DE69633848T2

DE69633848T2 - Leiterplattenfunkenstrecke

Info

Publication number: DE69633848T2
Application number: DE69633848T
Authority: DE
Inventors: Charles Edward West
Original assignee: Thomson Consumer Electronics Inc
Current assignee: Technicolor USA Inc
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2016-12-07
Also published as: CN1165419A; HK1005111A1; JP2008159597A; US5933307A; KR100441037B1; ID15938A; EP0790758B1; EP0790758A1; CN1052347C; KR970064340A; BR9606195A; DE69633848D1; JPH09232065A; MY120205A; SG48504A1; JP4745357B2; IN189905B

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Funkenstrecken für den Schutz elektrischer Schaltungen und insbesondere Funkenstrecken, die mit einer gedruckten Leiterplatte verknüpft sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine Funkenstrecke soll eine Schaltung vor schädlichen Wirkungen einer Überspannung schützen, indem vor der Schaltung ein Nebenschlusspfad für die Überspannung bereitgestellt wird. Die Funkenstrecke bestimmt den Punkt in der Schaltung für Entladungen von Spannungsspitzen oder Überspannungen und bestimmt das spezifische Potential einer derartigen Entladung. Der Ort der erwünschten Entladung wird durch die involvierten Schaltungen, die Quelle derartiger Spannungsspitzen und den bevorzugten Entladungspfad bestimmt. Die Spannungsdifferenz, die für die Entladung notwendig ist, wird durch den Abstand zwischen den zwei leitfähigen Punkten bestimmt, die die Funkenstrecke einschließen. Das erforderliche Entladungspotential ergibt sich durch die Bestimmung der Quellen der Spannungsspitzen oder Überspannungen und des gewünschten Schutzniveaus, das zum Beispiel durch gesetzliche Erfordernisse bestimmt sein kann.
Funkenstreckentechniken des Standes der Technik beinhalten diskrete Funkenstrecken (1A und 1B) oder die kosteneffektiveren Funkenstrecken auf gedruckten Leiterplatten (PCB) (2A und 2B).
Diskrete Funkenstrecken werden allgemein mit Leitungen konstruiert, die innerhalb eines Körpers aus Glas, Keramik oder Kunststoff an entsprechenden leitfähigen Flächen mit einem festen Abstand zwischen sich enden. Es gibt zwei Kategorien von diskreten Funkenstrecken, eine versiegelte mit einer kontrollierten Atmosphäre wie in 1A gezeigt, und eine andere unversiegelte mit normaler Atmosphäre wie in 1B gezeigt. Diese beiden Arten erfordern für die Montage (z. B. auf einer PCB) eine beträchtliche Menge an Raum, und beide erfordern wegen des Abstands und anderer mechanischer Bedingungen eine sorgfältige physische Platzierung und Orientierung während der Montage. Obwohl diskrete Funkenstrecken dazu neigen kostspieliger zu sein als Funkenstrecken auf gedruckten Leiterplatten, sind sie etwas haltbarer und zeigen normalerweise ein kontrollierteres Entladungspotential.
Es ist allgemein bekannt, gedruckte Leiterplatten (PCB's) mit einer oder mehreren Schichten eines steifen oder flexiblen Isolators (z. B. Glasfaser oder Kunststoff) und einer oder mehreren Schichten aus einem leitfähigen Material (z. B. Kupfer oder leitfähige Druckfarbe) herzustellen, wobei verschiedene Schaltungskomponenten durch "Leiterbahnen" elektrisch verbunden werden.
Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, verwendet eine PCB-Funkenstrecke Leiterbahnen (z. B. Kupfer) der PCB, die in einem festen Abstand voneinander positioniert sind und einen kontrollierten Punkt für die Entladung der unerwünschten Spannungsspitzen oder Potentiale bereitstellt. Die PCB-Funkenstrecke kann abhängig von den Spannungspotentialen und der involvierten Energie einen zwischen den Knoten in die Laminatplatte gestanzten Schlitz aufweisen. PCB-Funkenstrecken sind vergleichsweise einfach, genau und reproduzierbar zu fertigen, da es wenige durch physische Toleranzen und die Platzierung eingeführte Variablen gibt (im Gegensatz zu diskreten Funkenstrecken). PCB-Funkenstrecken liefern eine vorhersagbare Arbeitsweise und sind vergleichsweise günstig, da sie nur wenig mehr als die aktuellen Kosten des Leiterplattenmaterials kosten.
