DE2947185A1

DE2947185A1 - Gesicherte elektrolyt-kondensatoranordnung

Info

Publication number: DE2947185A1
Application number: DE19792947185
Authority: DE
Inventors: Henrique Valente Dematos; John Piper
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1978-12-04
Filing date: 1979-11-23
Publication date: 1980-06-12
Also published as: US4224656A; CA1125872A; GB2038093A; FR2443738B1; FR2443738A1; GB2038093B; JPS5578523A; JPS5821816B2; DE2947185C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf feste Elektrolyt-Kondensatoren nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Sie ist insbesondere auf einen festen Elektrolytkondensator gerichtet, der eine Sicherung aufweist, die aus einem exothermisch schmelzbaren Metall gebildet ist.

Feste Elektrolyt-Kondensatoren sind dem Stand der Technik bekannt und werden in weitem Umfang in Schaltkreisen verwendet. In vielen derartigen Anwendungsfällen ist es im Falle eines Ausfalles aufgrund eines überhöhten Stromflusses von Bedeutung, eine Sicherung vorzusehen, so daß der Stromfluß unterbrochen und ein Schaden bezüglich der Schaltkreiskomponenten vermieden wird. Insbesondere liegt ein wichtiger Grund für die Absicherung von festen Tantalkondensatoren darin, daß sie oftmals direkt zwischen den Polen einer Spannungsquelle benutzt werden, wobei ein hoher Strombetrag für sie zur Verfügung steht. Wenn die Kondensatoren aufgrund eines Kurzschlusses ausfallen, was die häufigste Fehlerursache darstellt, so kann oftmals genug Hitze erzeugt werden, um das Tantalmetall zu entzünden, das mit einer hohen exothermischen Reaktion in ähnlicher Weise wie brennendes Magnesium abbrennt. Es ist bekannt, Sicherungsanordnungen in dem Gehäuse von festen Elektrolyt-Kondensatoren einzuschließen, die die unter Uberlastbedingungen in dem Kondensatorkörper erzeugte Hitze benutzen, um eine exothermische Verschmelzung und Unterbrechung eines thermisch angeschlossenen Sicherungselementes auszulösen. Bezüglich einer derartigen Anordnung sei auf die US-PS 4 107 762 verwiesen. Eine derartige Anordnung, die von der thermischen Kopplung zwischen einem Sicherungselement und einem Kondensatorkörper abhängt, welche verschiedene Größen und Formen aufweisen können, besitzt nicht immer eine konstante Beziehung zu dem Stromfluß, es sei denn, sie sind besonders auf

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die Anordnung bestimmt. Ferner muß bei einer solchen Anordnung ein großes Segment des Kondensators bis zu einer Temperatur erhitzt werden, bei der die Verschmelzung der exothermisch reagierenden Metalle der Sicherung auftritt. Dies bedeutet praktisch, daß die Spannungsversorgung des Schaltkreises genügend Energie liefern muß, um die Tantalanode beispielsweise auf 100 oder 200⁰C aufzuheizen. Wenn die Anode eine typische Masse von ungefähr 0,3 g aufweist und der für die Sicherungsauslösung erfordern ehe Temperaturanstieg 200⁰C beträgt, so muß der relativ große Betrag von ungefähr 9 Joule an Energie für die Sicherungsauslösung aufgewandt werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine exothermische Sicherungsanordnung für feste Elektrolyt-Kondensatoren zu schaffen, die einem relativ kleinen Stromfluß unmittelbar zugeordnet werden kann und die einen relativ kleinen Energiebetrag für die Sicherungsauslösung erfordert. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der in dem Patentanspruch gekennzeichneten Erfindung.

Yfeitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung können dem in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel entnommen werden, wobei die einzelnen Figuren zeigen:

Fig. 1 einen festen Elektrolyt-Kondensatorkörper mit angeschlossener Sicherungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

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Fig. 2a und 2b die Sicherungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung vor und nach der Verbindung mit einem Elektrolyt-Kondensatorkörper ;

Fig. 3 eine gesicherte Elektrolyt-Kondensatoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung von Sicherungsströmen, die bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung anwendbar sind.

Die gesicherte Elektrolyt-Kondensatoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird klarer verständlich unter Bezugnahme auf die Zeichnung, wobei Fig. 1 bei 10 einen herkömmlichen festen Elektrolyt-Kondensatorkörper, beispielsweise aus Tantal, zeigt, der einen positiven Anschluß in Form eines angegossenen Anodendrahtes 12 und einen negativen Anschluß.in Form einer Metallschicht, beispielsweise eine silberne Kathoden-Lotschicht 14, aufweist. Ein Anodendraht 16, beispielsweise in Form eines Metallstreifens, ist bei 15 an den Anodenanguß 12 angeschweißt. Drähte 18 und 20, beispielsweise ebenfalls in geeigneter Weise in Form eines Metallstreifens, sind mit der Sicherungsanordnung 22 verbunden, die das noch näher zu beschreibende Sicherungselement 30 enthält und der Draht 18 ist bei 19 an die Kathodenschicht 14 des Kondensatorkörpers 10 angelötet, wobei dies beispielsweise durch eine herkömmliche Eintauch-Löttechnik erfolgt. Hierdurch wird die Sicherungsanordnung 22 elektrisch in Serie zu dem Kondensatorkörper und dem Anschlußdraht 20 geschaltet.

