УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ
THERMAL OVERLOAD PROTECTION DEVICE

Изобретение относится к устройству для защиты от тепловой перегрузки электрического компонента, установленного на монтажном устройстве, содержащем токонесущие элементы, в частности электронные компоненты, при этом устройство для защиты от перегрузки содержит множество паяных электрических контактных соединений, которые обеспечивают контакт одного из токонесущих элементов с соответствующим выводом электрической детали и плавятся в случае перегрузки компонента, и размыкающее устройство для размыкания по меньшей мере одного из этих соединений. Изобретение также относится к соответствующему способу защиты электрического компонента, в частности электронного компонента, установленного на несущем устройстве с токонесущими элементами.
В результате перегрузки электронных компонентов параметры их работы могут выходить за пределы номинального рабочего диапазона. Например, преобразование энергии в компоненте, поврежденном вследствие ослабления прочности его изоляции, приводит к усиленному нагреванию. Если не предотвратить нагревание компонента выше допустимого предельного уровня, оно может привести к повреждению окружающих материалов, образованию отходящих газов и опасности возгорания.
Соответственно, в таком компоненте принято использовать плавкий предохранитель, позволяющий выключать его в случае неприемлемого нагревания. Тем не менее в силу своей ограниченной способности к тепловому взаимодействию это устройство неприменимо в случае очень быстрых процессов нагревания.
В устройствах защиты от перенапряжений принято оснащать используемые компоненты защиты от перенапряжений, в частности, варисторы термически активируемыми прерывателями.
Из нерассмотренной патентной заявки DE 102005045778 А1 известно устройство для защиты от тепловой перегрузки электронного силового компонента, установленного на монтажной плате с печатными проводниками, при этом устройство для защиты от перегрузки содержит множество паяных соединений, которые обеспечивают электрический контакт с соответствующей областью вывода перемычки ступенчатого типа и плавятся в случае тепловой перегрузки каждого печатного проводника монтажной платы, и содержит приспособление с датчиком температуры и размыкающим элементом для прерывания, по меньшей мере, одного из этих соединений.
Из-за пространственного разнесения компонента и устройства для защиты от перегрузки, с одной стороны, системе присуща определенная инерция, а с другой стороны, требуется относительно большое пространство.
В основу изобретения положена задача создания устройства для защиты от перегрузки и способа защиты компонентов на основе быстрого и надежного защитного механизма действия и с минимально возможной потребностью в пространстве на монтажном устройстве.
Решение этой задачи изобретения обеспечивается за счет признаков п.1 формулы изобретения. В зависимых пунктах охарактеризованы выгодные варианты осуществления.
В устройстве для защиты от перегрузки согласно изобретению деталью является сам компонент, или деталь, по меньшей мере, содержит компонент, а разделительным устройством является разделительное устройство, которое создает предварительное напряжение компонента относительно монтажного устройства, по меньшей мере, в случае нагревания с целью пространственного разнесения компонента, по меньшей мере, от одного из токонесущих элементов, и срабатывает при плавлении паяного соединения. Компонентом предпочтительно является электронный компонент, который прикреплен к токонесущим элементам монтажного устройства, например, печатным проводникам монтажной платы с использованием легкоплавкого припоя. Этот припой имеет температуру плавления, например, 150°C. В случае любого теплового напряжения, воздействующего на компонент, выводы проводят тепло до паяных соединений. Если тепловое напряжение превышает температуру плавления припоя, паяные соединения плавятся. Поскольку разделительное устройство создает предварительное напряжение компонента относительно монтажного устройства, в результате плавления паяных соединений разделительное устройство немедленно срабатывает, в результате чего за счет перемещения компонента осуществляется постоянное пространственное разнесение компонента от токонесущих элементов. С учетом того, что для размыкания электрической цепи не используется отдельный компонент, уменьшается потребность в пространстве. Кроме того, за счет размыкающих и разделительных элементов, соединенных непосредственно с компонентом, происходит быстрое разнесение.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предусмотрено, что разделительное устройство содержит исполнительный механизм, сконструированный в виде (а) пружинного механизма и(или) (б) устройства, изготовленного из растрескивающегося при нагревании материала, и(или) (в) устройства, изготовленного из материала с эффектом запоминания формы, и(или) (г) устройства, изготовленного из материала, форма которого изменяется в результате химической реакции. Такой исполнительный механизм создает предварительное напряжение компонента относительно монтажного устройства в целом или по меньшей мере при нагревании.
