ЭЛЕМЕНТ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
OVERVOLTAGE PROTECTION ELEMENT

Изобретение относится к элементу защиты от перенапряжения с корпусом, по меньшей мере с одним расположенным в корпусе ограничивающим перенапряжение компонентом, прежде всего варистором или газонаполненным разрядником для защиты от перенапряжения, и по меньшей мере с двумя контактными элементами для электрического подключения элемента защиты от перенапряжения к подлежащему защите пути тока (токопроводящей дорожке) или пути (прохождения) сигнала, при этом в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения контактные элементы находятся в электропроводящем контакте соответственно с одним полюсом ограничивающего перенапряжение компонента.
Из DE 4241311 А1 известен элемент защиты от перенапряжения, который имеет термическое разъединительное устройство для наблюдения за состоянием варистора. У этого элемента защиты от перенапряжения первый контактный элемент посредством гибкого проводника соединен с неподвижным разъединительным элементом, направленный в противоположную сторону от гибкого проводника, конец которого посредством места спайки соединен с предусмотренным на варисторе внешним выводом. Другой контактный элемент посредством гибкого проводника жестко соединен с варистором или внешним выводом на варисторе. На разделительный элемент воздействует усилие от пружинной системы, которое приводит к тому, что разделительный элемент при разъединении паяного соединения перемещается линейно от внешнего вывода, так что варистор при термической перегрузке электрически отсоединяется. Через пружинную систему при разъединении паяного соединения одновременно срабатывает контакт дистанционной сигнализации, благодаря чему возможно дистанционное наблюдение за состоянием элемента защиты от перенапряжения.
Из DE 202004006227 U1 известен также элемент защиты от перенапряжения, у которого наблюдение за состоянием варистора происходит по принципу температурного выключателя, так что при перегреве варистора разъединяется предусмотренное между варистором и разделительным элементом паяное соединение, что приводит к электрическому отключению варистора. Кроме того, при разъединении паяного соединения пластмассовый элемент под действием возвращающего усилия пружины перемещается из первого положения во второе положение, в котором выполненный как пружинный металлический язычок разделительный элемент отделен термически и электрически от варистора, так что возможно возникшая между металлическим язычком и местом контакта варистора электрическая дуга будет погашена. Поскольку пластмассовый элемент имеет две расположенные рядом друг с другом цветные метки, то он дополнительно выполняет функции оптического индикатора состояния, благодаря чему состояние элемента защиты от перенапряжения может быть легко считано.
Из DE 69904274 Т2 также известен элемент защиты от перенапряжения с термическим разъединительным механизмом. У этого элемента защиты от перенапряжения один конец неподвижной подверженной воздействию усилия от пружины задвижки в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения спаян как с первым контактным элементом, так и с соединенным с варистором внешним выводом. И в этом случае недопустимый нагрев варистора приводит к нагреву места спайки, так что задвижка под действием приложенного к ней усилия пружины вытягивается из места соединения между первым контактным элементом и внешним выводом, что приводит к электрическому отсоединению варистора.
DE 69503743 Т2 описывает элемент защиты от перенапряжения с двумя варисторами, который имеет два разделительных элемента, которые могут отсоединять варисторы по одному соответственно на их находящихся под напряжением концах (Lebensende). Разделительные элементы имеют соответственно по одному пружинящему разделительному язычку, при этом первый конец разделительного язычка жестко соединен с первым выводом, а второй конец разделительного язычка в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения закреплен на соединительном язычке варистора посредством места спайки. Если происходит недопустимый нагрев варистора, то это приводит к плавлению паяного соединения. Поскольку разделительный язычок в припаянном состоянии (нормальное состояние элемента защиты от перенапряжения) отклонен от его нейтрального положения и тем самым предварительно напряжен, то свободный конец разделительного язычка при размягчении паяного соединения отпружинивает от соединительного язычка варистора, вследствие чего варистор электрически отсоединяется. Для того чтобы гарантировать требуемую прочность изоляции и стойкость к токам утечки и гасить образующуюся при размыкании места разъединения электрическую дугу, необходимо, чтобы при отклонении разделительного язычка достигалось возможно большее расстояние между вторым концом разделительного язычка и соединительным язычком ограничивающего перенапряжение компонента.
Известные элементы защиты от перенапряжения выполнены, как правило, как «защитные штекеры», которые вместе с нижней частью прибора образуют прибор для защиты от перенапряжения. Для монтажа подобного прибора для защиты от перенапряжения, который должен защищать, например, фазовые провода L1, L2, L3, а также нулевой провод N и, при необходимости, также провод заземления РЕ, у известных приборов для защиты от перенапряжения на нижней части прибора предусмотрены соответствующие контактные клеммы для отдельных проводов. Для простого механического и электрического контактирования нижней части прибора с элементом защиты от перенапряжения контактные элементы на элементе защиты от перенапряжения выполнены как штекеры, которым в нижней части прибора соответствуют связанные с контактными клеммами штекерные гнезда, так что элемент защиты от перенапряжения может просто вставляться в нижнюю часть прибора.
