CN1138295C

CN1138295C - 电熔断器

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Publication number: CN1138295C
Application number: CNB971803552A
Authority: CN
Inventors: M3; M·鲁帕拉; �ױ�; A·约伦贝克; P·佩斯尼克; B·弗雷赫特
Original assignee: Wickmann Werke GmbH
Current assignee: Wickmann Werke GmbH
Priority date: 1996-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2004-02-11
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JP2001505709A; EP0943150A2; DE29621154U1; WO1998025285A3; DE69702719D1; EP0943150B1; ATE195199T1; DE69702719T2; CN1240050A; WO1998025285A2

Abstract

本发明涉及一种电熔断器，该电熔断器具有一个串联电路，此串联电路由一个PTC元件和一个可熔断导体形成。为形成对老化现象或PTC元件的额定电阻的增大具有自动触发调整能力并且具有简单和紧凑整体电路结构的上述类型的电熔断器，本发明提出PTC元件(2)和可熔断导体(3)具有紧密的热耦合。

Description

电熔断器

本发明涉及一种电熔断器，该电熔断器具有一个串联电路，此串联电路由一个PTC(正温度系数)元件和一个可熔断导体形成。

专利说明书DE4143095公开了这种类型的一个电组件，它能防止由过大电流引起的过载情况的发生。一个PTC元件在开关模式下工作，其中建立了与电流相应的温度，此温度又决定了PTC元件的电阻。为了防止每个PTC元件热过载，设置了PTC元件和一个可熔断导体的串联电路。一个导电连接元件连接在PTC元件和可熔断导体之间。所述的连接元件在可熔断导体和PTC元件之间起到导电连接作用，并且对于PTC元件起到散热部件的作用，同时对于可熔断导体起到保护壳体的作用。可熔断导体是这样设计的：它能在万一发生可能导致PTC元件损坏或者电路烧坏的严重过载情况下使PTC元件与外触头电隔离开。当可熔断导线熔化或汽化时，具有复杂结构的这种连接元件还起到等离子体收集器的作用。

国际专利申请WO95/35577公开了一种电熔断器，它包括一个串联电路，此串联电路由一个盘形的PTC元件和一个印刷电路的可熔断元件组成。在这种情况下，借助于夹紧接触件，陶瓷的PTC元件电连接在承载印刷电路的衬底的一侧上，呈印刷的可熔断元件形式的可熔断导体设置在衬底的后侧。PTC元件要能够通过在其可逆开关范围内的快速和大的电阻变化来保护下游电路。PTC元件的过载范围是由600V电压下10-40A的电流确定的。在这种情况下，极其快速动作的可熔断线路要能够实现电路的完全电隔离，以便防止PTC元件烧坏和/或爆炸。

各个元件的布置和电路的结构以及PTC元件的接触形成方式允许高效地制造电路，由于针对低标准电阻而言陶瓷PTC元件所需具有的尺寸，这对微型化产生了严格限制。

根据已有技术，PTC元件可能损坏的临界范围由适当额定参数的可熔断导体所覆盖。所引用的两份文献均假设：在低于由过压和热过载情况或高电流确定的临界范围时，PTC元件是作为一个由温度控制的电阻器连续工作的，并且在开关模式下的预定特性不会发生任何变化。可熔断导体是根据这些PTC特性确定其额定参数的。如果在工作过程中PTC元件的标准电阻增大，例如由于老化现象而增大，那么基于安全原因所需的电隔离的点就会偏移，而不能适应可熔断导体的触发特性。

