DE10191322T5

DE10191322T5 - Integrierte Überstrom-und Überspannungsvorrichtung zur Verwendung beim Schutz von Telekommunikationsschaltungen

Info

Publication number: DE10191322T5
Application number: DE10191322T
Authority: DE
Inventors: Stephen J. Whitney
Original assignee: Littelfuse Inc
Current assignee: Littelfuse Inc
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2005-03-10
Also published as: US6636404B1; US6982859B1; JP2003530053A; WO2001075910A1; AU2001289292A1; US6510032B1

Abstract

Einstückige Schaltungs-Schutzvorrichtung, die einen Überstrom- und Überspannungsschutz für eine Schaltung bereitstellt und die konfiguriert ist, um mit der Schaltung verbunden zu werden, welche umfaßt:
einen Überstrom-Schutz-Bereich;
einen Überspannungs-Schutz-Bereich; und
mehrere Anschlüsse, um sowohl den Überspannungs-, als auch den Überstrom-Schutz-Bereich der einstöckigen Schaltungsvorrichtung mit der zu schützenden Schaltung zu verbinden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überspannungs- und Überstrom-Schutzvorrichtung für Telekommunikationsschaltungen und ein Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung Sicherungen bzw. Schmelzsicherungen (fuses) und Thyristoren.
Schaltungen, insbesondere empfindliche Schaltungen, derart wie sie in Telekommunikationssystemen aufgefunden werden, erfordern einen Schutz sowohl gegen Überstrom-, als auch gegen Überspannungsbedingungen, die entstehen können. Bedingungen, derart wie Kurzschlüsse können entstehen, die eine Überstromschutzvorrichtung, derart wie eine Sicherung, zur Verhinderung eines Schadens an den Schaltungen erfordern.
Ein Blitzeinschlag stellt eine häufige Überspannungsquelle bei Kommunikationssystemen dar. Gewöhnlich bestehen Kommunikationssysteme aus Leitern in abgeschirmten, an Polen hängenden oder in der Erde vergrabenen Kabeln. Das Kabel besteht aus vielen, in verdrillten Doppelleitungen bzw. verdrillten Paaren angeordneten Leitern, die insbesondere bei Telefonsystemen weitverbreitet als "Tip-" bzw. "Steckerspitzen-" und "Ruf"-Leitungen ("tip" and "ring" lines) bekannt sind. Diese Kabel sind gegenüber einem Energiestoß von einem Blitzeinschlag empfindlich und können Energie vom Blitzeinschlag entweder in eine Zentrale oder in Anschlußteilnehmer-Ausstattung leiten. Zusätzlich werden Stromquellen bzw. Leistungsquellen für Telekommunikationssysteme gewöhnlich von kommerziellen Stromversorgungsleitungen erhalten, die ebenfalls einer überschüssigen Energie von dem Blitzeinschlag unterworfen sind, was wiederum Überspannungen in dem, von der Stromversorgungsleitung gespeisten Telekommunikationssytem induzieren kann.
Geläufige Ansätze des Stands der Technik zum Abmildern von Überströmen und Überspannungen beinhalten, wie in der Schaltung von 1 gezeigt, eine Kombination einer Sicherung und einer Halbleiter-Überspannungs-Vorrichtung, derart wie einen bidirektionalen Thyristor. Eine Sicherung 100 wird, entweder in der Tip-Leitung 104 oder in der Rufleitung 106 in Reihenschaltung mit einer verdrillten Kupfer-Doppelleitung 102 angeordnet. Folglich schützt die Sicherung 100 die Tip- und Ruf-Leitungsführung und ebenso einen bidirektionalen Thyristor 110 vor übermäßiger Energie für den Fall, daß eine ununterbrochene Überspannung an die Leitungsführung gekoppelt ist, was auftreten kann, falls eine Stromversorgungsleitung quer über die Leitungsführung fällt.
Zur Begrenzung von Überspannungsbedingungen wird eine Überspannungsvorrichtung, derart wie der bidirektionale Thyristor 110 quer über die verdrillte Doppelleitung 102 in Parallelschaltung mit dem Telekommunikationssystem 108 verbunden. Der Thyristor 110 stellt eine bidirektionale "Brechstange" ("crow-bar"), zur Klemmung von Stößen (transients) bereit, die für jede Polarität auftreten können. Insbesondere weist der Thyristor 110 eine Durchschlagspannung auf, bei der ein diesen Wert überschreitender Spannungsstoß bewirkt, daß der Thyristor 110 einen Klemmungsvorgang quer über die Leitungen 104 und 106 beginnt. Wenn der Spannungsstoß weiter anzusteigen versucht, so wird der Strom durch den Thyristor 110 bis zum Erreichen einer Kippspannung ansteigen. An diesem Punkt, wird der Thyristor-Vorgang ausgelöst und der Thyristor 110 schaltet in seinen "Ein"- oder "Einrast"-Zustand. Dies ist ein sehr niedriger Impedanz-Zustand, der die Leitung in Nebenschluß legt oder kurzschließt bzw. mit "einer Brechstange versieht" ("crow-bars the line"), wobei dadurch die Größe des Spannungsstoßes unterdrückt wird. Wenn der Spannungsstoß abnimmt, so schaltet der Thyristor 110 ab und kehrt zu einem hohen Impedanz-"Aus"-Zustand zurück.
