FR2897231A1 - Electronic component e.g. zinc oxide varistor, thermal protection device for e.g. class III protector, has metal plate bonded on varistor to act as heat sink, and fusing element cut by projection when its temperature reaches melting point - Google Patents
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Abstract
Description
-1- La présente invention concerne un dispositif qui permet de protéger unThe present invention relates to a device which makes it possible to protect a
composant électronique contre les surchauffes. Il consiste à mettre en connexion électrique avec le composant électronique un radiateur thermique qui se déconnecte automatiquement dès qu'un certain seuil de température est dépassé. electronic component against overheating. It consists in putting in electrical connection with the electronic component a thermal radiator which disconnects automatically as soon as a certain temperature threshold is exceeded.
Ces composants sont généralement semi-conducteurs (tels que les varistances ZnO). Les composants semi-conducteurs sont utilisés dans nos équipements électriques, électroniques, informatiques et télécommunications. Mais ces composants ont un défaut en commun : la surchauffe. La surchauffe commence par un point chaud puis un composant entier jusqu'à l'endommagement de l'appareil et peut provoquer des incendies. La varistance ZnO fait partie des composants de céramique semi-conducteurs. Grâce à ses propriétés particulières (non linéarité ; figure 1) elle est très utilisée dans la protection des équipements électriques, électroniques contre les surtensions atmosphériques ou industrielles. En état normal, la varistance ZnO a une forte résistance. Le chemin de protection est un circuit ouvert. En présence d'une surtension transitoire, la varistance se met à conduire et écoule la surcharge à la terre. En même temps, elle absorbe une partie d'énergie transitoire. These components are generally semiconductors (such as ZnO varistors). Semiconductor components are used in our electrical, electronic, computer and telecommunications equipment. But these components have one fault in common: overheating. Overheating begins with a hot spot and then an entire component until the device is damaged and can cause fires. The ZnO varistor is part of the semiconductor ceramic components. Thanks to its particular properties (non-linearity, figure 1) it is widely used in the protection of electrical equipment, electronic against atmospheric or industrial overvoltages. In normal condition, the ZnO varistor has a high resistance. The protection path is an open circuit. In the presence of a transient overvoltage, the varistor begins to conduct and flows the overload to the ground. At the same time, it absorbs a part of transient energy.
Lorsque l'énergie de la surtension ne dépasse pas la capacité d'absorption d'une varistance, elle retrouve sa caractéristique initiale et est de nouveau prête à fonctionner pour la prochaine surtension. En revanche, si l'énergie de la surtension dépasse la limite d'absorption d'une varistance, elle se dégrade au niveau de la caractéristique électrique et lorsque la tension de seuil d'une varistance à 1mA est inférieure à celle de service, elle entre dans un emballement thermique. Elle chauffe, brûle et se met en court-circuit non franc (10-500). Cet emballement thermique est dangereux pour l'équipement à protéger. Il est donc impératif de mettre un circuit de protection thermique pour éviter ce défaut. On trouve actuellement sur le marché pour les varistances enrobées, des protections par fusible, disjoncteur ou fusible thermique. Ces moyens ne sont pas tout à fait adaptés à la protection d'une varistance contre l'emballement thermique. Les exigences nécessaires d'un système de déconnection pour une varistance contre l'emballement thermique sont les suivantes : 1- Une varistance est un composant de protection contre les surtensions, son rôle essentiel est d'écouler les surcharges transitoires à la terre. Première exigence : le système de déconnection doit tenir le courant de décharge nominal d'une varistance (de quelques cent ampères jusqu'à 10kA). 2- La varistance en état normal a un petit courant de fuite qui traverse le composant (de l'ordre de A). Une fois la varistance dégradée, elle commence à chauffer à partir de 10mA. Deuxième exigence : le système de déconnection doit fonctionner à partir de faibles courants en cas d'emballement thermique (500mA ou 2A). 2897231 -2- La protection d'une varistance par fusible peut répondre à la première critère si on sélectionne le calibre important pour écouler le courant de décharge. Mais il ne peut pas couper l'alimentation pour des courants inférieurs à son calibre. La protection par disjoncteur est similaire au fusible. When the surge energy does not exceed the absorption capacity of a varistor, it returns to its original characteristic and is ready for operation again for the next surge. On the other hand, if the energy of the overvoltage exceeds the absorption limit of a varistor, it degrades at the level of the electrical characteristic and when the threshold voltage of a varistor at 1 mA is lower than that of service, it enters a thermal runaway. It heats, burns and goes into a short circuit (10-500). This thermal runaway is dangerous for the equipment to be protected. It is therefore imperative to put a thermal protection circuit to avoid this defect. Currently on the market for coated varistors, protection by fuse, circuit breaker or thermal fuse. These means are not quite adapted to the protection of a varistor against thermal runaway. The necessary requirements of a disconnection system for a thermal runaway varistor are as follows: 1- A varistor is a surge protection component, its essential role is to discharge transient overloads to the earth. First requirement: the disconnection system must hold the nominal discharge current of a varistor (from a few hundred amperes up to 10kA). 2- The varistor in normal state has a small leakage current which passes through the component (of the order of A). Once the varistor degraded, it starts to heat from 10mA. Second requirement: the disconnection system must operate from low currents in case of thermal runaway (500mA or 2A). 2897231 -2- The protection of a fuse varistor can meet the first criterion if one selects the large size to discharge the discharge current. But he can not cut off power for currents below his rating. Circuit breaker protection is similar to the fuse.