У таких приборов для защиты от перенапряжения установка и монтаж путем возможности вставления элемента защиты от перенапряжения могут выполняться очень просто и с экономией времени. Вдобавок подобные приборы для защиты от перенапряжения частично имеют еще один переключающий контакт как генератор сигнала для сигнализации на расстоянии о состоянии по меньшей мере одного элемента защиты от перенапряжения, а также оптический индикатор состояния в отдельных элементах защиты от перенапряжения. Посредством индикатора состояния показывается, является ли находящийся в элементе защиты от перенапряжения ограничивающий перенапряжение компонент все еще работоспособным или нет. В качестве ограничивающего перенапряжение компонента при этом используются, прежде всего, варисторы, при этом, однако, в зависимости от цели применения элемента защиты от перенапряжения могут также использоваться газонаполненные разрядники защиты от перенапряжения, искровые разрядники или диоды.
Описанные ранее используемые в известных элементах защиты от перенапряжения тепловые разъединительные элементы, которые основаны на плавлении паяного соединения, должны выполнять несколько задач. В нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения, то есть в неразомкнутом состоянии, должно быть обеспечено надежное и хорошее электрическое соединение между первым контактным элементом и ограничивающим перенапряжение компонентом. При превышении определенной граничной температуры место разъединения должно гарантировать надежное отсоединение ограничивающего перенапряжение компонента, а также требуемую прочность изоляции и стойкость к токам утечки. Однако при этом проблематичным является то, что паяные соединения по причине силы упругости пружинных элементов или отклоненного от его нейтрального положения разделительного язычка в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения длительно нагружены напряжением сдвига.
Поэтому в основе настоящего изобретения лежит задача создания описанного в начале элемента защиты от перенапряжения, в котором будут предотвращены описанные ранее недостатки. При этом должно быть обеспечено как надежное и хорошее электрическое соединение в нормальном состоянии, так и надежное отсоединение дефектного ограничивающего перенапряжение компонента.
Эта задача в описанном в начале элементе защиты от перенапряжения решена за счет того, что внутри корпуса расположен терморасширяющийся материал таким образом, ограничивающего перенапряжение компонента вследствие расширения терморасширяющегося материала является изменяемым относительно положения контактных элементов так, что оба полюса ограничивающего перенапряжение компонента более не находятся в электропроводящем контакте с соответствующим контактным элементом; и в нормальном состоянии элемента защиты от что при тепловой перегрузке ограничивающего перенапряжение компонента положение перенапряжения оба полюса ограничивающего перенапряжение компонента соединены с соответствующими контактными элементами через соответствующие штекерные соединения.
Терморасширяющийся материал, который, предпочтительно, состоит из низкоплавкого полимерного материала, например полиэтилена (РЕ) или полипропилена (РР), и вспенивающего агента, в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения находится в твердом состоянии. Если температура терморасширяющегося материала повышается из-за повышенного самонагрева ограничивающего перенапряжение компонента, то терморасширяющийся материал изменяет свое агрегатное состояние и становится жидким. После превышения определенной граничной температуры терморасширяющийся материал реагирует с сильным увеличением объема; терморасширяющийся материал вспенивается. Это вызванное повышением температуры сильное увеличение объема терморасширяющегося материала у элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению используется для того, чтобы отодвинуть ограничивающий перенапряжение компонент от контактных элементов, так что ограничивающий перенапряжение компонент становится электрически отсоединенным.
Поскольку терморасширяющийся материал активируется только при соответствующем нагреве, то есть при тепловой перегрузке ограничивающего перенапряжение компонента, то на электрический контакт между контактными элементами и полюсами ограничивающего перенапряжение компонента в нормальном состоянии терморасширяющийся материал механического воздействия не оказывает.
Согласно изобретению вместо паяного соединения предусмотрено использование способного выдерживать импульсный ток штекерного соединения. Для этого в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения оба полюса ограничивающего перенапряжение компонента через соответствующие штекерные соединение соединены с соответствующими контактными элементами. При этом расположенный внутри корпуса терморасширяющийся материал берет на себя как функцию датчика, который обнаруживает недопустимый собственный нагрев ограничивающего перенапряжение компонента, так и функцию исполнительного механизма, который отодвигает ограничивающий перенапряжение компонент при тепловой перегрузке от контактных элементов. В отличие от этого, у известных элементов защиты от перенапряжения, которые основаны на плавлении паяного соединения, функцию датчика берет на себя паяное соединение, а функцию исполнительного механизма - пружина или отклоненное из своего исходного положения разделительное средство.
В принципе, также возможно, что один полюс ограничивающего перенапряжение компонента через место спайки соединен с одним контактным элементом, в то время как другой полюс, например, через штекерное соединение или гибкий проводник соединен со вторым контактным элементом. Также возможно, что в нормальном положении элемента защиты от перенапряжения один полюс ограничивающего перенапряжение компонента через штекерное соединение соединен с одним контактным элементом, в то время как другой полюс через гибкий проводник соединен с другим контактным элементом. Если полюс ограничивающего перенапряжение компонента соединен с контактным элементом через гибкий проводник, то это приводит к тому, что при изменении положения ограничивающего перенапряжение компонента вследствие расширения терморасширяющегося материала только лишь один полюс более не находится в электропроводящем контакте с соответствующим контактным элементом, что, однако, все же приводит к тому, что ограничивающий перенапряжение элемент будет электрически отсоединен.
