CN110402525B - 一种用于防止过电压的集成元件，特别用于同轴电缆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于防止过电压的集成元件，包括：一压敏电阻(2)和一气体放电管(4)，其串联连接在一第一电连接端子和一第二电连接端子(15,16)之间；和一外围涂层(20)，包括一密封和电绝缘树脂，所述外围涂层围绕所述压敏电阻和所述气体放电管布置，以形成一密封和电绝缘屏障，通过所述密封和电绝缘屏障，使得只能在所述外围涂层的两个相对端处接触到所述第一和第二电连接端子。

Description

一种用于防止过电压的集成元件，特别用于同轴电缆系统
技术领域
本发明涉及集成元件的领域，这类集成元件用于防止电力系统过电压，特别用于防止通过同轴电缆传输射频数据的系统过电压。
背景技术
为了保护电气设备，通常的做法是在交流电源的两条线路之间使用与一气体放电管串联连接的一金属氧化物压敏电阻，特别是一氧化锌压敏电阻。
这种设备理论上以下列方式进行操作：气体放电管实际上承受电源的整个交流电压。具体地说，放电管的杂散电容为几皮法，而压敏电阻的杂散电容为几纳法。当发生过电压时，压敏电阻使气体放电管触发，只有当通过它的电流(称为二次电流)随后变得足够小时，气体放电管才能被熄灭。压敏电阻的电阻确保了二次电流受限并使气体放电管熄灭。
然而，结合压敏电阻和放电管的保护装置又大又笨重。
发明内容
本发明的一个想法是将压敏电阻和气体放电管的两个功能组合以形成单个集成的分立元件，该集成的分立元件能够保护一电气设备。本发明的另一个想法是生产小型化元件。
目前有许多设备能够通过集成元件得到保护。例如，通过同轴电缆、电子设备、电话和计算机系统、光伏设备、LED照明设备等传输数据和/或电力的系统。
本发明的一个优点是便于将所述两个功能安装在要防止瞬态过电压的设备上。
为此，本发明提供了一种用于防止瞬态过电压的集成元件，包括：
一压敏电阻和一气体放电管，它们串联连接在一第一电连接端子和一第二电连接端子之间；
一外围涂层，包括密封和电绝缘树脂，所述外围涂层围绕压敏电阻和气体放电管布置，以形成一密封和电绝缘屏障，通过该密封和电绝缘屏障，使得只能在所述外围涂层的两个相对端处接触到所述第一和第二电连接端子。
根据一些实施例，这样的集成元件可包括以下一个或多个特征。
在一个实施例中，所述气体放电管是圆柱形的，压敏电阻是圆柱形的并且与气体放电管同轴布置，并且外围涂层的形状是外部圆柱形的并且与气体放电管和压敏电阻同轴。
外围涂层的截面可以呈现各种形状中的一种，例如它可以为矩形、正方形、圆形、椭圆形或多边形。在一些实施例中，外围涂层的截面为圆形、矩形或正方形。因此，集成元件可呈现各种外部形状，例如具有圆形截面的圆柱形，具有矩形截面的圆柱形或具有正方形截面的圆柱形。
可以通过导电金属制成各种形式的电连接端子。在一些实施例中，电连接端子采用导电引脚或导电板的形式。
在一个实施例中，所述气体放电管包括一第一放电管电极，一第二放电管电极和位于第一和第二放电管电极之间的一放电管本体，放电管的本体是具有圆形截面的圆柱形，第一和第二放电管电极是两个平行的导电板，这两个平行的导电板具有与放电管本体相同的截面。
在一个实施例中，所述压敏电阻包括一压敏电阻本体，其由金属氧化物制成；一第一压敏电阻电极和一第二压敏电阻电极，它们位于压敏电阻本体两侧；这些压敏电阻电极由金属板制成。
根据一个实施例，所述压敏电阻是氧化锌(ZnO)压敏电阻。根据一个实施例，压敏电阻是多层压敏电阻。
根据一个实施例，所述压敏电阻由并联布置的两个基本压敏电阻组成。并联布置多个基本压敏电阻使得可以在增加承受脉冲电流的能力的同时不会增加压敏电阻的直径，这为实现小型化提供了优势。
压敏电阻可以具有各种尺寸，例如约5×5×5mm。这些尺寸特别适合于放置在电路板上的元件。可以根据最大标称(额定)工作电压来选择压敏电阻的厚度。该标称工作电压可以在几十伏到几百伏之间变化。
在一个实施例中，一个放电管电极和一个压敏电阻电极彼此平行地紧固并且通过金属焊接接头彼此电接触。或者，可以使用一中间元件，例如金属板，以在气体放电管和压敏电阻之间形成电连接。
在一个实施例中，密封且电绝缘的树脂是环氧树脂。
本发明还提供了一种用于同轴电缆的端子连接器，包括用于连接同轴电缆屏蔽层的一外围导电部分和用于连接同轴电缆芯导体的一中心导电部分，其中上述集成保护元件电连接在端子连接器的外围导电部分和端子连接器的中心导电部分之间，集成保护元件的两个连接端子分别与端子连接器的外围导电部分和中心导电部分电接触。
