Thermische Überlast-Schutzeinrichtung für elektronische Bauelemente

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Überlast-Schutzeinrichtung für elektronische Bauelemente, insbesondere für die Fernmelde-und Datentechnik, aus einem federelastischen Kurzschlußbügel 6 und aus einem Schmelzelement 13, wobei die Auslösung des Kurzschlußbügels 6 in Abhängigkeit vom Erweichen des Schmelzelementes 13 erfolgt.
Um ein SERVO-FAIL-SAFE-Verhalten zu erreichen, bei dem die Federkraft des Kurzschlußbügels 6 beliebig groß eingstellt werden kann, sind erfindungsgemäß voneinander getrennte Einrichtungen 15,17 zur Auslösung und zur Betätigung des Kurzschlußbügels 6 vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Überlast-Schutzeinrichtung für elektronische Bauelemente, insbesondere für die Fernmelde- und Datentechnik, aus einem federelastischen Kurzschlußbügel und aus einem Schmelzelement, wobei die Auslösung des Kurzschlußbügels in Abhängigkeit vom Erweichen des Schmelzelementes erfolgt.

[0002] Eine thermische Überlast-Schutzeinrichtung der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 39 21 225 C1 vorbekannt. Dabei besteht das elektronische Bauelement aus einem gasgefüllten, dreipoligen Überspannungsableiter, gegen dessen Mittelektrode das Schmelzelement unter Wirkung des federelastischen Kurzschlußbügels gedrückt wird. Dieser umfaßt zwei seitlich auskragende Kontaktfinger, die im Abstand zu den Außenelektroden des Überspannungsableiters gehalten sind. Bei längerer Überlast schmilzt das Schmelzelement, so daß der Kurzschlußbügel mit seinen beiden Kontaktfingern die beiden Außenelektroden direkt mit der geerdeten Mittelelektrode verbindet, wodurch der Überspannungsableiter vor einer Zerstörung geschützt ist.

[0003] Mit der bekannten thermischen Überlast-Schutzeinrichtung für elektronische Bauelemente als sogenannte FAIL-SAFE-Schutzeinrichtung kann, insbesondere bei herkömmlichen gasgefüllten Überspannungsableitern, die Gefahr der Überhitzung verringert werden. Dies wird durch das Schmelzelement, das eine Schmelzlotpille oder ein anderes, thermisch sensitives Element sein kann, realisiert, das beim Erreichen einer Grenztemperatur an der Oberfläche des Überspannungsableiters aufweicht bzw. schmilzt und dem unter einer Federkraft stehenden Kurzschlußbügel nachgibt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Federkraft bei einer derartigen thermischen Überlast-Schutzeinrichtung nicht beliebig groß gewählt werden kann, da sonst bereits eine plastische Verformung des Schmelzelementes im Betriebstemperaturbereich eintreten und zu einem unerwünschten Überbrücken der Elektroden des Überspannungsableiters führen würde. Bei den üblichen Federkräften sind die erzielbaren Kontaktkräfte zwischen dem Kurzschlußbügel und den Elektroden allerdings zu gering, als daß eine stromstoßfeste Überbrückung erreicht werden kann, wobei der Nennableit-Stoßstrom des Überspannungsableiters als Stoßstrom angesehen wird. Im ungünstigsten Fall kann, wenn die FAIL-SAFE-Einrichtung durch eine Wechselstrombelastung des Überspannungsableiters ausgelöst wird und eine Stoßlast erfolgt, der Kontaktfinger des Kurzschlußbügels beschädigt werden, wodurch die FAIL-SAFE-Einrichtung außer Funktion gesetzt wird und eine Überhitzung des Überspannungsableiters auftreten kann, die zu einem Brand führt.

[0004] Als elektronische Bauelemente, die mit einer solchen thermischen Überlast-Schutzeinrichtung versehen werden können, sind neben den gasgefüllten Überspannungsableitern in zwei- und dreipoliger Ausführung noch Halbleiter-Überspannungsschutzelemente, Triac's, Thyristoren, Zenerdioden u. dgl. zu nennen.

[0005] Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine thermische Überlast-Schutzeinrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die gegenüber der bekannten Schutzeinrichtung verbessert ist, wobei insbesondere die Kontaktkraft des gegen die Elektroden des zu schützenden elektronischen Bauelementes drückenden Kurzschlußbügels ausreichend ist, um auftretende Stoßströme zu übertragen.