Ein Nachteil der Funkenstrecken auf gedruckten Leiterplatten wird nach wiederholten Entladungen, schwerwiegenden Vorkommnissen oder langdauernder Entladung offenbar. In diesen Situationen werden die Oberfläche der gedruckten Leiterplatte und die Kupferfolie wegen der Verdampfung der Folie bezüglich des Abstands zwischen den leitfähigen Knoten schnell geschädigt. Wenn die Spaltbreite zunimmt, nimmt das Spannungspotential zu, das für einen Lichtbogenüberschlag über den Spalt hinweg erforderlich ist, und der Ort des Lichtbogens kann weniger kontrolliert sein. Zusätzlich kann die Laminatplatte während einer schwerwiegenden und langdauernden Entladung wegen der starken Wärme Schaden nehmen, die aus einem solchen Vorkommnis resultieren kann.
Es gibt mehrere Techniken, die brauchbar sind, um die PCB-Funkenstrecke zu verbessern. Die Probleme, die mit der Verdampfung der Folie verknüpft sind, können zum Beispiel durch eine Erhöhung der Foliendicke oder bei einer Funkenstrecke der Art mit einem Schlitz in der PCB durch Erhöhung der Länge des Schlitzes (während die gleiche Breite beibehalten wird) hinausgezögert werden. Unglücklicherweise nimmt die Fläche der PCB zu, die erforderlich ist, um bei dieser Technik eine Funkenstrecke einzurichten, und die Verdampfung wird schließlich die Leistung verschlechtern. Eine weitere Technik ist die Verwendung mehrerer Spalte, die seriell beabstandet sind, so dass die Energie des Funkens auf zwei Spalte verteilt wird (2B). Diese Technik verzögert ebenso die Folienschädigung auf Kosten der PCB-Fläche.
Die GB-A-1 468 132 offenbart eine Erhöhung der Isolierung zwischen zwei benachbarten elektrisch leitenden Elementen, indem zwischen ihnen eine Öffnung in der gedruckten Leiterplatte vorgesehen wird.
Die DE 3 011 465 A beschreibt eine Funkenstreckenvorrichtung. Die Funkenstrecke umfasst ein Paar von Metallkugeln, die auf einem Paar von gegenüberliegenden Elektroden angeordnet ist.
Es zeigt sich somit, dass es wünschenswert ist, eine Funkenstrecke bereitzustellen, die die zuvor beschriebenen Einschränkungen der Funkenstrecken des Standes der Technik reduziert oder beseitigt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Verbesserung für den Typ der oben beschriebenen PCB-Funkenstrecke, die oberflächenmontierte Bauteile (SMD's) verwendet, die mit dem Ende zueinander zeigend und mit entsprechenden PCB-Leitern der Funkenstrecke verlötet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen beschrieben werden:
1 und 2, auf die zuvor Bezug genommen wurde, zeigen Funkenstrecken der im Rahmen des Standes der Technik bekannten Art;
3A zeigt die Draufsicht und Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3B zeigt die Draufsicht und Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt die Draufsicht und Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform der in 3A gezeigten Erfindung; und
6 zeigt die Draufsicht und Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche oder ähnliche Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In den 3A und 5 ist eine Ausführungsform einer PCB-Funkenstrecke gemäß den Lehren der Erfindung dargestellt. Die PCB umfasst ein nichtleitfähiges Substrat oder Laminat 100 und eine leitfähige Schicht mit Leitern 200 und 300, die auf dem Laminat 100 ausgebildet sind. Die Leiter 200 und 300 sind beabstandet und elektrisch voneinander isoliert, um eine Funkenstrecke 400 zu bilden. Die Funkenstrecke 400 wird durch die Hinzufügung von oberflächenmontierten Bauteilen (SMD's) 210 und 310 verbessert, die mit dem Leiter 200 beziehungsweise 300 verlötet wurden. Der dargestellte Spalt 400 umfasst einen Schlitz, der durch das Laminat 100 gestanzt ist. Zur Ausführung der Erfindung ist es jedoch nicht notwendig, einen derartigen Schlitz zu stanzen. Das SMD 210 ist an den leitfähigen Enden 230 und 231 über die Lotnaht 220 und die Lotnaht 221 elektrisch und mechanisch mit dem Leiter 200 verbunden. Das SMD 310 ist an den leitfähigen Enden 230 und 231 über die Lotnaht 320 und die Lotnaht 321 elektrisch und mechanisch mit dem Leiter 300 verbunden.