В соответствии с изобретением элемент защиты от перенапряжения согласно изобретению выполнен так, что при тепловой перегрузке ограничивающего перенапряжение компонента оба полюса отделяются от контактных элементов, так что после произошедшего отделения оба полюса ограничивающего перенапряжение компонента более не находятся в электрическом контакте с контактными элементами. Из-за образования двух мест разъединения гашение возможно возникшей электрической дуги облегчается, так как оба места разделения образуют последовательное соединение, так что благодаря последовательному соединению обоих мест разделения общая длина электрической дуги и, тем самым, напряжения горения электрической дуги увеличиваются. При этом предпочтительно, если - как уже ранее описано - оба полюса ограничивающего перенапряжение компонента соединены соответственно через одно штекерное соединение с одним контактным элементом, так как тогда разъединение электрического соединения зависит, в первую очередь, от температурного поведения терморасширяющегося материала, а не (также) от поведения паяного соединения при разъединении.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению оба полюса ограничивающего перенапряжение компонента электропроводяще соединены соответственно с контактным язычком или штырьковым выводом. Благодаря формированию контактных язычков или же штырьковых выводов могут просто реализовываться как паяные соединения, так и штекерные соединения между полюсами ограничивающего перенапряжение компонента и контактными элементами. В первом случае места спайки предусмотрены между контактным язычком или штырьковым выводом и контактным элементом, в то время как в случае штекерного соединения контактные элементы на направленной в сторону контактного язычка или штырькового вывода стороне имеют штекерные гнезда.
Согласно предпочтительному конструктивному оформлению изобретения, корпус имеет наружный корпус и расположенный в наружном корпусе открытый с одной стороны внутренний корпус, при этом внутренний корпус является перемещаемым относительно наружного корпуса. При этом контактные элементы жестко связаны с наружным корпусом, в то время как ограничивающий перенапряжение компонент расположен во внутреннем корпусе. При этом в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения имеющий форму колпачка внутренний корпус заключает в себе терморасширяющийся материал таким образом, что внутренний корпус с ограничивающим перенапряжение компонентом при расширении терморасширяющегося материала смещается относительно наружного корпуса и, тем самым, обоих контактных элементов. Посредством активированного по причине нагрева ограничивающего перенапряжение компонента терморасширяющегося материала внутренний корпус, таким образом, вместе с расположенным в нем ограничивающим перенапряжение компонентом отжимается от контактных элементов, так что полюса ограничивающего перенапряжение компонента более не находятся в электропроводящем контакте с контактными элементами.
Для того чтобы обеспечить, что при сдвиге внутреннего корпуса вместе с ним будет сдвинут также и ограничивающий перенапряжение компонент, он, предпочтительно, соединен с внутренним корпусом через удерживающий элемент. При этом удерживающий элемент может быть выполнен в виде перемычки и закреплен обоими концами на внутренней стенке корпуса, так что он располагается в поперечном направлении ограничивающего перенапряжение компонента.
Согласно еще одному варианту предпочтительного осуществления элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению с наружным корпусом и расположенным в наружном корпусе с возможностью перемещения внутренним корпусом, изменение положения внутреннего корпуса используется для оптической индикации состояния ограничивающего перенапряжение компонента. Для этого внутренний корпус в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения в его первом положении внутри наружного корпуса расположен так, что верхняя сторона внутреннего корпуса не выступает над верхней стороной наружного корпуса. При тепловой перегрузке ограничивающего перенапряжение компонента внутренний корпус, наоборот, по причине расширяющего материала перемещается во второе положение, в котором верхняя сторона внутреннего корпуса выступает над верхней стороной наружного корпуса. Тем самым, перемещение внутреннего корпуса при тепловой перегрузке ограничивающего перенапряжение компонента используется для индикации рабочего состояния ограничивающего перенапряжение компонента.
Согласно альтернативному конструктивному варианту осуществления элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению, корпус имеет два изолированных друг от друга электропроводящих удерживающих элементов, при этом в нормальном состоянии элемента защиты от перенапряжения удерживающие элементы находятся в электропроводящем контакте соответственно с одним полюсом или одним штырьковым выводом или одним контактным язычком ограничивающего перенапряжение компонента. При этом удерживающие элементы охватывают терморасширяющийся материал, так что ограничивающий перенапряжение компонент при недопустимом нагреве будет перемещен расширяющимся материалом относительно удерживающих элементов. Тогда ограничивающий перенапряжение компонент более не находится в электропроводящем контакте с удерживающими элементами и электрически разъединен. В этом варианте осуществления электропроводящие удерживающие элементы служат как корпус для приема ограничивающего перенапряжение компонента и терморасширяющегося материала, так и как контактные элементы для электрического подключения полюсов ограничивающего перенапряжение компонента.
При этом электропроводящий контакт между полюсами или же соединенными с полюсами контактными язычками или штырьковыми выводами разрядника защиты от перенапряжения и служащими в качестве контактных элементов удерживающими элементами может быть реализован как через паяное соединение, так и через штекерное соединение, при этом при реализации штекерного соединения в области подключения удерживающих элементов могут быть расположены штекерные гнезда, соответствующие контактным язычкам или штырьковым выводам. Подобный элемент защиты от перенапряжения особо пригоден при использовании газонаполненного разрядника защиты от перенапряжения как ограничивающего перенапряжение компонента, при этом разрядник защиты от перенапряжения может быть соединен через оба удерживающих элемента с печатной платой.
