CN1135570C - 电路保护器件 - Google Patents
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Abstract
一种电气器件,它包括第一电极、第二电极、第三电极、串联连接在第一和第二电极间的第一电阻,以及(i)热耦合至第一电阻的、(ii)表现不规则电阻/温度特性的、并且(iii)串联连接在第一和第三电极间的第二电阻。在优选的器件中,第一电阻及第一和第二电极由一单片金属形成;第二电阻是PTC导电聚合体平板,该平板有一第一主表面,第一和第二电极及第二电阻连接该表面,并有一第二主要表面,第三电极连接该表面。
Description
技术领域
本发明涉及电路过电流保护。
背景技术
正温度系数(PTC)电路保护器件是众所周知的。特别有用PTC器件包含一PTC元件,它由一PTC导电聚合体组成,即为一包含(1)一有机聚合体,及(2)在该聚合体内扩散的或分布的一种微粒导电填料,最好是碳黑和/或一种导电无机填料,例如,氧化陶磁或碳化金属、氮化金属或硼化金属,比如碳化钛。PTC导电聚合体及器件所包含的,由例如以下文件所描述,美国专利号:4,237,441、4,238,812、4,315,237、4,317,027、4,426,633、4,545,926、4,689,475、4,724,417、4,774,024、4,780,598、4,800,253、4,845,838、4,857,880、4,859,836、4,907,340、4,924,074、4,935,156、4,967,176、5,049,850、5,089,801和5,378,407,以及在国际专利公开编号:WO 94/01876、WO 95/08176和WO 95/31816。陶磁PTC材料也是为人熟知的。
包含陶磁NTC材料的负温度系数(NTC)电路保护器件亦为大家所熟知。
国际专利公开编号98/02946和98/02947描述一种过电流保护系统,它对于即使相对较小的过电流亦有迅速的响应。在该系统中,传感器元件和电路中断元件与负载串联相接,传感器元件经控制元件功能性地连接至该电路中断元件,于是,当电路中的电流超过一预定量时,传感器元件感测到过电流并与控制元件通信。控制元件使电路中断元件从一相对导电的正常状态改变至一相对非传导的故障状态(包括完全断开状态)。在一个优选的实施例中,传感器元件包含与负载串联相接的电阻器件,控制元件包含PTC器件,此器件是热耦合地连接至电阻器件并且电连接至电路中断元件。当一过电流通过该系统时,该电阻器件温度的增加导致PTC器件加热并跳至其高电阻状态。该PTC器件连接至电路中断元件以使得PTC器件电阻的增加导致电路中断元件切换到其故障状态。该PTC器件并不是与负载串联相接,因此可在远小于流过负载的正常电路电流的电流水平操作。
发明内容
本发明涉及一种器件,它包括一电阻性加热元件和一热耦合地连接至该加热元件的元件,并表现出不规则的电阻/温度特性。该器件特别地但非唯一地有用于国际专利公开编号:98/02946和98/02947所述的保护系统。
在第一方面,本发明提供一种电路保护器件,它具有平面结构并且包括:
(1)一个第一平面金属箔电极,位于所述器件的一个端部区域;
(2)一个第二平面金属箔电极,位于所述器件的与所述第一平面金属箔电极相对着的另一个端部区域;
(3)一个第三平面金属箔电极;
(4)一个第一平面金属箔电阻,它串联地连接在所述第一和第二电极之间;
(5)一个第二电阻,它是一个表现PTC特性的平板结构,并且包括一种散布在一个结晶有机聚合体中的微粒导电填料,所述平板具有一个第一主平面和一个相对着的第二主平面,所述第一和第二电极和所述第一电阻是一个固置在所述平面PTC板上的单片金属箔的不同的部分并且位于所述PTC板的第一主表面上,所述第一电阻具有小于所述第一和第二电极的每一个的横剖面面积的横剖面面积,并且所述第三电极被固置在所述平面PTC薄片的所述第二主表面上。