Gemäß Fig. 2a umfaßt die Sicherungsanordnung 22 ein Sicherungselement 30, beispielsweise in Drahtform, das aus zwei metallischen Elementen gebildet ist, welche sich in engem Kontakt mit-

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einander befinden und welche bei einer Auslösetemperatur rasch exothermisch verschmelzen, was zu einer sofortigen Verpuffung und zu einem Zerreißen der Sicherung und einer Unterbrechung des Stromflusses führt. Derartige Drähte sind handelsüblich erhältlich und in dem PYROFUSE*-Bulletin der Pyrofuse Corporation beschrieben. Das Sicherungselement 30 ist gemäß Fig. 2a in einer Ausnehmung 32 des Körpers 34 enthalten, der aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise mit Glas gefülltem Epoxid, gebildet ist. Die das Sicherungselement 30 aufnehmende Ausnehmung 32 ist größer als das Sicherungselement 30 und der aktive Teil des Sicherungselementes 30 befindet sich im Abstand von dem Körper 34 und außer Kontakt mit diesem, so daß es thermisch abgeschirmt ist. Dies bedeutet, daß die Temperatur des Sicherungselementes 30 im wesentlichen durch die Hitzeenergie bestimmt wird, die durch den Durchgang des elektrischen Stromes entwickelt wird, wobei das Sicherungselement 30 von den umgebenden festen Teilen der Kondensatoranordnung durch einen Zwischenraum abgeschirmt ist, der statische Luft enthält. Anfänglich kann die Sicherung 30 in einer solchen Position durch eine Zwecke 35 an den Kontaktstellen 39, 41 des Sicherungselementes mit dem Metall gehalten werden, wobei das Metall beispielsweise aus einer Kupferschicht 36 auf dem hitzeisolierenden Körper 34 besteht. In dem in Fig. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der Körper 34 einen Teil einer herkömmlichen mit Glas gefüllten Epoxid-Halbkreisplatine,deren Oberfläche mit Kupfer beschichtet ist. Wenn sich die Sicherung 30 an Ort und Stelle gemäß Fig. 2a befindet, so v/ird gemäß Fig. 2b der Leiterstreifen 18 bei 19 an der Kupferschicht 36 auf einer Seite des hitzeisolierenden Körpers 34 angelötet und der Leiterstreifen 20 wird in gleicher * Warenzeichen der Pyrofuse Corporation

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Weise an der anderen Seite bei 21 angelötet, wodurch die Position der Sicherung 30 in der Ausnehmung 32 fixiert und eine elektrische Reihenschaltung mit der Sicherung 30 gebildet wird. Es ist von Bedeutung, daß eine Ausfüllung der Ausnehmung 32 im Laufe des Lötens vermieden wird. Nachfolgend wird die Leitung 18 elektrisch mit der Kathodenschicht 14 des Kondensatorkörpers 10 beispielsweise durch Eintauchlöten verbunden, was bei 37 angezeigt ist,und die Anordnung kann danach verkapselt werden, beispielsweise durch Vergießen, Eintauchen oder andere Techniken, wobei dies mit einem elektrisch isolierenden Material 33, z.B. mit Epoxid, geschieht. In diesem Fall umgibt das elektrisch isolierende Material die Sicherungsanordnung 22 und schließt den Kondensatorkörper 10, die Leitung 18, den Anodenanguß 12 und Teile der Leitungen 16 und 20 ein.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, befindet sich das Sicherungselement 30 im Abstand von dem Kondensatorkörper 10 und ist von diesem durch einen hitzeisolierenden Körper 34 und ferner in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 durch Isoliermaterial 33 getrennt. Ferner ist die Sicherung 30 durch eine im wesentlichen luftdichte Ausnehmung 32 umgrenzt und thermisch isoliert bzw. von dem Kondensatorkörper 10, dem Körper 34 und dem Material 33 isolierend getrennt. Demzufolge entwickelt der durch die Sicherung 30 verlaufende elektrische Strom eine Hitzeenergie, die direkt proportional zu dem Quadrat des Stromwertes ist und diese Hitzeenergie wird in der statischen Luftumgebung der Ausnehmung 32 freigegeben und im wesentlichen in der Ausnehmung 32 aufgrund der hitzeisolierenden Eigenschaften des benachbarten Körpers 34 eingefangen. Die statische Luft in der Ausnehmung 32 ist von Bedeutung, da statische Luft ein sehr guter Isolator ist. Die an den Sicherungsdraht abgegebene Energie verbleibt

