CN1960094B - 用于电气元件部分的浪涌保护的小型火花间隙 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过电压浪涌保护装置，其包括一电路板，所述印刷电路板具有一信号运载导电部件，所述信号运载导电部件具有沿其定位的复数个节点，和一沿其定位的敷设到接地的导电部件。所述信号运载部件上的所述节点和所述接地导电部件中的每一者都沿一共用路径延伸，所述信号运载节点中的对应信号运载节点定位成与所述接地部件邻近但间隔开的关系，其中敷设到接地的所述导电部件沿围封所述电路板和所述信号运载导电部件的所述主体的内部形成。所述节点的外围边缘积累瞬时高电压浪涌并对其进行放电。所述节点可以三角形的形式来定形，因为此特殊几何形状具有积累电压并对其进行放电的有利能力，但所述节点还可以多种其它几何形状来形成。

Description

用于电气元件部分的浪涌保护的小型火花间隙

相关申请案的交叉参考

本专利申请案为2005年7月11日申请的美国序列号II/I78,885的部分接续申请案；后者为现在允许为(美国专利第6,930,872)号的2003年1月9日申请的序列号10/339,730的部分接续申请案；后者为现在为2003年1月21日颁发的美国专利第6,510,035号的2001年5月16日申请的美国序列号09/858,739的部分接续申请案，上述每一者的整个内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及电气浪涌保护装置，且更确切地说，涉及具有火花间隙的浪涌保护装置。

背景技术

宽带同轴电缆通信网络(例如CATV网络)包括安装到户外电线杆的各种类型的电子设备。此电子设备经受各种类型的天气条件，包括(例如)雷雨。由于这些通信网络对社会的重要性，所以它们能够经受得住恶劣的工作条件这一点很重要。

有时，例如由于雷击，高电压浪涌可能通过电子元件互连到的同轴电缆而传输。如果此高电压浪涌被允许由互连装置的输入或输出插脚拾取且传输到收纳于其中的电气装置，那么由于浪涌导致了电气元件本质上融化或以其他方式恶化，所述装置将变得不能工作。接着需要将新的电子装置安装在浪涌的位置处。

为了改进通信网络中的电子元件的可靠性，互连单元通常配备有某一类型的过电压浪涌保护装置。IEEE标准C62.41-1991陈述对低电压电力电路中的浪涌电压的推荐实践。并入互连单元中的浪涌保护器可包括(例如)单独的导电组件，其与输入信号成邻近但隔开的关系。如果发生瞬时、高电压浪涌，所述组件就会在过电压浪涌穿过电气元件前，积累过电压浪涌并将其放电到接地。然而，此类浪涌保护器的并入较大地增加了制造中的复杂性，且因此，增加了互连单元的成本。另外，如果连接器单元经受到高于保护器经设计所能应付的电压浪涌，那么其肯定会需要更换。

因此，本发明的预期目的和优势在于提供过电压浪涌保护装置，其相对于所属领域的现状来说，制造起来较廉价。

本发明的另一目的和优势在于提供过电压浪涌保护装置，其可经受得住多个浪涌，因此增加了同轴电缆互连装置的寿命。

本发明的又一目的和优势在于提供浪涌保护，而同时不会增加电缆互连装置的整体大小或复杂性。

发明内容

根据前述及其他目的和优势，本发明提供过电压浪涌保护装置，其包含印刷电路板，所述印刷电路板具有信号运载导电部件，其中所述信号运载导电部件具有沿其定位的复数个节点和沿其定位的敷设到接地的导电部件。信号运载部件上的节点和接地部件沿共用路径延伸，其中信号运载节点中的对应信号运载节点定位成与接地部件的导电区域邻近但隔开的关系。在一个型式中，信号运载部件的节点的形状呈三角形的形式，因为此特殊几何形状具有积累电压并对其进行放电的有利能力。

根据一个型式，过电压浪涌保护装置可整体地直接制造到板中，无需将任何附加结构安装到所述板。可通过移除板上除了由信号运载部件和通向接地的导电部件所假定的那些区域之外的所有区域中的导电材料(例如，通过激光烧蚀、化学或光刻蚀刻，或其它常规制造工艺)，来制造含有涂覆于其上的一层导电材料的电路板衬底。使信号运载部件与接地部件隔离的非导电材料(即空气)的区域成为火花间隙。