Die Schaltung von 1 wird gewöhnlich zum Schützen von "Tip"- und "Ruf"-Verbindungen, derart wie von Modems, Telefonen, Fax-Geräten, und Leitungskarten (line cards) verwendet. Während die Schaltung von 1 für Kupfer-Doppelleitungsumgebungen geeignet ist, sind andere Spannungsumgebungen ebenfalls für Schaltungen geeignet, derart wie Alarm-Schaltungen, Stromversorgungseinheiten bzw. Stromleitungen, Fernerfassungssensoren, CATV, Datenleitungen, etc., deren Schutz angestrebt wird.
Die in Telekommunikationsanwendungen verwendeten Schutzschaltungen, derart wie die in 1 gezeigte, verwenden häufig einzeln verpackte Sicherungs- und Thyristor-Komponenten, die mit einer gedruckten Schaltplatten-Leitungsführung verbunden sind. Der Einzel-Komponenten-Ansatz erfordert jedoch, daß die Komponenten korrekt koordiniert und aufeinander abgestimmt sind, um die strengen Anforderungen der Regulierungs- und Sicherheitsbehörden zu erfüllen. Auch werden die einzeln verpackten Komponenten gewöhnlich getrennt gespeist bzw. über separate Quellen bezogen (sourced), was folglich zu einer Erhöhung der Kosten des Endprodukts führt. Weiterhin verbraucht die Verwendung einzelner Komponenten beträchtlichen körperlichen Platz auf einer gedruckten Schaltung, da zwei getrennte Komponenten-Packungen auf der gedruckten Schaltung angeordnet werden müssen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Schaltungsvorrichtung, die in einer einzelnen, einstückigen Packung sowohl einen Überstrom-, als auch einen Überspannungs-Schutz bereitstellt, um die Koordination und die Abstimmung der Überstrom- und Überspannungs-Vorrichtungen in einfacherer Weise sicherzustellen. Zusätzlich besteht ein Bedarf nach einem einzelnen, einstückigen Packungsansatz, der zu geringeren Endprodukt-Kosten führt und den körperlichen Raum verringert, der in einer gedruckten Schaltung verbraucht wird.
Diese und andere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt, bei der Überstrom- und Überspannungs-Schutzvorrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse verpackt vorliegen, um so ein einziges, einzelnes Schaltungselement zu bilden, das im wesentlichen nicht größer als eine der im Stand der Technik bekannten, einzeln verpackten Überstrom- oder Überspannungs-Vorrichtungen ist, derart wie beispielsweise eine Standard-Oberflächenmontage-Telekommunikations-Sicherung.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine einstückige Schaltungsschutzvorrichtung bereit, die einen Überstrom- und Überspannungsschutz für eine Schaltung bereitstellt, die zum Verbundenwerden mit der Schaltung konfiguriert ist. Die Vorrichtung enthält einen Überstrom-Schutzbereich, einen Überspannungs-Schutzbereich und mehrere Anschlüsse, um sowohl die Überspannungs-, als auch die Überstrom-Schutzbereiche der einstückigen Schaltungsvorrichtung mit der zu schützenden Schaltung zu verbunden. Eine Inkorporierung von sowohl Überspannungs-, als auch Überstrom-Vorrichtungen in einem einzelnen Gehäuse stellt sicher, daß diese Komponenten für eine bestimmte Anwendung koordiniert und abgestimmt vorliegen, senkt die Gesamtkosten der Vorrichtung, da die Komponenten nicht getrennt gespeist bzw. aus separaten Quellen bezogen werden, und ermöglicht eine kleinere Größe durch Inkorporierung der Vorrichtungen in derselben Packung.
In einer anderen Ausführungsform enthalten die mehreren Anschlüsse einen ersten, zweiten und dritten Anschluß, wobei der Überstrom-Schutzbereich zwischen dem ersten und zweiten Anschluß elektrisch verbunden ist und der Überspannungs-Schutzbereich zwischen dem zweiten und dritten Anschluß verbunden ist.
In einer anderen Ausführungsform enthält der Überstrom-Schutzbereich eine Sicherung.
In einer anderen Ausführungsform enthält der Überspannungs-Schutzbereich einen bidirektionalen Thyristor.
In einer anderen Ausführungsform sind die mehreren Anschlüsse der einstöckigen Schaltung konfiguriert, um den Überstrom-Schutzbereich in Reihenschaltung mit der zu schützenden Schaltung elektrisch zu verbinden und den Überspannungs-Schutzbereich in Parallelschaltung mit der zu schützenden Schaltung elektrisch zu verbinden, wenn die einstückige Schaltungsvorrichtung mit der zu schützenden Schaltung elektrisch verbunden ist.
In noch einer anderen Ausführungsform enthält die einstückige Schaltung weiter einen thermisch leitfähigen Bereich, der Hitze von dem Überspannungs-Schutzbereich weg leitet.
In einer Ausführungsform sind die thermischen Koeffizienten des thermisch leitfähigen Bereichs und des Überspannungs-Schutzbereichs im wesentlichen gleich.
