SE514819C2 - Elektrisk skyddskrets - Google Patents

Description

25 30 35 S'4i~u8y_§11i9fadii i 2 3. Interna till telekommunikationsystemets matningsspänning på 50 volt under en tidsperiod på några timmar. kortslutningar De säkringar som utnyttjas för skydd mot dessa överspänningar är bl. a. gasurladdningsrör, termistorer och motstånd.

De krav som finns specificerade är olika för skilda typer av överspänningar. För överspänningar enligt den första gruppen, d v s överspänningar av typen inducerade pulser från àsknedslag, skall kretsarna kunna klara upp till ca 100 pulser utan att skadas. För överspänningar enligt den andra gruppen, kortslut- ningar'mel1an kraftledningar och telefonledningar, skall någon av de ingående komponenterna eller kretsarna på linjekortet fungera som säkring och bryta strömbanan innan någon allvarlig skada har hunnit uppkomma på linjekortet eller övriga delar av' tele- kommunikationssystemet. Om vårmeutvecklingen är tillräckligt kraftig kommer komponenten som fungerar som säkring att spricka, varvid strömbanan på så sätt brytes och den önskade säkrings- funktionen inträder. För överspänningar enligt den ovan nämnda tredje gruppen, dvs interna kortslutningar till telekommunika- tionssystemets matningsspänningar, skall komponenten klara en viss begränsad tid utan att skadas, men om kortslutningen kvarstår en längre tid så skall även här en säkringsfunktion inträda. Värmeutvecklingen i komponenten är i detta fall lägre eftersom kortslutningsströmmen är lägre. Om värmeutvecklingen pågår under en längre tid värms dock komponenten upp så pass mycket att den önskade säkringsfunktionen inträder.

Det är känt att vissa överbelastningsfall kan klaras med ett motstånd som fungerar som säkring. Det amerikanska patentet US 3 978 443 visar ett överbelastningsskydd i form av ett motstånd som är anslutet mellan anslutningsplattor på ett substrat. När en tillräckligt stor ström flyter genom motståndet värms detta och substratet upp. Substratet utgöres av ett sprött material, exempelvis ett keramiskt material, och spricker därför vid höga temperaturer. Säkringen är så utformad att substratet spricker, varvid strömbanan bryts och den önskade säkrings- funktionen inträder. 10 15 20 25 30 3 Det är även känt att man kan åstadkomma en säkring genom att utnyttja ett litet bleck eller en liten tråd av en lodlegering som löds fast mellan två lodterminaler i ett motståndsnät. Tråden eller blecket är då lämpligen ett lågsmältande lod. När sub- stratet i detta motståndsnät värms upp av den avgivna värmen från motstànden så kommer lodet att smälta och dra sig samman på lodterminalerna, strömbanan bryts säkringsfunktionen erhålles. varvid och den önskade Ett problem som uppstår i samband med detta utförande är att lodet i säkringen kommer' att oxidera vid. uppvärmningen. Om belastningsfallet är sådant att lodet får en relativt hög temperatur under en längre tid så kommer lodet att oxidera så kraftigt att den önskvärda säkringsfunktionen ej uppträder. Detta beror på att den oxidhinna som omger lodet är så stark att den hindrar det smälta lodet från att dra sig samman på lodtermina- lerna, varvid den önskade sâkringsfunktionen ej inträder.

Oxidhinnan bidrager till att lodet i princip bibehåller sin form när det värms upp. Visserligen kan själva lodet smälta, men då det ej drar sig samman inträder ej heller någon brytning.

Det amerikanska patentet US 4 973 932 visar en elektrisk säkring.

Säkringen innefattar dels en kortslutningssäkring, dels en smältsäkring. Smâltsäkringen är delvis täckt med en termoplast som vid överbelastning tränger in i de hàlrum som uppstår i lodet i säkringen, varvid strömbanan bryts p g a att plast tränger in i säkringen. nnnoeönnnsz rön UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en säkring som skyddar mot överspänningar och som ej är mottaglig för luftens oxiderande verkan. Detta åstadkommas genom en smältsäkring innefattande ett lod som skyddas med ett temperatur- stabilt material som skyddar mot luftens oxiderande verkan vid förhöjd temperatur. Detta material har även egenskapen av ett svagt flussmedel så att även den oxid som bildas på lodmetallen vid rumstemperatur bryts ner. 10 15 20 s 514wßfi9& 4 Materialet deponeras över säkringen så att det bildas en skyddande beläggning på lodlegeringen. Dessutom utformas någon typ av barriär i form av vallar runt säkringen för att förhindra. att det temperaturstabila materialet vandrar bort från omrâdet kring säkringen.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en elektrisk skyddskrets som innefattar säkringen enligt uppfinin- gen, och som även skyddar mot inducerade pulser exempelvis fràn åsknedslag. Detta ästadkommes genom att komplettera sâkringen.med en motstândsslinga som absorberar energin i de inducerade pulserna som därmed dämpas.

