CN103947058A - 堆叠的充气电涌放电器 - Google Patents

Abstract

提供了一种易于组装的、包括堆叠的放电器单元的电涌放电器。为此，电涌放电器包括堆叠的放电器单元、电容器和弹性元件，其中弹性元件将电容器与放电器堆叠的节点电连接和机械连接。

Description

堆叠的充气电涌放电器

技术领域

本发明涉及电涌放电器，其包括堆叠的充气放电器单元。

背景技术

电涌放电器能够在电组件中被用于保护敏感组件电路免于电压或电流电涌（例如附近的雷击）或者其它不希望的放电。

堆叠的充气电涌放电器通常包括被充有气体（例如，诸如惰性气体）的放电器单元。当超过特定的火花放电（spark-over）电压的电压被施加于此类放电器单元时，则放电器单元的电阻率减小，并且放电器单元变成导通的。换句话说，放电器单元被激活。当施加到放电器单元的电压降低低于特定弧电压时，则电阻率再次增加，并且放电器单元再次变成隔离的；放电器单元被去激活。

电涌放电器通常将敏感电路连接到地。然而，如果在激活放电器单元之后敏感电路相对于地电位的电压电平超过放电器单元的弧电压，则放电器单元的电阻率不能增加，并且放电器单元停留在其导通状态。因此，放电器单元可以被堆叠（即，以串联配置来级联）以增加敏感电路的可能的操作电压。

然而，当放电器单元被堆叠时，则整个放电器堆叠在其处变成导通的火花放电电压也增加。结果，可能存在电压电涌，电压电涌将不被导向地并可能损害敏感电路。

为了保持电涌放电器的堆叠的激活电压为低，电涌放电器的每个级（即，每个单独的放电器单元）可以经由电容器电连接到电涌放电器的输入端子。

电容器的电阻率依赖于电流的频谱成分：I=I(t)。对于直流（DC）电流，电阻率无限大，并随着升高的频率而减小为有限电阻率。由于电压电涌包括高频性质，电容器变成导通的。

电容器和放电器单元可以经由焊接触点而连接。然而，由于在焊接步骤期间不同的热电容，把电涌放电器与电容器组装在一起可能是成问题的。

因此，本发明的目的在于提供易于组装的电涌放电器。本发明的另一个目的在于提供具有降低的维护成本的电涌放电器。另外的目的是提供用于制造此类电涌放电器的方法。

因此，提供了根据独立权利要求的电涌放电器和用于制造电涌放电器的方法。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。

发明内容

在一个实施例中，一种电涌放电器包括第一端子、第一节点和第二端子。所述电涌放电器进一步包括两个放电器单元：输入堆叠放电器单元和第一放电器单元。这些放电器单元被级联而形成堆叠的放电器。所述电涌放电器进一步包括第一电容器和第一弹性元件。所述第一节点被布置在第一端子和第二端子之间。所述第一节点可以电连接在输入放电器单元和第一放电器单元之间。所述输入放电器单元电连接在第一端子和第一节点之间。所述第一放电器单元电连接在第一节点和第二端子之间。所述第一电容器电连接在第一端子和第一节点之间。所述弹性元件在第一电容器和第一节点之间建立机械和电连接。

因此，提供了一种电涌放电器，其能够将电流电涌从第一端子导通到第二端子。所述第一端子可以电连接到敏感电路，并且所述第二端子可以电连接到地。对于DC电流，电容器的电阻率无限大，并且电涌放电器的激活电压（即，电涌放电器在其处变成导通的电压）近似为单个放电器单元的激活电压的二倍。

放电器单元可以包括充有气体（例如，惰性气体）的空心体。所述空心体可以包括陶瓷材料。

第一和第二端子可以包括用于将电涌放电器机械连接在外部电路的电路板上的装置。

然而，电容器的电阻率在高频处变为低，从而启动因此相对于输入放电器单元并联电连接的第一放电器单元。因此，与仅包括一个放电器单元的电涌放电器相比，对于电流电涌的激活电压不增加。