第一电阻必须是一个这样的电阻,即当通过它的电流从第一值(通常为正常的工作值)改变至第二值(通常为不正常的相对高的故障值)时,其温度发生实质性的改变(改变的结果是由于其内电阻性加热而产生的热量的改变,也称为焦耳或I2R热)。作为第一电阻的温度改变的结果,第二电阻的温度发生改变,因此第二电阻的阻值改变。此依序实质地改变流经第一和第三电极之间的电流。
本发明的器件特别有用于当(a)第二电流值是一故障电流,它实质上高于第一电流值(即正常工作电流),因此导致第一电阻的温度增加;及(b)第二电阻是一PTC电阻,作为第一电阻在其内产生的热的结果,它的电阻值有实质上的增加,因此减少流经第一和第三电极之间的电流。因此,本发明主要将参照这种器件而加以描述。然而,可以理解,本发明也包括如上述所界定的以不同方法达到有用结果的器件,例如这样的器件,其中(a)电流的改变减少了第一电阻产生的热量,因此降低第二电阻的温度;及/或(b)流经第一电阻的电流的改变是电流的量的减少;及/或(c)流经电阻的电流的改变是其频率的改变,它改变了第一电阻在其内产生的热量;和/或(d)第一电阻是一个依电压而改变的电阻;和/或(e)第二电阻是一NTC电阻。’
本发明的器件在下列电路中特别有用,其中(a)第一和第二电极及第一电阻是与负载串联相接的,及(b)第一和第三电极及第二电阻是与耦合至一电路中断元件的控制元件是串联相接的,使得当有过电流流经负载时,流经控制元件的电流的减少启动电路中断元件造成中断,或者实质上减少流经负载的电流。例如,控制元件可以是一个继电器线圈及电路中断元件,一组继电器接触点由继电器线圈控制。或者,控制和电路中断元件可以结合成一个三端子固体器件。对于更详细和具体的电路,请参见国际专利公开编号:98/02946和98/02947。
本发明还包括一种电气组件,它可以被分成多个如前所述的器件并包括:
(1)一个平板结构,它表现PTC特性并且包括一种散布在一个结晶有机聚合体中的微粒导电填料,所述平板具有一个第一主平面和一个相对着的第二主平面;
(2)一个第一平面金属箔构件,它固置在所述PTC平板的所述第一主表面;和
(3)一个第二平面金属箔构件,它固置在所述PTC平板的所述第二主表面;至少所述第一和第二金属箔构件的其中之一已被蚀刻,使得所述组件包括多个相同的组件子部分,每一个所述组件子部分
(i)当所述组件被分成多个器件时,包括如前所述的器件,及
(ii)包括(a)一个金属箔构件,它固置在所述PTC平板的第一主表面并且限定所述第一电极、所述第二电极和所述第一电阻,(b)所述PTC平板的一个子部分,及(c)固置在与所述PTC平板的所述第一主表面相对着的表面上的所述第三电极。
附图说明
对本发明参照附图进行说明,附图中,
图1和2分别是本发明的一个器件的俯视图和底视图,及图3和4分别是图2的经由线3-3和4-4的横剖面图;
图5和6分别是本发明另一器件的俯视图和底视图,及图7和8各别是图6的经由线7-7和8-8的横剖面图;
图9和10分别是本发明的又一器件的俯视图和底视图;
图11是图9的沿着线11-11的横剖面图;
图12是图10的沿着线12-12的横剖面图;
图13和14是本发明的固置在电路板上的一个器件的横剖面图;
图15是本发明的固置在电路板上的另一器件的横剖面图;
图16是发明另一器件的平面图;
图17是图16的沿着线17-17的一横剖面图;
图18是本发明的一个电气组件的平面图;及
图19是根据本发明的电路。
具体实施方式
第一电阻最好与第一和第二电极的其中之一集成,特别地,与该两个电极集成。例如,第一电极、第二电极和第一电阻最好从一单片金属的中央部位移走部分金属而形成,如(a)蚀刻已固置在PTC材料(它不会因蚀刻过程而改变)的一金属层(例如一金属箔),或(b)在将一金属块连接至该器件的剩余部分之前先压印,或(c)压印一金属叠层及一PTC层(在此情形下,PTC层和其他叠层,例如在该叠层的相对着的表面上的第三电极,假设是相同形状的)。第一电阻(与电流方向成直角)的横剖面面积最好是各电极的横剖面面积0.1-0.8倍,尤其是0.15-0.5倍。第一电阻可以是单支、双支或多支,延伸在第一和第二电极之间。