Der tatsächliche Spalt 400, über den sich die elektrische Energie in Form eines Funkens ausbreiten wird, wird anfangs von dem Zwischenraum zwischen den Leitern 200 und 300 gebildet. Diese Leiter können eine gewisse Verdampfung erleiden, so dass sie bis dorthin erodieren, wo der Spalt zwischen SMD 210 und SMD 310 ausgebildet ist. Die Menge des Leiters zwischen einem SMD und der Kante des Leiters wird durch die Platzierungstoleranz des verwendeten SMD-Prozesses und die Ausbildung der Lotnähte bestimmt.
Eine erste Elektrode der Funkenstrecke 400 wird durch den Leiter 200 und die Lotnaht 220 gebildet, und eine zweite Elektrode wird durch den Leiter 300 und die Lotnaht 320 gebildet. Ein Funke wird von einer Elektrode zur anderen überspringen, wenn das Differenzspannungspotential zwischen den zwei Elektroden einen Pegel überschreitet, der von der Breite des Spalts und der dielektrische Festigkeit des Materials (z. B. Luft im Falle eines Schlitzes oder Glasfaser) abhängt. Die leitfähige Folie zwischen SMD 210 oder 310 kann so geformt sein, dass sie einen definierten Punkt bereitstellt, so dass die Lotnähte 220 und 320 in diese Form fließen. Auf diese Weise können der Ort des Funkenüberschlags und folglich der Differenzspannungspegel, der erforderlich ist, um einen Lichtbogenüberschlag auszulösen, genauer kontrolliert werden. Dieser definierte Punkt begünstigt eine Entladung beim erwünschten Potential und am erwünschten Ort, im Gegensatz zu einer abgerundeten oder breiten Entladungsfläche, die weniger kontrolliert sein wird.
Wenn man nur die erste Elektrode betrachtet, wird die der Elektrode angebotene elektrische Energie aufgrund des Funkenüberschlags durch den Leiter 200, die Lotnaht 220 und das leitfähige Ende 230 der SMD 210 aufgenommen. Zudem wird (neben anderen Faktoren) die durch die I2R Verluste innerhalb des leitfähigen Materials der Elektrode erzeugte Wärme auf das ganze benachbarte Material übertragen, wie beispielsweise das SMD 210 und das Laminat 100.
Bei der Funkenstrecke des Standes der Technik von 2A würde die elektrische Energie und die Wärmeenergie allein durch das Kupfer und das Laminat aufgenommen, woraus sich eine Erosion des Leiters und des Laminats ergäbe, wie zuvor beschrieben wurde. Durch die Verwendung von oberflächenmontierten Bauteilen und ihren zugehörigen Lotnähten und leitfähigen Enden wird die zur Absorption der Wärme aus dem Kupfer verfügbare Masse erhöht und der Schaden am Kupfer und dem benachbarten Laminat minimiert. Die größere Querschnittsfläche, die durch die Lotnähte und die leitfähigen Enden bereitgestellt wird, reduziert zusätzlich durch die Senkung des Stromwiderstands während des Funkenüberschlags direkt die I2R Verluste; dadurch wird die erzeugte Wärmemenge reduziert.
Die Erfindung kann so wie in den Zeichnungen dargestellt ausgeführt werden oder ohne das "Kurzschließen" der SMD 210 und der SMD 310 durch die Leiter 200 beziehungsweise 300. Das zusätzliche Kupfer unter den SMD's sorgt jedoch für einen zusätzlichen Schutz durch Senkung sowohl des elektrischen Widerstands (z. B. geringere I2R Verluste) und Erhöhung der thermischen Masse (z. B. Absorption von mehr Wärme ohne Schädigung). Eine weitere Erhöhungen der thermischen Masse kann durch die Verwendung verschiedener Lotkomponenten realisiert werden. Eine besondere Lotkomponente könnte zum Beispiel wegen ihrer höheren spezifischen Wärmeeigenschaften ausgewählt werden. Eine besondere Lotkomponente könnte auch wegen einer besonderen Fließ- oder Härtungseigenschaft ausgewählt werden, wodurch eine ungewöhnlich dicke Lötverbindung ausgebildet werden könnte.
