DE102008034508B4

DE102008034508B4 - Stromkreisschutzvorrichtung mit PTC- Thermistorschicht und Sicherungselement

Info

Publication number: DE102008034508B4
Application number: DE102008034508.3A
Authority: DE
Inventors: James A. Colby; Stephen Whitney; Du Yaosheng
Original assignee: Littelfuse Inc
Current assignee: Littelfuse Inc
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2025-02-13
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: CN101354937B; JP2009032696A; CN101354937A; US9190833B2; JP5259289B2; DE102008034508A1; US20130128406A1; US20090027821A1

Abstract

Stromkreisschutzvorrichtung (160, 170), umfassend;eine keramische positive Temperaturkoeffizient („CPTC“) Thermistorschicht (130); ein Sicherungselement (162, 172), das durch die CPTC Thermistorschicht (130) getragen wird,wobei das Sicherungselement (162, 172) einen geringeren Widerstand als die CPTC Thermistorschicht (130) aufweist; underste und zweite Kabel (164, 166), die mit dem Sicherungselement (162, 172) und der CPTC Thermistorschicht (130) parallel elektrisch verbunden vorliegen, so dass Strom(i) anfänglich unter normalem Betrieb durch das Sicherungselement (162, 172) und die CPTC Thermistorschicht (130) fließt und(ii) nach einem Öffnen des Sicherungselements (162, 172) unter normalem Betrieb durch die CPTC Thermistorschicht (130) fließt.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Stromkreisschutz und insbesondere eine Überstromsicherung.
Sicherungen für Anwendungsebenen von Platinen („PCB“) weisen in zahlreichen Fällen rücksetzbare Sicherungstypen auf. Der Grund besteht darin, dass in viel Fällen PCBs schwer bestückt sind, was die Anordnung einer vollständigen PCB infolge einer geöffneten nicht rücksetzbaren Sicherung unmöglich macht. Ersetzen einer geöffneten nicht rücksetzbaren Sicherung ist ebenfalls unmöglich. Die PCB kann in einer Maschine, einem Automobil, einem Computer, etc., auf derartige Weise verdeckt sein, dass sie nahezu unmöglich zu erreichen ist. Selbst wenn sie erreichbar ist, kann die PCB in einer Vorrichtung vorliegen, beispielsweise einem durch ein Individuum verwendeten Computer, Mobiltelefon oder einer in der Hand gehaltenen Vorrichtung, die eine Wartung schwer und/oder die Kosten untragbar macht.
Eine bekannte rücksetzbare Sicherung, die für PCB Anwendungsebenen bemessen werden kann, wird eine Vorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizient („PTC“) genannt. PTC Materialien beruhen auf einer physikalischen Eigenschaft, die zu zahlreichen leitfähigen Materialien passt, namentlich, dass die Widerstandsfähigkeit der leitfähigen Materialien mit der Temperatur ansteigt. Kristalline Polymers, die über die Dispergierung von leitfähigen Füllmitteln darin elektrisch leitfähig gemacht werden, zeigen die PTC Wirkung. Die Polymere umfassen allgemein Polyolefine, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen und Ethylen/Propylen-Kopolymere. Bestimmte dotierte Keramiken, wie beispielsweise Bariumtitanat zeigen ebenfalls PTC Verhalten.
Die leitfähigen Füllmittel bewirken, dass die Widerstandfähigkeit des PTC Thermistormaterials ansteigt, wenn die Temperatur des Materials ansteigt. Bei Temperaturen unterhalb eines bestimmten Wertes zeigt das PTC Thermistormaterial eine relativ geringe, konstante Widerstandsfähigkeit. Wenn jedoch die Temperatur des PTC Thermistormaterials über diesen Punkt ansteigt, dann steigt mit lediglich einem geringen Temperaturanstieg die Widerstandsfähigkeit steil an.
Falls die durch ein PTC Thermistormaterial geschützte Last kurzgeschlossen wird, wird der durch das Thermistormaterial fließende Strom erhöht und die Temperatur des PTC Thermistormaterials (auf Grund der vorstehend erwähnten Erwärmung i²R) steigt schnell auf eine kritische Temperatur an. Bei der kritischen Temperatur wird durch das PTC Thermistormaterial viel Strom abgeleitet, was dazu führt, dass die Rate mit der das Material Wärme erzeugt, größer ist als die Rate mit der das Material Wärme an die Umgebung verlieren bzw. abgeben kann. Die Wärmeableitung kann lediglich für eine kurze Zeitdauer (beispielsweise den Bruchteil einer Sekunde) auftreten. Die erhöhte Stromableitung erhöht jedoch die Temperatur und den Widerstand des PTC Thermistormaterials, was den Strom in dem Schaltkreis bzw. der Schaltung auf einen relativ geringen Wert beschränkt. Das PTC Thermistormaterial wirkt folglich als eine Form einer Sicherung.
Auf Ausschalten des Stroms in der Schaltung oder Entfernen der für den Kurzschluss verantwortlichen Bedingung kühlt das PTC Thermistormaterial auf dessen normal arbeitenden, geringen Widerstandszustand unterhalb dessen kritische Temperatur ab. Die Folge besteht in einem rücksetzbaren Schaltungsschutz bzw. Sicherungsmaterial für einen Überstrom.
Obwohl die PTC Thermistormaterialien bei geringeren Widerständen unter normalen Bedingungen arbeiten, sind die normalen Betriebswiderstände für PTC Thermistormaterialien höher als die anderer Sicherungstypen, wie beispielsweise nicht rücksetzbare metallische Sicherungen. Der höhere Betriebswiderstand führt zu einem höheren Spannungsabfall über dem PTC Thermistormaterial als für ähnlich ausgelegte nicht rücksetzbare metallische Sicherungen. Der Spannungsabfall und die Verlustleistung wird für Schaltungsentwickler zunehmend bedeutsam, die versuchen die Antriebsleistungsfähigkeit einer bestimmten Schaltung als auch einer Batterielebensdauer zu maximieren.
Aus den Patentdokumenten JP H10-94 158 A und JP 2002-369 372 A ist bekannt nicht rücksetzbare Sicherungen und PTC-Thermistoren in Parallelschaltung zu verwenden.
Vom Erfinder ist ferner die Wortmarke Polyfuse® bekannt, die in Nizza Markenklassifikation 09 eingeordnet ist.
Demzufolge besteht ein Bedarf für eine verbesserte Stromkreisschutzvorrichtung auf PCB Ebene.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromkreisschutzvorrichtung wie sie in dem unabhängigen Anspruch beschrieben ist. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Stromkreisschutzvorrichtung umfasst eine keramische positive Temperaturkoeffizient („CPTC“) Thermistorschicht, ein Sicherungselement, das durch die CPTC Thermistorschicht getragen wird, wobei das Sicherungselement einen geringeren Widerstand als die CPTC Thermistorschicht aufweist, und erste und zweite Kabel, die mit dem Sicherungselement und der CPTC Thermistorschicht parallel elektrisch verbunden vorliegen, so dass Strom anfänglich unter normalem Betrieb durch das Sicherungselement und die CPTC Thermistorschicht fließt und nach einem Öffnen des Sicherungselements unter normalem Betrieb durch die CPTC Thermistorschicht fließt.