En av fördelarna med uppfinningen är att säkringen inte oxiderar, varvid en mycket tillförlitlig säkring erhålles. En annan fördel är att skyddskretsen kan integreras på ett kretskort.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hjälp av ett föredraget utföringsexempel och med hänvisning till bifogade ritningar.

FIGURBESKRIVNING Fig. 1 visar en planvy av en säkringsanordning enligt upp- finningen.

Fig. 2 visar en genomskärning av säkringsanordningen enligt fig. 1 utmed snittlinjen A-A.

Fig. 3 visar en planvy av säkringsanordningen enligt fig. 1 efter det att säkringsfunktionen inträtt.

Fig. 4 visar en genomskârning av sâkringsanordningen enligt fig. 3 utmed snittlinjen B-B.

Fig. 5 visar en skyddskrets enligt uppfinningen innefattande säkringsanordningen enligt fig. 1. 10 15 20 25 30 35 4 1. .8:. =1' 9:i 5 rönnnmxenn umröxnrssrom Fig. 1 visar en säkringsanordning innefattande tvâ identiska säkringar 1 och 2. Säkringsanordningen är anordnad pá ett substrat 11. Denna säkringsanordning kan med fördel utnyttjas i telekommunikationssystem. Eftersom en telefonl inj e innefattar två fysiska ledningar är säkringen dubblerad, vilket framgår av fig. 1. För enkelhets skull betraktas i det följande endast säkringen 1 till höger i figur 1.

Själva säkringen utgöres av ett lod 3 som är anslutet mellan två anslutningsterminaler 4a och 4b. Anslutningsterminalerna 4a, 4b är i sin tur anslutna till ledningsbanor Sa, Sb. När säkringen är ansluten i en elektrisk krets går en elektrisk ström exempelvis från ledningsbanan 5a vidare via den motsvarande anslutningster- minalen 4a genom lodet 3 till den andra av ledningsbanorna Sb via anslutningsterminalen 4b. När lodet 3 blir tillräckligt varmt smälter det och drar sig samman på anslutningsterminalerna, varvid strömbanan brytes och den önskade säkringsfunktionen erhålles. I figuren visas även en vall 7 som omger loden och definierar ett område 9. vallen 7 och dess funktion beskrivs närmare nedan i samband med beskrivningen till fig. 2. Lodet kan exempelvis utgöras av ett bleck och vara sammansatt av olika lodlegeringar. En lämplig sådan legering innehåller 96,5 % tenn och 3,5 % silver.

Fig. 2 visar säkringsanordningen från fig. 1 i genomskärning längs en snittlinje A-A. Av figur 1 framgår att loden är omgivna av vallen 7 som definierar omrâdet 9 runt säkringen. Av figur 2 framgår att ett temperaturstabilt material 8 är deponerat i området 9 som definieras av vallen 7, så att loden helt täcks med detta material. Materialet 8 har en antioxiderande verkan vid förhöjda temperaturer, d v s det skyddar mot luftens oxiderande verkan vid temperaturer över rumstemperatur. Materialet har även egenskapen av ett svagt flussmedel så att det kan bryta ner den oxid som bildats pä lodet vid rumstemperatur. Lämpliga sådana material är organiska ämnen som är i fast form vid normal drifttemperatur och som blir flytande vid förhöjda temperaturer. 10 15 20 25 30 .stifts 6 Dessa material finns exempelvis finns inom grupperna vaxer, hartser, termoplaster och syntetiska flussmedel. Ett exempel på ett syntetiskt flussmedel är Multicore Xersin ° 2040.

Materialet 8 är i fast form vid normal drifttemperatur, så att det inte rinner bort eller föràngas från lodet. När säkringen 1 blir varm p g a en för hög ström genom ledningsbanorna värms även materialet 8 upp och blir därmed mera lâttflytande. Vallen 7 hindrar det antioxiderande materialet 8 att flyta bort från området 9. I området 9 finns så pass mycket material 8 deponerat att lodet säkert tâckes av materialet 8 helt och hållet.