Die verwendeten SMD's können mit den Kupfersschichten einer PCB unter Verwendung von standardisierten Techniken und Toleranzen verlötet werden. Es kann sich zum Beispiel um Schwell- oder Rückstromverfahren, Dampfphasen- und Infrarottechniken handeln. Zudem ist die tatsächlich verwendete SMD-Bauelementart nicht kritisch, wenn die Vorrichtung wie oben beschrieben "kurzgeschlossen" wird. Wenn die Vorrichtung nicht "kurzgeschlossen" wird, ist die Komponentenauswahl wichtiger und eine Komponente mit niedriger Impedanz (z. B. ein brückenartiges SMD) ist eine geeignete Wahl. In der Praxis hat es sich herausgestellt, dass SMD-Widerstände dazu neigen, mechanisch stabiler zu sein als SMD-Kondensatoren und sind daher vorzuziehen; es können jedoch beide verwendet werden. Auf ähnliche Weise ist die Toleranz der gewählten Vorrichtung nicht kritisch. Insofern können elektrisch ausgeschiedene Teile immer noch verwendet werden, wenn sie noch geeignete mechanische Eigenschaften (d. h. nicht gerissen, etc.) aufweisen. SMD's müssen zudem zur Verwendung in Funkenstrecken nicht spezifisch bevorratet werden, und es können für andere Zwecke georderte SMD's verwendet werden.
Die Erfindung kann auch unter Verwendung der Konfiguration von 4 ausgeführt werden, wobei zwei gegenüberliegende SMD's verwendet werden, um eine Funkenstrecke 400 auszubilden. Variationen der Anordnung von 4 sind in den 3A und 3B gezeigt. 3A zeigt ein erstes Paar 210A, B von SMD's, die auf einem ersten Leiter 200 gegenüber einem zweiten Paar 310A, B von auf dem ersten Leiter 300 montierten SMD's montiert sind, mit einer Funkenstrecke 400, die die zwei gegenüberliegenden SMD-Paare umfasst. Diese Konfiguration sorgt für eine gewisse Redundanz, da es zwei definierte Flächen für den Funkenüberschlag gibt. Dadurch, dass zwei derartige Flächen vorgesehen sind, wird die Haltbarkeit der Funkenstrecke erhöht, da jede signifikante Verschlechterung der definierten Flächen eines Satzes von gegenüberliegenden SMD's schließlich zu einem Funkenüberschlag zwischen dem anderen Satz von gegenüberliegenden SMD's führen wird.
3B zeigt eine weitere Verbesserung der in 3A gezeigten Anordnung. Ein drittes Paar 510A, B SMD's, die zwischen dem ersten 210A, B und dem zweiten Paar 310A, B von montierten SMD's auf einem dritten Leiter 500 montiert sind, bildet eine zweite Funkenstrecke 400B. Diese Anordnung erlaubt eine Aufteilung der Funkenüberschlagsenergie zwischen den zwei Spalten 400A und 400B, wodurch die Belastungen der individuellen Elemente, die die Funkenstrecken einschließen, reduziert werden. Wenn man zum Beispiel identische Funkenüberschlagsspannungen annimmt, wird die einzelne Funkenstrecke in der Anordnung von 3A notwendigerweise breiter sein als jede der zwei Funkenstrecken in der Anordnung von 3B und die verteilte Wärmeenergie und elektrische Energie wird in der Anordnung von 3A durch weniger Bauelemente aufgenommen. Die Anordnung von 3B gestattet daher Funken mit höherer Energie als bei der Anordnung von 3A, ohne dass die Schädigung des zugehörigen Leiters erhöht wird.
Die Erfindung kann auch unter Verwendung der Konfiguration von 6 ausgeführt werden, wobei ein erstes SMD 210A und optional ein zweites SMD 210B auf dem ersten Leiter 200 gegenüber einem zweiten Leiter 300 montiert sind. Die Funkenstrecke 400 umfasst den Spalt zwischen dem ersten Leiter mit den leitfähigen Flächen des einen oder der mehreren darauf montierten SMD's und dem zweiten Leiter. Diese Ausführungsform verbessert den Stand der Technik durch Bereitstellung eines erhöhten Schutzes vor durch Lichtbögen induzierten Schäden auf einer Seite der Funkenstrecke.
