УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ
DEVICE OF PROTECTION AGAINST THERMAL OVERLOAD

Изобретение относится к устройству защиты от тепловой перегрузки электрического компонента, в частности электронного компонента, причем устройство защиты от тепловой перегрузки содержит закорачивающее устройство для закорачивания выводов компонента и чувствительный к теплу срабатывающий элемент, вызывающий срабатывание закорачивающего устройства.
Такое устройство защиты от тепловой перегрузки известно из выкладного описания изобретения к неакцептованной заявке DE 102008022794 A1. В нем раскрыто устройство защиты от тепловой перегрузки, содержащее закорачивающее устройство с закорачивающим бугелем для закорачивания электродов разрядника защиты от перенапряжений и плавкий элемент, вызывающий срабатывание устройства защиты от тепловой перегрузки.
Перегрузка электронных компонентов может приводить к тому, что они будут работать вне диапазона номинального режима. При этом конверсия мощности на поврежденном компоненте вследствие, например, пониженной прочности изоляции этого компонента вызывает повышенный нагрев. Если нагрев компонента сверх порога допустимости не будет устранен, то это может привести, например, к повреждению расположенных вокруг материалов, образованию дымовых газов или к риску возгорания.
Такие риски возникают и в компоновке из компонентов, например, поверхностно монтируемых компонентов, на подложке с токопроводящими дорожками. Для создания такой компоновки на подложку с токопроводящими дорожками (печатную плату/плату) устанавливаются и припаиваются соответствующие компоненты, например, с помощью автоматов. Вследствие плотной установки часто остается лишь очень ограниченное монтажное пространство.
В основу изобретения положена задача создания устройства защиты от тепловой перегрузки, требующего малое монтажное пространство, надежно срабатывающего на тепловую перегрузку, надежно закорачивающего и легко встраиваемого в процесс монтажа, в частности поверхностного монтажа, компонентов на подложке с токопроводящими дорожками.
Согласно изобретению указанная задача решается посредством признаков независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
Устройством защиты от тепловой перегрузки согласно изобретению предусмотрено, чтобы закорачивающее устройство, по меньшей мере, одним участком было закреплено на подложке с токопроводящими дорожками и опиралось, по меньшей мере, одним другим участком через срабатывающий элемент на расположенный на подложке с токопроводящими дорожками компонент и/или, по меньшей мере, на одну из токопроводящих дорожек, контактирующую с одним из закорачиваемых выводов. Устройство защиты от тепловой перегрузки согласно изобретению обладает также преимуществом, состоящим в том, что компонент и, в частности, паяные соединения между выводами и токопроводящими дорожками подвержены слабой механической нагрузке во время работы. Другое преимущество заключается в том, что смонтированные компоненты могут быть затем снабжены устройствами защиты от тепловой перегрузки. Опирание другого участка через срабатывающий элемент на компонент предусматривает, в частности, опирание на один из выводов компонента. Предпочтительно предусмотреть, чтобы срабатывающий элемент (активирующий элемент) был выполнен в виде плавкого элемента, срабатывающего вследствие расплавления. Температура плавления плавкого элемента определяет температуру срабатывания, которая таким образом может задаваться посредством выбора материала.
Предпочтительно предусмотреть, чтобы закорачивающее устройство для закорачивания выводов электрически контактировало с токопроводящими, соединенными с этими выводами дорожками. При этом ток короткого замыкания обводится «на большом пространстве» вокруг компонента.
В частности, предусмотрено, чтобы закорачивающее устройство содержало пружинящий элемент или являлось им. Посредством пружинящего элемента становится особенно просто обеспечить необходимое для контактирования усилие прижатия.