Es wird bevorzugt, dass das Sicherungselement ein auf eine Oberfläche montiertes Sicherungselement ist, das auf die CPTC Thermistorschicht aufgebracht wird.
Ferner wird bevorzugt, dass das Sicherungselement ein Drahtelement ist, das an Elektroden befestigt vorliegt, die auf der CPTC Thermistorschicht aufgebracht werden.
Beschreibung der Figuren

1 stellt eine Ansicht einer Ausführungsform einer integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung von oben dar.
2A stellt eine seitlich geschnittene Ansicht der integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung entlang der Linie A-A von 1 dar, die die sich entlang der Seite der Vorrichtung erstreckenden Anschlüsse zeigt.
2B stellt eine seitlich geschnittene Ansicht der integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung entlang der Linie B-B von 1 dar, die die sich nicht entlang der Seite der Vorrichtung an dem Abschnitt erstreckenden Anschlüsse zeigt.
3 stellt eine Ansicht der integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung von 1 von unten dar.
4 stellt ein schematisches elektrisches Diagramm dar, das einen beispielhaften äquivalenten Widerstand für die parallelen rückstellbaren und nicht rückstellbaren Komponenten für die Vorrichtung von 1 zeigt.
5 stellt eine Zeitstromkurve dar, die beim Testen einer Probe der integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung von 1 erhalten wurde.
6 stellt einen Spannungsabfall gegenüber einer graphischen Darstellung eines Stroms dar, der beim Testen verschiedener Proben der integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung von 1 erhalten wurde.
7 stellt eine seitlich geschnittene Ansicht einer alternativen integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung dar.
8 stellt eine seitlich geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung dar, die ein keramisches rückstellbares Überstromsicherungsmaterial verwendet.
9 stellt eine seitlich geschnittene Ansicht einer anderen Ausführungsform einer integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung dar, die ein keramisches rückstellbares Überstromsicherungsmaterial verwendet.
10 stellt eine seitlich geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung dar, die ein keramisches rückstellbares Überstromsicherungsmaterial verwendet.
11 stellt eine seitlich geschnittene Ansicht noch einer anderen Ausführungsform einer integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Überstromsicherungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung dar, die ein keramisches rückstellbares Überstromsicherungsmaterial verwendet.
12 stellt eine Seitenansicht für eine beliebige der hiesigen Ausführungsformen dar, die eine an einer Oberfläche montierte Konfiguration zeigt.
13 stellt eine schematische elektrische Ansicht einer Telekommunikationsschaltung dar, die ein Paar integrierter rückstellbarer Überstromsicherungsvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung verwendet.
14 stellt eine schematische elektrische Ansicht eines Datenbusses dar, der eine integrierte rückstellbare Überstromsicherungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung verwendet.
15 stellt eine schematische elektrische Ansicht eine Batteriepackungsschaltung dar, die eine integrierte rückstellbare Überstromsicherungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung verwendet.

Ausführliche Beschreibung
In den Zeichnungen und insbesondere in 1, 2A, 2B und 3 stellt nun Vorrichtung 10 eine Ausführungsform einer integrierten rückstellbaren und nicht rückstellbaren Schaltungssicherungsvorrichtung und des assoziierten Verfahrens der vorliegenden Offenbarung dar. Die Vorrichtung 10 umfasst ein oberes isolierendes Substrat 12 und ein unteres isolierendes Substrat 14 (hier gemeinsam als isolierende Substrate 12, oder allgemein einzeln als isolierendes Substrat bezeichnet). In einer Ausführungsform werden die isolierenden Substrate 12 aus einem gleichen Material, wie beispielsweise einem FR-4 Material oder einem Polyimid hergestellt. Substrat 12 kann beispielsweise mit einer Kupferbeschichtung an beiden Oberflächen des FR-4 Materials bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform wird das Kupfer dann unter Verwendung von photolithographischen Standardprozessen weggeätzt, um verschiedene Elektrodenmuster zu bilden. Die Kupferplattierung kann beispielsweise weggeätzt werden, um eine obere Kupferschicht 20a zu bilden, die eine Basisschicht von Anschlüssen 36a und 36b bildet.
Wie in 2A und 2B zu sehen ist, wird die Kupferschicht 16 von dem isolierenden Substrat 12 entlang der rechten Seite von Vorrichtung 10 weggeätzt. Auf diese Weise steht die Elektrode 16 nicht unmittelbar mit einem an der rechten Seite der Vorrichtung 10 ausgebildeten Anschluss in Kontakt. Eine ähnliche dritte Kupferschicht oder Elektrode 18 wird auf die obere Oberfläche des isolierenden Substrats 14 geätzt. Hier steht Elektrode 18 mit einem Anschluss in Kontakt, der an der rechten Seite von Vorrichtung 10 ausgebildet vorliegt, jedoch nicht unmittelbar mit einem an der linken Seite von Vorrichtung 10 ausgebildeten ähnlichen Anschluss in elektrischem Kontakt steht. Eine vierte Kupferschicht 20b wird von der unteren Seite des isolierenden Substrats 14 unter Verwendung von photolithographischen Standardprozessen photogeätzt. Wie in der Ansicht von unten in 3 von Vorrichtung 10 gezeigt, wird die Kupferschicht 20b auf/zu eine/r spezifische/n Form geätzt, um das metallische Sicherungselement der Vorrichtung 10 zu bilden. Die untere Kupferschicht 20b erstreckt sich ebenfalls, um eine unteren Seite befindliche Basisschicht von Anschlüssen 36a und 36b auszubilden.
Die isolierenden Substrate 12 und 14, die geätzte Kupferschichten 16, 18 und 20a bzw. 20b aufweisen, sind über einer positive Temperaturkoeffizient („PTC“) Schicht 30 eingeschoben. Ein geeignetes PTC Thermistormaterial für eine PTC Thermistorschicht wird in einer Polyfuse® LF1206L Vorrichtung bereitgestellt, die durch den letztendlichen Unterzeichner der vorliegenden Offenbarung vermarktet wird. Dieses Material ist auf Polymer basierend. Keramische Konfigurationen werden nachfolgend erläutert.
In einer Ausführungsform wird die PTC Thermistorschicht 30 anfänglich zwischen zwei große bzw. umfangreiche isolierende Substrate laminiert. Die Elektroden 16, 18, 20a und 20b werden auf den großen isolierenden Substraten vor deren Anordnung vorgeformt, was zahlreiche aus einer angeordneten Anordnung zu formende Vorrichtungen 10 ermöglicht. Die Vorrichtung 10 wird dann von der angeordneten Anordnung von isolierenden Substraten vereinzelt und über bekannte Trennungs- oder Vereinzelungstechniken an eine PTC Thermistorschicht angefügt.