由于弹性元件建立第一电容器和第一节点之间的电连接，因此电涌放电器的组装被简化为不需要焊接触点。

此类电涌放电器的另一个优势在于以下事实：电容器能够在不需要断开焊接连接的情况下容易地与节点相分离。例如，如果堆叠或电容器必须被替代，则电容器能够容易地卸下。电容器能够被重连接到新的堆叠，或者堆叠能够被重连接到新的电容器。因此，电涌放电器的维护被改进，并且维护成本降低。

在一个实施例中，电涌放电器进一步包括第一和第二连接元件以及具有第一侧面的电路板。堆叠的放电器单元被布置在用于将电涌放电器与外部电路相连接的连接元件之间。所述连接元件分别电连接到第一和第二端子。电路板被布置在连接元件之间。第一电容器被布置在电路板的第一侧面上。第一弹性元件是将电路板与第一节点机械连接的金属夹。

因此，两个连接元件可以将堆叠保持在相对于电路板的固定位置。这使得金属夹容易以如下方式被布置在堆叠和板之间：即把力施加到放电器堆叠的节点上。两个连接元件可以包括均用于将电涌放电器机械和电连接到外部电路的杆状末端。

在一个实施例中，电涌放电器包括输入放电器单元、n个放电器的单元、n个弹性元件、n个节点和n个电容器。因此，提供了n+1级电涌放电器，因为输入放电器单元与n个另外的放电器单元堆叠在一起。在第n个堆叠中，第n个弹性元件在第n个电容器与第n个节点之间建立机械和电连接。N可以是整数，诸如1、2、3、4、5,…。输入放电器建立级0。

在一个实施例中，每个放电器单元包括充气电涌放电器。每个弹性元件包括用于电路板与相应的节点之间的机械连接的U型末端和用于将力施加到相应的节点上的杠杆。

在一个实施例中，电涌放电器包括被布置在电路板的第一侧面上并且电连接在第一端子和电容器之间的熔丝。相对于熔丝或第一端子，电容器被并联电连接。

因此，一个熔丝足以保护堆叠的电涌放电器的多个电容器。

在一个变形中，所述电涌放电器包括代替熔丝的导体。

在一个实施例中，电容器可以是SMD（表面安装器件）电容器。另外，电涌放电器可以包括SMD熔丝。

在一个实施例中，电涌放电器的电容器均具有在50pF和150pF之间（例如100pF）的容量。另外，每个堆叠的放电器单元具有在10V和30V之间（例如16V）的弧电压。

在一个实施例中，电涌放电器进一步包括具有平侧面的放电器单元之间的电极。平侧面建立与相应的弹性元件的良好的机械接触，以及因此的电接触。

在一个实施例中，连接元件和放电器单元之间的电和/或机械连接经由钎焊方法（例如在800℃）来建立。当导通高功率电涌时，此类高温（与传统的焊接方法相比）提供了抗失效的改进的电阻率。