根据替代构造，接地传导部件可沿装置罩壳的内部形成，其可用例如黄铜的导电材料来类似地烧蚀或蚀刻，接地传导部件与信号传导部件的节点对准且由提供火花间隙的非导电材料(例如空气)隔离开来。在此特殊设计中，可提供浪涌保护，同时优化电路板的空间消耗。

节点(和其形状)之间的间隔确定电压电平，火花会在所述电压电平时产生电路并对电路进行分路。装置中存在的节点的数目将确定装置将能够经受的过电压浪涌的数目。

在操作中，且当信号运载部件的节点与接地传导部件的导电区域之间的相对电压电位接近预定值时，会越过使节点与接地部件隔离的间隙产生火花。此火花对从信号运载部件到接地的部件的电压进行放电，从而对电路进行分路。任何特定火花都可导致对浪涌进行放电的特定节点恶化。然而，由于装置具有复数个对应组的节点，所以所述装置(包括电路板)将能够经受得住至少相等数目的过电压浪涌。

附图说明

为了进一步了解本发明的这些和目标，将参考本发明的以下详细描述内容，应结合附图阅读以下详细描述内容，其中：

图1是本发明优选实施例的平面图；

图2是在本发明已经受到过电压浪涌后的平面图；

图3是其中使用本发明的互连装置的分解立体图；

图4是图3中所说明的互连装置的纵向横截面图；

图5是本发明第二替代实施例的平面图；

图6是本发明第三替代实施例的平面图；

图7是本发明第四替代实施例的平面图；

图8是本发明第五替代实施例的平面图；

图9是本发明第六替代实施例的平面图；

图10是本发明第七替代实施例的平面图；

图11是本发明第八替代实施例的平面图；和

图12是根据本发明第八替代实施例的装置的局部立体图。

具体实施方式

现在参看图式，其中在所有图式中相同参考数字指代相同的部分，图1中可见，存在通常由参考数字10表示的印刷电路板，其用于通常由参考数字12所示的同轴电缆互连装置中。电路板10由具有一对平行平面表面的非导电衬底(例如，玻璃纤维的陶瓷衬底)组成，其中一层导电材料(例如铜)涂覆在其至少一个平面表面14上。通常显示为参考数字16的一连串电气元件以常规方式安装到板10的任一平面表面。

互连装置12充当(例如)具有电气元件16的陷波器，所述电气元件16包含滤波器，所述滤波器在预定频率范围(例如，5-40MHz)内具有狭窄通带响应(pass bandresponse)，所述预定频率范围在返回路径频谱上具有固定水平的衰减。此类装置通常用于CATV网络中。

特别参看图3和4，互连装置12包括：细长的主体18；后绝缘体20，其同心地安装在主体18内且邻近其终端定位；非导电(例如橡胶)密封物22，其邻近绝缘体20定位；导电内插脚组合件24(其中容纳有导电输出插脚26)，其同心地延伸穿过绝缘体20和密封物22；电路板10，其一个边缘电连接到内插脚组合件24；导电输入插脚28，其电连接到电路板10的相反边缘并从所述相反边缘向外延伸；前绝缘体30，其同心地围绕输入插脚28定位；和螺母32，其螺纹地啮合主体18并装纳前绝缘体30。在操作中，导电输入插脚28接收通过同轴电缆(作为通信网络的一部分)传输的信号，且在信号已经由安装在电路板10的任一平面表面上的电气元件16调节后，导电输出插脚26向信号的目的地发送信号。

特别参看图1、2和5，印刷电路板10包括：前面提及的电气元件16，其安装在至少一个平面表面14上；信号运载输入部件34，其电连接到输入插脚28；和信号运载输出部件36，其电连接到内插脚组合件24。信号运载部件34和36优选安装在其另一侧上(尽管这些组件可与电气元件16安装在同一侧上，但将它们安装在相反侧上且用通孔电连接到那里会更节省空间)。信号运载输入部件34包含从输入插脚28延伸到终端节点38的导电材料，且包括定位在输入插脚28与终端节点38之间的复数个节点40。输出部件36包含从终端节点42延伸到内插脚组合件24的导电材料和定位在节点42与插脚组合件24之间的复数个节点44。节点40和44的形状优选为三角形(图1和2)，但如本文所注释，还可为其它几何形状。