3 stellt dar, dass in einer Ausführungsform das metallische Sicherungselement 24 an einer unteren Oberfläche des isolierenden Substrats 14 ausgebildet vorliegt. Die Kupferschicht 20b wird auf eine spezifische Form photogeätzt, um das Sicherungselement auszubilden. Die geätzte Kupferschicht 20b umfasst Feldbereiche 22a und 22b, die sich zu Element 24 erstrecken. Die Feldbereiche 22a und 22b erstrecken sich ebenfalls zu umfangreicheren Anschlussbereichen 26a und 26b der Kupferschicht 20b, die schließlich entlang der oberen Kupferschicht 20a plattiert wurde, um die Anschlüsse 36a und 36b auszubilden. Das Basismetall für das Sicherungselement 24 liegt folglich in einer Ausführungsform als Kupfer vor.
Während die Vorrichtung 10 allgemein beschrieben wird, dass sie photogeätzte Kupferelektroden aufweist, sollte klar sein, dass die Elektroden 16, 18, 20a und 20b aus alternativen Metallen hergestellt und über einen unterschiedlichen Prozess, wie beispielsweise Elektroplattieren, Sputtern, Drucken oder Laminieren aufgebracht sein können. Die isolierenden Substrate 12 können einem aus FR-4 Material so entgegengesetzten Polyimid hergestellt sein. So oder so können die Elektroden 16, 18, 20a und 20b aus einem oder mehreren Metallen, wie beispielsweise Silber, Kupfer, Nickel, Zinn und Legierungen davon bestehen, die in einer beliebigen der vorstehend erwähnten Weisen auf die Oberfläche des Polyimids aufgebracht werden.
Element 24 weist eine Höhe h, eine Länge l auf und eine mit x-bemessene Weite, um eine wünschenswerte Öffnung zu erzeugen, die für das Sicherungselement 24 charakteristisch ist. Die Höhe h kann beispielsweise bei Element 24 dünner sein als die Höhe der Felder 22a und 22b und der Anschlussbereiche 26a und 26b. Die in einer Ausführungsform verdünnte Höhe h von Element 24 wird über einen Schäl- oder zusätzlichen Ätzprozess ausgebildet. Das in 3 gezeigte Element 24 wird so gezeigt, als ob es eine allgemeine gerade Länge l aufweist. Es sollte klar sein, dass Element 24 alternativ gezackt oder gekrümmt, beispielsweise gewunden bzw. schlangeartig sein kann, um, wie erforderlich den Abstand l zu erhöhen, um eine wünschenswerte Öffnungseigenschaft für Element 24 zu erzeugen.
Weiterhin können, ein oder mehrere nicht ähnliche metallische Punkte 28, die oftmals als ein Metcalf-Punkt bezeichnet werden, an einem Bereich des Elements an Element 24 aufgebracht werden, der für das Element wünschenswerter Weise zu öffnen ist, beispielsweise in der Mitte des Elementes. Der nicht ähnliche metallische Punkt 28 kann irgendeines oder mehrere von Nickel, Indium, Silber, und Zinn sein. Der unähnliche metallische Punkt 28 weist eine geringere Schmelztemperatur als der des Basismetalls des Sicherungselements 24, beispielsweise Kupfer, auf. Die niedrigere Schmelztemperatur des Punktes 28 schmilzt schneller und diffundiert in das Basismetall von Element 24. Die Basis und nicht ähnlichen Metalle werden so gewählt, dass die Diffusion von einem in das andere zu einer intermetallischen Phase mit einer geringeren Schmalztemperatur und einem höheren Widerstand als dem Basismetall führt, was das Element zwingt bei niedergradigen Überstrompegeln zu schmelzen und ein Überheizen der Vorrichtung zu verhindern.
Es wird eine schützende Beschichtung 32 auf das Sicherungselement 24 und einen Bereich der Sicherungsfelder 22a und 22b, wie in 2 und 3 gezeigt, aufgebracht. Die in einer Ausführungsform schützende Beschichtung 32 liegt als ein elektrisch isolierendes Epoxid vor, das auf die untere Seite des isolierenden Substrates und die Kupferschicht 20b gedruckt, gesprüht oder auf andere Art und Weise aufgebracht wurde, wodurch das Sicherungselement 24, Feldbereiche 22a und 22b und die Anschlussbereiche 26a und 26b gebildet werden.
In einer Ausführungsform liegt die Vorrichtung 10 so konfiguriert vor, dass das Sicherungselement 24 in Richtung der Platine („PCB“) angebracht vorliegt. Die schützende Beschichtung 32 und die nach unten angeordnete Konfiguration neigen dazu die von einer Öffnung des Sicherungselementes 24 freigesetzte Energie zu begrenzen. Es sollte klar sein, dass die Vorrichtung 10 alternativ mit dem Sicherungselement 24 arbeiten kann, das in Richtung der PCB oder von der PCB weg angeordnet vorliegt.
1 stellt eine obere Oberfläche von Vorrichtung 10 dar. Hier spezifiziert der Freimachungsvermerk 34 eine Auslegung und Herstellerinformation für die Vorrichtung 10. Der Freimachungsvermerk 34 wird in einer Ausführungsform auf eine obere Oberfläche eines oberen isolierenden Substrats 12 aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt.
Die Vorrichtung 10 kann in verschiednen Standardgrößen, wie beispielsweise einer 1206 Packung 0,120 Zoll mal 0,06 Zoll (3,2 mm) mal (1,6 mm) bereitgestellt werden. Alternativ kann die Vorrichtung 10 in einer 1812 Packung bereitgestellt werden, die ungefähr 0,179 Zoll mal 0,127 Zoll sind (4,5 mm)X (3,24 mm). Es sollte jedoch klar sein, dass die Vorrichtung 10 wie erforderlich, größer oder kleiner gemacht und wobei eine Vorrichtung mit einer wünschenswerten Auslegung hergestellt werden kann.
Die Anschlüsse 36a und 36b werden in der dargestellten Ausführungsform durch standardisierte Plattierungstechniken an den oberen und unteren Oberflächen der Vorrichtung 10 ausgebildet. Die Anschlüsse 36a und 36b können mehrere Schichten von Metall, beispielsweise elektrolytisches Kupfer, elektrolytisches Zinn, Silber, Nickel oder anderes Metall oder Legierung, wie erwünscht, sein. Die Anschlüsse 36a und 36b sind so bemessen und konfiguriert, um zu ermöglichen, dass Vorrichtung 10 in einer auf eine Oberfläche angebrachten Weise auf einer PCB angebracht wird.
2A stellt einen Abschnitt A-A von 1 dar, der durch die Mitte von Vorrichtung 10 verläuft. Folglich werden Element 24 und der nicht ähnliche Metallpunkt 28 in 2A gesehen. Ein Paar Öffnungen 46 und 48 werden in den isolierenden Materialien 12 und 14 hergestellt, beispielsweise bevor die Vorrichtung 10 von der Vorrichtungsanordnung vereinzelt wird. Das Plattieren der Anschlüsse 36a und 36b bedeckt die Seiten von Öffnungen 46 und 48. Demgemäß erstrecken sich, wie in 2A gezeigt, die Anschlüsse entlang der Seiten der Vorrichtung 10 an den Oberflächen von Öffnungen 46 und 48. Wird die Vorrichtung 10 vereinzelt, dann erstrecken sich die Anschlüsse 36a und 36b nicht entlang der geradlinigen Seiten der Vorrichtung, erstrecken sich beispielsweise, wie in 2B gezeigt, nicht entlang der geradlinigen Seiten der Vorrichtung bei Abschnitt B-B von 1.