[0006] Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß voneinander getrennte Einrichtungen zur Auslösung und zur Betätigung des Kurzschlußbügels vorgesehen sind. Erfindungsgemäß wird die thermische Überlast-Schutzeinrichtung für elektronische Bauelemente, insbesondere für die Fernmelde- und Datentechnik, als SERVO-FAIL-SAFE-Einrichtung ausgeführt, wobei die Auslösung der Schutzeinrichtung und die Überbrückung der Elektroden durch getrennte Einrichtungen durchgeführt werden. Dabei arbeitet die Auslöseeinrichtung mit dem Schmelzelement zusammen, das ein thermisch sensitives Element, wie z.B. eine Lotpille, ist. Die Auslöseeinrichtung arbeitet jedoch unabhängig von der Betätigungseinrichtung für den Kurzschlußbügel, so daß die Auslöseeinrichtung nur eine Hilfseinrichtung für das Freisetzen des Kurzschlußbügels ist, für den eine separate Betätigungseinrichtung vorgesehen ist.

[0007] In einer konkreten Ausführungsform gemäß den Merkmalen des Anspruches 2 besteht die Auslöseeinrichtung aus einem federelastischen Auslösebügel, der mittels des Schmelzelementes auf Abstand zum elektronischen Bauelement gehalten ist. Die Betätigungseinrichtung ist aus einem Verriegelungselement gebildet, das den Kurzschlußbügel auf Abstand zum elektronischen Bauelement hält und an dem der Auslösebügel zum Lösen der Betätigungseinrichtung angreift. Der ebenfalls federelastische Auslösebügel kann eine Feder von geringem Richtvermögen sein, die nur dazu benutzt wird, das Verriegelungselement freizusetzen, das wiederum eine nahezu beliebig starke Feder in Form des Kurzschlußbügels freigibt, der in der Andruckkraft so ausgelegt werden kann, daß die Stoßstromfestigkeit gewährleistet ist.

[0008] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

[0009] Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele thermischer Überlast-Schutzeinrichtungen für gasgefüllte zwei- und dreipolige Überspannungsableiter und ein Halbleiterschutzelement als elektronische Bauelemente näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 u. 2

den Betriebszustand bzw. den Auslösezustand eines zweipoligen Überspannungsableiters mit bekannter thermischer Schutzeinrichtung,

Fig. 3 u. 4

den Betriebszustand bzw. den Auslösezustand eines zweipoligen Überspannungsableiters mit thermischer Schutzeinrichtung gemäß Erfindung,

Fig. 5

die Vorderansicht der an einem dreipoligen Überspannungsableiter befindlichen erfindungsgemäßen thermischen Überlast-Schutzeinrichtung im Betriebszustand,

Fig. 6

die Seitenansicht,

Fig. 7

die Rückansicht,

Fig. 8

die der Fig. 6 entsprechende Seitenansicht mit thermischer Überlast-Schutzeinrichtung im Auslösezustand,

Fig. 9

die Seitenansicht eines Halbleiterschutzbauelementes mit erfindungsgemäßer thermischer Überlast-Schutzeinrichtung im Betriebszustand,

Fig. 10

die Draufsicht,

Fig. 11

die Vorderansicht und

Fig. 12

die Vorderansicht im ausgelösten Zustand der thermischen Überlast-Schutzeinrichtung.

[0010] Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte zweipolige Überspannungsableiter 1 umfaßt zuei Außenelektroden 3,4 und ein Schmelzelement 13, gegen das in bekannter Weise ein Federbügel 6 unter der Federkraft F gedrückt ist. Beim Auftreten einer zeitlich länger andauernden thermischen Überlast erreicht das Schmelzelement 13 und nimmt die in Fig. 2 gezeigte Form an. Dabei kommen die Kontaktfinger des Federbügels 6 in Kontakt mit den Außenelektroden 3,4 des Überspannungsableiters 1, wodurch der Überspannungsableiter 1 vor einer Zerstörung geschützt wird. Nachteilig ist, daß die Federkraft F nicht zu groß gewählt werden kann, da sonst bereits eine plastische Verformung des Schmelzelementes 13 im Betriebstemperaturbereich eintreten kann, die zu einem unerwünschten Überbrücken der Außenelektroden 3,4 führen würde. Bei den üblichen Federkräfetn F sind die erzielbaren Kontaktkräfte zwischen dem Kurzschlußbügel 6 und den Außenelektroden 3,4 aber so gering, daß keine stoßstromfeste Überbrückung erreicht werden kann.