В зависимости от осуществления удерживающих элементов и в зависимости от расположения ограничивающего перенапряжение компонента, а также терморасширяющегося материала между удерживающими элементами ограничивающий перенапряжение компонент при тепловой перегрузке отжимается расширяющимся материалом или в верхнем направлении - перпендикулярно его продольной протяженности - или горизонтально в сторону. Разумеется, возможно также выполнение, при котором ограничивающий перенапряжение компонент отжимается как в верхнем направлении, так и в сторону. В любом случае благодаря расширению терморасширяющегося материала и следующего из этого изменения положения ограничивающего перенапряжение компонента обеспечивается то, что полюса ограничивающего перенапряжение компонента более не находятся в электропроводящем контакте с удерживающими элементами.
Для того чтобы обеспечить высокую прочность изоляции и стойкость к токам утечки и гасить возникающую при размыкании контактов между полюсами ограничивающего перенапряжение компонента электрическую дугу, согласно уровню техники должно быть достигнуто по возможности большое расстояние между полюсами или же контактными язычками ограничивающего перенапряжение компонента и контактными элементами. В элементе защиты от перенапряжения согласно изобретению соответственно предпочтительному варианту осуществления предусмотрено, что терморасширяющийся материал при тепловой перегрузке ограничивающего перенапряжение компонента внедряется в образующееся промежуточное пространство между по меньшей мере одним полюсом или же контактным язычком или одним штырьковым выводом ограничивающего перенапряжение компонента и по меньшей мере одним контактным элементом, так что образующаяся при размыкании электрического контакта электрическая дуга блокируется или гасится изолирующим терморасширяющимся материалом. Альтернативно или в дополнение к этому, в области контактных элементов может быть расположена пластмассовая деталь, например из полиоксиметилена (РОМ), которая при нагревании выделяет газ. Если вблизи пластмассовой детали возникает электрическая дуга, то она обдувается газом для гашения, который образуется при диссоциации пластмассы.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению, о котором здесь следует лишь кратко упомянуть, альтернативно или дополнительно к описанному ранее оптическому индикатору состояния предусмотрен индикатор состояния с возможностью дистанционной передачи показаний, для чего внутри корпуса расположен контакт дистанционной сигнализации, который срабатывает при изменении положения ограничивающего перенапряжение компонента за счет расширяющегося материала.
Предпочтительно, использованный в элементе защиты от перенапряжения согласно изобретению терморасширяющийся материал имеет температуру активации, которая составляет более 80°С. Предпочтительно, температура активации терморасширяющегося материала, то есть температура, при которой материал расширяется, находится между 120°С и 150°С. Тем самым температура активации терморасширяющегося материала оптимально приспособлена к максимально допустимой рабочей температуре ограничивающего перенапряжение компонента, которая зачастую находится примерно при 80°С.
Как уже описано ранее, ограничивающий перенапряжение компонент должен быть перемещен терморасширяющимся материалом из своего первого положения. Таким образом, желательно заметное расширение материала, когда он достигнет своей температуры активации. Увеличение объема терморасширяющегося материала при этом составляет по меньшей мере 200%, то есть по меньшей мере двукратную величину объема терморасширяющегося материала перед его активацией. Поскольку в случае перегрузки требуется быстрое отсоединение ограничивающего перенапряжение компонента, то терморасширяющийся материал, предпочтительно, выполнен так, что он имеет время реакции для активации менее одной секунды.
Для того чтобы достичь вышеназванных граничных условий, то есть желаемой температуры активации, увеличения объема и времени реакции, терморасширяющийся материал состоит предпочтительно из базового материала и вспенивающего агента. Предпочтительно, в качестве базового материала при этом может быть использован термопластичный полимер, который, предпочтительно, выбирается из группы, содержащей акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), полиамид (РА), полиацетат (PLA), полиметилметакрилат (РММА), поликарбонат (PC), полиэтилентерефталат (PET), полиизобутилен (PIB), полибутилен (РВ), полистирол (PS), полиэфирэфиркетон (PEEK), поливинилхлорид (PVC), полибутилентерефталат (РВТ) и целлулоид. Альтернативно, в качестве базового материала может быть использован также эластомер с низкой твердостью по Шору А, при этом твердость по Шору А, предпочтительно, меньше 20.
В качестве вспенивающего агента может быть использован химически действующий вспенивающий агент или физически действующий вспенивающий агент. Согласно предпочтительному варианту осуществления используется физически действующий вспенивающий агент, который состоит из мельчайших полых тел, которые заполнены газом, находящимся в жидкой фазе. Подобный вспенивающий агент обозначается также как микросфера. При этом величина полого тела лежит в одно- или двухзначном микронном диапазоне. Оболочка тела является герметичной в отношении диффузии и ниже температуры активации твердой, однако, при достижении температуры активации эластичной. Повышение температуры приводит к изменению фазы жидкости внутри полого тела из жидкой в газообразную, что приводит к очень сильному увеличению объема. При этом путем подходящего выбора жидкости или газа температура активации может регулироваться, так что вспенивающий агент может быть приспособлен к соответствующей области применения.
Предпочтительно, содержание вспенивающего агента составляет примерно от 5 до 15% по отношению к базовому материалу. При таком соотношении компонентов смеси может быть достигнуто достаточно хорошее и удовлетворяющее практическим требованиям увеличение объема терморасширяющегося материала, состоящего из базового материала и вспенивающего агента. В целом таким образом может быть достигнуто 5-кратное увеличение объема.