在本发明的其它实施例中,第一电阻是碳电阻、绕线电阻或PTC电阻。原则上,可以采用任何电阻,只要对过电流有响应,可加热第二PTC电阻以使得第二电阻内至少部分PTC材料的电阻陡峭地增加即可。因此,如果第一电阻是PTC电阻,它应具有一高于第二电阻的切换温度。
PTC第二电阻最好是带第一和第二主表面的平板形状,至少第一和第二电极的其中之一固置在第一主表面并且第三电极固置在相对着的第二主表面。此PTC材料最好包含一种有机聚合体,并有一种微粒导电填料散布于其中。然而,也可采用熟知的PTC陶磁。此PTC材料的电阻、第二电阻的尺寸以及第一和第二电阻之间的热耦合,都应选择成可获得(a)正常工作期间在第一和第三电极之间(即通过第二电阴)的预期的电流,及(b)当出现故障时,电流具有预期的减少。如需要,一种热绝缘和电绝缘材料可置于至少部分的或通常是全部的第一电阻之上,及/或一个导热(或者导电)材料层可置于第一和第二电阻之间,以修正(通常增加)传送至第二PTC电阻的热量。通常可以预期,故障状态应减少第一和第三电极之间(或(i)在第一和第二电极间,及(ii)对于第三电极来说,多数情况是,在第二和第三电极之间也有电流)的电流至小于正常工作电流的0.6倍,特别地,小于正常工作电流的0.4倍。
通常希望将此器件连接到一个电路板上。为此目的,在适于连接到电路板的器件的实施例中,第二电阻是PTC材料平板,此平板具有第一主表面和与之相对着的第二主表面;第一、第二和第三电极是第一、第二和第三平面金属构件,第一和第二电极固置在该平面PTC板的第一主表面;第三电极则固置在PTC平板的第二主表面;该器件还包括一个电连接器,它从第三电极延伸至第一和第二电极的平面。该器件最好还包括一个第四平面金属构件,它固置在该PTC平板的第一主表面并与第一和第二电极分开;该电连接器接触PTC平板并连接至第三电极和第四金属构件。通常该器件包含两个第四金属构件以提供形状、电和热的对称性,使该器件在安装时无需确保某种特别的方位。该电连接器可与第二电阻分开,但最好是与之相连接的。特别地,该连接器最好是穿过第二电阻的一个凹孔,这里的术语凹孔用于指示一个开通部分,它:
(a)具有一个闭合的横剖面,如圆形、椭圆形或一般地为矩形形状,或
(b)具有一个开凹角横剖面,它(i)具有一深度至少是该横剖面的最大宽度的0.15倍,优选为至少0.5倍,特别为至少1.2倍,例如,四分之一圆周或半圆或开终端的凹槽,和/或(ii)具有至少一部分其中该横剖面的相对着的边缘是相互平行的。
不难知道,这样的连接器通常是一个通道。
在适合安装在电路板的器件的另一实施例中,该器件与该电路板有间隔,该器件包括连接至第一电极的第一电导线、连接至第二电极的第二电导线及连接至第三电极的第三电导线,各导线均有远距的末端。各导线的远距末端最好止于同一平面,以备将该器件连接至电路板。对一些应用而言,各导线的远距末端可以成形为能够容易地插入电路板的穿孔。各导线可以成形为能够确保其在形状上不包括该PTC元件,如美国专利编号4,685,025(Carlomagno)所公开的。
本发明的器件的尺寸是用以操作与该器件串联连接的电路组件所需的预期工作电流的函数。通常,器件具有的最大尺寸为1平方英寸(645mm2)。在固置到电路板之前,从第一至第二电极或第一至第三电极对该器件的电阻进行的测量一般是小于100欧姆,优选地小于50欧姆,尤其是小于20欧姆,特别地小于10欧姆,更特别地小于5欧姆。对一些应用而言,该电阻要更低得多,如0.010至0.500欧姆。一般地,从第一至第二电极测量到的电阻是远小于从第一至第三电极测量到的。该器件电阻可以由第二电阻的PTC组成的电阻、第二电阻的厚度和该器件的面积来控制。在本发明的器件所适用的应用中,一般的工作电流,例如从第一电极通过第一电阻至第二电极的电流是15至60安培,虽然不同的器件所适用的应用会具有较高或较低的工作电流。故障电流一般至少是工作电流的1.35倍,优选地为至少1.4倍,特别地为至少1.5倍。