终端节点38电连接到电气元件16，而电气元件16又电连接到输出终端节点42。因此，当通过输入插脚28接收到低电压信号(例如，装置12通常在传递100伏AC的电路上操作，RF电平通常在+10dBm与-10dBm之间)时，通过信号运载输入部件34将信号传输到电路板10上的电气元件16。接着，电气元件16适当地调节(例如滤波)所述信号并通过信号运载输出部件36发送所述信号。接着经由输出插脚26向信号的最终目的地发送信号。

根据此实施例，导电接地部件46还安装在印刷电路板10上。导电接地部件46包括：第一复数个节点48，其形状和数目对应于节点40；和第二复数个节点50，其形状和数目对应于节点44。节点48定位成与节点40中的对应节点呈邻近但隔开的关系，从而形成第一复数个电弧或火花间隙52(每个电弧或火花间隙52都由节点40和48中的对应节点来界定)。节点50定位成与节点44中的对应节点呈邻近但隔开的关系，从而形成第二复数个电弧或火花间隙54(每个电弧间隙54都由节点44和50中的对应节点来界定)。节点48、40、50和44由它们其形成一部分的各个导电部件的外围边缘来界定(且火花在此处积累并从此处放电)。

分别使节点48与节点40隔离且使节点50与节点44隔离的电弧间隙52和54由非导电材料(例如空气间隙)组成且通常具有均匀厚度。如果输入插脚28或输出插脚26接收到瞬时高电压浪涌(例如，因为雷击)，那么电压会分别传播到节点40和44，这时将分别越过电弧间隙52和54产生火花并形成电弧。接着，会通过导电接地部件46将高电压浪涌接地，从而对电路进行分路并保护所安装的电气元件16免受损害。如果没有对高电压浪涌进行分路，那么电气元件16会由于浪涌所产生的热量而受到损坏。因此，所述装置包含由火花间隙52和54实施的过电压浪涌保护能力对于互连装置12的长期可靠性来说是必要的。

根据此实施例的火花间隙52和54的厚度优选在1与10mil之间。显然，火花间隙距离越小，会产生火花的电压电平越低。

如果瞬时高电压浪涌确实穿过插脚28或26，且火花确实越过节点40到48或44到50而产生，那么有可能节点48、50的一部分会恶化或汽化，如图2中由参考字母V所说明。然而，即使节点48、50的部分确实恶化，复数个节点48、50的剩余部分仍然保持完好。因此，火花间隙52和54提供一可经受得住大量过电压浪涌的过电压浪涌保护装置。

节点40、48、44和50的形状优选为三角形(如图1和2所说明)，从而形成锯齿形电弧间隙图案，因为此几何形状看来似乎最有效地积累电压并对其进行放电。应清楚，如其在图式和此随附说明书中所界定，“节点”指代导电区域的外围边缘几何部分。还应注意，这些节点的形状还可为其它图案，只要对应节点之间的间隔小得足以维持火花间隙52、54的有效性(例如，所述间隔可为可变，但优选在1到10mil的范围内)。举例来说，对应节点可为正弦形状(见图5)、矩形形状(见图6)、任意形状(见图7)、具有三角形的对应节点的矩形形状(见图8)、线性且实质上均匀地间隔开(见图9)、或为线性，其中所述间隔沿其长度而变化(见图10)。

在形成火花间隙52、54的过程中，如先前所注释，印刷电路板10在其平面表面中的一者上具备导电材料涂层。接着，通过任何常规工艺(例如，激光烧蚀、光刻或化学蚀刻或类似工艺)从电路板10的区域移除导电材料，所述区域将为非导电区域，即除了输入部件34、输出部件36和接地部件46之外的所有区域。以此方式形成火花间隙52、54导致间隙与印刷电路板10共平面，从而使用最小空间且不需要将任何附加结构安装到板10。