Базовый материал выбран так, что его температура размягчения лежит в области температуры активации вспенивающего агента. Также с этой точки зрения особо хорошо пригодными в качестве базового материала являются полиэтилен (РЕ) и полипропилен (РР). При этом в зависимости от случая применения базовый материал или вспенивающий агент выбирается так, что температура активации вспенивающего агента является более высокой или более низкой, чем температура размягчения базового материала. Для применений, которые требуют по возможности быстрого разъединения компонента или включения выключателя, является предпочтительным, когда температура активации вспенивающего агента является немного более низкой, чем температура размягчения базового материала. Тогда это приводит к тому, что реакция вспенивающего агента начинается уже прежде, чем достигнута температура размягчения базового материала. Тем самым, в терморасширяющемся материале создается предварительное напряжение, что при достижении температуры размягчения приводит к очень быстрому увеличению объема.
Если будут выбраны базовый материал и вспенивающий агент, у которых температура активации вспенивающего агента выше температуры размягчения базового материала, то это приведет к тому, что базовый материал будет уже размягченным, прежде чем прореагирует вспенивающий агент, так что увеличение объема материала начинается с достижением температуры активации и затем завершается, когда достигнуто максимальное увеличение объема или температура снова станет ниже температуры активации. При этом процесс протекает заметно медленнее, чем в случае, когда температура активации ниже, чем температура размягчения. Подобное более медленное протекание процесса годится, например, для изменения оптической индикации состояния. Для изменения оптической индикации состояния благодаря увеличению объема терморасширяющегося материала может быть использована комбинация материалов из вспенивающих агентов с разными температурами активации, вследствие чего возможно ступенчатое изменение индикации состояния в зависимости от возникшей температуры.
Согласно альтернативному варианту осуществления терморасширяющийся материал состоит из двух компонентов, которые в неактивированном состоянии отделены друг от друга, при этом компоненты реагируют друг с другом с увеличением объема, когда отделение устранено. В случае компонентов речь может идти, например, о гидрокарбонате натрия, с одной стороны, и кислоте, например лимонной кислоте, с другой стороны, которые сначала отделены друг от друга разделительным слоем. Если отделение будет устранено, например посредством механического или термического воздействия, то оба компонента реагируют друг с другом, при этом выделяется газ, что приводит к увеличению объема. Подобные реакции достижимы также с многокомпонентными полиуретанами или посредством быстро протекающего окисления, например, при инициировании процесса горения.
Как правило, терморасширяющийся материал выполнен так, что увеличение объема является необратимым. Однако за счет подходящего выбора и расположения вспенивающего агента и базового материала может быть также достигнуто, что вспенивающий агент при охлаждении переведет базовый материал в исходное состояние, так что увеличение объема материала может быть сделано обратимым.
Поскольку активация терморасширяющегося материал и, прежде всего, вспенивающего агента зависит от ввода тепла в терморасширяющийся материал, то необходима хорошая тепловая связь с охраняемым ограничивающим перенапряжение компонентом. Для того чтобы повысить или же улучшить ввод тепла в терморасширяющийся материал, может быть предусмотрен активный нагрев путем дополнительной подачи энергии в материал извне.
Для этого, например, в терморасширяющийся материал может быть внедрено нагревательное сопротивление, отдача мощности потерь которого приводит к дополнительному нагреву материала. Альтернативно этому в материал может быть внедрена тепловая трубка или проводник с хорошей теплопроводностью, например из меди. Наконец, дополнительный нагрев терморасширяющегося материала может быть достигнут тем, что к материалу подмешаны электропроводящие компоненты, как, например, графитовый порошок или медный порошок. Тем самым достигается собственная проводимость материала, так что материал при приложении напряжения будет нагреваться во всем объеме протекающим через материал током. При этом с начинающимся при достижении температуры активации увеличением объема материала повышается сопротивление, так как число электропроводящих компонентов на единицу объема уменьшается. Предпочтительно благодаря этому происходит полное прекращение протекания тока, вследствие чего дополнительный ввод тепла отключается.
Наряду с описанным элементом защиты от перенапряжения, изобретение относится также к терморасширяющемуся материалу, как действующему материалу для обнаружения недопустимого нагрева электрического или электронного компонента по причине перегрузки или старения компонента, при этом терморасширяющийся материал при нагревании выше определенной температуры активации расширяется, и в результате расширения терморасширяющегося материала электрический подвод энергии к компоненту прерывается. Предпочтительно, в случае компонента речь идет об ограничивающем перенапряжение компоненте в описанном ранее элементе защиты от перенапряжения.
