УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ
THERMAL OVERLOAD PROTECTION

Изобретение относится к устройству защиты от тепловой перегрузки электрического компонента, в частности электронного компонента, содержащему переключательный элемент для закорачивания выводов компонента или для прерывания токопроводящего соединения между, по меньшей мере, одним из выводов и токопроводящим элементом устройства защиты от тепловой перегрузки, исполнительное устройство для смещения переключательного элемента в соответствующее положение закорачивания или разъединения и чувствительный к теплу срабатывающий элемент, вызывающий срабатывание исполнительного устройства.
Такое устройство защиты от тепловой перегрузки известно из выкладного описания изобретения к неакцептованной заявке DE 102008022794 А1. В нем раскрыто устройство защиты от тепловой перегрузки, содержащее закорачивающее устройство с подпружиненным закорачивающим бугелем для закорачивания электродов разрядника защиты от перенапряжений и плавкий элемент, вызывающий срабатывание устройства защиты от тепловой перегрузки. Наряду с таким выполнением в виде устройства защиты от тепловой перегрузки с переключательным элементом закорачивающего устройства возможно также устройство защиты от тепловой перегрузки с соответствующим переключательным элементом разъединителя.
Перегрузка электронных компонентов может привести 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 создать риск возгорания.
Такие риски возникают и в компоновке с компонентами, например поверхностно монтируемыми компонентами, на подложке с токопроводящими дорожками. Для создания такой компоновки на подложку с токопроводящими дорожками (печатную плату/плату) устанавливаются и припаиваются соответствующие компоненты, в большинстве случаев, с помощью автоматов. Вследствие плотной установки часто остается лишь очень ограниченное монтажное пространство. Одновременно локально развиваются температуры, которые, по меньшей мере, близки к температуре срабатывания срабатывающего элемента.
В основу изобретения положена задача создания устройства защиты от тепловой перегрузки, требующего малое монтажное пространство, надежно срабатывающего на тепловую перегрузку, надежно закорачивающего или разъединяющего и при этом несмотря на образующиеся температуры 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.
В устройстве защиты от тепловой перегрузки согласно изобретению предусмотрено, чтобы исполнительное устройство для своего активирования из неактивного состояния, в котором переключательный элемент не смещается исполнительным устройством даже при срабатывании под действием срабатывающего элемента, могло переключаться в состояние срабатывания, в котором переключательный элемент может смещаться исполнительным органом, срабатывающим под действием срабатывающего элемента. Понятия «неактивный» и «срабатывающий» означают в этом контексте, что только активированное в результате переключения исполнительное устройство создает при срабатывании необходимое для закорачивания или разъединения усилие и что не активированное, т.е. неактивное, исполнительное устройство само при срабатывании под действием срабатывающего элемента не создает или создает недостаточное усилие для закорачивания или разъединения. Такое устройство защиты от теплового перегрева может монтироваться без риска срабатывания также способом монтажа, связанным с высокими температурами, например пайкой. Этим достигается положение, при котором активирование возможно только при достижении некритической температуры или в любой другой произвольно выбранный момент времени. Этим моментом времени может служить, в частности, окончание монтажа устройства защиты от тепловой перегрузки и/или электрического компонента.
Компонентом служит предпочтительно такой компонент, который вместе со своими выводами может монтироваться или смонтирован на подложке с токопроводящими дорожками. Токопроводящий элемент токопроводящего соединения в выполненном в виде разъединителя электрическом переключательном элементе представляет собой, в частности, одну из токопроводящих дорожек или токопроводящий элемент, установленный на подложке с токопроводящими дорожками и соединенный с одной из токопроводящих дорожек. Токопроводящее соединение служит соединением при монтаже компонента. Закорачивание представляет собой, в частности, закорачивание с помощью, по меньшей мере, одной из токопроводящих дорожек.
Предпочтительно предусмотреть, чтобы срабатывающий 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. Плавкий элемент содержит в качестве активного материала, например, припой или плавкую пластмассу.
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 первоначальном месте и после срабатывания лишь изменяет свою форму так, что закорачивающее устройство может накоротко замкнуть компонент.
Если переключательный элемент выполнен в виде разъединителя для прерывания токопроводящего соединения, по меньшей мере, одного из выводов с токопроводящим элементом, то плавким элементом будет служить предпочтительно паяное соединение внутри (прерываемого) токопроводящего соединения.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, чтобы исполнительное устройство представляло собой исполнительное устройство, переключаемое посредством ручного изменения своей наружной формы или своего расположения относительно переключательного элемента. Следовательно, переключение производится ручным переключением путем изменения наружной формы исполнительного устройства или путем изменения расположения исполнительного устройства относительно переключательного элемента. Активирование может производиться непосредственно на устройстве защиты от тепловой перегрузки. Момент времени для активирования выбирается пользователем произвольно.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, чтобы исполнительное устройство содержало, по меньшей мере, один пружинящий элемент, в частности пружинящий элемент. В результате предварительного напряжения пружинящего элемента обеспечивается переключение исполнительного устройства.