4 stellt eine äquivalente Schaltung für Vorrichtung 10 dar, die vorstehend erläutert wurde. Die in 4 gezeigten Widerstände sind lediglich für die beispielhaften Zwecke vorhanden und sind in keiner Weise vorgesehen den Unfang der hier beigefügten Ansprüche zu begrenzen. Die Widerstände stellen jedoch realistische Werte für die vorliegende Vorrichtung dar. Folglich wird PTC Thermistorschicht 30 (oder die Kombination von mehreren PTC Thermistorschichten 30) gezeigt, beispielsweise einen Widerstand von 0,07 Ohm aufzuweisen. Das Sicherungselement 24 weist einen niedrigeren Widerstand von 0,031 Ohm auf. Wie in 4 gezeigt und wie aus 2 klar sein sollte, werden die PTC Thermistorschicht 30 und das Sicherungselement 24 miteinander elektrisch parallel angeordnet. Entsprechend der Widerstandsgleichung für parallele Vorrichtungen gleicht der äquivalente Widerstand für die Vorrichtung 10 E_q dem PTC Widerstand R_at multipliziert mit dem Sicherungswiderstand R_f, was zu einem Produkt führt, das durch die Summe von R_at plus R_f geteilt wird. Diese Gleichung ergibt in dem Beispiel, einen äquivalenten Widerstand, R_eq von 0,022 Ohm. Der äquivalente Widerstand ist sogar noch geringer als der Widerstand des metallischen Sicherungselements 24. Die Vorrichtung 10 weist somit einen anfänglich niedrigen Widerstandsbetrieb auf. Die Vorrichtung 10 weist ebenfalls die Fähigkeit auf sich selbst durch die PTC Thermistorschicht 30 rückzusetzen.
Entsprechend dem äquivalenten Schaltkreis bzw. Ersatzschaltkreis von 4 wird der Strom anfänglich durch das Sicherungselement 24 und die PTC Thermistorschicht 30 durchgehen bis ein Überstromzustand auftritt, nach welchem der Stromweg durch Element 24 geöffnet vorliegt und der Strom danach unter normalem Betrieb durch die PTC Thermistorschicht parallel geschaltet wird. Es wird angenommen, dass Überstromereignisse insbesondere für bestimmte Anwendungen unter Verwendung von Vorrichtung 10 relativ selten auftreten, was bedeutet, dass in zahlreichen Fällen Vorrichtung 10 arbeiten wird ohne über das gesamte Leben der PCB einen Überstromzustand zu sehen. Das heißt, dass zahlreiche Vorrichtungen 10 unter Zuständen eines niedrigen Widerstands und eines geringen Spannungsabfalls über das gesamte Leben der PCB arbeiten werden. Falls jedoch ein Überstromereignis auftritt, dann hält die Vorrichtung 10 deren Funktionalität bei, wobei die PCB, auf der sie angebracht vorliegt nicht nachgearbeitet oder ersetzt werden muss. Der ursprüngliche Vorteil eines niedrigen Widerstandes und Spannungsabfalls geht verloren, wobei jedoch eine Gesamtfunktionalität erhalten bleibt.
In 5 werden nun Ergebnisse eines Testens einer Vorrichtung 10 der Zeit sich zu öffnen gegenüber Strom dargestellt. Es werden drei Zeitstromkurven dargestellt, eine für ein metallisches Sicherungselement 24, das auf zwei Amps ausgelegt ist, eine für die PTC Thermistorschicht 30, die für zwei Amps ausgelegt ist und eine, die die Zeit-Stromkurve für die zwei parallel angeordneten Überstromkomponenten (combo) zeigt. Die Kombinationslinie neigt dazu der der PTC Thermistorschicht 30 zu folgen und weist eine längere Antwortzeit auf als entweder Sicherungselement 24 oder PTC-Schicht 30.
Die dargestellte Vorrichtung 10 verwendet das ausgelegte Sicherungselement 24 und die PTC Thermistorschicht 30. Alternativ kann die Vorrichtung 10 ein Sicherungselement 24 und die PTC Thermistorschicht 30 verwenden, die unterschiedliche Auslegungen aufweisen. Die PTC Thermistorschicht 30 könnte, beispielsweise, eine geringere Auslegung, beispielsweise 1,5 Amps, aufweisen als die zwei Amps von dem Sicherungselement 24. Die erhaltene Vorrichtung 10 würde beispielsweise für eine nachfolgend ausführlich beschriebene Datenbusanwendung eine schnellere Antwortzeit aufweisen. Die nachfolgend beschriebenen Anwendungen der Telekommunikation und Batterie könnten eine langsamer wirkende Gesamtvorrichtung 10 erfordern.
In 6 werden nun Ergebnisse für vier Teile dargestellt, die gemäß den Lehren in Verbindung mit der Vorrichtung 10 für einen Spannungsabfall gegenüber Stromtesten ausgeführt wurden. Die graphische Darstellung stellt dar, dass der Spannungsabfall für die vier Teile, insbesondere bei ungefähr zwei Amps, relativ wiederholbar war. Nachher begannen die Teile eine geringfügige Varianz zu zeigen. Der äquivalente Widertand der Vorrichtung 10 blieb ebenfalls über den dargestellten Strombereich relativ konstant. Weiterhin wurde der Spannungsabfall über die Vorrichtungen 10 sogar bei drei Amps für alle vier getesteten Teile unter 100 Millivolt gehalten.
In 7 wird nun eine alternative mehrschichtige PTC Vorrichtung 50 dargestellt. Die Vorrichtung 50 umfasst mehrere der vorstehend dargelegten gleichen Komponenten, wie beispielsweise Sicherungselement 24 (und assoziierte Felder 22a und 22b und Anschlussbereiche 26a und 26b). Die Vorrichtung 50 umfasst ebenfalls eine schützende Beschichtung 32, die, wie vorstehend gezeigt, das Sicherungselement 24 und einen Teil der Sicherungselementbeläge bedeckt. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung 50 so konfiguriert, um so angebracht zu werden, dass das Sicherungselement 24 auf die PCB gerichtet ist. Alternativ könnte die Vorrichtung 50 in der entgegengesetzten Orientierung angebracht werden. Die Vorrichtung 50 umfasst ebenfalls das obere und isolierende Substrat 12, das, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise geätzte Elektroden 20a und 16 aufweist. Der markierende Text 34 wird in einer Ausführungsform an einer oberen Oberfläche des oberen isolierenden Substrats 12 angeordnet. Die Vorrichtung 50 umfasst weiterhin das untere isolierende Substrat 14, das beispielsweise geätzte obere und untere Kupferelektroden 18 und 20b aufweist. Die inneren Elektroden 16 und 18 erstrecken sich, wie vorstehend gezeigt, mindestens halbwegs über deren assoziierten Substrate 12 und 14, um eine erwünschte Öffnung zu erzeugen, die für die angrenzenden PTC Thermistorschichten 30a und 30b (die hier gemeinsam als PTC Thermistorschichten 30 oder allgemein einzeln als PTC Thermistorschicht 30 bezeichnet werden) charakteristisch ist.