连接元件可以是可钎焊到外部电路板的。

一种用于制造电涌放电器的方法，可以包括以下步骤

-提供放电器单元的堆叠，所述堆叠包括放电器单元之间的节点，

-在电路板上提供电容器，

-经由弹性元件将电路板与节点电和机械连接。

附图说明

在图中示出电涌放电器的示例。

附图的简短描述。

图1示出包括两个堆叠放电器单元的电涌放电器的等效电路图。

图2示出包括三个堆叠放电器单元的电涌放电器的等效电路图。

图3示出n级电涌放电器的i级。

图4示出具有五个堆叠放电器单元的电涌放电器的透视图。

图5示出具有对弹性元件的更具体视图的、电涌放电器的另一个透视图。

图6示出弹性元件的可能实施例。

图7A示出电路板的透视图。

图7B示出承载熔丝、电容器和弹性元件的电路板的透视图。

图7C示出图7B的电路板的另一个透视图。

图8示出被布置在两个连接元件之间的堆叠放电器单元的透视图。

图9示出连接元件的更详细的透视图。

图10示出承载四个电容器、四个弹性元件和一个熔丝的电路板的透视图。

图11示出电涌放电器的透视图，电涌放电器包括两个连接元件和具有四个电容器和四个弹性元件以及一个熔丝的电路板。

图12示出在垂直位置组装有四个接触元件和四个接触簧片的电路板。

图13示出具有用于将电路板保持在垂直位置的保持元件的连接元件。

图14示出包括图13的保持元件和图12的垂直电路板的电涌放电器。

具体实施方式

图1示出电涌放电器SAR的等效电路图。堆叠电涌放电器SAR包括两个放电器单元AU0、AU1。放电器单元AU0、AU1串联电连接在第一端子T1和第二端子T2之间。第一端子T1可以电连接到敏感外部电路，第二端子T2可以电连接到地，反之亦然。电涌放电器SAR包括电连接在两个堆叠的放电器单元之间的第一节点N1。电涌放电器级AS包括第一放电器单元AU1、第一节点N1、第一弹性元件RE1和第一电容器CA1。第一电容器CA1电连接在第一端子T1和第一节点N1之间。它对于AC电位是电导通的，并且对于DC电位是隔离的。因此，电压电涌被施加到放电器单元AU0的两侧，而DC电压被施加到串联连接的放电器单元AU0、AU1二者。

当电涌放电器SAR被电压电涌激活时，则经由第一电容器CA1导通电涌电位。第一电容器CA1和第一节点N1之间的机械连接借助于弹性元件来建立。

图2示出多级放电器的等效电路图。级数能够通过串联电连接级AS1、AS2…来容易地增加。

图3示出第n级电涌放电器的级号i ASi。级i包括放电器单元AUi、节点Ni、弹性元件REi、和电容器CAi。此处i是自然数，1<=i<=r。

图4示出包括第一端子T1和第二端子T2的电涌放电器SAR的透视图。放电器单元AU0、AU1…的堆叠和相应的节点N1、N3被布置在两个端子T1、T2之间。在该实施例中，通过电极EL来建立节点。因此，电极EL电连接并物理上分离相应的放电器单元AUi。另外，电极EL将堆叠与第一端子T1和第二端子T2电连接。因此，电涌放电器SAR可以包括n+1个堆叠的放电器单元。

电涌放电器SAR进一步包括电路板CB。金属化结构ME被布置在电路板CB上。图4的电涌放电器包括被布置在电路板CB上的第一电容器CA1。第一电容器CA1的一侧经由熔丝FU电连接到第一端子T1并且连接到第一节点N1。为此，第一弹性元件RE1将电容器CA1的另一侧与第一节点N1电连接。因此，电容器CA1的每一侧附接到电路板CB的表面上的金属化ME。弹性元件RE机械连接到相应的金属化结构ME和由堆叠的放电器单元之间的电极所建立的节点N1。为了简洁的缘故，图4示出包括仅一个电容器CA1和仅一个弹性元件RE1的电涌放电器。然而，电路板CB上的金属化结构ME清晰地指示相应的电容器CA1…CAn可以附接到电路板并经由熔丝FU并联地电连接于第一端子T1。

在图10中可以看见完整组装的电路板，并且在图11中可以看见完整组装的电涌放电器。

图5示出图4的电涌放电器SAR的另一个透视图。第一弹性元件RE1由夹子所建立，该夹子在一端附接到电路板CB并包括在节点N1上施加力的杠杆。

第一端子T1和第二端子T2由相应的第一CE1和第二CE2连接元件所建立。利用这些连接元件CE1、CE2，电涌放电器SAR可以电连接和机械连接到外部电路。这些连接元件可以包括金属，例如铜。

在放电器单元AUi之间建立节点的电极EL能够包括朝向电路板CB布置的平侧面。当由金属来实现时，弹性元件REi能够被容易地附接到放电器以及从放电器卸下。因此，放电器单元的堆叠或电路板能够被不费力地替代。因此，降低此类放电器的组装和维护成本以及备用元件的成本。