另外，就其开关特性而言，与具有慢速动作特性的可熔断线路相比，每个PTC元件具有明显大的惰性(迟缓性)。

因此，本发明的目的是要提供一种上述类型的电熔断器，该电熔断器具有简单和紧凑的结构，同时能够避免上述的缺点。

根据本发明，这个目的是这样实现的：PTC元件和可熔断导体具有紧密的热耦合。

根据本发明的一种电熔断器包括一个串联电路，此串联电路是由一个PTC元件和一个可熔断导体形成的，其中考虑了与老化相关的PTC元件的电阻的变化。因此，在几次经历可逆开关间隔之后，PTC元件已经具有增大的标准电阻。对于相同的电流，由此产生的热量达到一个增大的程度。根据本发明，可熔断导体与PTC元件的紧密热耦合使得可以根据PTC元件的特性设定可熔断导体的热工作点。结果，熔断元件的开关特性受到决定性的影响。因此，随着PTC元件的温度的变化，在给定的PTC元件的高温下，当出现稍微增加的甚至极短暂的过载情况或过载尖峰时，可熔断导体尽可能早地触发。

万一有高的过流，对于大多数应用而言PTC元件反应太迟缓，因此不能提供充分的保护。甚至在达到PTC元件的临界温度之前的时间中，这种很迟缓的特性也可能导致下游电路的过载并导致其损坏。根据本发明，可熔断导体与PTC元件的热耦合使得可以由可熔断导体的特性替代PTC元件的这种在高电流范围内太过迟缓的特性。这就获得了一种新的熔断器特征，其特性可以由PTC元件和可熔断导体两者决定。根据本发明的熔断器的这种新特性将在下面参照一组特性曲线示意图详细阐述。

在一种改进方案中，PTC元件和可熔断导体之间的紧密热耦合是借助于以下方式实现的：可熔断导体形成一根引线，此引线连接至PTC元件的一个触头。这不仅提供了直接的电接触，而且提供了很好的热接触。在工作过程中，在可熔断导体和PTC元件之间的接触点的区域中将建立热平衡，所述热平衡是由PTC元件的热损耗决定的。因此，可熔断导体的热工作点由PTC元件决定。

可熔断导体可以有利地设计为一根导线或扁平导线。在这种情况下，优选采用在试验和测试的可熔断线路中已经使用过类型的可熔断导线。尤其是当尺寸很小时，也可采用一根焊线(bonding wire)作为可熔断导体，一个外触头通过它电连接至PTC元件的一个触头。在每种情况下，均以这种方式实现了与PTC元件的接触并且提供了可熔断导体，所提出的形成接触的类型还可通过其接触点之间的膨胀补偿的能力来加以区分。当与权利要求9结合时，这种特性的重要性变得尤其清楚。

采用一根导线作为可熔断导体，这明显地简化了根据本发明的电熔断器的制造，并且还使总体电路成本降至最低。紧密热接触发生在PTC元件表面上的导线的基点处，并且在PTC元件持续过热的情况下保证了可靠的断开式电隔离。特别是，除了熔断器的上述两个元件之外，仅仅需要两个外触头和承载整体结构的一个衬底或熔断器壳体，正如下面采用一个实施例所描述的。

根据权利要求4，还可以采用一个导电层作为可熔断导体，以形成连接至PTC元件之一个触头的引线。为了适应可熔断导体的功能，这种导电层在至少一个点处具有一个收缩部分，当可熔断线路被触发时，此收缩部分断开。当用于根据本发明的电熔断器中时，这种收缩部分可以通过与PTC元件适当地接近而形成紧密热耦合。与已有技术不同，在这个实施例中，熔断元件和PTC元件设置在用以承载整体结构的衬底的同一侧上。这简化了整个熔断器结构与其周围环境的隔离和/或分隔以及制造。

根据权利要求6，可熔断导体还可形成为厚膜导体。当采用膏状的PTC化合物材料时，这个实施例的优点变得尤为清楚，因为在这种情况下可以将整个电熔断器连同其组合元件均匀地制成一个厚膜电路。