[0011] Bei der in den Figuren 3 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen thermischen Überlast-Schutzeinrichtung für einen zweipoligen Überspannungsableiter als elektronisches Bauelement sind die Kontaktfinger 10,11 des Kurzschlußbügels 6 durch zwei Auslösebügel 16 isolierend auf Abstand zu den Außenelektroden 3,4 gehalten. Die Auslösebügel 16 drücken mit der Federkraft K gegen das Schmelzelement 13, das gleichzeitig gegen den Überspannungsableiter 1 gedrückt ist. Beim Erweichen des Schmelzelementes 13 unter Wirkung einer thermischen Überlast drückt die Federkraft K die beiden Auslösebügel 16 nach innen, sodaß der in Fig. 4 dargestellte Auslösezustand erreicht wird, bei dem die Federkraft F des Kurzschlußbügels 6 ungehindert von den beiden Auslösebügeln 16 wirksam wird. Die beiden Kontaktfinger 10,11 kontaktieren die Außenelektroden 3,4 mit voller Federkraft F.

[0012] Die in den Figuren 5 bis a dargestellte Ausführungsform der thermischen Überlast-Schutzeinrichtung dient für einen gasgefüllten, dreipoligen, zylindrischen Überspannungsableiter 1. Dieser umfaßt eine Mittelelektrode 2, die in nicht näher dargestellter Weise mit der Erde verbunden ist, und zwei Außenelektroden 3,4, wobei zwischen der Mittelelektrode 2 und jeder Außenelektrode 3,4 eine gasgefüllte Ableiterkammer 5 mit Funkenstrecke vorhanden ist.

[0013] Um den Überspannungsableiter 1 herum sind eine Einrichtung 15 zur Auslösung und eine Einrichtung 17 zur Betätigung des aus federelastischem Material gebildeten Kurzschlußbügels 6 angeordnet. Dieser besteht aus zwei kreisförmig gebogenen Federbügeln 7,8, die den Überspannungsableiter 1 um etwa 270° umschließen und die im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordnet sind, einem die freien Enden der Federbügel 7,8 verbindenden Steg 9, der in Längsrichtung der Mantelfläche des Überspannungsableiters 1 angeordnet ist und an seinen Enden je einen Kontaktfinger 10,11 trägt, die den Außenelektroden 3,4 zugeordnet sind und in einem Abstand zu diesen gehalten sind. Der Kurzschlußbügel 6 umfaßt am anderen Ende seiner beiden Federbügel 7 ein Fußplättchen 12, das die beiden auf Abstand stehenden Federbügel 7,8 miteinander verbindet.

[0014] Die Auslöseeinrichtung 15 umfaßt den kreisförmig gebogenen federelastischen Auslösebügel 16, der zwischen den beiden Federbügeln 7,8 des Kurzschlußbügels 6 angeordnet ist, mit dem Fußplättchen 12 des Kurzschlußbügels 6 verbunden ist und mit dem Kurzschlußbügel 6 einstückig aus Federmaterial, insbesondere Federstahl, hergestellt ist. Wie es insbesondere die Seitenansicht gemäß Fig. 6 zeigt, liegt das Fußplättchen 12 des Kurzschlußbügels 6 und zugleich des Auslösebügels 16 an der Mantelfläche des Überspannungsableiters 1 etwa bei der Uhrzeit 5 Uhr an, umspannt den Überspannungsableiter 1 um etwa 220 ° und hält bei der Uhrzeit 11 Uhr ein Schmelzelement 13 in Form einer Lotpille fest, indem es dieses gegen den Umfang des Überspannungsableiters 1 drückt. Am freien Ende 14 des Auslösebügels 16 ist die Einrichtung 17 zur Betätigung des Kurzschlußbügels 6 befestigt.

[0015] Die Einrichtung 17 zur Betätigung des Kurzschlußbügels 6 umfaßt ein etwa der Breite des Auslösebügels 16 entsprechendes Verriegelungselement 18, das zwischen dem Steg 9 des Kurzschlußbügels 6 und der Mantelfläche des Überspannungsableiters 1 etwa bei der Uhrzeit 13 Uhr 30 eingespannt ist. Das in der Seitenansicht bremsklotzartig ausgebildetee Verriegelungselement 18 weist an seinem rückwärtigen, zum Schmelzelement 13 gerichteten Ende einen Ansatz 19 kleinerer Dicke auf, der mit dem Auslösebügel 16 verbunden ist.