В частности, при этом предусмотрено, чтобы пружинящий элемент представлял собой пластину с защелкой или содержал ее. Пластины с защелкой представляют собой пружинящие элементы, работающие по принципу щелкающей собачки. Щелкающая собачка представляет собой пружинящий элемент, образованный полоской пружинной стали. Сталь отштампована таким образом, что она обладает стабильным и метастабильным состояниями. Под силовым воздействием в стабильном состоянии сталь изгибается до тех пор, пока в результате прогиба она внезапно не перейдет в метастабильное состояние. В большинстве случаев пружинящий элемент щелкающей собачки содержит купол или куполообразный участок, образуемый при штамповке. Оба эти состояния используются в данном варианте выполнения изобретения предпочтительно для приведения пружинящего элемента в расслабленное и предварительно напряженное состояния. При этом происходит переключение из расслабленного состояния в предварительно напряженное.
В качестве альтернативы или дополнительно предпочтительно предусмотрено, чтобы исполнительное устройство содержало в качестве активного материала набухаемый материал и/или материал с эффектом запоминания формы и/или химически изменяющий свою форму материал.
В частности, предусмотрено, чтобы исполнительное устройство в состоянии после переключения представляло собой исполнительное устройство, механически предварительно напряженное фиксатором на переключательном элементе. Таким образом детали исполнительного устройства и/или переключательного элемента оказываются после переключения исполнительного устройства зафиксированными между собой или же для предварительного напряжения исполнительного устройства они находятся в ином взаимодействии между собой.
В качестве альтернативы или дополнительно предпочтительно предусмотрено, чтобы исполнительное устройство представляло собой устройство, переключаемое (и, следовательно, активируемое) посредством взаимного смещения деталей или участков исполнительного устройства. Если исполнительное устройство содержит работающий по принципу щелкающей собачки пружинящий элемент (пластину с защелкой), то смещение представляет собой вдавливание некоторого участка этого пружинящего элемента.
Согласно варианту развития изобретения предусмотрено, чтобы переключательный элемент и исполнительное устройство были выполнены за одно целое или же содержали, по меньшей мере, одну общую деталь, выполненную за одно целое. Этим уменьшается количество необходимых деталей и обеспечивается однозначное соединение между переключательным элементом и исполнительным устройством.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, чтобы компонент представлял собой компонент, отделяемый от устройства защиты от тепловой перегрузки, в частности от переключательного элемента. Таким образом становится возможным манипулировать, - по меньшей мере, в принципе - компонентом и устройством защиты от тепловой перегрузки независимо друг от друга. Такая степень свободы упрощает, в частности, монтаж компонента и/или устройства защиты от тепловой перегрузки.
Также изобретение относится к компоновке с подложкой с токопроводящими дорожками с расположенной на ней, по меньшей мере, одним компонентом и, по меньшей мере, одним указанным выше устройством защиты от тепловой перегрузки. Компонент представляет собой предпочтительно разрядник защиты от перенапряжений, в частности, на полупроводниковой основе (супрессорный диод, варистор и пр.), или газонаполненный разрядник защиты от перенапряжений, или резистор.
В частности, компонент выполнен в виде поверхностно монтируемого компонента (SMD=Surface Mount Device), установленного предпочтительно с применением процесса пайки с повторным расплавлением (процесс пайки Reflow) на токопроводящих дорожках подложки.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, чтобы переключательный элемент и/или исполнительное устройство устройства защиты от тепловой перегрузки опиралось через срабатывающий элемент (т.е. опосредственно) на компонент или токопроводящую дорожку подложки, непосредственно соединенную с выводом компонента. В качестве альтернативы или дополнительно предусмотрено, в частности, чтобы переключательный элемент и/или исполнительное устройство устройства защиты от тепловой перегрузки непосредственно опиралось, по меньшей мере, на одну из токопроводящих дорожек, контактирующих с одним из выводом.
Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью предпочтительных вариантов своего выполнения со ссылкой на чертежи. При этом изображено:
фиг. 1А-1С - устройство защиты от тепловой перегрузки для прерывания электрического соединения согласно первому варианту выполнения, схематическое изображение;
фиг. 2 - исполнительное устройство устройства защиты от тепловой перегрузки на фигурах 1А-1С, вид сверху ;
фиг. 3А-3С - устройство защиты от тепловой перегрузки для прерывания электрического соединения согласно второму варианту выполнения, схематическое изображение;
фиг. 4 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки в неактивном рабочем состоянии согласно третьему варианту выполнения изобретения;
фиг. 5 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки на фиг. 4 в активированном рабочем состоянии;
фиг. 6 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки на фиг. 4 и 5 в рабочем состоянии после срабатывания;
фиг. 7 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки в неактивированном рабочем состоянии согласно четвертому варианту выполнения изобретения;
фиг. 8 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки на фиг. 7 в активированном рабочем состоянии ;
фиг. 9 - электронный компонент и устройство защиты от тепловой перегрузки на фиг. 7, 8 в рабочем состоянии после срабатывания.
На фиг. 1А-1С схематически показана часть устройства 10 для защиты от тепловой перегрузки. Эта часть включает в себя переключательный элемент 12, служащий для прерывания токопроводящего соединения 14 между токопроводящим элементом 16 и выводом 18 электрического компонента 20, приведенного в конкретных примерах выполнения на фигурах 4-7. Также в эту часть входят исполнительное устройство 22 и чувствительный к теплу срабатывающий элемент 24, вызывающий срабатывание исполнительного устройства 22. Срабатывающий элемент 24 выполнен в примере на фиг. 1А-1С в виде плавкого элемента 26. Плавкий элемент 26 представляет собой паяное соединение внутри токопроводящего соединения 14, при этом паяное соединение обеспечивает протекание тока по непрерванному соединению 16.
На фиг. 1А показано токопроводящее соединение 16 с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 в неактивном состоянии, в котором переключательный элемент 12 не может смещаться или не смещается исполнительным устройством 22 даже при срабатывании под действием срабатывающего элемента 24, так как в этом состоянии исполнительное устройство не развивает усилия (усилие = 0 Н). При этом исполнительное устройство 22 выполнено в виде пружинящего элемента 28, работающего по принципу щелкающей собачки. Детали этого пружинящего элемента 28 одновременно служат также в качестве переключательного элемента 12. Таким образом переключательный элемент 12 и исполнительное устройство 22 выполнены за одно целое в виде пружинящего элемента 28.
На фиг. 2 этот пружинящий элемент 28 показан с видом сверху. Пружинящий элемент 28 содержит три параллельно расположенных между собой полосовидных участка 30, 32, 34, которые на своих соответствующих концах жестко соединены друг с другом через концевые участки 36, 38 пружинящего элемента 28. По меньшей мере, один полосовидный участок 32 (например, при штамповке) выполнен длиннее остальных полосовидных участков 30, 34. Эти другие полосовидные участки 30, 34 выполнены, например, полностью плоскими, а более длинный полосовидный участок 32 (например, средний участок) выступает в результате штамповки в предпочтительном направлении. Пружинящий элемент 28 может переключаться в результате изменения направления прогиба более длинного полосовидного участка 32 из одного состояния в другое, в котором он, по меньшей мере, частично прогибается в другом направлении. Одно состояние - это состояние, при котором отсутствует усилие (усилие = 0 Н), и другое состояние, это - предварительно напряженное состояние пружинящего элемента 28. И хотя изображенный пружинящий элемент 28 не является пластиной с защелкой, однако его принцип действия является аналогичным, а именно является принципом так называемой щелкающей собачки.
Один концевой участок 36 пружинящего элемента 28 служит одновременно концевым участком 36 переключательного элемента 12 и соединен в этом качестве в непрерванном состоянии с помощью плавкого элемента 26 в виде паяного соединения с выводом 18. Другой концевой участок 38 пружинящего элемента 28 служит одновременно концевым участком 38 переключательного элемента 12 и соединен в этом качестве постоянно с токопроводящим элементом 16.
На фиг. 1В показано токопроводящее соединение 16 с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 после переключения в состояние срабатывания, в котором переключательный элемент 12 может смещаться исполнительным устройством 22, срабатывающим под действием срабатывающего элемента 24. На фиг. 1С показано прерванное соединение 16 с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 после переключения в состояние срабатывания, в котором переключательный элемент 12 может смещаться исполнительным устройством 22, срабатывающим под действием срабатывающего элемента 24, и после последующего срабатывания под действием срабатывающего элемента 24.
Предварительно напряженный средний полосовидный участок 32 пружинящего элемента 28 отводит один концевой участок 36 от плавкого элемента 26, вследствие чего токопроводящее соединение 14 прерывается.