In einer Ausführungsform ist der Überspannungs-Schutzbereich zumindest teilweise mit einem atmosphärisch widerstandsfähigen Material eingekapselt.
In einer anderen Ausführungsform ist die einstückige Schaltungsvorrichtung für eine Montage auf einer gedruckten Schaltplatte konfiguriert.
In einer anderen Ausführungsform ist die einstückige Schaltungsvorrichtung im wesentlichen gleich einer Standard-Telekommunikationssicherungskonfiguration konfiguriert.
In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltungselement zum Überspannungs- und Überstrom-Schutz einer Schaltung bereitgestellt. Das Schaltungselement enthält ein Schaltungselementgehäuse mit erstem, zweitem und drittem Anschluß. Eine Überstrom-Schutzvorrichtung ist zwischen dem ersten und zweiten Anschluß elektrisch verbunden und das Schaltungselementgehäuse enthält bzw. umfaßt diese. Zusätzlich ist eine Überspannungs-Schutzvorrichtung zwischen dem zweiten und dritten Anschluß elektrisch verbunden und das Schaltungselementgehäuse enthält bzw. umfaßt ebenfalls diese.
In einer Ausführungsform umfaßt das Schaltungselementgehäuse ein Rohr mit einer Außenfläche, einem inneren Hohlbereich, einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Die Überstrom-Schutzvorrichtung ist in dem inneren Hohlbereich des Rohrs angeordnet, die Überspannungs-Schutzvorrichtung und der zweite Anschluß sind auf der Außenfläche des Rohrs angeordnet, der erste Anschluß ist bei dem ersten Ende angeordnet und der zweite Anschluß ist bei dem zweiten Ende gegenüber dem ersten Anschluß angeordnet.
In einer anderen Ausführungsform enthalten der erste und zweite Anschluß elektrisch leitfähige Schichten, die auf der Außenfläche des Rohrs, zu jeweils dem ersten und zweiten Ende benachbart, angeordnet sind und sich in einen zu dem ersten und zweiten Ende benachbarten Teil des inneren Hohlbereichs erstrecken. Zusätzlich bedecken leitfähige End-Kappen in jeweiliger Weise die elektrisch leitfähigen Schichten und das erste und zweite Ende und sind elektrisch mit den elektrisch leitfähigen Schichten verbunden. Die elektrisch leitfähigen Schichten sind ebenfalls mit der in dem inneren Hohlbereich des Rohrs angeordneten Überstrom-Vorrichtung elektrisch verbunden.
In noch einer anderen Ausführungsform umfaßt der dritte Anschluß einen leitfähigen Anschluß, der auf der Außenfläche des Rohrs angeordnet ist.
In einer anderen Ausführungsform ist eine Plättchen-Verbindungsanschlußfläche (die bond pad) auf der Außenfläche des Rohrs angeordnet. Ein Verbindungsanschlußflächen-Leiter ist ebenfalls auf der Außenfläche des Rohrs angeordnet und ist mindestens mit einer der ersten und zweiten leitfähigen Schichten elektrisch verbunden. Ein erster Leiter verbindet elektrisch den Verbindungsanschlußflächen-Leiter mit der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche Plättchen-Verbindungsanschlußfläche bzw. Plättchen-Verbindungsanschlußfläche (die Bond pad die bond pad) und ein zweiter Leiter verbindet den dritten Anschluß elektrisch mit der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche. Ein Thyristor ist auf der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche angeordnet und mit einem einkapselnden Material bedeckt.
In einer Ausführungsform ist das einkapselnde Material atmosphärisch widerstandsfähig und derart angeordnet, daß der Thyristor und die Plättchen-Verbindungsanschlußfläche auf der Außenfläche des Rohrs versiegelt sind, um der umgebenden Atmosphäre zu widerstehen.
In einer anderen Ausführungsform ist der auf der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche angeordnete Thyristor an die Plättchen-Verbindungsanschlußfläche durch ein thermisch leitfähiges Verbindungsmaterial gebunden.
In einer Ausführungsform enthält das Schaltungselementgehäuse ein Substrat mit erster und zweiter Oberfläche und mehreren Leitungs-Abschlüssen, die auf mindestens einer der ersten und zweiten Oberflächen angeordnet sind, wobei der erste, zweite beziehungsweise dritte Anschluß jeweils einen der mehreren Leitungs-Abschlüsse umfassen.
In einer Ausführungsform umfaßt die Überstrom-Vorrichtung eine Sicherungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Anschluß elektrisch verbunden ist und . auf mindestens einer Seite des Substrats angeordnet ist. Die Überspannungsvorrichtung umfaßt einen Thyristor, der zwischen dem zweiten und dritten Anschluß elektrisch verbunden und auf mindestens einer Seite des Substrats angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltungselement zum Überspannungs- und Überstrom-Schutz für Schaltungen in einem Telekommunikationssystem bereitgestellt. Das Schaltungselement enthält ein Sicherungselement, eine Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung und eine als eine einzelne Komponente konfigurierte Packung, die auf einer gedruckten Schaltplatte montierbar ist, wobei die Packung das Sicherungselement und die Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung enthält.