应容易明了，本发明已经描述的火花间隙不需要直接单独蚀刻到印刷电路板10上。参看图11和12，此处描述了一个替代实施例，其中接地传导部件形成于互连部件12的主体18中，其中所界定的间隙(例如，空气间隔)界定于第一导电区域60与第二导电区域66之间，所述第一导电区域60以与上文所述相同的方式在印刷电路板10的平面表面中蚀刻，其中形成有复数个节点62，所述第二导电区域66以类似的方式形成(例如蚀刻、烧蚀等等)于主体18的内部上，主体已经由例如黄铜的传导材料制成，从而不必要形成节点。有利的是，就对互连装置的浪涌保护来说，前述实施例允许相同的成本节约，而同时允许印刷电路板10具有用于电气元件部分的足够空间。如前面内容中所述，形成于第一与第二导电区域60与66之间的火花间隙64应隔开约1mil到10mil之间，且如前面内容中所述，尽管本文根据此实施例将节点显示为具有三角形状，但可根据需要或选择而呈现其它合适的几何形状，其中节点62之间具有变化的或恒定的间隔。

虽然已经参考如图式中所说明的优选模式特别显示并描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离由所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出各种细节上的改变。

Claims (15)

1.一种同轴互连装置，所述互连装置包含：

一主体；

一印刷电路板，其具有至少一个其上安装有一电路的表面；

一导电材料的信号运载区域，其位于所述印刷电路板的一表面上，且

包括复数个节点；和

一导电材料的接地导电区域，其为所述主体的内壁，所述主体与所述复数个节点成对应隔开关系而邻近地定位，以便在所述复数个节点与所述接地导电区域之间的空间中界定第一复数个火花间隙，其中所述火花间隙中的每一者都由一非导电材料制成。

2.根据权利要求1所述的同轴互连装置，其中所述复数个节点的形状为三角形。

3.根据权利要求1所述的同轴互连装置，其中所述复数个节点的形状为正弦形。

4.根据权利要求1所述的同轴互连装置，其中在所述信号运载区域的所述复数个节点和所述接地导电区域之间具有1与10mil之间的间隔。

5.根据权利要求1所述的同轴互连装置，其中所述复数个节点与所述接地导电区域之间的间隔在其之间线性地变化。

6.根据权利要求1所述的同轴互连装置，其中所述复数个节点与所述接地导电区域之间的间隔在其之间本质上为恒定的。

7.一种电气浪涌保护装置，所述装置包含：

一主体；

一电路板，其具有一其上安装有一电路的表面；

一导电材料的信号运载区域，其形成于所述电路板的一表面上；和

一导电材料的接地导电区域，其形成于所述主体的内壁上，导电材料的所述信号运载区域包括复数个节点，所述复数个节点中的每一者都与所述接地导电区域成隔开关系并与所述接地导电区域隔离，以便在其之间界定复数个火花间隙，其中所述导电材料的接地导电区域不与所述电路板的所述第一表面上的所述导电材料的信号运载区域在相同的平面上延伸。

8.根据权利要求7所述的电气浪涌保护装置，其中所述复数个节点的形状为三角形。

9.根据权利要求7所述的电气浪涌保护装置，其中所述复数个节点的形状为正弦形。

10.根据权利要求7所述的电气浪涌保护装置，其中所述复数个节点与所述接地导电区域隔开1与10mil之间，其中所述接地导电区域不在所述电路板上。

11.一种用于在一同轴互连装置中提供电气浪涌保护的方法，所述互连装置包括一主体和一设置于所述主体内的印刷电路板，所述印刷电路板具有至少一个其上安装有一电路的表面，所述方法包括以下步骤：

在所述印刷电路板的一表面上形成一导电材料的信号运载区域，所述信号运载区域包括复数个节点；和

在所述主体的内部上形成一导电材料的接地区域，其中所述复数个节点与导电材料的所述接地区域由一火花间隙隔离，所述火花间隙由一非传导材料形成，其中所述导电材料的接地区域不在所述印刷电路板上，其中，所述导电材料的接地区域是所述主体的内壁。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述非传导材料为空气。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述复数个节点中的每一者的形状都为三角形。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述复数个节点中的每一者的形状都为正弦形。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述火花间隙由一1与10mil之间的间隔来界定。

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