Показанная на фиг. 3А-3С часть устройства 10 защиты от тепловой перегрузки соответствует по существу устройству 10 защиты от тепловой перегрузки на фиг. 1А-1С, вследствие чего здесь будут рассмотрены только различия.
На фиг. 3А показано токопроводящее соединение 16 с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 в неактивном состоянии, в котором переключательный элемент 12 не может смещаться или не смещается исполнительным устройством 22 даже при срабатывании под действием срабатывающего элемента 24, так как исполнительное устройство в этом состоянии не воздействует на переключательный элемент 12 с необходимым для разъединения усилием (усилие = 0 Н). Также и здесь срабатывающий элемент 24 представляет собой плавкий элемент 26.
На фиг. 3В показано токопроводящее соединение 16 с переключательным элементом и исполнительным устройством 22 после переключения в состояние срабатывания, в котором переключательный элемент 12 может смещаться исполнительным устройством 22, срабатывающим под действием срабатывающего элемента 24. Под действием создаваемого вручную усилия (стрелка F) исполнительное устройство 22 поворачивается/изгибается относительно переключательного элемента 12 таким образом, что исполнительное устройство 22 с помощью фиксатора 40 механически предварительно напрягается на переключательном элементе 12 и таким образом переключается в другое состояние. Согласно этому варианту выполнения исполнительное устройство 22 выполнено в виде «нормального» пружинящего элемента 28 и содержит для образования фиксатора 40 приспособление 42 с задним захватом, которым захватывается концевой участок переключательного элемента 12.
На фиг.3С показано прерванное соединение 16 с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 после переключения в состояние срабатывания, в котором переключательный элемент 12 может быть смещен исполнительным устройством 22, срабатывающим под действием срабатывающего элемента 24 (фиг. ЗВ), и после последующего срабатывания под действием срабатывающего элемента 24. Предварительно напряженный пружинящий элемент 28 исполнительного устройства 22 отводит один концевой участок 36 от плавкого элемента 26, в результате чего прерывается токопроводящее соединение 14.
На фиг. 4-6, 7-9 показано устройство 10 защиты от тепловой перегрузки в контексте компоновки электрического компонента 20, смонтированного на подложке 44 с токопроводящими дорожками (в частности, печатной платы, платы). При этом компонент 20 выполнен в виде поверхностно смонтированного электронного компонента, электрически контактирующего своими выводами 18, 46 с токопроводящими дорожками 48 подложки 44 после пайки методом повторного расплавления.
На фиг. 4-6 показана компоновка, в которой устройство 10 защиты от тепловой перегрузки закорачивает выводы 18, 46 с помощью переключательного элемента 12, выполненного в виде закорачивающего бугеля, при тепловой перегрузке. Токопроводящий переключательный элемент 12 устанавливается дополнительно к компоненту 20. Переключательный элемент 12 закреплен на подложке 44. Вместе с токопроводящим элементом 50, закрепленным на подложке 44 и выполненным в виде закорачивающей металлической детали, концевой участок 36 переключательного элемента 12 образует электрический выключатель.
При этом на фиг. 4 показано устройство 10 защиты от тепловой перегрузки с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 в неактивном состоянии, в котором переключательный элемент 12 не может смещаться или не смещается исполнительным устройством 22 даже при срабатывании под действием срабатывающего элемента 24, так как в этом состоянии исполнительное устройство не воздействует с усилием на переключательный элемент 12. В данном случае срабатывающий элемент 24 выполнен также в виде плавкого элемента 26.
На фиг.5 показано устройство 10 защиты от тепловой перегрузки с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 после переключения в состояние срабатывания, в котором переключательный элемент 12 может смещаться исполнительным устройством 22, срабатывающим под действием срабатывающего элемента 24. Под действием создаваемого вручную усилия исполнительное устройство 22 изгибается/поворачивается относительно переключательного элемента 12 таким образом, что исполнительное устройство 22 механически предварительно напрягается с помощью фиксатора (не показан) на переключательном элементе 12 и таким образом переключается в состояние срабатывания. Согласно данному варианту выполнения исполнительное устройство 22 выполнено в виде пружинящего элемента 28.
На фиг.6 показан компонент 20, закороченный выполненным в виде закорачивающего бугеля переключательным элементом 12, после срабатывания под действием срабатывающего элемента 24. Предварительно напряженный пружинящий элемент 28 исполнительного устройства 22 отводит концевой участок от плавкого элемента 26, в результате чего через выполненный в виде крючка токопроводящий элемент 50 и соответствующие токопроводящие дорожки происходит закорачивание (не показано).