In einer anderen Ausführungsform enthält die Packung einen ersten, zweiten und dritten Anschluß. Zusätzlich enthalten sowohl das Sicherungselement, als auch die Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung entsprechende erste und zweite Leitungsverbindungen (lead connections). Der erste Anschluß ist mit der ersten Leitungsverbindung des Sicherungselements verbunden, der zweite Anschluß ist mit der zweiten Leitungsverbindung des Sicherungselements und der ersten Leitungsverbindung der Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung verbunden und der dritte Anschluß ist mit der zweiten Leitungsverbindung der Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung verbunden.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung einer Überstrom- und Überspannungs-Vorrichtung in einer Telekommunikationsschaltung bereit. Das Verfahren enthält die Bereitstellung eines zur Aufnahme eines Überstrom-Schutzelements und eines Überspannungs-Schutzelements konfigurierten Gehäuses, wobei das Gehäuse mehrere Anschlüsse aufweist. Die Überstrom- und Überspannungs-Schutzelemente sind derart in dem Gehäuse angeordnet, daß das Überstrom-Schutzelement zwischen einem ersten und zweiten Anschluß der mehreren Anschlüsse elektrisch verbunden ist und daß das Überspannungs-Schutzelement zwischen dem zweiten Anschluß und einem dritten Anschluß der mehreren Anschlüsse elektrisch verbunden ist. Schließlich ist das Gehäuse als ein einziges, einzelnes Element mit der Schaltplatte verbunden, welche die Telekommunikationsschaltung enthält.
In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren elektrisches Verbinden von einem der ersten und zweiten Anschlüsse mit einer ersten ankommenden Leitung mit der Telekommunikationsschaltung und elektrisches Verbinden des anderen der ersten und zweiten Anschlüsse mit der Telekommunikationsschaltung, derart daß das Überstrom-Schutzelement in Reihenschaltung mit der Telekommunikationsschaltung verbunden ist und ein elektrisches Verbinden des dritten Anschlusses mit einer zweiten ankommenden Leitung mit der Telekommunikationsschaltung, derart daß das Überspannungs-Schutzelement in Parallelschaltung mit der Telekommunikationsschaltung verbunden ist.
Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden klar beim Lesen der nachstehenden detaillierten Beschreibung der zu diesem Zeitpunkt bevorzugten Ausführungsformen und der beigefügten Ansprüche, und bei Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, worin Elemente, welche das gleiche Bezugszeichen aufweisen, durchwegs ähnliche Elemente darstellen und worin:
1 eine schematisch erläuternde Schaltungsverbindung für eine herkömmliche, gegen Überstrom und Überspannung schützende Schaltung für Telekommunikations-Ausstattung ist;
2-4 die Aufbauschritte für ein einstöckiges Überstrom- und Überspannungs-Schaltungselement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutern; und
5 eine weitere einstöckige Überstrom- und Überspannungs-Schutzvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZU DIESEM ZEITPUNKT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung stellt eine einzige, einzelne Komponente bereit, die ein Überstrom-Schutzelement und ein Überspannungs-Schutzelement umfaßt, welche durch ein gemeinsames Gehäuse umschlossen sind. Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zu deren Herstellung bereit.
Nun wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, worin die 2-4 den Aufbau einer Überstrom- und Überspannungs-Schutzvorrichtung 10 (in 4 in fertiggestellter Form gezeigt) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutern, welche die in 1 gezeigten Sicherungs- und Thyristor-Komponenten in einem einzigen, einzelnen Schaltungselement integriert. Folglich weist das in 4 gezeigte Schaltungselement die gleiche Schaltungsanordnung wie in 1 gezeigt auf, wobei jedoch sowohl eine Sicherungsvorrichtung, als auch eine Halbleiter-Überspannungsvorrichtung, vorzugsweise ein bidirektionaler Thyristor in einer gemeinsamen Packung enthalten sind.
Wie in 2 gezeigt, ist das Schaltungselement aus einem Rohr 200 konstruiert, das vorzugsweise hohl ist, wie durch Loch 212 angezeigt wird. In dem Hohlraum 214 in dem Rohr ist ein Sicherungselement untergebracht. Das Rohr 200 ist zum Dissipieren der Wärmeenergie, die durch ein Sicherungselement in dem Rohr oder durch ein auf der Außenfläche 216 des Rohrs angeordnetes Halbleiter-Thyristor-Element freigesetzt wird, aus einem thermisch leitfähigen Material, derart wie beispielsweise Keramik, konstruiert. Jedes Ende des Rohrs 202 kann eine Oberflächen-Metallisierung 203 enthalten, die auf der Außenfläche 216 des Rohrendes 202 angeordnet ist und sich um die Endbereiche 202 in den inneren Hohlbereich 214 des Rohrs 200 erstrecken kann. Diese Metallisierungen 203 werden zum elektrischen Verbinden von Anschlüssen eines in dem inneren Hohlbereich des Rohrs angeordneten Sicherungselements verwendet.