5 La protection d'une varistance par fusible thermique : un fusible thermique peut couper le circuit lorsque sa température dépasse le seuil de déclenchement. Ce composant est bien utilisé dans la protection des appareils électriques ou électroniques contre la surchauffe. En revanche, un fusible thermique normal n'est pas fait pour supporter les courants de chocs : certains perdent même leurs 10 caractéristiques thermiques initiales. Après des courants de chocs il se met à circuit ouvert ou fonctionne très mal à la température. Nous avons trouvé un système de déconnection qui répond parfaitement aux deux exigences pour les varistances enrobées. Le circuit de protection est constitué d'une plaque métallique déposée par collage spécifique sur une des deux surfaces 15 de la varistance enrobée. On soude ensuite un élément de fusion à basse température (alliage ou fil d'étain) ou bien un alliage élastique avec une soudure de basse température. La position de l'élément soudé peut variée (parallèle ou perpendiculaire) suivant les circonstances. Selon des modes particuliers de réalisation : 20 - le moyen de refroidissement est en contact thermique avec le composant placé en série dans le circuit d'alimentation du composant et comporte des moyens de rupture du circuit électrique en cas de dépassement de température. - les moyens de coupure du circuit sont constitués d'un élément conducteur fusible. - l'élément de coupure constitué par une pièce conductrice électrique en tension 25 mécanique sur le radiateur se libère mécaniquement sous effet de la chaleur (température qui dépasse un seuil déterminé) de façon à ouvrir le circuit. - le radiateur est constitué d'une plaque métallique conductrice de la chaleur et de l'électricité placée en contact thermique avec le composant et en série avec le circuit alimentant le composant. 30 - la plaque métallique est fixée par collage spécifique. - l'élément de coupure thermique peut se déplacer dans le plan de la plaque du composant électronique de façon à ce que l'ensemble occupe un emplacement très compact. - le composant électronique est un composant de protection contre les surtensions. 35 - un circuit de protection contre les surtensions occasionnant une surchauffe thermique. - le composant électronique est une varistance ZnO. - le point de fusion de la connexion entre la varistance et la plaque métallique est toujours supérieur en température à celui de l'élément de fusion.5 Protection of a varistor by thermal fuse: a thermal fuse can cut the circuit when its temperature exceeds the tripping threshold. This component is well used in the protection of electrical or electronic devices against overheating. On the other hand, a normal thermal fuse is not made to withstand the shock currents: some even lose their initial thermal characteristics. After shock currents it goes to open circuit or works very badly at the temperature. We have found a disconnection system that perfectly meets both requirements for coated varistors. The protection circuit consists of a metal plate deposited by specific bonding on one of the two surfaces of the coated varistor. A low temperature melting element (alloy or tin wire) or an elastic alloy with a low temperature weld is then welded. The position of the welded element can be varied (parallel or perpendicular) depending on the circumstances. According to particular embodiments: the cooling means is in thermal contact with the component placed in series in the supply circuit of the component and comprises means for breaking the electrical circuit in case of temperature overrun. - The circuit breaking means consist of a fusible conductive element. the cut-off element consisting of an electrically conductive mechanical voltage part on the radiator is mechanically released under the effect of heat (temperature which exceeds a determined threshold) so as to open the circuit. - The radiator consists of a metal plate conductive heat and electricity placed in thermal contact with the component and in series with the circuit supplying the component. The metal plate is fixed by specific gluing. the thermal cut-off element can move in the plane of the plate of the electronic component so that the assembly occupies a very compact location. the electronic component is an overvoltage protection component. A circuit for protection against overvoltages causing thermal overheating. the electronic component is a ZnO varistor. the melting point of the connection between the varistor and the metal plate is always higher in temperature than that of the melting element.