本发明的器件最好由一电气组件制成。该组件包括一个具有PTC特性的平板结构,并且最好是PTC导电聚合体组成的平板。第一和第二平面金属箔构件固置在该平板的第一和第二主表面。第一和第二平面金属箔构件的其中至少一个,通常两个,已被蚀刻,或已成型或已有材料被移去,以使得该组件包含多个子部分,最好是多个相同的子部分。当该组件被分成多个器件时,各组件子部分变成器件。各组件子部分包括(a)固置在该PTC平板的一个主表面的金属箔构件,并包括第一电极、第二电极和串联连接在第一和第二电极之间的一个电阻,(b)该PTC平板的一个子部分,及(c)固置在与该PTC平板的一个子部分相对着的表面上的第三电极。该组件可通过任何适用的方法分成多个器件,例如通过剪切、分割或间断地弄碎,即如国际专利公开编号WO95/34084所述。通常,还有例如国际申请专利公开编号WO95/31816号所述类型的一种焊接外罩,特别地,如果进行蚀刻第一和第二金属箔构件的其中之一或两者的话。该焊接外罩可做为一电绝缘层或热绝缘层,并可覆盖第一电阻的至少一部分。该组件最好为第一和第二金属箔构件已被蚀刻。此使得该组件具有平衡的物理性质,例如,它可防止该组件在制造时由于不同热膨胀而造成的伸缩不均匀。
现在参阅各附图,图1至图4展示本发明的一个电器件100。图1和2是该器件100的俯视图和底视图,图3和图4分别是图2的沿线3-3和4-4的横剖面图。第一电极1和第二电极2由第一电阻4适接并定位于第二电阻5的第一主表面10,第二电阻5是一平板形状的PTC导电聚合体。第三电极3定位于第二电阻5的第二主表面11。
图5至8展示本发明的另一电器件100。图5和图6是该器件100的俯视平面图和底视平面图,图7和8分别是图6沿线7-7和8-8的横剖面图。电连接器6,在此示为一个涂覆金属的通道,通过第二电阻5将第三电极3连接至第四金属构件7。如图所示,器件100对称地包括两个连接器6和两个第四电极7。这对于例如需避免该器件在电路板上小心定位的应用来说是理想的。
图9至图12展示本发明的又一电器件100。图9和10是俯视平面图和底视平面图。如图11的沿着图9的线11-11的横剖面图所示,第一电阻4以平行支的形式位于顶端表面并且至少部分地被电绝缘层和热绝缘层8所覆盖。图12的沿着图10的线12-12的横剖面图示出电连接器6,它通过第二电阻5将第一电阻1连接至第三电阻3和将第二电阻1连接至第三电阻3。
图13和图14示出图1至4的器件以平行于电路板的结构固置在电路板14的情况。第一电导线12连接至第一电极1,第二电导线13是连接至第二电极2。在图13中,第一和第二导线的形状容许表面直接固置到电路板14;第一导线12连接至第一衬垫15,第二导线13连接至第二衬垫16,第三电极3连接至第三衬垫17。第一、第二和第三衬垫可以是焊接剂、导电粘着剂或任何其它适合的材料。图14的器件的第一和第二导线12、13容许穿过孔将第一导线12安装到第一孔18,及将第二导线13安装到第二孔19。
图15示出图1至4的器件以垂直方式安装在电路板14的情况。第三电导线15连接至第三电极。第一、第二和第三导线12、13和15分别安装到第一、第二和第三孔18、19和20。
图16示出本发明的器件100的平面图,图17是图16的沿着线17-17的横剖面图。在此实施例中,电连接器6’从第三电极3延伸至第一和第二电极1和2的平面,但是一带状而非一通道。第一电极1、第二电极2和电气连接器6’可被安装在电路板衬垫上。
图18示出本发明的组件21的平面图。子部分22、23、24具有三个略微不同的蚀刻形状组件21。分开后,各子部分将分别形成一个器件。
图19是本发明的一个电路的电路图,它一般地对应于国际专利公开编号WO98/02946的图3。过电流电路200采用一个第二电阻5、一个第一电阻4、一个继电器线圈25、一组接触点26、27、28、29及一个通/断开关30的配置。在电路200中,电阻4与负载31串联相接,第二电阻5与继电器线圈25串联相接,之后再与电源32两端串接。地是元件33。
