaniquement sous effet de la chaleur (température qui dépasse un seuil déterminé) de façon à ouvrir le circuit. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le radiateur est constitué d'une plaque métallique conductrice de la chaleur et de l'électricité placée en contact thermique avec le composant et en série avec le circuit alimentant le composant. 5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la plaque métallique est fixée par collage. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce 20 que l'élément de coupure thermique se déplace dans le plan de la plaque du composant électronique de façon à ce que l'ensemble occupe un emplacement très compact. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le composant électronique est un composant de protection contre les surtensions. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce 25 que le composant électronique est une varistance ZnO. 9) Dispositif selon la revendication 8 et l'une des févendications 4 ou 5 caractérisé en ce que le point de fusion de la connexion entre la varistance et la plaque métallique est toujours supérieur en température à celui de l'élément de fusion. 30 10) Circuit de protection contre les surintensités occasionnant une surchauffe thermique caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications précédentes.