在一个优选实施例中，通过将可熔断导体设置在PTC元件上，PTC元件和可熔断导体之间的热耦合尤其得以加强。特别是，在这种情况中，可熔断导体设置在PTC元件的一个连接电极上。按照一种有利的方式，可熔断导体直接由一个用作接触区域的PTC元件金属化层形成，除了一个连接点之外，可熔断导体通过一个电绝缘层与PTC元件和/或金属化层电隔离开。通过选择合适的材料，电绝缘层可以很薄，因此PTC元件和可熔断导体之间的热阻是极低的。按这种方式，具有良好的热耦合特性的PTC元件本身用作可熔断导体的衬底。在没有一个单独衬底的情况下，本发明的熔断器能够以很紧凑的结构和最少量的独立零部件及工艺步骤进行制造。在这种情况下，可熔断导体可以是一根导线或者层状的可熔断导体，这根据所需的触发特性决定。如果可熔断导体由一种覆盖化合物物质或者可固化的热稳定软膏覆盖，在某些情况下，正如将采用一个示例性实施例显示的那样，甚至可以省去外壳。

在上述电熔断器的一种改进方案中，与可熔断元件的连接区域相对置的触头被设计成位于电绝缘层上的一个端接区域。至少一个外连接元件，尤其是一个导线形式的连接脚被固定至端接区域。因此，本发明的熔断器适合直接地安装在带有孔的常规电路板上。不过，安装在与IEC标准触点格栅(contact grid)匹配的公知壳体结构中也是可行的，与端接区域上的壳体连接件形成接触。

在一种特别有利的改进方案中，PTC元件由一种聚合物材料构成。这种材料的特征是电阻随温度急剧变化。电阻的变化是由受温度控制的热膨胀造成的。为了补偿这种膨胀，最好采用导线形式的可熔断导体，并且在主膨胀方向上形成接触。不过，永久的接触也可能形成在与主膨胀方向垂直的方向上。下面将采用一个示例性实施例来描述这个特征。

采用片状的聚合物基体可以有利地实现可微型化的电熔断器中PTC元件的集成化。由于其扁平的形状，与这种聚合物基体形成可靠接触是可能的，并且它们具有很小的结构高度、低的重量和良好的PTC特性。根据权利要求11，优选的是由温度控制的膨胀基本上沿一个主方向的所述类型的PTC元件，结果是，膨胀方向有利地垂直于PTC元件的一个给定支承面。

根据本发明的电熔断器还可有利地以所述的方式与陶瓷PTC元件或与由烧结基体形成的PTC元件形成接触。例如，在根据本发明的熔断器中，可以采用钛酸钡(BaTiO₃)作为PTC元件，这样，相对于根据已有技术的比较熔断器，这种熔断器的特性明显地得到改善。

在一种改进方案中，根据本发明的电熔断器的结构是如此选择的：它还可以插入公知的壳体中，由此提供已经证实的和可靠的保护，使之免受外界环境的影响。另外，这种壳体是按照常规的标准触点格栅大量制造的，并且为本发明电熔断器的很紧凑的结构提供了充足的空间。

按照权利要求14，根据本发明的电熔断器的尺寸可以减小到这样的程度：它可以是一个SMD可安装元件。由此，本发明的熔断器已经可以按照符合自动化机器生产的方式采用现代的制造和装配工艺没有任何问题地整体形成。

可熔断导体的开关特性是由PTC元件的热损耗热控制的。不过，在断开时刻，它还可以有利地由限弧或消弧材料辅助。这种材料最好设置在可熔断导体的熔断区(blowing-zone)的区域中。

根据权利要求16，可熔断导体是这样构成的：扩散工艺可在工作过程中进行。这使得可熔断导体的断开特性与快速动作熔断器相比动作更慢。尤其是，为了这个目的，一层锡电解淀积在可熔断导体上，随着温度的变化，此层从表面扩散至可熔断导体内的一点。

与根据已有技术的上述熔断器不同，本发明总是形成简单的和便于微型化的结构，其具有大为改善的开关特性，甚至在本发明的上述全部特征和改进方案被考虑和/或实现时也是如此。