I exempelvis telefonstationer skall säkringar och skydsskretsar sitta under en lång tidsperiod utan att bytas ut. Under denna tidsperiod kan säkringen ha oxiderats så pass mycket att en oxidhinna bildas över lodet, vilken oxidhinna är så pass stark trots att säkringen inte har utsatts för temperaturer över eller nämnvärt att den önskade säkringsfunktionen ej inträder, över normal drífttemperatur. En oxidhinna skulle hindra lodet att dra sig samman till kulor på anslutningsterminalerna, varvid strömbanan skulle förbli funktionen utebli. Genom att täcka lodet med ett antioxiderande material 8 kan man undvika problemet med att lodet oxiderar och intakt och den önskade säkrings- så småningom omges av en hinna av oxid som är så stark att den önskade säkringsfunktionen uteblir.

Fig. 3 visar sâkringsanordningen från fig. J. efter> det. att säkringsfunktionen inträtt. När det flyter ström genom säkringen utvecklas värme i substratet 11 p g a det motstånd som finns i ledningsbanorna till anslutningsterminalerna och lodet. Om denna ström blir tillräckligt hög under tillräckligt lång tid blir substratet 11 så varmt att det värmer upp lodet 3 så mycket att detta smälter och drar sig samman till lodkulor 6a , 6b på anslutningsterminalerna 4a,4b, varvid strömbanan bryts och den önskade säkringsfunktionen erhålles. I fig. 3 visas lodkulorna 6a och 6b lika stora. I praktiken är lodkulorna 6a och 6b inte alltid lika stora och inte så symmetriska som visas i figur 3. 10 15 20 25 30 i 7 Den fysikaliska orsaken till sammandragningen kan något förenklat förklaras med att ytspänningen drar till sig lodmaterialet till anslutningsterminalerna som en föld av att lodet vâter an- slutningsterminalerna .

Fig. 4 visar Sâkringsanordningen från fig. 3 i genomskärning längs snittlinjen B-B. I fig. 2 visas materialet 8 täcka hela säkringen med relativt god marginal. Det är av vikt att det deponerade materialets 8 skikttjocklek är så pass stor att materialet 8 gott och väl täcker hela säkringen. När säkrings- funktionen inträder och lodet drar sig samman på anslutnings- terminalerna kommer materialet 8 att deformeras vilket antydes i fig. 4 med en kurva 18.

Fig. 5 visar en alternativ utföringsform av uppfinningen. Förutom den nämnda smältsäkringen från fig. 1 finns här även en mot- stàndsslinga 10 anordnad på substratet 11, vilka tillsammans utgör en elektrisk skyddskrets. I figuren är smältsäkringen och motstândsslingan dubblerad av samma anledning som tidigare nämnts, dvs att den är lämplig att användas i telefonisammanhang för att skydda en telefonledning som innefattar två fysiska ledningar. Sâkringsanordningen enligt fig. 1 är i denna ut- föringsform ansluten i serie med motstándsslingan 10, så att en skyddskrets med ändarna anslutna till anslutningsterminaler 15 och 16 erhålles. Motstândsslingan 10 fungerar som skydd mot inducerade pulser från exempelvis âsknedslag. Sâkringsanordningen innefattar säkringen 1 enligt fig. 1 som tidigare nämnts är en smältsäkring, vilken bryter strömbanan när substratet 11 blir tillräckligt varmt. Denna utföringsform innefattar således dels den tidigare beskrivna smältsäkringen, dels en skyddsfunktion i form av en motstàndsslinga.

Motstàndsslingan 10 innefattar ledarbanor med en viss önskad resistans, exempelvis 20 ohm. Ledarbanorna går i ett plan och korsar inte varandra. Motstándsslingan 10 absorberar energin i de inkommande pulserna som kommer in i den ena ändan av slingan 10. 1.0 15 20 30 35 i m 8 Motståndsslingan 10 innefattar ett flertal ledarbanor 12 som är förbundna med överbryggningselement 13 i ändarna så att en sammanbunden slinga erhålles. Ledarbanorna utgör därvid själva motståndet. För att undvika strömförträngningar i ändarna av ledarbanorna 12 är resistansen i överbryggningselementen 13 mycket mindre än resistansen i ledarbanorna. Om resistansen i överbryggningselementen 13 âr lika stor som resistansen i ledarbanorna 12 tenderar strömmen att koncentreras i hörnen mellan ledarbanorna 12 och överbryggningselementen 13. Över- bryggnings elementen 13 har därför lägre resistans än ledarbanor- na 12, så att strömmen fördelas jämnt när den går från en ledarbana till en annan.

Några av ledarbanorna 12 är dessutom parvis förbundna med ett eller flera trimningselement 14 enligt fig. 5. Genom att koppla ur önskat antal trimningselement 14 kan man reglera den totala resistansen i slingan 10 mellan anslutningsterminal 16 och 4b.