Преимуществом альтернатив (б)-(г) является то, что при нормальной работе паяные соединения и(или) все разделительное устройство не подвержено действию сил, поскольку соответствующая сила возникает только после приведения в действие разделительного устройства исполнительным механизмом согласно любой из альтернатив (б)-(г).
В одном из этих вариантов осуществления разделительное устройство содержит пружинный механизм, в частности, сконструированный в виде пружины сжатия. Необязательно компонент или пружинный механизм могут быть закреплены легкоплавкой пластмассой для сведения к минимуму механической нагрузки на паяные соединения. Паяное соединение имеет более высокую температуру плавления, чем пластмасса. Если в низкотемпературном припое используются сварочные флюсы, чтобы он надежно оставался на паяных поверхностях за счет поверхностного натяжения при разнесении выше температуры плавления, температура плавления плавкой пластмассы, используемой для крепления компонента или пружинного элемента, может превышать температуру плавления припоя.
В частности, предусмотрено, что устройство для защиты от перегрузки также содержит стопорный механизм, который фиксирует разнесенный компонент по отдельности или вместе с разделительным устройством в заданном положении. Этот стопорный механизм служит для предотвращения неуправляемого перемещения компонента в устройстве, содержащем монтажное устройство, после его разнесения. Стопорный механизм может быть преимущественно образован частью корпуса, окружающей монтажное устройство. Фиксация компонента в стопорном механизме предпочтительно является разъемной.
Согласно одному из вариантов осуществления предусмотрено, что разделительным устройством является разделительное устройство для смещения компонента с целью его разнесения, по меньшей мере, от одного токонесущего элемента по поверхности монтажного устройства. Такое разделительное устройство перемещает компонент для разнесения по поверхности монтажного устройства, в частности, в направлении поверхности, перпендикулярной поверхности монтажного устройства.
Разделительное устройство в целом и, в частности, его исполнительный механизм расположены вблизи компонента, выше компонента, ниже компонента или даже ниже монтажного устройства. Тем не менее разделительное устройство и, в частности, исполнительный механизм разделительного устройства преимущественно расположены между монтажным устройством и самим компонентом. Такая конструкция устройства для защиты от перегрузки является особо компактной. Исполнительный механизм особо предпочтительно расположен между монтажным устройством и центром тяжести компонента. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предусмотрено, что разделительное устройство расположено между, по меньшей мере, двумя паяными соединениями, в частности, установлено на поверхности монтажного устройства.
Согласно одному из альтернативных вариантов осуществления изобретения, который при этом также является предпочтительным, предусмотрено, что разделительным устройством является разделительное устройство для смещения компонента с целью его разнесения, по меньшей мере, от одного из токонесущих элементов по поверхности несущего устройства. Такое разделительное устройство перемещает компонент для разнесения преимущественно по поверхности монтажного устройства, в частности, перемещает его вдоль воображаемой соединительной линии между двумя паяными соединениями, электрически соединенными друг с другом посредством компонента.
Согласно одному из вариантов осуществления предусмотрено, что устройство для защиты от перегрузки также содержит компонент и(или) монтажное устройство. Компонентом обычно может являться любой желаемый компонент. Тем не менее предпочтительно он реализован как устройство для монтажа на поверхности (SMD).
Например, до пайки поверхностного монтажа оплавлением припоя осуществляется лишь частичная сборка нескольких компонентов устройства для защиты от перегрузки. Дополнительные компоненты монтируются только после пайки оплавлением припоя. Эта разновидность варианта осуществления применима к исполнительным механизмам всех перечисленных типов (а)-(г).