Claims (11)
1.一种电路保护器件,它具有平面结构并且包括:
(1)一个第一平面金属箔电极,位于所述器件的一个端部区域:
(2)一个第二平面金属箔电极,位于所述器件的与所述第一平面金属箔电极相对着的另一个端部区域:
(3)一个第三平面金属箔电极;
(4)一个第一平面金属箔电阻,它串联地连接在所述第一和第二电极之间;
(5)一个第二电阻,它是一个表现PTC特性的平板结构,并且包括一种散布在一个结晶有机聚合体中的微粒导电填料,所述平板具有一个第一主平面和一个相对着的第二主平面,所述第一和第二电极和所述第一电阻是一个固置在所述平面PTC板上的单片金属箔的不同的部分并且位于所述PTC板的第一主表面上,所述第一电阻具有小于所述第一和第二电极的每一个的横剖面面积的横剖面面积,并且所述第三电极被固置在所述平面PTC薄片的所述第二主表面上。
2.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,还包括:
(6)一个电连接器,它从所述第三电极延伸至所述第一和第二电极的平面。
3.根据权利要求2所述的器件,其特征在于,
(a)还包括
(7)一个金属箔的第四平面金属构件,它固置在所述平面PTC板的所述第一主表面并与所述第一和第二电极以及所述第一电阻空间地分开;及
(b)其中所述电连接器穿过所述平面PTC板并且连接至所述第三电极和所述第四金属构件。
4.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,还包括:
(8)一个电绝缘和热绝缘层,它至少部分地覆盖所述第一电阻。
5.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,它包括一个连接至所述第一电极的第一电导线、一个连接至所述第二电极的第二电导线和一个连接至所述第三电极的第三电导线,所述各导线均有远距的末端。
6.根据权利要求5所述的器件,其特征在于,所述各远距的末端止于同一平面。
7.根据权利要求3所述的器件,其特征在于,所述电连接器包括一个从所述第三电极至所述第四平面金属构件的穿过所述平面PTC板的通道。
8.一种电气组件,它可以被分成多个如权利要求1所要求保护的器件并包括:
(1)一个平板结构,它表现PTC特性并且包括一种散布在一个结晶有机聚合体中的微粒导电填料,所述平板具有一个第一主平面和一个相对着的第二主平面;
(2)一个第一平面金属箔构件,它固置在所述PTC平板的所述第一主表面;和
(3)一个第二平面金属箔构件,它固置在所述PTC平板的所述第二主表面;至少所述第一和第二金属箔构件的其中之一已被蚀刻,使得所述组件包括多个相同的组件子部分,每一个所述组件子部分
(i)当所述组件被分成多个器件时,包括如权利要求1所要求保护的器件,及
(ii)包括(a)一个金属箔构件,它固置在所述PTC平板的第一主表面并且限定所述第一电极、所述第二电极和所述第一电阻,(b)所述PTC平板的一个子部分,及(c)固置在与所述PTC平板的所述第一主表面相对着的表面上的所述第三电极。
9.根据权利要求8所述的组件,其特征在于,每一个所述组件子部分包括:
(4)一个第四金属箔构件,它(i)固置在所述PTC平板的与所述第一和第二电极相同的表面上,并且(ii)与所述第一和第二电极分开;及
(5)一个电连接器,它(i)穿过所述PTC平板的所述子部分,并(ii)连接至所述第四金属箔构件和所述第三电极。
10.根据权利要求8所述的组件,其特征在于,所述第一和第二金属箔构件已被蚀刻,使得所述组件可被分成多个器件而无需将金属箔构件中的任何一个分开。
11.根据权利要求10所述的组件,其特征在于,所述第一和第二金属箔构件已被蚀刻,使得该组件具有平衡的物理性质,用于防止在制造时由于不同热膨胀造成的不均匀的伸缩。
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