Die Vorrichtung 50 umfasst die drei PTC Thermistorschichten 30a, 30b und 30c (gemeinsam 30). Die Vorrichtung 50 umfasst weiterhin zwei zusätzliche innere isolierende Substrate 52 und 54, die beispielsweise obere und untere Elektroden 38, 40, 42 beziehungsweise 44 aufweisen, die sich ähnlich wie die Elektroden 16 und 18 den Hauptteil des Weges über deren entsprechendes isoliertes Substrat 52, 52, 54 und 54 erstrecken. Jede der Elektroden 16, 18, 20a, 30b, 38, 40, 42 und 44 kann geätzt oder auf andere hier beschriebene Weise auf ein entsprechendes FR-4 oder Polyimid isolierende Substrat 12 geformt werden. Die PTC Thermistorschichten 30 werden über ein beliebiges der vorstehend beschriebenen Verfahren zwischen entsprechende Elektroden tragende isolierende Substrate eingeschoben. Die Vorrichtung 50 kann, wie Vorrichtung 10, als eine Anordnung von Vorrichtungen 50 hergestellt werden, die in einzelne Vorrichtungen vereinzelt werden.
Die PTC Thermistorschichten 30a bis 30c arbeiten jeweils auf die gleiche Weise wie die PTC Thermistorschicht 30 von Vorrichtung 10, namentlich sind die Schichten unter normalen Betriebsstromlasten leitfähig. Auf einen Überlastzustand, der das Sicherungselement 24 öffnet, werden die PTC Thermistorschichten 30 aufgewärmt, was dazu führt, dass deren Temperaturen und Widerstände auf einen Schwellenpunkt ansteigen, an dem die Temperaturen und Widerstände exponentiell ansteigen, was, ähnlich zu einem offenen Stromkreis des Sicherungselementes 24, zu einem hochohmigen elektrischen Weg führt. Die zusätzlichen PTC Thermistorschichten für eine gegebene Größenpackung erhöhen die Auslegung der PTC Komponente von Vorrichtung 50. Während somit drei PTC Thermistorschichten 30 mit der Vorrichtung 50 gezeigt werden, könnten zwei Schichten oder vier oder mehr Schichten, wie erforderlich, bereitgestellte werden, um eine Vorrichtung 50 bereitzustellen, die eine erwünschte Auslegung aufweist. Die gesamte Auslegung von PTC Thermistorschichten 30 kann die Gleiche oder eine geringfügig Unterschiedliche sein, beispielsweise geringer als die des metallischen Elements 24.
In 8 stellt nun die Vorrichtung 110 eine alternative integrierte metallische/PTC Thermistor-Vorrichtung dar. Die PTC Thermistorschicht 130 liegt, wie entgegengesetzt zu dem Polyimidmaterial der Polyfuse® LF1206L Vorrichtung, hier basierend auf Keramik vor. Ein geeignetes auf Keramik basierendes Thermistormaterial wird in US 6 218 928 B1 offenbart, die „PTC Thermistormaterial“ betitelt ist, das auf dessen Front der TDK-Corporation (Tokyo, JP) zugeordnet wird.
Die Vorrichtung 110 umfasst ein isolierendes Substrat 112, das beispielsweise ein Keramikmaterial oder Glas sein kann. Die oberen und unteren Basiselektroden 120a und 120b werden jeweils an oberen und unteren Oberflächen des Substrats 112 über Dickschicht-Schablonendruch oder Sputtern ausgebildet. Die Elektroden 120a und 120b können erneut aus einem oder mehreren Metallen, wie beispielsweise Silber, Kupfer, Nickel, Zinn und Legierungen davon gebildet werden, die auf eine beliebige der vorstehend erwähnten Weisen auf die Oberfläche des Polyimids aufgebracht werden.
Die Basiselektrode 120b liegt so geformt vor, um das Sicherungselement auszubilden. Die Elektrode 120b umfasst, beispielsweise, die Feldsbereiche 122a und 122b, die sich nach innen zu Element 124 und nach außen zu den größeren Anschlussbereichen 126a und 126b erstrecken, wie vorstehend mit der Elektrode 20, Feldbereich 22, Element 24 und Anschlussbereich 26 gezeigt wurde. Die Anschlussbereiche 126a und 126b werden schließlich zusammen mit der oberen Kupferschicht 120a plattiert, um die Anschlüsse 136a und 136b zu bilden. Das metallische Sicherungselement 124 der Vorrichtung 110 kann, wie vorstehend für Element 24 der Vorrichtung 10 und 50 erläutert, beliebige Formen, Dimensionen und nicht ähnliche Metalle aufweisen.
Eine keramische PTC („CPTC“) Thermistorschicht 130 liegt an einer ersten Seite einer isolierenden Basis 112, beispielsweise über einen Dickschicht-Schablonendruck oder Spin-Coating bzw. Aufschleudervorgang angeordnet vor. Wie dargestellt, steht die CPTC Thermistorschicht 130 mit Bereichen der Elektroden 120a in Kontakt. Eine obere Deckschicht 132a (beispielsweise gebranntes Glas) wird auf die CPTC Thermistorschicht 130 und auf exponierte Bereiche der Elektroden 120a aufgebracht. Obwohl nicht gezeigt, können Markierungsvermerke (vorstehend erläutert) an der oberen Oberfläche der CPTC Thermistorschicht 130 bereitgestellt und durch die obere Deckschicht 132a sichtbar sein.
Eine untere Deckschicht 132b (beispielsweise gebranntes Glas) wird auf die untere Elektrode 120b und exponierte Bereiche von Substrat 112 aufgebracht. Die Anschlüsse 136a und 136b werden an den Seitenkanten von Substrat 112, den Elektroden 120a und 120b und den Deckschichten 132a und 132b ausgebildet. Die Anschlüsse 136a und 136b bedecken ebenfalls Bereiche der oberen beziehungsweise unteren Oberflächen, beispielsweise Glass, von Deckschichten 132a und 132b. Die Anschlüsse 136a und 136b können, wie erläutert und vorstehend gezeigt, mehrere Metallisierungen umfassen. Weiterhin können mehrere CPTC Thermistorschichten 130 zwischen mehrere isolierende Schichten 112 in einer Weise, die ähnlich zu der der polymeren Vorrichtung von 7 ist, aufgebracht werden.
Beim Betrieb fließt der Strom, beispielsweise, von dem Anschluss 136a parallel durch die oberen und unteren Elektroden 120a und 120b und sowohl die CPTC Thermistorschicht 130 als auch das metallische Sicherungselement zu Anschluss 136b bis sich das Sicherungselement öffnet. Auf das Öffnen des Sicherungselements wird die CPTC Thermistorschicht 130 hoch ohmsch und beschränkt die Stromwanderung von Anschluss 136a zu Anschluss 136b. Wenn der Stromstoß abgeleitet wurde, wird die CPTC Thermistorschicht 130 leitfähig, so dass der Strom über die Vorrichtung 110 wandern bzw. fließen kann.