Im Vergleich zu PCB-Funkenstrecken des Standes der Technik sind die Kostenerhöhungen minimal und bestehen im Wesentlichen in den Kosten für zwei oder mehr SMD's und ihre Platzierung auf der PCB. Die Verwendung von SMD's anstelle der diskreten Funkenstrecke von 1A nutzt zudem die Vorteile der Oberflächenmontagetechniken (z. B. genaue und reproduzierbare Komponentenplatzierung, etc.).
Die SMD-Platzierung sollte so gewählt werden, dass die schlimmstmögliche Kombination von mechanischen Toleranzen und Platzierungsfehlern des gewählten Platzierungs/Verlötungsverfahrens es gewährleisten wird, dass immer ein gewisser Teil des Leiters durch die Komponenten an der Spaltkante unbedeckt bleibt. Der Zweck dieser Platzierung steht darin, sowohl die Lotverbindung als auch einen definierten Punkt für den anfänglichen Entladungsbeginn zu gewährleisten.
Eine Funkenstrecke kann entweder unter Verwendung von 0805 oder 1206 SMD-Komponenten konstruiert werden. Tests, die mit einer Ausführungsform der Erfindung wie in 3A ausgeführt wurden, die eine Genauigkeit der End-zu-End-Platzierung eines SMD-Paars von annähernd 0,127 mm (0,5 mil) und des Seitenabstands (Mittellinie zu Mittellinie) von annähernd 2,54 mm (100 mil) aufweisen, haben gute Resultate ergeben. Die Richtlinien des Platzierungsprozesses erfordern 0,508 mm (20 mils) Kupfer jenseits des Endes eines SMD, obschon dieser Abstand abhängig zum Beispiel vom erwünschten Schutzgrad verringert werden kann.
Aufgrund der Faktoren des SMD-Montageprozesses (z. B. angrenzendes Bauelementelot) sollte der Seite-zu-Seite-Mittellinienabstand bei 2,286 mm (90 mil) von Mittellinie zu Mittellinie für die SMD der Größe 0805 und 2,54 mm (100 mil) von Mittellinie zu Mittellinie für die SMD der Größe 1206 liegen. Der Endabstand, der erforderlich ist, um eine Lotnaht von 0,127 mm (5 mil) zu erzielen, sorgt auch für eine großzügige elektrische und mechanische Verbindung.
Es sind Experimente mit wiederholten Spannungsspitzen und Überspannungen mit der Anordnung von 3A mit den obigen physischen Dimensionierung mit sehr zufriedenstellenden Resultaten durchgeführt worden. Die durchgeführten Tests bestanden in über 20 Überspannungen bei 6 kV und 0,51 μF unter Verwendung von brückenartigen SMD's. Es stellte sich heraus, dass der Leiter so gut wie keine Schädigung erlitt. Ähnliche, mit der Anordnung von 2A des Standes der Technik durchgeführte Experimente ergaben eine signifikante Schädigung des Kupfers. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Funkenstrecke eine brauchbare Vorrichtung sowohl für kurzzeitige als auch kontinuierliche Entladungen ist.

Claims

Funkenstrecke, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere erste oberflächenmontierte Bauelemente (210A, 210B) jeweils eine erste plane Fläche aufweisen, die auf einer ersten leitfähigen Fläche (200) angeordnet ist, und dass die erste leitfähige Fläche (200) und das eine oder die mehreren ersten oberflächenmontierten Bauelemente (210A, 210B) von einer zweiten leitfähigen Fläche (300) um einen vorbestimmten Abstand (400) getrennt sind und mit der zweiten leitfähigen Fläche (300) zusammenwirken, um dazwischen einen Spalt zu bilden, der für einen elektrischen Funkenüberschlag geeignet ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zweite oberflächenmontierte Bauelemente (310A, 310B) jeweils eine erste plane Fläche aufweisen, die auf der zweiten leitfähigen Fläche (300) angeordnet ist, so dass das eine oder die mehreren zweiten oberflächenmontierten Bauelemente (310A, 310B) auf der zweiten leitfähigen Fläche (300) von dem einen oder den mehreren ersten oberflächenmontierten Bauelementen (210A, 210B) auf der ersten leitfähigen Fläche (200) um einen vorbestimmten Abstand (400) getrennt sind.
Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite leitfähige Fläche (200, 300) auf einem nichtleitenden Substrat (100) angeordnet sind.