40 Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 présente les caractéristiques électriques d'une varistance ZnO. 2897231 -3- La figure 2 présente un schéma de protection contre la surtension avec notre circuit de protection thermique. La figure 3 représente la configuration en détail de notre circuit de protection thermique.The accompanying drawings illustrate the invention: Figure 1 shows the electrical characteristics of a ZnO varistor. Figure 2 shows a circuit diagram of overvoltage protection with our thermal protection circuit. Figure 3 shows the detailed configuration of our thermal protection circuit.
5 En référence à ces dessins : En état normal, un courant de fuite traverse la varistance (4). En présence d'une surtension transitoire (5), le courant de décharge passe l'élément de fusion (2) puis la plaque métallique (3) et traverse la varistance (4) avant d'entrer dans la terre. Le diamètre de l'élément de fusion (2) est sélectionné 10 pour faire passer le fort courant. La plaque métallique (3) collé spécifiquement sur la varistance enrobée (4) agit comme un radiateur et prolonge la durée de vie de la varistance. Lorsque la varistance (4) est fortement dégradée, elle entre en emballement thermique. Un point chaud parait (la position du point chaud étant aléatoire d'une 15 varistance à une autre) ; la varistance (4) chauffe de plus en plus. La plaque métallique (3) collée sur la varistance enrobée (4) devient un collecteur de chaleur. Grâce à la faible épaisseur du plaque métallique (3) (<O,lmm), au collage sur la surface et à la bonne conductivité de chaleur du métal, la chaleur du point chaud est vite transmise à l'élément de fusion (2). Il y a donc très peu de dispersion de 20 chaleur au cours de la transmission. Lorsque la température du élément de fusion (2) monte à son point de fusion (environ 180 C), celui-ci commence à fondre et est coupé par projection. Il y a une séparation complète entre la varistance dégradée (4) et l'alimentation (6). La norme de parafoudre IEC 61643-11 demande une protection contre le 25 court-circuit pour les parafoudres de protection. En plus de protection thermique, l'élément de fusion (2) joue le rôle de fusible normal. Lorsqu'il y a un court-circuit (accidenté ou endornmagé par de très forts courants de décharge) dans un parafoudre composé de varistances équipées de notre système de déconnection thermique, l'élément de fusion (2) fond lorsque l'intensité du courant dépasse sa 30 capacité de limite. 2897231 -4- Le dispositif de protection selon l'invention trouve son application dans un parafoudre class III suivant la norme IEC 61643-11, conçu pour être intégré dans les équipements électriques ou électroniques contre les surtensions transitoires induites dans les réseaux installations basse tension.With reference to these drawings: In normal state, a leakage current passes through the varistor (4). In the presence of a transient overvoltage (5), the discharge current passes the melting element (2) then the metal plate (3) and passes through the varistor (4) before entering the earth. The diameter of the melting element (2) is selected to pass the high current. The metal plate (3) bonded specifically to the coated varistor (4) acts as a radiator and prolongs the life of the varistor. When the varistor (4) is strongly degraded, it goes into thermal runaway. A hot spot appears (the position of the hot spot being random from one varistor to another); the varistor (4) heats more and more. The metal plate (3) adhered to the coated varistor (4) becomes a heat collector. Thanks to the small thickness of the metal plate (3) (<0.1 mm), to the bonding on the surface and to the good heat conductivity of the metal, the heat of the hot spot is quickly transmitted to the melting element (2). . There is therefore very little heat dispersion during transmission. When the temperature of the melting element (2) rises to its melting point (about 180 ° C), it begins to melt and is cut off by projection. There is complete separation between the degraded varistor (4) and the power supply (6). The IEC 61643-11 arrester standard requires short-circuit protection for protective surge arresters. In addition to thermal protection, the melting element (2) acts as a normal fuse. When there is a short-circuit (accident or damaged by very strong discharge currents) in a surge arrester composed of varistors equipped with our thermal disconnection system, the melting element (2) melts when the intensity of the current exceeds its limit capacity. The protection device according to the invention finds its application in a class III surge arrester in accordance with the IEC 61643-11 standard, designed to be integrated into electrical or electronic equipment against transient overvoltages induced in low voltage installation networks.