In 9 wird nun eine alternative integrierte metallische/CPTC Thermistor-Vorrichtung dargestellt. Hier basiert die CPTC Thermistorschicht 130 erneut entgegen dem polymeren Material der Polyfuse® LF1206L Vorrichtung auf Keramik. In der Vorrichtung 150 wird die CPTC Thermistorschicht 130 als das Basissubstrat verdoppelt, wodurch die relativ steife Beschaffenheit des auf Keramik basierenden Materials ausgenutzt wird.
Die oberen und unteren Basiselektroden 120a und 120b werden jeweils an oberen und unteren Oberflächen der CPTC Thermistorschicht 130 über ein Dickschicht-Schablonendrucken oder Sputtern ausgebildet. Die Elektroden 120a und 120b können aus einem oder mehreren Metallen, wie beispielsweise als Silber, Kupfer, Nickel, Zinn und Legierungen davon vorliegen, die, auf eine beliebige der vorstehend erwähnten Weisen, auf die Oberfläche der CPTC Thermistorschicht 130 aufgebracht werden.
Bei Vorrichtung 150 bildet die untere Basiselektrode 120b kein metallisches Sicherungselement, sondern wirkt anstelle davon mit der CPTC Thermistorschicht 130, der oberen Basiselektrode 120a und den Anschlüssen 136a und 136b, um dem Strom unter normalen Betriebsbedingungen zu ermöglichen durch die CPTC Thermistorschicht 130 zu fließen.
Eine dünne isolierende Schicht 112, beispielsweise Glas, wird über die untere Basiselektrode 120b und einen beliebig exponierten Bereich der unteren Oberfläche der CPTC Thermistorschicht 130 aufgebracht. Eine dritte, die Sicherungselementelektrode 152, ist auf dem Substrat 112 gebildet, um das Sicherungselement auszubilden. Die Elektrode 152 kann, beispielsweise, die gleichen Feldbereiche 122a und 122b umfassen, die sich nach innen zu Element 124 und nach außen zu den größeren Anschlussbereichen 126a und 126b (oben in 8 gezeigt) erstrecken. Das metallische Sicherungselement der Vorrichtung 150 kann eine beliebige der Formen, Dimensionen und nicht gleichen Metalle aufweisen, die vorstehend für das Element 24 von Vorrichtung 10 und 50 und Element 124 von Vorrichtung 8 erläutert wurden.
Eine obere Deckschicht 132a (beispielsweise Glas) wird auf die obere Basiselektrode 120a und exponierte Bereiche der CPTC Thermistorschicht 130 aufgebracht. Obwohl nicht gezeigt, können Markierungsvermerke (vorstehend erläutert) an der oberen Oberfläche der oberen Basiselektrode 120a bereitgestellt und durch die obere Deckschicht 132a sichtbar sein.
Eine untere Deckschicht 132b (beispielsweise Glas) wird auf die Sicherungselementelektrode 152 und exponierte Bereiche von Substrat 112 aufgebracht. Die Anschlüsse 136a und 136b werden an den Seitenkanten der CPTC Thermistorschicht 130, Substrat 112, Elektroden 120a, 120b und 152 und Deckschichten 132a und 132b gebildet. Die Anschlüsse 136a und 136b bedecken ebenfalls Bereiche der oberen beziehungsweise unteren Oberflächen, beispielsweise Glass, von Deckschichten 132a und 132b. Die Anschlüsse 136a und 136b können, wie erläutert und vorstehend gezeigt, mehrere Metallisierungen umfassen.
Bei dem Betrieb von Vorrichtung 150 fließt der Strom, beispielsweise, von Anschluss 136a durch die oberen Elektroden 120a, die CPTC Thermistorschicht 130, die Elektrode 120b und die metallische Sicherungselementschicht 150 zu Anschluss 136b bis sich das Sicherungselement öffnet. Auf die Öffnung des Sicherungselementes wird die CPTC Thermistorschicht 130 nicht leitfähig und hindert den Strom daran von dem Anschluss 136a zu Anschluss 136b zu wandern. Wurde die Stromwelle abgeleitet, dann wird die CPTC Thermistorschicht 130 leitfähig, so dass der Strom erneut über die Vorrichtung 150 fließen bzw. wandern kann.
In 10 wird nun eine alternative CPTC Thermistor-Vorrichtung 160 dargestellt. Die CPTC Thermistor-Vorrichtung 160 verwendet vorteilhafter Weise sowohl obere als auch untere Basiselektroden 120a und 120b, um sowohl mit der CPTC Thermistorschicht 130 als auch dem Sicherungselement 162 in Kontakt zu stehen, das, in der dargestellten Ausführungsform, als eine Dickschicht, als eine Dünnschicht oder mit einem Draht gebondetes Sicherungselement vorliegt. Das Sicherungselement 162, das als allgemein vertikal angeordnet gezeigt vorliegt, erstreckt sich entlang der Kante der CPTC Thermistorschicht 130 von einer Basiselektrode 120a zu der anderen Basiselektrode 120b. Es kann der Winkel, die Form und die Anzahl derartiger Sicherungselemente variieren. Die Basiselektroden 120a und 120b werden ebenfalls an beiden Seiten der CPTC Thermistorschicht 130 über eine beliebig geeignete Technik und von einem beliebig geeigneten einen oder mehreren, vorstehend beschriebenen, Metallen gebildet.
Die Vorrichtung 160 umfasst, in der dargestellten Ausführungsform, ebenfalls Kabel 164 und 166, die für verschiedene Montageanordnungen radial oder vertikal angeordnet werden können. Beim Betrieb der Vorrichtung 160 fließt der Strom, beispielsweise, von der oberen Elektrode 120a (Kabel 164) zu der unteren Elektrode 120b (Kabel 166), parallel durch die CPTC Thermistorschicht 130 und das Sicherungselement 162, bis sich das Sicherungselement öffnet. Auf das Öffnen des Sicherungselements wird die CPTC Thermistorschicht 130 nicht leitfähig und hindert den Strom daran von der oberen Elektrode 120a (Kabel 164) zu der unteren Elektrode 120b (Kabel 166) zu wandern. Wenn die Stromwelle abgeleitet wurde, wird die CPTC Thermistorschicht 130 leitfähig, so dass der Strom erneut über die Vorrichtung 160 fließen kann.
In 11 wird nun eine alternative CPTC Thermistor-Vorrichtung 170 dargestellt, die die gleiche ist wie Vorrichtung 160, ausgenommen, dass die CPTC Thermistorschicht 130 ein größeres Durchmesserloch oder Öffnung 138 umfasst oder definiert, die so konfiguriert vorliegt, dass ein diagonal angeordnetes Sicherungselement 172 aufgenommen wird. Das Sicherungselement 172 ist, wie gezeigt, an die Basiselektroden 120a und 120b gelötet oder auf andere Weise elektrisch verbunden, die an gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 138 lokalisiert sind. Das Element 172 liegt so gezeigt vor, dass es sich diagonal über die Öffnung erstreckt. Die diagonale Erstreckung ermöglicht dem Element 172 verlängert zu sein, was für Bemessungszwecke vorteilhaft sein kann.