2 erläutert ebenfalls eine Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206, die auf der Außenfläche 216 des Rohrs 200 angeordnet ist. Diese Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206 ist vorzugsweise eine Metallisierung, die zum Binden eines, auf der Außenfläche 216 des Rohrs 200 anzuordnenden Thyristors verwendet wird. Diese Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206 kann auf dem Rohr 200 durch verschiedene bekannte Verfahren, derart wie Siebdruck, chemische Dampfabscheidung oder Radiofrequenzsputtern aufgebracht werden. Zusätzlich wird in ähnlicher Weise eine Verbindungsanschlußfläche 208 auf der Außenfläche 216 des Rohrs 200 angeordnet, vorzugsweise, wie in den 2–4 gezeigt, auf derselben Oberfläche eines Quadrat-Rohrs bzw. Vierkant-Rohrs wie die Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206. Die Verbindungsanschlußfläche 208 wird angeordnet, um derart mit der Metallisierung 203 an mindestens einem Ende des Rohrs 200 in elektrischen Kontakt zu kommen. Das Rohr 200 enthält ebenfalls eine Metallisierung 204, die zum Anordnen eines gemeinsamen Anschlusses verwendet wird, der dem in 1 gezeigten Anschluß "C" entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist aufgrund von räumlichen Überlegungen die Metallisierung 204 auf einer Seite 218 des Rohrs 200 angeordnet, die sich von der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206 und dem Verbindungsanschlußflächen-Leiter 208 unterscheidet. Die Metallisierung 204 kann jedoch auf anderen Seiten als Seite 218 angeordnet werden. Das heißt, es wird vorzugsweise mehr als eine Seite oder Oberfläche des Rohrs 200 zum Anordnen von Anschlüssen und Komponenten verwendet, um die Longitudinallänge des Rohrs 200 zu minimieren. Ein Metallisierungsleiter 210 ist enthalten, um die Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206 mit der Metallisierung 204 elektrisch zu verbinden, die später zu einem gemeinsamen Anschluß wird.
3 erläutert den nächsten Schritt beim Aufbau des Schaltungselements der vorliegenden Erfindung. Insbesondere sind End-Kappen 300, welche die Verbindung des Schaltungselements mit einer gedruckten Schaltplatte in der geschützten Telekommunikationsausstattung erleichtern, an jedem Ende 202 des Rohrs 200 angeordnet und stellen eine elektrische Verbindung mit der Metallisierung 203 an jedem Ende des Rohrs 200 her, welche wiederum mit den zwei Enden des Sicherungselements in dem inneren Hohlbereich 214 des Rohrs 200 verbunden sind. In einer anderen Ausführungsform kann die Metallisierung 203 wegfallen, wobei in diesem Fall die Endkappen 300 in direkter Weise mit dem Sicherungselement und der Metallisierung 208 verbinden.
3 erläutert ebenfalls die Anordnung einer Thyristor-Vorrichtung 302 auf der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206. Der Thyristor 302 ist zur Bereitstellung von thermischer und elektrischer Leitfähigkeit zwischen der Komponente und der Verbindungsanschlußfläche durch geläufige Verfahren des Stands der Technik an die Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206 gebunden. Beispiele für derartige Verfahren beinhalten Löten oder Befestigen mit leitfähigem Epoxidharz. Vom Befestigungstyp unabhängig, muß das verwendete Verbindungsverfahren eine thermische und elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Thyristor und der Verbindungsanschlußfläche bereitstellen, welche wiederum mit dem Rohr 200 thermisch leitet und zu der Anschlußfläche 206 elektrisch leitet. Diese thermische Leitfähigkeit ermöglicht, daß Wärmeenergie, die während einer Überspannungsbedingung erzeugt wird, welche bewirkt, daß Strom in dem Thyristor fließt, durch das Rohr 200 und überall darin dissipiert wird. Eine Dissipation der Wärme vom Thyristor 302 verringert das Risiko eines Schadens an dem Thyristor 302 durch Wärmeenergie, die während dessen Betrieb unter Überspannungsbedingungen freigesetzt wird.
Vorzugsweise ist der Thyristor 302 mit einer vertikalen Struktur konstruiert, die im wesentlichen flach ist und eine Kathode auf einer Oberfläche und eine Anode auf der gegenüberliegenden Oberfläche aufweist. Wenn der Thyristor 302 auf der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206 angeordnet ist, ist demzufolge entweder Kathode oder Anode in elektrischem Kontakt mit der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche 206 und der andere gegenüberliegende Thyristor-Anschluß (d .h. entweder die Anode oder die Kathode) ist von dem Rohr 200 abgewandt. Folglich erfordert eine Verbindung mit dem gegenüberliegenden Anschluß zur Verbindungsanschlußfläche 208 entweder eine Verbindungsleitung (bond wire) oder eine Verbindungsbrücke bzw. einen Verbindungsriemen (bond strap) 304.
Schließlich erläutert 3 einen Metall-Anschluß 306, der zum Bilden eines, dem in 1 gezeigten Anschluß C entsprechenden, gemeinsamen Anschlusses auf der in 2 gezeigten Metallisierung 204 angeordnet ist.