图6示出弹性元件RE的实施例。弹性元件RE被实现为夹子CL，其包括能够容易地附接到电路板以及从电路板卸下的U型末端U。另外，弹性元件RE包括在其另一末端具有弯曲结构BS的杠杆LE。杠杆LE的该末端能够将力施加到堆叠的节点或电极上。

图7A示出具有金属化结构ME并且不具有组装的任何电容器的电路板CB的透视图。

图7B示出承载电容器CA1和用以在电容器CA1和第一端子之间建立电连接的熔丝FU的电路板CB的实施例。

弹性元件通过将其U型末端夹到金属化结构ME而附接到电路板。此外，U型末端可以被焊接到金属化部。

图7C示出来自另一个透视图的图7B的电路板，其指示用于机械和电连接到其堆叠的相应节点的杠杆LE。

电路板CB能够包括其每个末端上的凹陷REC。

图8示出堆叠的电涌放电器单元如何分别被布置在端子或连接元件之间。为了简洁的缘故，电路板被省略。

图9示出由连接元件C1、C2实现的端子T1、T2的更详细的透视图。它包括孔HO和凹槽GRV。在凹槽GRV内，布置突起PR。当组装电涌放电器时，电路板CB的末端附接到相应的连接元件C1、C2的凹槽GRV。然后，突起PR被布置在电路板CB的凹陷REC中。

图10示出承载四个电容器的电路板CB。对于每个电容器，作为弹性元件的夹子附接到电路板CB。

图11示出包括图10的电路板的电涌放电器。可以看见的是，四个夹子中的每一个将承载相应的金属化结构的电路板与由电极所建立的堆叠的放电器单元的相应节点电连接和机械连接。

由于弹性元件将力施加到放电器堆叠的电极上，因此电路板本身被从堆叠推离。因此，图9中示出的连接元件的突起PR延伸到电路板的凹陷REC中，物理上使放电器稳固。由于突起的长度短于连接元件凹槽的宽度，因此电路板CB（尽管物理上附接）是可容易移除的。

图12示出垂直位置的电路板。

图13示出具有用于将电路板保持在垂直位置的保持元件HE1、HE2的连接元件CE1、CE2。

图14示出包括图13的保持元件和图12的垂直电路板的电涌放电器。可以看见的是，连接元件的保持元件的突起延伸到电路板凹陷中。电路板的末端延伸到保持元件的凹槽中。

根据图14的具有紧靠放电器单元的堆叠的垂直电路板的配置（与图11中示出的水平电路板的实施例相对）可能是有利的，因为产生的放电器的高度被降低。当然，电路板相对于堆叠或连接元件的末端的每个定向是可能的。

堆叠的放电器单元之间的电极可以包括金属，诸如铜。包括五个放电器单元的电涌放电器具有近似为4cm的长度。每个放电器单元能够具有近似为11mm的堆叠高度。电容器可以是SMD电容器，其能够承受放电电涌的高电压。电容器可以均具有100pF的容量。各个电涌放电器的重量可以在5和6g之间。操作和存储温度可以在-40和+90℃之间。可以导通100A到20kA的电流电涌。电涌放电器的弧电压可以超过例如60V。其它值也是可能的。

电涌放电器不限于说明书中描述或图中示出的实施例。包括另外的元件（诸如，熔丝、电容器、金属化部、连接元件、电路板、电极或堆叠的放电器单元）或者另外的有源或无源电路组件的电涌放电器也被本发明所包括。

附图标记列表：

BS：                   弯曲结构

CA1、CAi：      电容器

CB：                   电路板

CE1、CE2：      第一、第二连接元件

FS：                    平表面

FU：                   熔丝

GRV：                凹槽

HE1、HE2：      第一、第二保持元件

HO：                  孔

LE：                    弹性元件的杠杆

ME：                  金属化部

N1、N2…Ni：  第一、第二…第n个节点

PR：                   突起

RE1、REi： 弹性元件

REC：                 凹陷

SAR：                 电涌放电器

AS0、AS1、ASi：电涌放电器级

AU0、AU1、AUi：堆叠的放电器单元

T1、T2：            第一、第二端子

U：                            弹性元件的U型末端

Claims (11)