В частности, существует большое число возможностей выполнения и усовершенствования элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению. В отношении этого делаются ссылки на следующие за пунктом 1 пункты формулы изобретения, а также на нижеследующее описание предпочтительных примеров осуществления вместе с рисунками. На рисунках показано:
Фиг.1 - вид в разрезе первого примера осуществления элемента защиты от перенапряжения в нормальном состоянии,
Фиг.2 - вид в разрезе элемента защиты от перенапряжения согласно фиг.1 с отсоединенным варистором,
Фиг.3 - еще один вид в разрезе элемента защиты от перенапряжения согласно фиг.1 с отсоединенным варистором,
Фиг.4 - вид в разрезе второго примера осуществления элемента защиты от перенапряжения в нормальном состоянии,
Фиг.5 - вид сверху элемента защиты от перенапряжения согласно фиг.4 в нормальном состоянии,
Фиг.6 - вид в разрезе элемента защиты от перенапряжения согласно фиг.4 с отсоединенным разрядником защиты от перенапряжения,
Фиг.7 - вид в разрезе третьего примера осуществления элемента защиты от перенапряжения в нормальном состоянии,
Фиг.8 - элемент защиты от перенапряжения согласно фиг.8 на виде сверху,
Фиг.10-12 - три варианта элемента защиты от перенапряжения согласно фиг.6 с отсоединенным разрядником защиты от перенапряжения.
На фигурах показан элемент 1 защиты от перенапряжения с корпусом 2, при этом в корпусе 2 расположен ограничивающий перенапряжение компонент. В примере осуществления согласно фиг.1-3 в случае ограничивающего перенапряжение компонента речь идет о варисторе 3, в то время как в случае элемента 1 защиты от перенапряжения согласно фиг.4-12 речь идет о газонаполненном разряднике 3' защиты от перенапряжения.
Элемент 1 защиты от перенапряжения согласно фиг.1-3, который может быть выполнен в виде защитного штекера, который имеет два контактных элемента 4, 5, которые могут вставляться в соответствующие контактные гнезда не показанной здесь нижней части прибора. Контактные элементы 4, 5 в нормальном состоянии элемента 1 защиты от перенапряжения соединены соответственно с полюсом варистора 3, так что варистор 3 через оба контактных элемента 4, 5 может быть соединен с подлежащим защите путем тока или путем сигнала.
Как понятно из фиг.1, 4-7, в нормальном состоянии элемента 1 защиты от перенапряжения в корпусе 2 расположен терморасширяющийся материал 6, в случае которого речь может идти о вспучивающемся материале, который сначала является твердым, однако при повышающейся температуре изменяет свое агрегатное состояние и становится жидким. При превышении температуры активации терморасширяющийся материал 6 реагирует с сильным увеличением объема, то есть материал 6 вспенивается и расширяется. Это приводит к тому, что положение варистора 3 или разрядника 3' защиты от перенапряжения относительно положения контактных элементов 4, 5 изменяется, так как терморасширяющийся материал 6 выжимает варистор 3 или разрядник 3' защиты от перенапряжения из его первого положения. В случае примеров осуществления согласно фиг.2 и 6 варистор 3 или разрядник 3' защиты от перенапряжения выжимается вверх, а в случае примера осуществления согласно фиг.9 - в сторону.
Элемент 1 защиты от перенапряжения согласно фиг.1-3, с одной стороны, и элемент 1 защиты от перенапряжения согласно фиг.4-12, с другой стороны, отличаются друг от друга, прежде всего, тем, что в случае первого примера осуществления в качестве ограничивающего перенапряжение компонента используется варистор 3, в то время как в случае других примеров осуществления используется разрядник 3' защиты от перенапряжения. Кроме того, элементы 1 защиты от перенапряжения отличаются видом электрического контактирования между варистором 3 и контактными элементами 4, 5, с одной стороны, и разрядником 3' защиты от перенапряжения и контактными элементами 4, 5, с другой стороны.
В то время как в случае примеров осуществления согласно фиг.4 и 7 в нормальном состоянии элемента 1 защиты от перенапряжения оба полюса разрядника 3' защиты от перенапряжения соединены с контактными элементами через места 7, 8 спайки, оба полюса варистора 3 через штекерное соединение 9, 10 находятся в электропроводящем контакте с обоими контактными элементами 4, 5. При этом оба полюса варистора 3 соединены через два контактных язычка 11, 12 с контактными элементами 4, 5, при этом контактные элементы 4, 5 на обращенных к контактным язычкам 11, 12 сторонах соответственно имеют штекерное гнездо 13, 14. В случае показанного на фиг.4 примера осуществления элемента 1 защиты от перенапряжения оба полюса разрядника 3' защиты от перенапряжения соединены соответственно с одним штырьковым выводом 15, 16, так что места спайки 7, 8 образованы между штырьковыми выводами 15, 16 и контактными элементами 4, 5.
В случае примера осуществления элемента 1 защиты от перенапряжения согласно фиг.1-3 корпус 2 имеет наружный корпус 17 и расположенный в наружном корпусе 17 с возможностью перемещения внутренний корпус 18. Как понятно из фигур, нижняя сторона внутреннего корпуса 18 открыта, так что внутренний корпус 18 охватывает варистор 3 и терморасширяющийся материал 6 в виде колпака. Если по причине перегрузки или по причине старения варистора 3 происходит уменьшение сопротивления варистора 3, то через варистор 3 течет недопустимый ток утечки, что приводит к нагреву варистора 3. Поскольку варистор 3 по меньшей мере частично охвачен (окружен) терморасширяющимся материалом 6, то собственный нагрев варистора 3 приводит также к нагреву материала 6, так что он при превышении определенной температуры активации сильно расширяется. Это приводит к повышению давления внутри охваченного наружным корпусом 17 и внутренним корпусом 18 пространства, так что внутренний корпус 18 расширяющимся материалом будет выдавлен в верхнем направлении, когда усилие расширяющегося материала 6 превысит усилие удерживания внутреннего корпуса внутри наружного корпуса 17 и усилие контакта между контактными язычками 11, 12 и штекерными гнездами 13, 14.