在一些实施例中，端子连接器可以体现为从以下列表中选择一种标准化型，列表包括KS，BNC，TNC，N和7/16连接器。
这种端子连接器可以以公连接器或母连接器的形式制造。
根据一个实施例，本发明还提供了一种用于通过同轴电缆传输射频数据的系统，该系统包括用于在两段同轴电缆之间进行连接的上述端子连接器。
附图说明
以下通过参考附图对本发明的几个特定实施例进行描述，本发明将被更好地理解，并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将变得更加显而易见，其中所述特定实施例仅以非限制性说明的方式给出。
在这些附图中：
图1是根据第一实施例的电气保护元件在未涂覆时的透视图。
图2是图1的电气保护元件在涂覆时的视图。
图3是根据第二实施例的集成电气保护元件的透视图。
图4是根据第三实施例的集成电气保护元件的透视图。
图5是用于同轴电缆的端子连接器的纵向剖视图，其中在同轴电缆中可以使用集成的电气保护元件。
图6是用于图5的同轴电缆的端子连接器的分解透视图。
图7是同轴电缆分配系统的示意图，其中在该同轴电缆分配系统中使用了图5和6的端子连接器。
具体实施方式
现在将参照图1至图4给出一保护元件1，该保护元件1用于安装在电气系统中并且使得可以防止电气系统过电压。
接下来将给出保护元件1的三个实施例。第一实施例在图1和2中示出。第二实施例在图3中示出。第三实施例在图4中示出。
图1示出了保护元件1，其包括串联连接的一气体放电管4和一压敏电阻2。
压敏电阻2优选地包括两个基本压敏电阻21和22，这两个基本压敏电阻21和22呈平行六面体的矩形形状且并联连接。每个基本压敏电阻21,22包括基于氧化锌的多层压敏电阻结构9和位于多层压敏电阻结构9的两侧的两个平面矩形电极10和11。基本压敏电阻21和22的多层压敏电阻结构9是一个平行六面体的矩形。电极10和11的尺寸与多层压敏电阻结构9的截面的尺寸相同，并且位于多层压敏电阻结构9的两个纵向端部。
电极10和11各自包括一内表面和一外表面，所述内表面与多层压敏电阻结构9接触，所述外表面朝向多层压敏电阻结构9的外侧定向。
两个基本压敏电阻21和22通过与电极10和11垂直的多层压敏电阻结构9的一侧彼此抵靠。因此，两个基本压敏电阻21和22的电极10位于一个且同一平面中，电极11也同样位于一个且同一平面中。
可选地，为了便于处理压敏电阻2，压敏电阻2包括两个平面矩形电极12和13，每个平面矩形电极具有一内表面和一外表面。矩形电极12和13的面积是电极10和11的两倍。基本压敏电阻21和22的电极10的外表面附接到电极12的内表面。基本压敏电阻21和22的电极11的外表面附接到电极13的内表面。或者，可以省略矩形电极12和13。
气体放电管4也可用首字母缩写词GDT来表示。气体放电管4包括两个电极7和8以及一圆柱形放电管本体5，本体5具有一X轴，其中X轴由绝缘材料，例如陶瓷制成。
气体放电管4的电极7和8是平面的圆形电极，它们布置在放电管本体5的两侧，与圆柱体的X轴垂直。电极7和8的直径等于放电管本体5的直径。
气体放电管4的电极7位于压敏电阻2的电极12的外表面上。因此，压敏电阻21和22的电极10通过电极12与电极7电接触，或者直接省略电极12。
所有电极7,8,10,11,12和13都是金属板，这些金属板放置在与X轴垂直的平面中。
保护元件1还包括两个连接引脚15和16。连接引脚15连接到电极8，连接引脚16连接到电极13的外表面。
最后，为了保护由此获得的保护元件1，用如图2所示的树脂涂层20覆盖压敏电阻2和气体放电4的元件是有利的。
树脂涂层20是具有X轴的圆柱形涂层。例如，保护树脂包括环氧树脂。树脂涂层20布置在压敏电阻2和放电管周围，以形成电绝缘保护屏障。仅有连接引脚15和16的一端从树脂涂层20突出以连接到电气系统。
优选地，保护元件1具有较小的尺寸，例如5.5×11mm。为此，气体放电管4例如是由申请人公司销售的参考BA，DB，BH或BG的气体放电管。
借助于这些特征，元件1可以简单地通过电连接每个连接引脚15和16来用作电路、电路板、印刷电路板或电气设备中的浪涌保护器。
保护元件1的制造过程简单且可以是机械化的；可以大批量制造保护元件1。保护元件1的制造尤其包括以下步骤：
·将元件的各种组成元件堆叠在模具内(石墨板具有孔，该孔的直径为组装的元件的直径减去树脂的直径)。