1.一种电涌放电器（SAR），包括

-第一端子（T1）、第一节点（N1）和第二端子（T2），

-输入放电器单元（AU0）和第一放电器单元（AU1）、第一电容器（CA1）、和第一弹性元件（RE1），其中

-所述第一节点（N1）被布置在第一端子（T1）和第二端子（T2）之间，

-所述输入放电器单元（AU0）电连接在第一端子（T1）和第一节点（N1）之间，

-所述第一放电器单元（AU1）电连接在第一节点（N1）和第二端子（N2）之间，

-所述第一电容器（CA1）电连接在第一端子（T1）和第一节点（N1）之间，

-所述第一弹性元件（RE1）建立第一电容器（CA1）和第一节点（N1）之间的机械和电连接。

2.根据权利要求1所述的电涌放电器，进一步包括

-第一连接元件（CE1）、第二连接元件（CE2），用于将电涌放电器与外部电路和具有第一侧面的电路板（CB）相连接，其中

-所述放电器单元（AU0、AU1）被布置在连接元件（CE1、CE2）之间，

-所述连接元件（CE1、CE2）分别电连接到第一（T1）和第二（T2）端子，

-电路板（CB）被布置在连接元件（CE1、CE2）之间，

-第一电容器（CA1）被布置在电路板（CB）的第一侧面上，

-第一弹性元件（RE1）是将电路板（CB）与第一节点（N1）机械连接的金属夹（CL）。

3.根据权利要求2所述的电涌放电器，包括

-输入放电器单元（AU0）、n个放电器单元（AU1、SAU2、…）、n个电容器（CA1、CA2、…）、n个节点（N1、N2、…）和n个弹性元件（RE1、RE2、…），其中

-在第n级中，第n个弹性元件（REn）建立第n个电容器（CAn）与第n个节点（Nn）之间的机械和电连接，并且

-n=2、3、4、5或更多。

4.根据权利要求3所述的电涌放电器，其中

-每个放电器单元（AU0、AU1、…）包括充气电涌放电器，

-每个弹性元件（RE1、RE2、…）包括用于电路板（CB）与相应的节点（N1、N2、…）之间的机械连接的U型末端（U）和用于将力施加到相应的节点（N1、N2、…）上的杠杆（LE）。

5.根据权利要求4所述的电涌放电器，包括被布置在电路板（CB）的第一侧面上并且电连接在第一端子（TE）和电容器（CA1、CA2、…）之间的熔丝（FU）。

6.根据权利要求4所述的电涌放电器，包括被布置在电路板（CB）的第一侧面上并且电连接在第一端子（TE）和电容器（CA1、CA2、…）之间的导体。

7.根据权利要求6所述的电涌放电器，其中所述电容器（CA1、CA2、…）是SMD电容器。

8.根据权利要求7所述的电涌放电器，其中

-每个电容器（CA1、CA2、…）具有在50和150pF之间的容量，并且

-每个堆叠的放电器单元具有在10和30V之间的弧电压。

9.根据权利要求1所述的电涌放电器，进一步包括

-在放电器单元（AU0、AU1、…）之间的电极（EL），其中

-所述电极（EL）具有用于接触弹性元件（RE1）的平侧面（FS）。

10.根据权利要求2所述的电涌放电器，其中

-所述连接元件和放电器单元被钎焊，以及

-所述连接元件能钎焊到外部电路板。

11.一种用于制造电涌放电器（SAR）的方法，包括以下步骤

-提供放电器单元（AU0、AU1）的堆叠，所述堆叠包括放电器单元（AU0、AU1）之间的节点（N1），

-在电路板（CB）上提供电容器（CA1），

-经由弹性元件（RE1）将电路板（CB）与节点（N1）电和机械连接。