In der CPTC Thermistor-Vorrichtung 170 sind ebenfalls Kabel 164 und 166 an Endplatten 174 beziehungsweise 176 angeordnet, die wiederum an die Basiselektroden 120a beziehungsweise 120b gelötet oder auf andere Weise damit verbunden sind. Die Endplatten 174 und 176 bedecken die Öffnung 138, schützen Sicherungselement 172 und verbinden das Sicherungselement elektrisch mit den Kabeln 164 und 166. Die Endplatten ermöglichen weiterhin dem Schluss- bzw. Endteil mit einem schützenden Material, beispielsweise Epoxid, beschichtet zu sein, was eine Lücke bzw. einen leeren Raum in der Öffnung 138 beibehält, was die Schmelzdurchführung von Sicherungselement 172 verbessert. Die gezeigten Kabel 164 und 166 erstrecken sich von den Endplatten 174 und 176 in radialer Weise. Alternativ erstrecken sich die Kabel 164 und 166, beispielsweise wie in 10 gezeigt, von den Endplatten 174 und 176 in einer axialen Richtung.
Die Drahtsicherungselement CPTC Thermistor-Vorrichtungen 160 und 170 arbeiten auf die gleiche Weise wie die Dünnschicht CPTC Thermistor-Vorrichtungen 110 und 150, die zumindest im Wesentlichen auf die gleiche Weise, wie die vorstehend erläuterten, auf Polymer basierenden PTC Thermistor-Vorrichtungen arbeiten. Strom fließt unter normalem Betrieb durch sowohl CPTC Thermistorschicht 130 als auch Sicherungselemente 124, 152, 162 oder 172 bis ein Überstromereignis auftritt. Zu einem derartigen Zeitpunkt öffnet sich das Sicherungselement, die CPTC Thermistorschicht 130 wird nicht leitfähig, so dass die Vorrichtung 110, 150, 160 oder 170 dem Überstrom nicht gestattet stromabwärts der Vorrichtung elektrische Komponenten zu passieren. Klingt das Überstromereignis ab, dann setzt sich die CPTC Thermistorschicht 130 selbst auf einen leitfähigen Zustand zurück, was der geschützten Schaltung, obschon bei einem größeren Spannungsabfall über der Vorrichtung 110, 150, 160 oder 170, zu funktionieren ermöglicht.
12 zeigt eine auf einer Oberfläche montierte Konfiguration für entweder die in 10 oder 11 beschriebenen Vorrichtungen. Hier umfasst die PTC oder CPTC Vorrichtung die Endplatten 182 und 184, die jeweils einen Feldbereich 180 aufweisen, der so konfiguriert vorliegt, dass er an eine Platine über Reflow- oder Wellen- bzw. Schwall-Löten angebracht ist. Die dargestellte Ausführungsform zeigt eine CPTC Scheibe 130 (Sicherungselement vorhanden, jedoch nicht zu sehen), worin Endplatten 182 und 184 und Feldbereiche 180 die CPTC Scheibe 130 und das Sicherungselement mit einem Trace- bzw. Spurenmuster an der Platine elektrisch verbinden.
In 13 stellt nun die Schaltung 60 an einer geeigneten Anwendung für Vorrichtung 10, 50, 110, 150, 160, 170, namentlich eine Telekommunikationsschutzanwendung dar (nachfolgend zur Einfachheit einfach als Vorrichtung 10 bezeichnet). Die Telekommunikationsschutzschaltung 60 umfasst einen Digital Subscriber Line („DSL“) Antrieb 62, der eine Schnittstellenkarte sein kann, die zwischen stromabwärts gelegener Telekommunikationseinrichtung (nicht gezeigt) und den in 8 gezeigten Datenlinien, lokalisiert sind. Die Telekommunikationseinrichtung kann Ausstattung bzw. Einrichtungen für eine zentrale Vermittlungsstellenschaltung umfassen, welche Anrufe von einem Punkt zu anderen umschaltet, beispielsweise digitale Stimme oder Internetdaten schaltet.
Der DSL Antrieb 62 konditioniert die Signale und regeneriert die Signale, die für eine Schaltung oder eine andere Einrichtung der Telekommunikationseinrichtung bestimmt sind. Der DSL Antrieb 62 ist ein bidirektionaler Transceiver, der Signale konditioniert, die in beide Richtungen über Anschluss- bzw. Anschluss-Leitung 64 und Ringleitung 66 gesendet werden. Der Wandler 68 verhindert auf beiden Seiten des Wandlers befindlichen Gleichstrom („DC“) daran auf die andere Seite des Wandlers fortgeleitet zu werden. Der Wandler 68 löscht ebenfalls jegliches Rauschen oder Signalübersprechen von angrenzenden Leitungen, die gekoppelt sind and folglich sowohl der Anschluss- als auch der Ringleitung gemeinsam sind. Der Wandler 68 koppelt demgemäß unterschiedliche Signale.
Der transiente bzw. vorübergehende Spannungshemmer 70 umfasst eine Überspannungsschutz-Vorrichtung, wie beispielsweise einen Thyristor. Der Hemmer bzw. Hemmeinrichtung 70 kann, beispielsweise, mehrere Dioden verwenden, die mit einem Thyristor positioniert sind, um Kapazität entlang eines beliebigen Weges, beispielsweise von der Anschluss-Leitung 64 zu der Ringleitung 66, der Anschluss-Leitung 64 zu der Masse 72 und der Masse 72 zu der Ringleitung 66 zu verringern. Die Dioden und der Thyristor sind so positioniert, dass jeder Weg zumindest drei Kapazitätsverringerungen aufweist, was stark vorgespannte Wege bereitstellt, die die Kapazität schrittweise in Reihe auf einen äußerst geringen Pegel bzw. Niveau verringern, der die Datensignale nicht dämpft oder abschreckt.
Die integrierte Sicherungselement/PTC Vorrichtung 10 ist in der Ringleitung 64 und der Anschluss-Leitung 66 positioniert, um aufgrund, beispielsweise, einer Stromübertragungssituation bzw. Power Cross Situation gegen einen Überstromzustand zu schützen, bei der eine Telefonleitung oder Datenleitung an eine Stromleitung induktiv gekoppelt ist, was einen fortdauernden Überspannungszustand erzeugt. Transiente Spannungshemmer 70 klemmen die Überspannung auf einem sicheren Niveau fest, wobei eine Menge Energie abgeleitet und wobei die Überstrom-Vorrichtung 10 ausgelöst wird.
Falls lediglich ein metallisches Element verwendet wird, muss die entsprechende Sicherung in Schaltung 60 ersetzt werden. Falls lediglich ein PTC Element verwendet wird, ist der Widerstand des PTC Elementes wesentlich höher, was darauf beschränkend wirkt, wie weit DSL Antrieb 62 die DSL Signale die Anschluss- 64 oder die Ringleitung 66 nach unten steuern kann. Da Leitungsbedingungen einer Stromkreuzung selten vorkommen, stellt Vorrichtung 10 eine rückstellbare Vorrichtung bereit, die anfänglich bei einem geringen Widerstand arbeitet. Falls ein Stromkreuzungszustand auftritt, öffnet sich das Sicherungselement und wobei die PTC Vorrichtung ausgelöst und schließlich zurückgesetzt wird, so dass die Schaltung 60 zumindest bei einem beschränkten Bereich von einer Datenreise, immer noch funktioniert.