[0016] Die beschriebene thermische Überlast-Schutzeinrichtung gemaß den Figuren 5 bis 8 arbeitet wie folgt:
Der als mittlere Feder ausgebildete Auslösebügel 16 drückt gegen das Schmelzelement 13 in Form einer Lotpille und hält das Verriegelungselement 18 fest, das sich zwischen dem Steg 9 des Kurzschlußbügels 6 und dem Umfang des Überspannungsableiters 1 befindet. Der Kurzschlußbügel 6 ist damit am Schließen seiner Kontaktfinger 10,11 mit den Außenelektroden 3,4 gehindert. Sobald das Schmelzelement 13 beim Erreichen einer Grenztemperatur erweicht, welche bei einer Überbelastung des Überspannungsableiter 1 erreicht werden kann, wird das Verriegelungselement 18 tangential verschoben und der Kurzschlußbügel 6 drückt die beiden Kontaktfinger 10, 11 mit seiner vollen Federkraft gegen die Außenelektroden 3,4. Damit ist der Überspannungsableiter 1 durch Kurzschluß geschützt.

[0017] Die voranstehend beschriebene Wirkung des Auslösebügels 16 ist darin begründet, daß dieser unter der Wirkung seiner Federkraft beim Erweichen des Schmelzelementes 13 sich radial der Umfangsfläche des Überspannungsableiters 1 nähert, wobei sich sein freies Ende 14 in Uhrzeigerrichtung aus der Stellung 12 Uhr in Sie Stellung 14 Uhr bewegt, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Dabei wird das am freien Ende 14 des Auslösebügels 16 befestigte Verriegelungselement 18 tangential bewegt, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, so daß das Verriegelungselement 18 außer Eingriff mit dem Steg 9 kommt und die Kontaktfinger 10,11 des Kurzschlußbügels 6 nunmehr mit voller Federkraft gegen die Außenelektroden 3,4 des Überspannungsableiters 1 drücken können. In der Figur 8 ist das Schmelzelement 13 in Form der Lotpille im erweichten bzw. geschmolzenen Zustand dargestellt.

[0018] In diesem Falle kommt es zu einem Kurzschluß zwischen der geerdeten Mittelelektrode 2 und den Außenelektroden 3,4 , so daß das gewünschte FAIL-SAFE-Verhalten in Form eines SERVO-FAIL-SAFE-Verhaltens erreicht ist.

[0019] Die in den Figuren 9 bis 12 dargestellte weitere Ausführungsform der thermischen Überlast-Schutzeinrichtung dient für ein Halbleiterschutzbauelement 20, z.B. Thytistor- oder Spannungsbegrenzer-Diode, das mit zwei Anschlußbeinen 21,22 für die a- und b-Leitungen einer Fernsprecheinrichtung und einem mittleren Anschlußbein 23 für den Erdanschluß versehen ist. Bis zu einer Ansprechspannung wirkt das Bauelement 20 isolierend. Ab einer bestimmten Ansprechspannung setzt ein Stromfluß ein, wobei bei der Thyristor-Diode die Spannung auf eine Restspannung zusammenbricht und bei der Z- oder Suppressor-Diode sich eine Begrenzungsspannung einstellt. In beider Fällen wird in Verbindung mit dem Stromfluß eine Leistung umgesetzt, die zu einer unzulässigen Erwärmung des Bauelementes 20 führen kann.

[0020] Um dies zu verhindern, ist das Halbleiterschutzbauelement 20 von einem einteiligen Blechgehäuse 24 umgeben, das aus einer Bodenplatte 25, einer Rückwand 26 sowie einer Deckplatte 27 besteht. An der Rückwand 26 sind die rückwärtigen Enden von zwei seitlichen Kurzschlußbügeln 6 angebracht, an deren freien Enden die Kontaktfinger 10,11 ausgebildet sind. Am freien Ende der Deckplatte 27, die mittels des Schmelzelementes 13 auf Abstand zum Bauelement 20 gehalten ist, sind zwei Auslösebügel 16 angebracht, welche im Betriebszustand die Kontaktfinger 10,11 der Kurzschlußbügel 6 im Abstand zu den Anschlußbeinen 21,22 halten, wie es Figur 11 zeigt. Im Auslösezustand gemäß Figur 12 kommen die Auslösebügel 16 außer Eingriff mit den Kontaktfingern 10,11 des Kurzschlußbügels 16, sodaß dieser mit voller Kontaktfederkraft P gegen die Anschlußbeine 21,22 drücken kann , um diese auf Erde zu legen . Hierzu ist das mittlere Anschlußbein 23 mittels einer Erdlasche 28 mit der Bodenplatte 25 des Blechgehäuses 24 verbunden.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0021] 