Кроме того, преимущественно предусмотрено, что устройство для защиты от перегрузки содержит исполнительный механизм, реализованный как пружинный механизм, SMD-компонент и паяные соединения, и сконструировано в виде устройства для монтажа на поверхности. В качестве альтернативы частичной сборке до пайки оплавлением, в случае устройства для монтажа на поверхности с использованием исполнительного механизма, сконструированного в виде пружинного механизма, все устройство может быть рассчитано на пайку оплавлением. В зависимости от технологии, применяемой в устройстве, (i) блокируется предварительно напряженный пружинный механизм, который затем деблокируется путем удаления блокирующего элемента, или (ii) во время пайки оплавлением пружинный механизм не подвергается действию сил, и соответствующее предварительное натяжение создается только после пайки оплавлением.
В соответствии с изобретением предусмотрено несколько паяных соединений, которые обеспечивают электрический контакт каждого токонесущего элемента с соответствующим выводом компонента и плавятся при перегрузке компонента, и разделительное устройство для разнесения этих соединений, которое создает предварительное напряжение компонента относительно монтажного устройства, по меньшей мере, в случае нагревания и за счет плавления паяных соединений пространственно разносит компонент от токонесущего компонента.
Далее изобретение более подробно пояснено со ссылкой на сопровождающие чертежи на примере предпочтительных вариантов осуществления.
На чертежах:
на фиг.1 показаны электронный компонент и устройство для защиты от тепловой перегрузки в не сработавшем состоянии согласно первому варианту осуществления изобретения,
на фиг.2 показаны проиллюстрированные на фиг.1 компонент и устройство для защиты от тепловой перегрузки в сработавшем состоянии,
на фиг.3 показаны электронный компонент и устройство для защиты от тепловой перегрузки в сработавшем состоянии согласно второму варианту осуществления изобретения, и
на фиг.4 показаны проиллюстрированные на фиг.3 компонент и устройство для защиты от тепловой перегрузки в сработавшем состоянии.
На фиг.1 показан вид сбоку монтажного устройства 10, сконструированного как монтажная плата для монтажа и замыкания контактов электрических компонентов 12, в частности электронных компонентов. Соответственно, монтажное устройство 10 содержит токонесущие элементы 14, 16, сконструированные как печатные проводники на его верхней стороне, два из которых (токонесущие элементы 14 и 16) проиллюстрированы на фиг.1. Каждый из этих элементов находится в контакте с соответствующим выводом 22, 24 электронного компонента 12 посредством паяного соединения 18, 20 с использованием легкоплавкого припоя. Этот электронный компонент сконструирован как SMD-компонент 26. Одна из областей монтажного устройства 10 ниже этого компонента 12 содержит выемку 28 в виде сквозного отверстия. В выемке 28 помещается разделительное устройство 30 с исполнительным механизмом 34 в виде пружинного механизма 32 для создания предварительного натяжения компонента 12 относительно базовой платы 36 несущего устройства 10 "под давлением" (пружины сжатия).
На фиг.1 проиллюстрирован компонент 12 на несущем устройстве 10 в рабочем состоянии. Стопорный механизм 38, функция которого будет описана при рассмотрении фиг.2, расположен выше, т.е. в направлении поверхности, перпендикулярной стороне монтажного устройства 10, на которой установлен компонент.
Компоновка паяных соединений 18, 20 и разделительного устройства 30 относительно монтажного устройства 10 и компонента 12 образует устройство 40 для защиты от тепловой перегрузки. Устройство 40 для защиты от тепловой перегрузки служит для защиты электрического компонента 12, установленного на монтажном устройстве 10. В примерах осуществления, проиллюстрированных на фиг.1-4, это устройство для защиты от перегрузки также содержит стопорный механизм 38.