4 erläutert das fertiggestellte Schaltungselement, das in dem Innenbereich des Rohrs 200 ein Sicherungselement 402 enthält und das mit gestrichelten Linien angezeigt wird, um dessen Stellung in dem Rohr 200 aufzuzeichnen. Das Sicherungselement 402 ist zwischen Anschluß A und Anschluß B verbunden, wobei diese Anschlüsse wiederum dazu verwendet werden die Sicherung zwischen der Tip-Leitung einer verdrillten Doppelleitung und der geschützten Telekommunikationsausstattung (d. h. 108 in 1) zu verbinden. Weiterhin ist der bidirektionale Thyristor 302 zwischen den Anschlüssen B und C via Verbindungsanschlußfläche 208, Verbindungsleitung 304, Leiter 210 und Metall-Anschluß 306 (d. h. Anschluß C) verbunden. Folglich kann der bidirektionale Thyristor 302 in Parallelschaltung mit der Telekommunikationsausstattung 108 verbunden werden, durch Verbinden von Anschluß B mit der Tip-Leitung, die in die Ausstattung eintritt, Anschluß C und der Ruf-Leitung.
Zusätzlich erläutert 4, daß der bidirektionale Thyristor 302 und die Verbindungsleitung oder -brücke 304 durch eine Einkapslung 400 eingekapselt sind, um den Thyristor 302 gegenüber potentiell zersetzenden atmosphärischen Bedingungen, derart wie Feuchtigkeit, atmosphärisch zu versiegeln. Vorzugsweise wird eine Epoxidharz-Einkapslung in ausreichender Menge verwendet, um den Thyristor 302 und die Verbindungsleitung 304 von der Außenfläche des Rohrs 200 vollständig einzukapseln. Das Schaltungselement kann ebenfalls in dem Innenhohlbereich 214 des Rohrs 200, um das Sicherungselement 402 herum, eine isolierte Füllung enthalten, um die Lichtbogenbildungsenergie zu unterdrücken, die auftritt, wenn das Sicherungselement die Schaltung aufgrund einer Überstrom-Bedingung öffnet. Die isolierende Füllung kann ein Material, derart wie beispielsweise Sand, umfassen. Es sei angemerkt, daß das Sicherungselement 402 gemäß jeglicher im Stand der Technik bekannter Konfiguration konstruiert werden kann. Bestimmte Konstruktionen können einen, um einen zylindrischen Kern gewundenen Spiraldraht, eine gerade Schmelzdrahtsicherung (straight wire fuse) oder eine Metallverbindungs-Sicherung (metal link fuse) enthalten.
5 erläutert eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein niedriges Profil aufweist, das beim Montieren einer gedruckten Schaltplatte vorteilhaft ist. Das Schaltungselement gemäß dieser Ausführungsform enthält ein planares Substrat 500, das zum darauf Montieren der Sicherungs- und bidirektionalen Thyristor-Elemente verwendet wird. Vorzugsweise wird ein Sicherungselement 502 an eine Oberfläche (d. h. an die Oberfläche 507 von 5) des Substrats 500 gebunden und zwischen einem, zu einem Rand (d. h. zu dem Rand 509 von 5) des Substrats 500 benachbart angeordneten Anschluß 506 und einem, zu einem anderen Rand (d. h. Rand 511 von 5) des Substrats 500 benachbart angeordneten Anschluß 508 elektrisch verbunden. Obwohl 5 erläutert, daß das Sicherungselement und die Anschlüsse auf einer einzigen Seite des Substrats 500 angeordnet sind, können andere Ausführungsformen Sicherungselemente auf beiden Seiten des Substrats 500 und ebenfalls Anschlüsse enthalten, die auf jeder Seite des Substrats 500 und auf jeglichem, nicht nur einem zu einem Rand benachbarten, Bereich hiervon angeordnet sind.
Zusätzlich wird ein bidirektionaler Thyristor 504 auf einer Oberfläche (d. h. Oberfläche 507 von 5) des Substrats 500 angeordnet. Metallisierte Anschlüsse 514 verbinden die Anoden- und Kathoden-Anschlüsse des Thyristors 504 mit Anschlüssen 508 und 510, die den Anschlüssen B und C der Schaltung von 1 entsprechen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden das Sicherungselement 502 und ein bidirektionaler Thyristor 504 auf der selben Oberfläche des Substrats 500 wie die Anschlüsse 506, 508 und 510 angeordnet. Zusätzlich sind das Sicherungselement 500 und der bidirektionale Thyristor 504 in einer Einkapslung 512 eingekapselt, um diese Elemente vor atmosphärischen Bedingungen zu schützen und um ebenfalls die während entweder einer Überstrom- oder einer Überspannungsbedingung durch diese Element dissipierte Energie aufzunehmen. Weiterhin ist das Substrat 500 aus einem thermisch leitfähigen Material konstruiert, um Wärme von den Komponenten 502 und 504 abzuziehen.
Vorzugsweise sind für beide offenbarte Ausführungsformen die thermischen Koeffizienten (P_CE) des Substrats 500 und des Thyristors im wesentlichen gleich.