下面将参照附图描述本发明的示范性实施例，附图中：

图1是一组特性曲线的示意图；

图2是没有外壳的熔断器的一个实施例的透视图；

图3是没有外壳的熔断器的另一实施例的透视图；

图4a和4b是熔断器的另一实施例的两个示意图。

图1以示意性图例的方式显示出一种电熔断器的特性曲线，该电熔断器包括一个串联电路，此串联电路是由一个PTC元件和一个热耦合可熔断导体形成的。在此图中画出了一个熔断器的一个PTC元件的特性曲线和一个可熔断导体的特性曲线，这些特性曲线是开关时间t对电流强度I的变化曲线，其中两个轴均是对数标度。在这种情况下，在低电流区域中，PTC元件的特性曲线位于熔断器的可熔断导体的特性曲线之前。在较高电流区域中，这些特性曲线最后会聚于一个交叉点处。然后，随着电流继续增大，这些特性曲线进而分离，熔断器的可熔断导体的特性曲线总是明显地处于PTC元件的特性曲线之前。因此，在这个区域中，可熔断导体的动作明显早于PTC元件。

因此，这两条特性曲线的交叉点确定了两个区域之间的界限，在这两个区域中，由这两个元件形成的热耦合串联电路是以明显不同的方式工作的。在位于交叉点左侧的区域中，PTC元件通过调节其固有的电阻以可逆隔离方式、换句话说以可重复的开关动作的方式实现过载调节。位于交叉点右侧的是永久和完全电隔离的区域，其中，当PTC元件的温度已经急剧升高时，可熔断导体执行电路的电隔离，从而以由温度指示控制的方式提供保护，防止由于PTC元件的过度缓慢的开关特性而可能在PTC元件上发生的损坏或者单独在下游电路发生的损坏。

仅仅当PTC元件的温度为恒定值并且因此熔断器的可熔断导体的工作温度为恒定值时，作为位于可逆的导电区域或不可逆的隔离区域之间的界限的交叉点才形成一个固定的点。这里是对应于例如125℃的温度画出的曲线。由于PTC元件的温度的紧密热耦合，这个点随整个可熔断线路的特性曲线以与图1中箭头所示方向相对应的方式移动。这还使PTC元件避免了在临界电流区域中工作。

图2是熔断器1的一个实施例的透视图，该熔断器是由包括PTC元件2和可熔断导体3的一个串联电路构成的。在这种情况下，呈导线4形式的可熔断导体3用作从一个触头6引出的一根引线，它向外延伸连接至PTC元件2的一个连接点7。在这种情况下，PTC元件2最好由一种具有PTC特性的聚合物8构成。聚合物8的特点是具有优先膨胀方向9。它是作为片状的聚合物基体10由多家厂商制造的，但仅仅是其适于这种应用的一部分被安装在熔断器1中。在这种情况下，金属层12被涂敷在片状聚合物基体10的这一部分上，涂敷层所处表面垂直于优先膨胀方向9。上金属化层12形成用于导线4的连接点7；下金属化层12电连接至第二外触头6，这种电连接是例如借助于导电的粘结层13实现的，粘结层13由导电的粘结剂或焊膏形成。

导线4在左侧触头6上的粘结层13和聚合物8的金属化层12之间自由布置。在熔断器壳体(未示出)内，这个区域14可以采用消弧或限弧材料填充。这样做不仅可以为导线4提供引导，而且还可形成导线4的机械稳定性。

为了保护PTC元件2免受电弧影响，还可以选择通过一种封装化合物来覆盖区域14，其中可熔断导体的熔断区位于此区域中。在极其微型化的情况下或者为了形成可熔断线路，导线4还可由焊线替代。由于热耦合，可熔断导体的极快动作特性通常是不必要的。

在导线3的表面上设有一个涂覆层，此涂覆层是由锡形成的并且最好是电解淀积的。导线3本身是由例如银、铜或金构成的。采用锡进行表面涂覆的效果是，在可熔断导体的工作过程中，与温度相关的扩散过程可以发生，由此与快动作可熔断线路相比，导线的断开特性变得动作越来越迟缓。对于其它的可熔断导体设计方案，本身也存在相似的过程。