Для того чтобы вместе с внутренним корпусом 18 вверх перемещался и варистор 3, варистор 3 соединен внутренним корпусом 18 через удерживающий элемент, при этом удерживающий элемент 19 расположен под варистором 3 и на изображении согласно фиг.1-3 располагается перпендикулярно плоскости рисунка, то есть в поперечном направлении варистора 3. Таким образом, внутренний корпус 18 перемещается наподобие поршня в наружном корпусе 17, при этом не показанный на фигурах упор обеспечивает то, что поступательное движение внутреннего корпуса 18 вверх ограничено.
Как понятно из фиг.1, внутренний корпус 18 в нормальном состоянии элемента 1 защиты от перенапряжения находится внутри внешнего корпуса 17 в первом положении, в котором верхняя сторона 20 внутреннего корпуса 18 находится в основном заподлицо с верхней стороной 21 наружного корпуса 17, так что верхняя сторона 20 внутреннего корпуса 18 не выступает над наружным корпусом 17. В отличие от этого, внутренний корпус 18 при тепловой перегрузке элемента 1 защиты от перенапряжения находится после отсоединения варистора 3 во втором - показанном на фиг.2 - положении, в котором верхняя сторона 20 внутреннего корпуса 18 выступает над верхней поверхностью 21 наружного корпуса 17. Тем самым положение внутреннего корпуса 18 служит как оптический индикатор состояния для извещения о состоянии элемента 1 защиты от перенапряжения.
Ранее было сказано, что в качестве терморасширяющегося материала 6 используется, предпочтительно, вспучивающийся материал, который в нормальном состоянии элемента 1 защиты от перенапряжения является твердым, и при повышении температуры сначала становится жидким. Для того чтобы надежно предотвратить утечку жидкого вспучивающегося материала 6, в представленном примере осуществления над контактными элементами 4, 5, то есть напротив открытой нижней стороны внутреннего корпуса 18, в наружном корпусе 17 расположена уплотняющая пленка 22. При этом контактные язычки 11, 12 в нормальном состоянии элемента 1 защиты от перенапряжения проходят через предусмотренные в уплотняющей пленке прорези, так что контактные язычки 11, 12 контактируют со штекерными гнездами 13, 14 и, тем самым, находятся с контактными элементами 4, 5 в электропроводящем контакте.
На фиг.3 показан элемент 1 защиты от перенапряжения согласно фиг.1, у которого внутренний корпус 18 находится во втором положении, так что варистор 3 отсоединен. В отличие от изображения согласно фиг.2, на изображении согласно фиг.3 варистор 3 или внутренний корпус 18, однако, сдвинут вверх не из-за расширения терморасширяющегося материала 6, а вследствие избыточного давления, которое вызвано взрывом варистора 3 по причине экстремальной перегрузки. Экстремальная перегрузка может внезапно перевести варистор 3 в состояние с низким сопротивлением, так что в этом экстремальном случае через варистор 3 может протекать ток питания от сети, равный по величине току короткого замыкания. Протекающий в этом случае через варистор 3 ток может привести к разрушению и, тем самым, к взрыву варистора 3. Возникшее при этом давление через выполненное в расположенном под варистором 3 удерживающем элементе 19 отверстие 23 отводится в образованное наружным корпусом 17, внутренним корпусом 18 и уплотняющей пленкой 22 пространство 24. Возникающее в этом пространстве 24 давление приводит затем к тому, что внутренний корпус 18 выжимается из своего первого положения в его второе положение вверх, вследствие чего также и варистор 3 отодвигается от контактных элементов 4, 5, так что контактные язычки 11, 12 более не находятся электропроводящем контакте со штекерными гнездами 13, 14. Тем самым подвергшийся перегрузке варистор 3 надежно и быстро отсоединяется.
В показанном на фиг.3 положении внутреннего корпуса 18 возникшее в пространстве 24 повышенное давление может вытекать через выполненные в наружном корпусе 17 отверстия 25. Отверстия 25 расположены в наружном корпусе 17 таким образом, что они закрыты внутренним корпусом 18, пока внутренний корпус 18 еще не находится в своем втором положении.
В показанном на фиг.4 варианте осуществления элемента 1 защиты от перенапряжения корпус 2 состоит не из наружного корпуса и внутреннего корпуса, а из двух U-образных в поперечном сечении удерживающих элементов 26, 27, которые наряду с приемом терморасширяющегося материала 6 служат также для удерживания и контактирования штырьковых выводов 15, 16 разрядник 3' защиты от перенапряжения в нормальном положении элемента 1 защиты от перенапряжения. В показанных на фиг.4-12 примерах осуществления элемента 1 защиты от перенапряжения оба изолированных друг от друга, электропроводящих удерживающих элемента 26, 27 тем самым служат одновременно как контактные элементы 4, 5 для газонаполненного разрядника 3' защиты от перенапряжения. При этом на фиг.4 видно, что в нормальном состоянии элемента 1 защиты от перенапряжения между обоими штырьковыми выводами 15, 16 и удерживающими элементами 26, 27 образовано по одному месту 7, 8 спайки.