Дополнительно или в качестве альтернативы предпочтительно предусмотреть, чтобы закорачивающее устройство содержало элемент из материала с эффектом запоминания формы и/или набухающего материала и/или химически изменяющего свою форму материала в качестве исполнительного элемента. При соответствующей температуре такой исполнительный элемент обеспечит необходимое для контактирования усилие прижатия. Дополнительно срабатывающий элемент может быть одновременно выполнен согласно соответствующему варианту выполнения закорачивающего устройства в виде элемента из материала с эффектом запоминания формы и/или набухающего материала и/или химически изменяющего свою форму материала. Такие материалы получают из соответствующих функциональных пластмасс.
В качестве альтернативы по отношению к пружинящему элементу электропроводящий элемент из материала с эффектом запоминания формы, в частности из металла с эффектом запоминания формы, может образовывать или способствовать образованию закорачивающего устройства.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, чтобы закорачивающее устройство упруго крепилось на компоненте дополнительным участком через срабатывающий элемент, в частности, плавкий элемент. Таким образом легко достигается предварительное напряжение закорачивающего устройства.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, чтобы срабатывающий элемент содержал материал, температура срабатывания которого была бы ниже температуры плавления паяного соединения между токопроводящими дорожками и замыкаемыми выводами компонента. В частности, предусмотрено, чтобы плавкий элемент содержал материал, точка плавления которого ниже точки плавления паяного соединения между токопроводящими дорожками и замыкаемыми выводами компонента. Материалом служит предпочтительно электроизоляционный материал, особо предпочтительно плавкая пластмасса. Такой материал является особо пригодным для поверхностно монтируемых компонентов, закрепляемых/приводимых в контакт с токопроводящими дорожками посредством «пайки оплавлением припоя», поскольку температура активации плавкого элемента ниже температуры пайки, составляющей ок. 250°C. В частности предусмотрено, чтобы разница между температурами плавления составляла, по меньшей мере, 20°C (20 K). Это определяет четко характеризуемые временные процессы вследствие тепловой перегрузки, повышающей безопасность и коммутационную динамику. Плавкая пластмасса обеспечивает, кроме того, то преимущество, что она не стареет из-за процесса пайки, так как она затем восстанавливается. Это объясняется тем, что ее температура плавления ниже обычной температуры паяния оплавлением припоя (процесс пайки повторным плавлением).
По сравнению с припоем плавкая пластмасса характеризуется более мягким переходом своей консистенции при достижении точки плавления. Это обеспечивает то преимущество, что срабатывающий элемент из плавкой пластмассы в момент срабатывания остается на своем начальном месте и после срабатывания лишь изменяет свою форму таким образом, что закорачивающее устройство может накоротко замкнуть компонент.
Согласно варианту развития изобретения предусмотрено, чтобы закорачивающее устройство было постоянно электрически соединено с, по меньшей мере, одним из закорачиваемых выводов. Предпочтительно, чтобы количество закорачиваемых выводов составляло не более одного. Это обеспечит четко характеризуемые, воспроизводимые «коммутационные процессы».
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, чтобы закорачивающее устройство содержало две детали, контактирующие между собой для закорачивания в результате срабатывания срабатывающего элемента, в частности в результате расплавления плавкого элемента.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, чтобы закорачивающее устройство полностью перекрывало компонент, по меньшей мере, в одном направлении. Это особо просто сделать при монтаже компонентов при первой монтажной операции и при монтаже устройства защиты от тепловой перегрузки при последующей монтажной операции.
Также изобретение относится к компоновке, состоящей из подложки с токопроводящими дорожками, по меньшей мере, одного установленного на ней компонента и, по меньшей мере, одного названного выше устройства защиты от тепловой перегрузки. Компонентом служит предпочтительно разрядник защиты от перенапряжений, выполненный, в частности, на полупроводниковой основе (супрессорный диод, варистор и пр.) или газонаполненный разрядник защиты от перенапряжений или резистор.
Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью предпочтительных вариантов выполнения со ссылкой на приложенный чертеж. При этом изображено:
фиг.1 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки в рабочем состоянии до срабатывания согласно первому варианту выполнения изобретения;
фиг.2 - компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки на фиг.1 в рабочем состоянии после срабатывания;
фиг.3 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки в рабочем состоянии до срабатывания согласно второму варианту выполнения изобретения;
фиг.4 - компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки на фиг.3 в рабочем состоянии после срабатывания;
фиг.5 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки в рабочем состоянии до срабатывания согласно третьему варианту выполнения изобретения;
фиг.6 - компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки на фиг.5 в рабочем состоянии после срабатывания;
фиг.7 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки в рабочем состоянии до срабатывания согласно четвертому варианту выполнения;
фиг.8 - компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки на фиг.7 в рабочем состоянии после срабатывания.
На фиг.1 изображен электрический компонент 10 в виде электронного компонента с двумя выводами 12, 14, который с помощью этих выводов 12, 14 закреплен на подложке 16 с токопроводящими дорожками. Для этого выводы 12, 14 с помощью паяных соединений (не показаны) соединены с возможностью электропроводности с соответствующими токопроводящими дорожками 18, 20 подложки 16. Над компонентом 10 расположено устройство 22 защиты от тепловой перегрузки с закорачивающим устройством 24 в виде закорачивающего бугеля для закорачивания выводов 12, 14 и с чувствительным к теплу срабатывающим элементом 26, вызывающим срабатывание закорачивающего устройства 24. При этом срабатывающий элемент 26 представляет собой плавкий элемент 27, срабатывающий при расплавлении. Материалом для плавкого элемента 27 служит плавкая пластмасса с температурой плавления, которая заметно ниже температуры плавления припоя паяных соединений. Компонент 10 выполнен в виде поверхностно монтируемого элемента (SMD = Surface Mount Device) и расположен соответственно на поверхности подложки 16 с токопроводящими дорожками, выполненной в виде печатной платы.
Закорачивающее устройство 24 крепится с возможностью электропроводности с помощью участка, 28, выполненного в виде концевого участка, на одной из токопроводящих дорожек 18 и упруго опирается дополнительным участком 30, являющимся средним участком, через плавкий элемент 27 на верхнюю сторону компонента 10. Для этого закорачивающее устройство 24 содержит, по меньшей мере, один участок в виде пружинящего элемента 32. Другой участок 34, выполненный в виде другого концевого участка, удерживается в этом устройстве 36 на расстоянии от компонента 10, подложки 16 с токопроводящими дорожками и устройства 22 защиты от тепловой перегрузки поверх другой токопроводящей дорожки 20.
При этом выполняется следующая функция: в случае тепловой перегрузки компонента 10 последний нагревается сам и нагревает через свою поверхность также плавкий элемент 27 до температуры, лежащей в диапазоне его температуры плавления. Если плавкий элемент 27 расплавится, то другой концевой участок 34 упругим усилием предварительно напряженного пружинящего элемента 32 будет прижат к другой токопроводящей дорожке 20, в результате чего закорачивающее устройство 24 образует полностью перекрывающую компонент 10 закорачивающую перемычку.
Фигуры 3 и 4 или 5 и 6, а также фигуры 7 и 8 соответствуют по существу фигурам 1 и 2, в связи с чем ниже речь пойдет только о различиях.
В варианте выполнения на фигурах 3 и 4 закорачивающее устройство выполнено Т-образной формы, причем один участок 28 закорачивающего устройства 24, закрепленный на подложке с токопроводящими дорожками, не показан. В отличие от устройства защиты от тепловой перегрузки на фигурах 1 и 2 здесь имеются два других участка 34, 38, выполненных в виде других концевых участков. При нормальном рабочем режиме они удерживаются на расстоянии от соответствующих токопроводящих дорожек 18, 20.