·元件是电极12和13(如果存在)、焊料预成型件(待组装的每个部件之间的锡合金)、气体放电管4和基本压敏电阻21和22。
·在回焊炉中加热，使用一系统，用于固定振动板或弹簧等部件，以保证尺寸。
·冷却。
·肉眼检查。
·焊接连接引脚15和16(可选)。
·树脂涂层20的包覆成型。
·标记。
保护元件101的两个变型在图3和4中示出。那些与图1和2类似或相同的元件使用相同的附图标记加100。
在图3的变型中，树脂涂层120在外部呈现具有方形截面的圆柱形状，并且金属板116和115形式的电触点代替连接引脚15和16。图4的实施例与其类似，不同点在于其具有圆形截面。
参考图5和6，现在描述保护元件101在同轴电缆30的端子连接器中的应用。更具体地，保护元件电连接在端子连接器的外围导电部分和端子连接器的中心导电部分之间，其中端子连接器的外围导电部分用于连接同轴电缆的屏蔽层，端子连接器的中心导电部分用于连接同轴电缆的芯导体。
在图5和6中，用于同轴电缆的端子连接器30是标准化的KS连接器。然而，可以在不同类型的连接器中，例如BNC，TNC，N，7/16等型中实现保护元件的类似布置。
端子连接器30是公连接器，其包括一外围导电部分和一中心导体部分，所述外围导电部分用于连接同轴电缆(未示出)的屏蔽层，而中心导体部分用于连接同轴电缆的芯导体。
外围导电部分由三个彼此拧紧的金属螺母组成，所述三个金属螺母例如由铝或钢制成：中间螺母31、电缆侧螺母32和端子螺母33。中间螺母31具有管状套筒34，它在电缆侧螺母32的方向上延伸到电缆侧螺母32的中心孔35中。在使用中，同轴电缆的屏蔽层端部容纳在管状套筒34的外表面和中心孔35的内表面之间的环形空间中，使得其与这两者(管状套筒34的外表面和中心孔35的内表面)均电接触。芯导体的端部和同轴电缆的介电护套的端部适配装配到管状套筒34中。
接触杆36，其例如由铜或镀银铜制成，通过由绝缘材料37和40制成的多个支撑部件适配安装至端子螺母33中，其中所述绝缘材料37和40例如由塑料材料制成。在使用中，同轴电缆的芯导体的端部适配装配在接触杆36的端部处的套筒41中，以便与套筒41电接触。同轴电缆的介电护套在接触杆36的上游中断，例如在支撑部件37上中断。
保护元件101容纳在端子螺母33的横向孔42中并且通过螺塞43保持在该横向孔42中，螺塞43也由金属制成。因此，保护元件101的一端与接触杆36的侧表面电接触，而保护部件101的另一端与螺塞43电接触，这使得其与端子螺母33电连接。
由于端子连接器30旨在用于可以位于外部的同轴电缆网络中，特别用于有限电视网络中，所以O形环45布置在各种螺纹元件之间。
端子连接器30是公连接器，其能够插入相关的母连接器(图7)中，以便分别在接触杆36和母连接器的中心导体之间以及端子螺母33和母连接器的外围导体之间提供电连接。或者，保护元件101可以布置在母连接器内。
在端子连接器30中，保护元件101是将外围导电部分连接到中心导电部分的唯一电路。保护元件101优选在周边导电部分侧设置有气体放电管，在中心导电部分侧设置有压敏电阻。这种布置使得可以最小化气体放电管(陶瓷，填充气体和薄壳)的各个特性的影响，这需要一定程度的统计离差。这提高了对组件的总阻抗的控制。
端子连接器30可以用在任何同轴电缆传输系统中，尤其可用在数据和配电系统中，在该系统中电力以直流或交流电压的形式传送，并且数据以高频(例如1MHz至100GHz的量级)调制的形式来传送。
图7部分地示出了同轴电缆传输系统50。同轴电缆46的第一部分具有一第一端，该第一端终止于阳端子连接器30。同轴电缆47的第二部分具有一端部，该端部终止于阴端子连接器48，该阴端子连接器48可连接到端子连接器30。同轴电缆46和47的每个部分包括一芯导体49，外围屏蔽层51和布置在它们之间的一介电绝缘体。根据一个实施例，外围屏蔽层51是半刚性金属管。
在操作中，在出现例如由雷电引起的瞬态过电压的情况下，保护元件101允许在同轴电缆的芯导体中引发的放电分流到用作接地电路的外围屏蔽中，使得过电压没有到达传输系统的敏感元件。过电压触发气体放电管。当施加高于其触发电压的电压时，气体放电管从非常高阻抗状态转变为近短路状态。
数值例
在适用于通过同轴电缆分配数据和电力的系统的一个实施例中，气体放电管和压敏电阻根据以下参数确定尺寸：
基本压敏电阻(每个)：
·Imax：4.5kA(8/20μs)(两次)
·Uc：65V