При этом достигаются следующие преимущества: в состоянии монтажа устройства 10 защиты от тепловой перегрузки оно не создает усилия. Монтаж на подложке 44 может производиться путем простой установки, в частности с помощью монтажных автоматов. Процесс пайки не требует фиксации и удержания в нижнем положении. После монтажа/ пайки устройство может быть активировано посредством взаимной фиксации (или прогиба) переключательного элемента 12 и пружинящего элемента 28.
В рабочем состоянии выключатель, образованный пружинящим элементом 28 и контактным участком с плавким элементом 26 на подложке 44, остается разомкнутым. Недопустимый нагрев компонента 20 свыше температуры активирования приводит к активированию устройства 10, пребывающего в состоянии срабатывания. При превышении температуры активирования (температуры плавления припоя) напряжение пружинения пружинящего элемента 28 вызывает замыкание образованного таким образом выключателя и в результате этого компонент 20 переводится в безопасное состояние.
На фиг. 7-9 показана компоновка, в которой устройство 10 защиты от тепловой перегрузки прерывает токопроводящее соединение 14 между одним из выводов 18 и токопроводящим элементом 16 устройства 10 защиты от тепловой перегрузки при наступлении тепловой перегрузки. Эта компоновка соответствует по существу изображенной на фиг. 3А-3С компоновке.
Токопроводящий переключательный элемент 12 располагается дополнительно к компоненту 20. Переключательный элемент 12 закреплен на подложке 44. Вместе с контактным участком на подложке 44 концевой участок 36 переключательного элемента 12 образует электрический выключатель.
На фиг.7 показано устройство 10 защиты от тепловой перегрузки с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 в неактивном состоянии, в котором переключательный элемент 12 не может быть смещен или не смещается исполнительным устройством 22 даже при срабатывании, вызванном срабатывающим элементом 24, так как в этом состоянии исполнительное устройство не оказывает на переключательный элемент 12 силового воздействия. Срабатывающий элемент 24 выполнен и данном случае в виде плавкого элемента 26.
На фиг.8 показано токопроводящее соединение 16 с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 после переключения в состояние срабатывания, в котором переключательный элемент 12 может быть смещен исполнительным устройством 22, срабатывающим под действием срабатывающего элемента 24. Посредством создаваемого вручную усилия исполнительное устройство 22 изгибается относительно переключательного элемента 12 так, что исполнительное устройство 22 предварительно механически напрягается на переключательном элементе 12 и таким образом переключается в другое состояние. Для образования фиксатора 40 исполнительное устройство 22 содержит приспособление 42 с задним захватом, которым захватывается концевой участок переключательного элемента 12 (не показано).
На фиг.9 показано прерванное соединение 16 с переключательным элементом 12 и исполнительным устройством 22 после переключения в состояние срабатывания, в котором переключательный элемент 12 может быть смещен исполнительным устройством 22, срабатывающим под действием срабатывающего элемента 24, и после последующего срабатывания под действием срабатывающего элемента 24. Предварительно напряженный пружинящий элемент 28 исполнительного элемента 22 отводит один концевой участок от плавкого элемента 26, в результате чего прерывается токопроводящее соединение 14.
При этом достигаются следующие преимущества: в монтажном состоянии устройства 10 защиты от тепловой перегрузки последнее не создает усилия. Монтаж на подложке 44 может проводиться простой установкой, в частности с помощью монтажных автоматов. Процесс пайки не требует фиксации и удержания в нижнем положении. После монтажа и/или пайки устройство может быть активировано путем взаимной фиксации (или прогиба) переключательного элемента 12 и пружинящего элемента 28.
В рабочем состоянии выключатель, образованный пружинящим элементом 28 и контактным участком с переключательным элементом 26 на подложке 44, оказывается замкнутым. Недопустимый нагрев компонента 20 сверх температуры активирования приводит к активированию устройства 10, находящегося в состоянии срабатывания. При превышении температуры активирования (температуры плавления припоя) напряжение пружинения пружинящего элемента 28 вызывает размыкание образованного указанным способом выключателя и таким образом компонент 20 переводится в безопасное состояние.
Перечень позиций
10 устройство защиты от тепловой перегрузки
12 переключательный элемент
14 токопроводящее соединение
16 токопроводящий элемент
18 вывод
20 компонент
22 исполнительное устройство
24 срабатывающий элемент
26 плавкий элемент
28 пружинящий элемент
30 полосовидный участок
32 полосовидный участок
34 полосовидный участок
36 концевой участок
38 концевой участок
40 фиксатор
42 приспособление с задним захватом
44 подложка с токопроводящими дорожками
46 вывод
48 токопроводящая дорожка
50 токопроводящий элемент
F стрелка