Das gemeinsame Verpacken des Überstrom-Schutz-Sicherungselements und des Überspannungsschutz-Thyristor-Elements der vorliegenden Erfindung stellt sicher, daß diese Komponenten korrekt koordiniert und abgestimmt sind. Bei einer gegebenen Telekommunikationsschaltung, die einen Schutz vor Überspannungen von 600 Volt und höher und Kurzschlußbedingungen von 40 Ampere und höher erfordert, können beispielsweise die Thyristor- und Sicherungselemente dementsprechend gewählt und in einer gemeinsamen Packung integriert werden. Bei bestimmten Telekommunikationsschaltungen ist folglich das gemeinsame Schaltungselement der vorliegenden Erfindung derart konstruiert, daß die Thyristor- und Sicherungselemente die Regulierungs- und Sicherheitsanforderungen für bestimmte Schaltungen erfüllen, ohne daß ein Sicherstellen der korrekten Koordinierung und Abstimmung beider Komponenten notwendig ist, wie es bei dem Einzelkomponenten-Ansatz des Stands der Technik erforderlich ist.
Zusätzlich können durch Inkorporierung des Sicherungselements und des Thyristors in einer gemeinsamen Packung die zusätzlichen räumlichen Anforderungen für zwei einzelne Komponenten-Packungen beseitigt werden, wobei dadurch der körperliche Platzbedarf in einer Telekommunikationsschaltung für Überspannungs- und Überstrom-Schaltungsschutz verringert wird. Darüber hinaus vermeidet ein integriertes Überspannungs- und Überstrom-Schaltungselement die Probleme, die mit getrennt gespeisten bzw. aus separaten Quellen bezogenen Komponenten und dem miteinander Verbinden dieser durch unterschiedliche Lieferanten hergestellten Komponenten verknüpft sind. Weiterhin verringert dieser Ansatz die Endproduktkosten, da ein einzelner Hersteller ein einziges Überspannungs- und Überstrom-Schaltungs-Schutzelement liefert.
Klar ist, daß vielfältige Veränderungen und Modifikationen an den hierin beschriebenen, zu diesem Zeitpunkt bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können, die für die Fachleute klar ersichtlich sind. Derartige Veränderungen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne von der Idee und vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen und ohne die einhergehenden Vorteile zu verringern. Deshalb sollten derartige Veränderungen und Modifikationen von den beigefügten Ansprüchen abgedeckt sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Integrierte Überspannungs- und Überstrom-Schaltungsschutzvorrichtung (10) zur Verwendung in Telekommunikationsschaltungen. Die integrierte, geschützte Schaltungsvorrichtung kombiniert eine Überstrom-Vorrichtung, derart wie eine Sicherung (402) und eine Überspannungs-Schutzvorrichtung, derart wie einen Thyristor zum Schutz in jeweiliger Weise gegen Überstrom-Bedingungen und Überspannungsstöße. Eine Integration der beiden Vorrichtungen in einer gemeinsamen Packung stellt eine korrekte Koordination und Abstimmung der Komponenten sicher, verringert die Kosten des Endprodukts und verringert den, in einer Telekommunikationsschaltung zum Überspannungs- und Überstrom-Schaltungsschutz erforderlichen, körperlichen Raum.
3

Claims

Einstückige Schaltungs-Schutzvorrichtung, die einen Überstrom- und Überspannungsschutz für eine Schaltung bereitstellt und die konfiguriert ist, um mit der Schaltung verbunden zu werden, welche umfaßt: einen Überstrom-Schutz-Bereich; einen Überspannungs-Schutz-Bereich; und mehrere Anschlüsse, um sowohl den Überspannungs-, als auch den Überstrom-Schutz-Bereich der einstöckigen Schaltungsvorrichtung mit der zu schützenden Schaltung zu verbinden.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die mehreren Anschlüsse einen ersten, zweiten und dritten Anschluß enthalten; und wobei der Überstrom-Schutzbereich zwischen dem ersten und zweiten Anschluß elektrisch verbunden ist und der Überspannungs-Schutzbereich zwischen dem zweiten und dritten Anschluß verbunden ist.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Überstrom-Schutzbereich eine Sicherung enthält.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Überspannungs-Schutzbereich einen bidirektionalen Thyristor enthält.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die mehreren Anschlüsse der einstöckigen Schaltung konfiguriert sind, um den Überstrom-Schutzbereich in Reihenschaltung mit der zu schützenden Schaltung elektrisch zu verbinden und den Überspannungs-Schutzbereich in Parallelschaltung mit der zu schützenden Schaltung elektrisch zu verbinden, wenn die einstöckige Schaltungsvorrichtung mit der zu schützenden Schaltung elektrisch verbunden ist.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, welche weiter umfaßt einen thermisch leitfähigen Bereich, der Hitze von dem Überspannungs-Schutzbereich weg leitet.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 6, worin thermische Koeffizienten des thermisch leitfähigen Bereichs und des Überspannungs-Schutzbereichs im wesentlichen gleich sind.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Überspannungs-Schutzbereich zumindest teilweise mit einem atmosphärisch widerstandsfähigen Material eingekapselt ist.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die einstückige Schaltungsvorrichtung zur Montage auf einer gedruckten Schaltplatte konfiguriert ist.
Einstückige Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 9, worin die einstückige Schaltungsvorrichtung im wesentlichen gleich einer Standard-Telekommunikations-Sicherungs-Konfiguration konfiguriert ist.