In 14 stellt nun Schaltung 80 eine andere Anwendung für die integrierte Sicherungselement/PTC Vorrichtung 10, namentlich eine Datenbusschaltung, dar. Die dargestellte Datenbusschaltung verwendet einen IEEE 1394 Kontroller 82, der mit Computern und anderer Einrichtung, wie beispielsweise Videokameras und Kabeldosen, verwendet wird. Der 1394 assoziierte Verbinder 84 ist klein, was für die vorstehend erwähnten Anwendungen vorteilhaft ist. Die Schaltung 80 verwendet zwei verdrillte Leiter TPA und TPB, die jeweils Daten bidirektional zwischen Kontroller 82 und Verbinder 84 übermitteln.
Die Schaltung 80 umfasst transiente Spannungshemmer 86, die über die Datenleitung bis zur Masse 88 angeordnet sind. Spannungshemmer 86 unterdrücken bzw. hemmen Ereignisse einer elektrostatischen Entladung („ESD“), die an Datenleitungen TPA und TPB auftreten. Die Schaltung 80 umfasst ebenfalls einen Varistor 90, der ESD oder andere Einschaltstöße, die an einer Spannungsleitung V_bus 92 auftreten, unterdrückt. V_bus stellt beispielsweise eine 33 VDC Quelle dar, die Kontroller 82 verwendet, um die Spannung entlang Leitung 92 zu treiben bzw. zu steuern, um was auch immer mit dem Verbinder 84, beispielsweise einen Drucker oder ein Modem, verbunden vorliegt, anzutreiben.
Die integrierte Sicherungselement/PTC Vorrichtung 10 schützt assoziierte Einrichtungen vor einem beliebigen Typ eines Überstromzustandes, der an der Ringleitung 92 auftritt. Es ist erneut hier erwünscht, dass die Vorrichtung 10 einen so geringen Widerstand wie möglich aufweist, und dass so viel Energie bzw. Strom wie möglich von dem Kontroller 82 zu dem Verbinder 84 und assoziierten Einrichtungen geliefert werden kann. Die Vorrichtung 10 ist dementsprechend für diese Anwendung gut geeignet, da es unwahrscheinlich ist, dass Leitung 92 einen Überstromzustand erfahren bzw. durchmachen wird.
Die Vorrichtung 10 kann ebenso wirksam in Universal Serial Bus („USB“) Datenschaltungen und Anwendungen verwendet werden. Weiterhin können die Vorrichtungen in einer angeschalteten Ethernetschaltung verwendet werden. In einer Stromversorgung durch Ethernetschaltung tragen zwei der vier verdrillten Leitungen in einem Cat3/5 Kabel Strom und können ebenfalls Daten tragen. Eine Stromlieferungskapazität für eine derartige Schaltung ist begrenzt, was die Vorrichtung 10 für eine derartige Anwendung gut geeignet macht.
In 15 stellt nun Schaltung 100 eine weitere Anwendung für eine integrierte Sicherungselement/PTC Vorrichtung 10, namentlich eine Batterieschutzschaltung, dar. Die Schaltung 100 arbeitet mit einem Ladegerät 94, beispielsweise für ein Mobilstelefon 96. Die Steuerschaltung 102 einer Batteriepackungsschaltung 100 tastet eine durch das Ladegerät 94 bereitgestellte Spannung ab. Falls beispielsweise die Polarität der Spannung falsch ist, oder das Spannungsniveau falsch ist, öffnet der Kontroller 102 redundante Feldeffekttransistor („FET“) Schalter 104, um irgendeinen Strom daran zu hindern durch die Schaltung 100 zu der Batterie 108 zu fließen. Die Steuerschaltung 102 kann ebenfalls die Temperatur überwachen, um nach einem thermischen Durchbrenner zu suchen. Die Schaltung 102 schaltet den Stromfluss über die Schaltungen 104 zu der Batterie 108 ab.
Die PTC Sicherungs-Vorrichtung 10 stellt eine Schicht von einem redundanten Schaltungsschutz bereit. Falls beispielsweise die Steuerschaltung 102 nicht genau arbeitet oder die FET 104 kurzgeschlossen wird, stellt die PTC Sicherungs-Vorrichtung 10 eine Ersatz- bzw. Sicherungsschicht einer Überstromsicherung bereit. Die Batterie 106 der Batteriepackung 100 variiert in der Gleichspannung, was den geringen Widerstand von Vorrichtung 10 bedeutsam macht. Falls beispielsweise eine Überstrom-Vorrichtung in einer drei Volt Gleichstrom-Batterieeinheit einen Spannungsabfall von ¼ Volt aufweist, dann verbraucht die Überstrom-Vorrichtung acht Prozent der Einsatzdauer der Batterie. Batterie 108 kann eine Abfallspannung aufweisen, unterhalb der das Mobiltelefon nicht arbeitet, was den Prozentsatz oberhalb des Lebensdauerverzehrs erhöht. Folglich ist ein Spannungsabfall in den Millivoltbereich für Vorrichtung 10 in 6 gut für diese Anwendung geeignet.
Es sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an den vorhandenen bevorzugten, hier beschriebenen Ausführungsformen dem Fachmann offenbar sein werden. Derartige Änderungen und Modifikationen können ohne von dem Wesen und dem Umfang des vorliegenden Gegenstandes abzuweichen und ohne dessen vorgesehene Vorteile herabzumindern, ausgeführt werden. Es ist folglich vorgesehen, dass derartige Änderungen und Modifikationen durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt werden.

Claims

Stromkreisschutzvorrichtung (160, 170), umfassend; eine keramische positive Temperaturkoeffizient („CPTC“) Thermistorschicht (130); ein Sicherungselement (162, 172), das durch die CPTC Thermistorschicht (130) getragen wird, wobei das Sicherungselement (162, 172) einen geringeren Widerstand als die CPTC Thermistorschicht (130) aufweist; und erste und zweite Kabel (164, 166), die mit dem Sicherungselement (162, 172) und der CPTC Thermistorschicht (130) parallel elektrisch verbunden vorliegen, so dass Strom (i) anfänglich unter normalem Betrieb durch das Sicherungselement (162, 172) und die CPTC Thermistorschicht (130) fließt und (ii) nach einem Öffnen des Sicherungselements (162, 172) unter normalem Betrieb durch die CPTC Thermistorschicht (130) fließt.
Stromkreisschutzvorrichtung (160, 170) nach Anspruch 1, worin das Sicherungselement (162, 172) ein auf eine Oberfläche montiertes Sicherungselement (162, 172) ist, das auf die CPTC Thermistorschicht (130) aufgebracht wird.
Stromkreisschutzvorrichtung (160, 170) nach Anspruch 1 oder 2, worin das Sicherungselement (162, 172) ein Drahtelement ist, das an Elektroden (120a, 120b) befestigt vorliegt, die auf der CPTC Thermistorschicht (130) aufgebracht werden.