1

Überspannungsableiter

2

Mittelelektrode

3

Außenelektrode

4

Außenelektrode

5

Ableiterkammer

6

Kurzschlußbügel

7

Federbügel

8

Federbügel

9

Steg

10

Kontaktfinger

11

Kontaktfinger

12

Fußplättchen

13

Schmelzelement

14

freies Ende

15

Auslöseeinrichtung

16

Auslösebügel

17

Betätigungseinrichtung

18

Verriegelungselement

19

Ansatz

20

Halbleiterschutzbauelement

21

Anschlußbein

22

Anschlußbein

23

Anschlußbein

24

Blechgehäuse

25

Bodenplatte

26

Rückwand

27

Deckplatte

28

Erdlasche

Ansprüche

1. Thermische Überlast-Schutzeinrichtung für elektronische Bauelemente, insbesondere für die Fernmelde- und Datentechnik, aus einem federelastischen Kurzschlußbügel und aus einem Schmelzelement, wobei die Auslösung des Kurzschlußbügels in Abhängigkeit vom Erweichen des Schmelzelementes erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß voneinander getrennte Einrichtungen (15,17) zur Auslösung und zur Betätigung des Kurzschlußbügels (6) vorgesehen sind.

2. Thermische Überlast-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung (15) aus einem federeleastischen Auslösebügel (6), der mittels des Schmelzelementes (13) auf Abstand zum elektronischen Bauelement gehalten ist, und die Betätigungseinrichtung (17) aus einem Verriegelungselement (18) gebildet sind, das den Kurzschlußbügel (6) auf Abstand zum elektronischen Bauelement hält und an dem der Auslösebügel (16) zum Lösen der Verriegelungseinrichtung (18) angreift.

3. Thermische Überlast-Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, wobei das elektronische Bauelement mit mindestens zwei Elektroden und der federelatische Kurzschlußbügel mit mindestens einem Kontaktfinger versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktfinger (10,11) des federelastischen Kurzschlußbügels (6) mittels des Verriegelungselementes (18) auf Abstand zur zugeordneten Elektrode (3,4) des elektronischen Bauelementes gehalten ist und daß der am Verriegelungselement (18) angreifende Auslösebügel (16) das Verriegelungselement (18) beim Erweichen des Schmelzelementes (13) außer Eingriff mit dem federelastischen Kurzschlußbügel (6) bringt.

4. Thermische Überlast-Schutzeinrichtung nach Anspruch 3, wobei das elektronische Bauelement als ein dreipoliger Überspannungsableiter mit einer Mittelelektrode und zwei Außenelektroden und der federelastische Kurzschlußbügel mit zwei, den Außenelektroden zugeordneten Kontaktfingern versehen ist, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Kurzschlußbügel (6) zwei den Überspannungsableiter (1) über etwa 270° umschließende Federbügel (7,8) aufweist, zwischen denen der Auslösebügel (16) angeordnet ist, daß die freien Enden der Federbügel (7,8) mit einem die beiden Kontaktfinger (10,11) in Längsrichtung des Überspannungsableiters (1) verlaufenden Steg (3) verbunden sind und daß zwischen dem Steg (9) und dem Überspannungsableiter (1) das Verriegelungselement (18) eingespannt ist, an dem das freie Ende (14) des Auslösebügels (16) befestigt ist,

5. Thermische Überlast-Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federbügel (7,8) und der Auslösebügel (16) einstückig ausgebildet sind und an einem Ende mit einem gemeinsamen Fußplättchen (12) verbunden sind.

6. Thermische Überlast-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (20) von einem einteiligen Blechgehäuse (24) umgeben ist, das aus einer Bodenplatte (25), einer Rückwand (26) und einer Deckplatte (27) gebildet ist, und daß an der Deckplatte (27) als Auslöseeinrichtung (15) zwei Auslösebügel (16) und an der Rückwand (25) als Betätigungseinrichtung (17) zwei Kurzschlußbügel (6) mit an den Enden angesetzten Kontaktfingern (10,11) angeformt sind.

Zeichnung