气体放电管(CITEL参考BA120)：
·静态触发最小值：120V
·Imax：25kA(8/20μs)(一次)
·输入：10kA(8/20μs)
产生的保护元件：
·Imax：10kA(8/20μs)(改进的机械保持)
·输入：8kA(8/20μs)(15次)
·Uc：90V
·保护等级：<280V
·短路电流：30A
尽管已经结合若干特定实施例描述了本发明，但是显而易见的是，本发明决不限于这些特定实施例，并且它包括所描述的装置的所有技术等同物及其组合，前提是这些技术等同物及其组合均落在本发明的范围内。
动词“具有”、“包括”、“包含”及其共轭形式的使用并不排除除权利要求中提及的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。除非另有说明，否则对元件或步骤使用不定冠词“一”并不排除存在多个这样的元件或步骤。
在权利要求中，括号内的任何附图标记不应被解释为对权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种用于防止过电压的集成元件(1,101)，包括：
两个多层基本压敏电阻(2,102)，其并联布置且每个多层基本压敏电阻包括第一和第二压敏电阻电极，所述压敏电阻电极是金属板(10,11)；
和一气体放电管(4,104)，其包括第一和第二放电管电极，所述放电管电极是金属板(7,8)，
所述两个压敏电阻(2,102)和所述气体放电管(4,104)串联连接在一第一电连接端子和一第二电连接端子(15,16；115,116)之间，和
一外围涂层(20,120)，其包括一密封和电绝缘树脂，所述外围涂层围绕所述压敏电阻和所述气体放电管布置，以形成一密封和电绝缘屏障，通过所述密封和电绝缘屏障，使得只能在所述外围涂层的两个相对端处接触到所述第一和第二电连接端子，
其中放电管电极(7)的其中之一和压敏电阻电极(10)的其中之一彼此平行地紧固并且通过一金属焊接接头彼此电接触。
2.根据权利要求1所述的集成元件，其特征在于，所述气体放电管(4,104)是圆柱形的，所述压敏电阻(2,102)是圆柱形的并且与所述气体放电管同轴布置，并且所述外围涂层(20)的形状是外部圆柱形的并且与所述气体放电管和所述压敏电阻同轴。
3.根据权利要求2所述的集成元件，其特征在于，所述外围涂层的截面形状为圆形。
4.根据权利要求2所述的集成元件，其特征在于，所述外围涂层的截面形状为矩形或正方形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的集成元件，其特征在于，所述电连接端子采用导电引脚(15,16)的形式。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的集成元件，其特征在于，所述电连接端子采用导电板(115,116)的形式。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的集成元件，其特征在于，所述气体放电管(4,104)包括一放电管本体(5)，所述放电管本体(5)置于所述第一和第二放电管电极之间，所述放电管本体(5)是具有一圆形截面的圆柱形，所述第一和第二放电管电极是两个平行的导电板(7,8)，所述两个平行的导电板(7,8)具有与所述放电管本体相同的截面。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的集成元件，其特征在于，所述压敏电阻包括一压敏电阻本体(9)，所述压敏电阻本体(9)由金属氧化物制成；所述第一压敏电阻电极和所述第二压敏电阻电极，其位于所述压敏电阻本体两侧。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的集成元件，其特征在于，所述密封且电绝缘的树脂是环氧树脂。
10.一种用于同轴电缆的端子连接器(30)，包括用于连接一同轴电缆屏蔽层的一外围导电部分(31,32,33)和用于连接一同轴电缆芯导体的一中心导电部分(36)，其中如权利要求1至9中任一项所述的集成元件(101)电连接在所述端子连接器的外围导电部分和所述端子连接器的中心导电部分之间，所述集成元件的两个连接端子(115,116)分别与所述端子连接器的外围导电部分和中心导电部分电接触。
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