В том случае, когда происходит тепловая перегрузка компонента 10, последний нагревается и через свою поверхность нагревает также плавкий элемент 27 до температуры, лежащей в диапазоне его температуры плавления. Если плавкий элемент 27 расплавится, то другие концевые участки 34, 38 под действие упругой силы предварительно напряженного пружинящего элемента 32 прижмутся к соответствующим токопроводящим дорожкам 18, 20, вследствие чего закорачивающее устройство 24 образует закорачивающую перемычку, полностью перекрывающую компонент 10.
Вариант выполнения на фигурах 5 и 6 представляет собой альтернативу по отношению к варианту выполнения на фигурах 3 и 4. Вместо одного плавкого элемента 27 на компоненте 10 предусмотрены два плавких элемента 27, охватывающих другие участки 34, 38. Закорачивающее устройство 24 опирается другими, выполненными в виде дополнительных участков 30 участками 34, 38 через плавкие элементы 27 на токопроводящие дорожки 18, 20, контактирующие с закорачиваемыми выводами 12, 24.
При тепловой перегрузке компонента 10 его выводы 12, 14 нагревают также токопроводящие дорожки 18, 20 до тех пор, пока последние не нагреют плавкие элементы 27 до температуры, лежащей в диапазоне их температуры плавления. Если плавкие элементы 27 расплавятся, то под действие упругой силы предварительно напряженного пружинящего элемента 32 другие концевые участки 34, 38 прижмутся к соответствующим токопроводящим дорожкам 18, 20, в результате чего закорачивающее устройство 24 образует закорачивающую перемычку, полностью перекрывающую компонент 10.
Вариант выполнения на фигурах 7 и 8 является вариантом с двусоставным закорачивающим устройством 24, содержащим два закрепленных на токопроводящих дорожках 18, 20 конца 28. Обе детали 40, 42 разделены между собой в рабочем состоянии плавким элементом 27. При этом другой участок 30 детали 42 закорачивающего устройства опирается на компонент 10, расположенный на подложке 16 с токопроводящими дорожками. При расплавлении под действием тепла компонента 10 детали 40, 42 приходят в контакт между собой и создают короткое замыкание.
В качестве альтернативы по отношению к пружинящему элементу 32 закорачивающее устройство 24 может быть также выполнено из электропроводящего металла с эффектом запоминания формы (не показано). Пружинящий элемент 32 применяется в предварительно напряженном состоянии и опирается на плавкий элемент 27.
Движение может быть вызвано также силой, создаваемой исполнительным элементом на основе набухающих веществ или термически активируемой химической реакции, сопровождаемой увеличением объема. При этом предусмотрены соответствующие срабатывающие элементы 26, выступающие, в частности, в качестве исполнительных элементов закорачивающего устройства 24.
В рабочем состоянии ключ, образуемый пружинящим элементом 32 и токопроводящей дорожкой 18, 20 или контактной поверхностью подложки с токопроводящими дорожками (печатной платы) 16 или компонента 10, остается разомкнутым. Недопустимый нагрев компонента 10 сверх температуры активации или срабатывания приводит к активации устройства 22:
- вследствие размягчения плавкой пластмассы пружинящий элемент 32 закорачивает компонент 10;
- при превышении температуры превращения элемент из материала с эффектом запоминания формы производит необратимое движение, при котором закорачивается компонент 10;
- набухающий материал или покоящееся на химической реакции увеличение объема создают воздействующую на пружинящий элемент 32 силу, под действием которой контакт замыкается. Электрическое контактирование приводит к закорачиванию электрического компонента 10. Таким образом компонент 10 приводится в его надежное состояние.
Перечень позиций
10 - компонент
12 - вывод
14 - вывод
16 - подложка с токопроводящими дорожками
18 - токопроводящая дорожка
20 - токопроводящая дорожка
22 - устройство защиты от тепловой перегрузки
24 - закорачивающее устройство
26 - срабатывающий элемент
27 - плавкий элемент
28 - участок
30 - дополнительный участок
32 - пружинящий элемент
34 - другой участок
36 - компоновка
38 - другой участок
40 - деталь
42 - деталь.