图3是根据本发明的熔断器的另一实施例的透视图。在这种情况中，一个导电层16已被涂敷在一个衬底15上，导电层16在位置17处具有一个收缩部分18。按这种方式形成的导电层16可以这样制备，例如，采用丝网印刷方法制成厚膜。除了印刷电路之外，对于这种应用而言，光化学方法制备的电路板也是可以的。外触头6被电解淀积在衬底15上或者以烧结膏的形式被涂敷在衬底15上。在这种情况中，导电层16从左侧的触头6延伸至稍稍位于右侧触头6之前的一个位置处。在右侧触头6和导电层16之间，直接的电连接在区域19中被隔断。隔断区域19被PTC元件2的片状聚合物基体10的一部分覆盖，聚合物基体10一端电连接至层16的宽端，另一端电连接至外触头6。因此，在另一实施例中，在两个外触头6之间，再次制成了由可熔断导体3和PTC元件2组成的串联电路。

应当指出的是，可熔断导体3的熔断区所在的区域14设置成紧靠PTC元件2，由此实现紧密热耦合。在这种情况中，这个熔断区14可以由一种封装化合物覆盖，该封装化合物具有合适的消弧材料特性。

图3中所示的熔断器代表SMD可安装元件20的示例性设计。通过同样采用丝网印刷方法或另一种厚膜制备方法将PTC元件用作一种涂层膏，用于制备这种元件的工艺可以标准化。但是，也可采用常规的标准PTC元件例如作为聚合物片10的某些部分。这种片状的聚合物基体10通常在两侧表面上带有作为触头的金属化层12。为了应用于熔断器1的这个实施例中，待连接至可熔断导体3和外触头6的接触区域被隔断，以避免在区域19中发生短路。于是，电流从可熔断导体3的端部通过PTC元件2流至触头6。

按照一种与上述的片状聚合物基体10整体构成类似的方式，采用相似构造的陶瓷基体也是可行的，例如由钛酸钡制成的陶瓷基体。由此，参照图2和3描述的实施例的制造采用所有常规的PTC设计是没有问题的。

根据仔细选择的可熔断导体和PTC元件之间的热耦合以及现代PTC材料的特性，所述的熔断器的尺寸可以很小，小至足以使在图2和3中示出的熔断器结构例如安装于公知的熔断器壳体中，该公知的熔断器壳体诸如TR5^或SM3^壳体。结果，熔断器获得了一个附加的外保护罩。由此，它们更好地免受外部干扰，同时还能有效地使它们的周围环境免受在熔断器由可熔断导体断开的情况下所逸出的等离子体的影响。另外，这种类型的壳体能够与连接件的相应IEC触点格栅间隔相匹配，并且能大批量地进行制造。

图4a和4b为熔断器1的另一实施例的两个示意图。在熔断器1的这种非常紧凑的设计中，可熔断导体3直接设置在PTC元件2上，结果，在这两个电路元件之间建立了很强的热耦合，以便可熔断导体工作点能够自动适应老化现象或者PTC元件的标准电阻增大现象。在这种情况下，PTC元件2可以由陶瓷或塑料基体形成，并且同时用作可熔断导体3的衬底。由此，与例如图2的设计不同，在图示的此示例性实施例中，熔断器将在完全不使用衬底15的情况下构成。

在这个示例性实施例中，可熔断导体3是一种厚膜可熔断导体。不过，它也可设计成导线型可熔断导体，因为由于和PTC元件2非常靠近，在这两种情况下均能保证与PTC元件2的良好热耦合。在此示例性实施例中，可熔断导体3的两个连接点7在每种情况下均位于PTC元件2上，一个连接点7直接设置在金属化层12上。为了避免熔断元件3的短路，第二连接点7位于一个金属端接区域22上，此区域22的一部分固定在一个电绝缘层23上。因此，端接区域22通过绝缘层23与金属化层12和PTC元件2的材料电隔离。不过，为了这个目的，与图4a中所示的情况不同，金属化层12没有必要为绝缘层23设缺口24。这些层都很薄，并且由此可以容易地相互重叠设置。