Urkopplingen av trimningselement kan exempelvis ske genom att skära av dem. Trimningen görs dels för att få önskad tolerans på resistansen i motstàndsslingan, dels för att motståndsslingan 10 skall få samma resistans som den motsvarande andra motstånds- slingan i fig. 5, så att önskad tolerans på kvoten mellan de båda motståndsslingornas resistans erhålles. Exempelvis kan resistan- sen i motståndsslingan 10 vara 20 ohm med en tolerans på 1% och kvoten mellan de båda motstånsslingornas resistans kan vara 1 med en tolerans på 0.1 % . Trimningselementen 14 är av samma typ som överbryggningselementen 13.

Utföringsformen enligt fig. 5 fungerar som skyddskrets för överspânningar som kan komma in via telefonlinjerna. Skyddskret- sen skyddar dels mot inducerade pulser från ásknedslag, vid vilka pulsens varaktighet oftast är mindre än en. millisekund och toppspänningen oftast är mindre än 2500 volt, dels mot interna kortslutningar'till te1ekommunikationssystemets:matningsspänning på 50 volt. Dessa kortslutningar varar oftast under en tidsperiod på några timmar.

Eftersom inducerade pulser från åsknedslag har så kort varaktig- 10 15 20 nri %f19 e i 9 het är det ingen risk att det hinner utvecklas så pass mycket värme i säkringen 1 att dennas säkringsfunktion inträder, genom att lodet 3 smälter.

Säkringen och skyddskretsen kan lätt integreras på ett kretskort och har mycket små dimensioner. Säkringen 1 kan utan vidare tillverkas med en bredd på 1 mm och en längd på 3 mm. Slingan 10 tar något större plats men kan även den göras mycket liten.

Säkringen och skyddskretsen lämpar sig dessutom mycket väl för serietillverkning.

Eftersom säkringen och skyddskretsen är dubblerade och det för varje telefonlinje behövs två säkringar respektive skyddskretsar kan säkringen och skyddskretsen enligt uppfinningen med fördel utnyttjas i linjekort i telekommunikationssystem.

Substratet ll kan exempelvis utgöras av ett keramiskt material.

Däribland kan nämnas ett keramiskt substrat innefattande 90-100 % aluminiumoxid.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till den ovan beskrivna och, på ritningen 'visade 'utföringsformen, utan. kan modifieras inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (2)

10 15 20 25 30 m. --\^-\ PBTENTKRÄV

1. Elektrisk skyddskrets, innefattande dels en elektrisk säkring (1), dels en elektrisk motstândsslinga (10) ansluten i serie med säkringen (1), vilka är anordnade på ett substrat (11), varvid säkringen (1) innefattar ett lod (3), som är anslutet som ett motstånd i en strömseriekrets mellan anslutningsterminaler (4a, ,4b) och som smälter vid förhöjda temperaturer orsakade av att substratet (11) värmes upp, varvid lodet (3) omges av ett mate- rial (8) som skyddar mot den omgivande luftens oxiderande verkan och täcker lodet (3) helt och hållet, vilket möjliggör att lodet (3), när detta smälter, kan dra ihop sig på anslutningstermina- lerna (4a,4b) och bryta strömbanan, vilket material (8) är tem- peraturstabilt, i fast form vid normal drifttemperatur hos säk- ringen och utgöres av ett ämne eller kombinationer av ämnen inom ämnesgrupperna vaxery hartser, termoplaster'och syntetiska fluss- medel, k ä n n e t e c k n a d av att det nämnda materialet (8) skyddar mot luftens oxiderande verkan både vid rumstemperatur och vid förhöjda temperaturer, att det nämnda materialet (8) är app- licerat i ett område (9) som omger lodet (3), vilket område (9) avgränsas av vallar (7) som förhindrar materialet (8) att rinna bort från det nämnda området (9), att motståndsslingan (10) inne- 'fattar ledarbanor (12), vilka sinsemellan är förbundna med över- bryggningselement (13), att överbryggningselementens (13) elekt- riska resistans är mycket lägre än ledarbanornas (12) elektriska resistans, och att motståndsslingan (10) är försedd med trim- motståndsslingans (10) ningselement (14) för att justera resistans.

2. Elektrisk skyddskrets enligt patentkravet 1, k ä n n e - t e c k n a d av att motståndsslingan (10) och säkringen (1) är dubblerade, varvid trimningelementen (14) utnyttjas till att justera de.dubblerade:motståndsslingornas (10) resistans till att vara väsentligen lika.