Если у этого элемента 1 защиты от перенапряжения произойдет нагрев разрядника 3' защиты от перенапряжения, то это приводит также к нагреву расположенного под разрядником 3' защиты от перенапряжения терморасширяющегося материала 6, так что он при достижении своей температуры активации расширяется. Тогда разрядник 3' защиты от перенапряжения выдавливается вверх, когда воздействующее со стороны терморасширяющегося материала усилие превышает усилие удерживания размягчающихся мест 7, 8 спайки. В этом показанном на фиг.6 втором положении разрядника 3' защиты от перенапряжения оба штырьковых вывода 15, 16 более не находятся в электропроводящем контакте с удерживающими элементами 26, 27, так что разрядник 3' защиты от перенапряжения также больше не подсоединен через удерживающие элементы 26, 27 с подлежащим защите путем сигнала. Электрическое соединение удерживающих элементов 26, 27 с подлежащим защите путем сигнала в примерах осуществления согласно фиг.4-12 происходит благодаря тому, что удерживающие элементы 26, 27 соединены с печатной платой.
Вместо показанного на фигурах паяного соединения между штырьковыми выводами 15, 16 и удерживающими элементами 26, 27 в принципе может быть предусмотрено штекерное соединение согласно фиг.1-3. В этом случае удерживающие элементы 26, 27 на обращенных к штырьковым выводам 15, 16 сторонах имели бы соответствующие штекерные гнезда.
В то время как в примерах осуществления согласно фиг.4-6 удерживающие элементы 26, 27 выполнены так, и терморасширяющийся материал 6 расположен между удерживающими элементами 26, 27 таким образом, что при тепловой перегрузке разрядника 3' защиты от перенапряжения он будет выдавлен расширяющимся материалом 6 вверх, разрядник 3' защиты от перенапряжения в примерах осуществления согласно фиг.7-9 расширяющимся материалом 6 будет выдавлен горизонтально в сторону.
В принципе, при размыкании контакта, через который течет ток, возникает электрическая дуга, что в элементе 1 защиты от перенапряжения может привести к тому, что также и в собственно разъединенном состоянии ограничивающего перенапряжение компонента через электрическую дугу протекает недопустимый ток. Возникновение подобной электрической дуги в показанном на фиг.2 варианте осуществления элемента 1 защиты от перенапряжения предотвращается благодаря тому, что расширяющийся терморасширяющийся материал 6 при тепловой перегрузке варистора проникает в образовавшееся промежуточное пространство между контактными язычками 11, 12 и штекерными гнездами 13, 14. Возможная электрическая дуга гасится благодаря покрытию пеной контактных язычков 11, 12. Это относится соответственно также к показанному на фиг.9 левому штырьковому выводу 15 разрядника 3' защиты от перенапряжения.
Для того чтобы помимо того также и в показанном на фиг.3 положении элемента 1 защиты от перенапряжения гасить возникающую при размыкании электрического соединения между контактными язычками 11, 12 и штекерными гнездами 13, 14 электрическую дугу, оба контактных элемента охвачены пластмассовой деталью 29, которая при открытой электрической дуге выделяет газ. Таким образом при открытой электрической дуге из-за диссоциации пластмассовой детали 29 происходит обдувание электрической дуги газом, вследствие чего электрическая дуга гасится.
На фиг.10-12 показаны три разных варианта элемента 1 защиты от перенапряжения, которые отличаются друг от друга лишь формированием терморасширяющегося материала 6 и отличаются от варианта осуществления согласно фиг.6.
В примере осуществления согласно фиг.10 в терморасширяющемся материале 6 расположены электропроводящие частицы 30, в случае которых речь идет, например, о графитовом порошке или медном порошке. Благодаря подмешиванию электропроводящих частиц 30 достигается собственная электропроводность материала 6, так что при приложении напряжения через терморасширяющийся материал 6 течет ток, посредством которого материал 6 нагревается во всем объеме. Когда материал 6 достигает своей температуры активации, то происходит увеличение объема, что также приводит к тому, что число электропроводящих компонентов на единицу объема уменьшается, так что при увеличении объема электропроводность материала 6 уменьшается, предпочтительно настолько, чтобы при максимальном увеличении объема через материал больше не протекал никакой ток.
В примерах осуществления согласно фиг.11 и 12 в терморасширяющийся материал заделаны (внедрены) тепловая трубка 31 или проволока 32 высокого сопротивления, вследствие чего также происходит дополнительный нагрев материала 6, когда через тепловую трубку 31 или проволоку 32 высокого сопротивления течет ток. Контакты тепловой трубки 31 и проволоки 32 высокого сопротивления могут быть - как показано на фиг.11 и 12 - или выведены отдельно или соединены с контактными элементами 4, 5. Во втором случае ток через разрядник 3' защиты от перенапряжения используется также для дополнительного нагрева терморасширяющегося материала 6 посредством тепловой трубки 31 или проволоки 32 высокого сопротивления.
Понятно, что описанные ранее варианты или примеры осуществления терморасширяющегося материала 6 могут быть использованы не только в элементе 1 защиты от перенапряжения с газонаполненным разрядником 3' защиты от перенапряжения согласно фиг.6, но и в элементе 1 защиты от перенапряжения с варистором 3 согласно фиг.1.