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somit zur Erhitzung des Sicherungsdrahtes,anstatt daß sie an die Umgebung abgegeben wird, was auf die isolierende Eigenschaft der statischen Luft zurückzuführen ist. Demzufolge wird die Temperatur der Sicherung 30 im wesentlichen nur durch den augenblicklichen Stromfluß durch die Sicherung festgelegt. Das Sicherungsverhalten, d.h. die Unterbrechung der Sicherung 30, kann somit auf einem gewünschten relativ kleinen Sicherungsstrom basieren und die physikalischen Abmessungen der Sicherung 30 können beispielsweise durch den Durchmesser vorgegeben werden, wenn die Sicherung 30 in Drahtform vorliegt. Fig. 4 zeigt eine Darstellung von Daten und eine Analyse der Daten für einen Sicherungsstrom über dem Sicherungsdrahtquerschnitt für Palladium/ Aluminiuxn-Einzelstrangdraht, der einen exothermisch schmelzbaren Draht darstellt, welcher handelsüblich von der Pyrofuse Corporation, Mount Vernon, New York, erhältlich ist. Für die Daten gemäß Fig. 4 und unter Bezugnahme auf Fig. 2 ergibt sich für die Ausnehmung 32 eine Länge von 0,07874 cm und ein Durchmesser von 0,08128 cm bei einem Abschnitt, der mit Kupfer beschichteten und glasgefüllten Epoxid-Schaltkreisplatine von 0,3175 x 0,127 x 0,07874 cm. Bei der vorliegenden Erfindung ist,'da ein thermisch isoliertes kleines Segment des Sicherungsdrahtes einer Widerstandserhitzung untediegt, eine relativ geringe Energie erforderlich, die gewöhnlicherweise in der Größenordnung von 100 Millijoule liegt, um die Sicherung zu öffnen. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Sicherungsdraht und der Kondensatorkörper in Reihe geschaltet und beide weisen somit bis zu einem bestimmten Grad einen Widerstand auf. Beide werden daher widerstandsmäßig erhitzt und es wird nicht nur Hitze in dem Sicherungselement alleine entwickelt. Das Ergebnis der vorliegenden Erfindung liegt jedoch darin, daß das thermisch isolierte Sicherungselement mit relativ kleiner Masse

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bei einem relativ geringen Energiepegel schmilzt, der in der Größenordnung von 100 Millijoule liegt im Vergleich zu dem Energiepegel von ungefähr 10 Joule, der erforderlich wäre, um einen beträchtlichen Temperaturanstieg in dem Kondensatorkörper mit relativ großer Masse hervorzurufen.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist der Sicherungsstrom nur von der Drahtgröße abhängig.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung zur Erzielung der zuvor erwähnten Effekte liegt darin, daß das Volumen der Ausnehmung 32 größer als das Volumen der Sicherung 30 ist, beispielsweise mindestens ungefähr viermal größer und vorzugsweise 10 bis 50 mal größer, wobei es ferner wichtig ist, daß die Ausnehmung frei von irgendwelchen anderen festen Materialien ist und im wesentlichen luftdicht abgeschlossen ist.

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Claims

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22. November 1979 GzH/Ra.

Union Carbide Corporation, New York, N.Y. 10017 / USA Gesicherte Elektrolyt-Kondensatoranordnung

Patentanspruch

Gesicherte Elektrolyt-Kondensatoranordnung, gekennzeichnet durch einen festen Elektrolyt-Kondensatorkörper mit zwei Anschlüssen, eine Sicherung aus zwei exothermisch schmelzbaren Metallen in engem Kontakt miteinander, einen hitzeisolierenden Körper mit einer Ausnehmung zur Aufnahme der Sicherung, wobei die Ausnehmung wesentlich größer als die Sicherung ist, Mittel zur Positionierung der Sicherung in der Ausnehmung dergestalt, daß die Sicherung thermisch von dem hitzeisolierenden Körper isoliert ist, und zur im wesentlichen luftdichten Abdichtung der Ausnehmung, eine erste Leitung zur elektrischen Verbindung des einen Anschlusses des Kondensatorkörpers mit der Sicherung, eine an die Sicherung angeschlossene zweite Leitung, so daß die zweite Leitung, die Sicherung und die erste Leitung zu dem Kondensatorkörper elektrisch in Reihe geschaltet sind, und eine dritte Leitung in Verbindung mit dem anderen Anschluß des Kondensatorkörpers .

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