除了用于可熔断导体3的第二连接区域7之外，端接区域22还使得一个外连接元件25的导电固定成为可行。在这种情况下，导线状的连接脚26已被选择作为连接元件25，结果，熔断器1可以插至带孔的电路板中。当然，端接区域22也可以与可熔断导体3设计成一个部件，例如在扁平导线式的可熔断导体或冲压金属片形式的可熔断导体3的情况下。然后，按照通常的方式，实现PTC元件2的金属化层12上的固定和接触形成。端接区域22可以例如通过粘结剂粘结在电绝缘层23上而被固定，在这种情况下绝缘层23本身的材料也可用作粘结剂。

图4b以侧视图形式示出了图4a的实施例，它展示出熔断器1的简单结构。绝缘层23的插入形成了这样的电流路径：从连接脚26通过PTC元件2至可熔断导体3的第一连接点7，通过可熔断导体3至第二连接点7和端接区域22并且由此至第二连接脚26。由于PTC元件2的金属化层12中的缺口24，可熔断导体3和PTC元件2仅仅通过很小厚度的绝缘层23而实现彼此电隔离。不过，这个小的隔离保证了可熔断导体3和PTC元件2所要求的良好热耦合。

如果可熔断导体3由公知的覆盖层或封装化合物覆盖，图4a和4b所示的实施例也可以不采用一单独的壳体，因为由可熔断导体在断开时释放出的等离子体可以被俘获，因此不会对周围电路产生任何损害。

借助于图4b中的侧视图示出的紧凑结构，在没有任何进一步的结构适配措施的情况下，也可容易地将本实施例的熔断器插入设备熔断器领域公知的壳体结构中、例如上述的TR5^壳体中。

Claims

1.一种电熔断器，它具有一个串联电路，此串联电路是由一个PTC元件和一个可熔断导体形成的，其特征在于：可熔断导体形成一根引线，该引线连接至PTC元件的一个触头，提供了直接的电接触和良好的热接触。

2.根据权利要求1的电熔断器，其特征在于：可熔断导体(3)形成一根引线，此引线连接至PTC元件(2)的一个触头。

3.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：可熔断导体(3)是由一根导线(4)形成的，尤其是由一根焊线形成的。

4.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：可熔断导体(2)是由一个导电层(16)形成的。

5.根据权利要求4的电熔断器，其特征在于：导电层(16)在至少一个位置(17)处具有一个收缩部分(18)。

6.根据权利要求4的电熔断器，其特征在于：可熔断导体(3)的导电层(16)是由一个厚膜电路形成的。

7.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：

可熔断导体(3)设置在PTC元件(2)上，尤其是设置在PTC元件(2)的一个金属化层(12)上，此金属化层用作一个接触区域，

除了连接点(7)之外，可熔断导体(3)通过一个电绝缘层(23)与PTC元件和/或金属化层(12)电隔离。

8.根据权利要求7的电熔断器，其特征在于：

与连接区域(7)对置的触头(6)被设计为电绝缘层(23)上的一个端接区域(22)，

可以将至少一个外连接元件(25)、尤其是一个线状的连接脚(26)固定至此端接区域。

9.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：PTC元件(2)是由一种聚合物(8)构成的。

10.根据权利要求9的电熔断器，其特征在于：PTC元件(2)是由一个片状聚合物基体(10)的一部分形成的。

11.根据权利要求9的电熔断器，其特征在于：PTC元件(2)的由温度控制的膨胀(9)是基本上垂直于PTC元件(2)的一个支承面产生的。

12.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：PTC元件(2)是由一种陶瓷、尤其是钛酸钡构成的。

13.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：熔断器(1)可以插入公知的壳体中。

14.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：熔断器(1)是一个SMD可安装元件(20)。

15.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：熔断器(1)包含限弧或消弧材料，这些材料最好设置在可熔断导体(3)的熔断区的一个区域(14)中。

16.根据权利要求1或2的电熔断器，其特征在于：可熔断导体(3)的表面涂覆有锡，并且这个涂覆层尤其是借助于电解淀积工艺涂覆的。