5 Selon un premier exemple de réalisation, le parafoudre a une configuration dissymétrique dont le schéma de principe est présenté sur la figure 1. Il est composé d'une varistance (V) équipée d'un déconnecteur thermique (D) entre la phase (Ph) et le neutre (N), d'un éclateur à gaz (G) entre neutre et PE, et d'un système d'indication d'état. Cette version est proposée pour l'application dans l'installation où la phase et le neutre 10 sont bien distincts. Selon un second exemple de réalisation le parafoudre a une configuration symétrique dont le schéma de principe est présenté sur la figure 2. Il est composé de deux varistances (V) équipées d'un déconnecteur thermique (D) chacune, d'une troisième varistance (V) branchée entre le point commun des deux premières et PE, et d'un système 15 d'indication d'état. Cette version est proposée pour l'application dans l'installation où la phase (Ph) et le neutre (N) sont difficiles à repérer. Les deux exemples de réalisation utilisent la technologie du déconnecteur thermique en fil d'étain soudé sur le ruban de cuivre adhésif qui fait partie d'un projet de 20 dépôt de brevet. Le ruban de cuivre adhésif collé sur la surface de la varistance enrobée de résine Epoxy joue un rôle de collecteur de chaleur. Le fil d'étain, lui, soudé sur le ruban joue un rôle de fusible thermique. Lorsqu'une varistance ramasse trop d'énergie de surcharge, elle entre dans un état d'emballement thermique. Le fil d'étain soudé sur le ruban de cuivre fond et la varistance 25 est déconnectée de l'alimentation. Un indicateur d'état composé d'un Led, d'une diode et d'une résistance (R) indique l'état de bon fonctionnement. Le Led s'éteint lorsque la varistance est hors service. Le boîtier du parafoudre (Figure 6, 7, 8) est composé de deux coquilles symétriques et d'une plaque amovible. La fermeture se fait à l'aide de 4 vis. Le boîtier est 30 en matière plastique conforme à la norme UL94-V0. Les dimensions extérieures du boîtier sont de 45,5mm pour la longueur, de 36,5mm pour la largeur et 26,5mm pour la hauteur. Ces dimensions permettent d'utiliser les varistances de diamètre de 20mm qui donnent un courant de décharge maximum de 15kA (8/2Qgs). La plaque amovible permet aisément la réalisation de sortie en fils ou en picots. Enfin l'emplacement de la carte de 35 protection est calculé pour avoir une meilleure isolation thermique et électrique.According to a first exemplary embodiment, the surge arrester has an asymmetrical configuration whose schematic diagram is shown in FIG. 1. It is composed of a varistor (V) equipped with a thermal disconnector (D) between the phase (Ph). ) and the neutral (N), a gas spark gap (G) between neutral and PE, and a state indication system. This version is proposed for the application in the installation where the phase and the neutral 10 are distinct. According to a second exemplary embodiment, the surge arrester has a symmetrical configuration whose schematic diagram is presented in FIG. 2. It is composed of two varistors (V) equipped with a thermal disconnector (D) each, a third varistor ( V) connected between the common point of the first two and PE, and a state indication system. This version is proposed for the application in the installation where phase (Ph) and neutral (N) are difficult to identify. Both exemplary embodiments utilize thermal wire disconnector technology soldered onto the adhesive copper ribbon which is part of a patent application project. The adhesive copper tape bonded to the surface of the varistor coated with epoxy resin acts as a heat sink. The tin wire, welded to the ribbon plays a role of thermal fuse. When a varistor picks up too much overload energy, it enters a state of thermal runaway. The tin wire soldered to the copper ribbon melts and the varistor 25 is disconnected from the power supply. A status indicator consisting of an LED, a diode and a resistor (R) indicates the status of operation. The LED goes off when the varistor is out of order. The surge arrester housing (Figure 6, 7, 8) consists of two symmetrical shells and a removable plate. Closing is done with 4 screws. The housing is made of plastic material in accordance with UL94-V0. The outer dimensions of the case are 45.5mm for the length, 36.5mm for the width and 26.5mm for the height. These dimensions allow the use of 20mm diameter varistors that give a maximum discharge current of 15kA (8 / 2Qgs). The removable plate easily allows the production of output son or pins. Finally the location of the protection board is calculated to have better thermal and electrical insulation.
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