Соответственно, устройство 40 для защиты от тепловой перегрузки выполняет следующую функцию: разделительное устройство 30 создает предварительное напряжение компонента 12 относительно монтажного устройства 10, в результате чего при увеличении теплового напряжения, воздействующего на компонент 12, также нагреваются паяные соединения, удерживающие компонент 12 на монтажном устройстве 10. Если их температура превысит температуру плавления припоя, паяные соединения 18, 20 плавятся, и исполнительный механизм 34 разделительного устройства 30 разносит компонент 12 от монтажного устройства, в частности, от его токонесущих элементов 14, 16 в направлении нормали к поверхности (по стрелке n). Эта ситуация проиллюстрирована на фиг.2.
Над компонентом 12 расположен стопорный механизм 38, сконструированный как корзина для удержания компонента в заданном положении после разнесения. В процессе разнесения исполнительный механизм 34 разделительного устройства 30 смещает компонент 12 в приемную область стопорного механизма 38 и фиксирует компонент в ней за счет его остаточного напряжения. За счет нахождения компонента 12 в приемной области 42 стопорного механизма 38 обеспечивается достаточное расстояние D от токонесущих элементов 14, 16 монтажного устройства 10, в результате чего исключаются искровые промежутки.
В результате нагревания электронного компонента 12 вследствие потери мощности в самом компоненте 12 происходит ослабление прочности паяных соединений 18, 20. Если усилие пружинного механизма 32 превышает удерживающее усилие паяных соединений 18, 20, компонент 12 поднимается над монтажной платой. После отделения от электрического источника, вызывающего нагревание, компонент 12 переходит в безопасное состояние. Безопасное состояние характеризуется тем, что предотвращается любое дальнейшее нагревание, и электрические соединения необратимо разрываются, чтобы гарантировать электрическую изоляцию.
Если в устройстве 30 предусмотрена фиксация пружинного механизма 32 посредством легкоплавкой пластмассы, сначала плавится эта пластмасса, в результате чего пружинный механизм 32 срабатывает незадолго до плавления паяных соединений.
Разнесение также может достигаться с помощью исполнительного механизма 34 (не проиллюстрированного в данном случае), действие которого основано на использовании растрескивающихся при нагревании веществ, материала с эффектом запоминания формы или термически активируемой химической реакции. Если вследствие потери мощности в компоненте исполнительный механизм 34 нагревается до температуры срабатывания, возрастает определенное давление на компонент 12. Кроме того, в результате нагревания происходит ослабление паяных соединений 18, 20. Если усилие исполнительного механизма 30 превышает удерживающее усилие паяных соединений 18, 20, компонент 12 поднимается над монтажной платой. После отделения от электрического источника компонента 12 устройство для защиты от перегрузки 40 переводит его в безопасное состояние.
Поскольку устройство, проиллюстрированное фиг.3 и 4, преимущественно соответствует устройству, проиллюстрированному на фиг 1 и 2, в данном случае в пояснении нуждаются только его отличия.
На фиг.3 и 4 показан вид сверху монтажного устройства 10 с компонентом 12 для монтажа на поверхности (SMD-компонент 26). На фиг.3 показано устройство в режиме нормальной работы, а на фиг.4 показано устройство со сработавшим разделительным устройством 30 устройства 40 для защиты от перегрузки 40.
Существенным отличием от устройства, показанного на фиг.1 и 2, является компоновка разделительного устройства 30, компонента 12 и стопорного механизма 38. В данном случае они последовательно расположены друг за другом на воображаемой оси, проходящей по поверхности монтажного устройства. Если паяные соединения 18, 20 плавятся, разделительное устройство 30 смещает компонент 12, чтобы разнести его от токонесущих элементов 14, 16 путем его преимущественного смещения по поверхности монтажного устройства 10, в частности, вдоль воображаемой соединительной линии между двумя паяными соединениями 18, 20, которые электрически соединены друг с другом посредством компонента 12.
Список позиций
Монтажное устройство 10
Компонент 12
Токонесущий элемент 14
Токонесущий элемент 16
Паяное соединение 18
Паяное соединение 20
Вывод 22
Вывод 24
SMD-компонент 26
Выемка 28
Разделительное устройство 30
Пружинный механизм 32
Исполнительный механизм 34
Базовая плата 36
Стопорный механизм 38
Устройство для защиты от перегрузки 40
Приемная область 42.