Schaltungselement für Überspannungs- und Überstrom-Schutz einer Schaltung, umfassend: ein Schaltungselement-Gehäuse mit erstem, zweitem und drittem Anschluß; eine Überstrom-Schutzvorrichtung, die zwischen dem ersten und zweiten Anschluß elektrisch verbunden ist, wobei das Schaltungselementgehäuse die Überstrom-Vorrichtung enthält; und eine Überspannungs-Schutzvorrichtung, die zwischen dem zweiten und dritten Anschluß elektrisch verbunden ist und wobei das Schaltungselementgehäuse diese ebenfalls enthält.
Schaltungselement nach Anspruch 11, worin das Schaltungselementgehäuse weiter umfaßt ein Rohr mit einer Außenfläche, einem inneren Hohlbereich, einem ersten Ende und einem zweiten Ende; wobei die Überstrom-Schutzvorrichtung in dem inneren Hohlbereich des Rohrs angeordnet ist, wobei die Überspannungs-Schutzvorrichtung und der zweite Anschluß auf der Außenfläche des Rohrs angeordnet sind, wobei der erste Anschluß bei dem ersten Ende und der zweite Anschluß bei dem zweiten Ende gegenüber dem ersten Anschluß angeordnet ist.
Schaltungselement nach Anspruch 11, worin die Überstrom-Vorrichtung eine Sicherung ist, die zum Schützen der Schaltung vor übermäßigen Strömen konfiguriert ist.
Schaltungselement nach Anspruch 11, worin die Überspannungs-Vorrichtung ein Thyristor ist, der zum Schützen der Schaltung vor übermäßigen Spannungen konfiguriert ist.
Schaltungselement nach Anspruch 12, worin der erste und zweite Anschluß elektrisch leitfähige Schichten enthalten, die auf der Außenfläche des Rohrs, zu jeweils dem ersten und zweiten Ende benachbart, angeordnet sind und sich in einen zu dem ersten und zweiten Ende benachbarten Teil des inneren Hohlbereichs erstrecken; und leitfähige End-Kappen, die in jeweiliger Weise die elektrisch leitfähigen Schichten und das erste und zweite Ende bedecken und mit den elektrisch leitfähigen Schichten elektrisch verbunden sind; wobei die elektrisch leitfähigen Schichten mit der in dem inneren Hohlbereich des Rohrs angeordneten Überstrom-Vorrichtung elektrisch verbunden sind.
Schaltungselement nach Anspruch 15, worin der dritte Anschluß einen leitfähigen Anschluß umfaßt, der auf der Außenfläche des Rohrs angeordnet ist.
Schaltungselement nach Anspruch 16, welches weiter umfaßt: eine Plättchen-Verbindungsanschlußfläche, die auf der Außenfläche des Rohrs angeordnet ist; einen Verbindungsanschlußflächen-Leiter, der auf der Außenfläche des Rohrs angeordnet und mit mindestens einer der ersten und zweiten leitfähigen Schichten elektrisch verbunden ist; einen ersten Leiter, der den Verbindungsanschlußflächen-Leiter mit der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche Plättchen-Verbindungsanschlußfläche elektrisch verbindet und einen zweiten Leiter, der den dritten Anschluß mit der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche elektrisch verbindet; und einen Thyristor, der auf der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche angeordnet und mit einem einkapselnden Material bedeckt ist.
Schaltungselement nach Anspruch 17, worin das einkapselnde Material atmosphärisch widerstandsfähig und derart angeordnet ist, daß der Thyristor und die Plättchen-Verbindungsanschlußfläche auf der Außenfläche des Rohrs versiegelt sind, um der umgebenden Atmosphäre zu widerstehen.
Schaltungselement nach Anspruch 11, worin die Überstrom-Vorrichtung in Reihenschaltung mit der zu schützenden Schaltung elektrisch verbunden ist und die Überspannungs-Vorrichtung in Parallelschaltung mit der zu schützenden Schaltung elektrisch verbunden ist.
Schaltungselement nach Anspruch 11, worin das Schaltungselementgehäuse weiter umfaßt: ein Substrat mit erster und zweiter Oberfläche; und mehrere Leitungs-Abschlüsse, die auf mindestens einer der ersten und zweiten Oberflächen angeordnet sind, wobei der erste, zweite beziehungsweise dritte Anschluß jeweils einen der mehreren Leitungs-Abschlüsse umfassen.
Schaltungselement nach Anspruch 20, worin die Überstrom-Vorrichtung ein Sicherungselement umfaßt, das zwischen dem ersten und zweiten Anschluß elektrisch verbunden und auf mindestens einer Seite des Substrats angeordnet ist; und wobei die Überspannungsvorrichtung einen Thyristor umfaßt, der zwischen dem zweiten und dritten Anschluß elektrisch verbunden und auf mindestens einer Seite des Substrats angeordnet ist.
Schaltungselement nach Anspruch 21, welches weiter umfaßt eine atmosphärisch widerstandsfähige Einkapslung, die auf mindestens einer Seite des Substrats angeordnet ist und das Sicherungselement und den Thyristor dazwischen aufweist.
Schaltungselement nach Anspruch 22, worin das Sicherungselement und der Thyristor auf der selben Seite des Substrats angeordnet sind.
Schaltungselement nach Anspruch 12, worin das Schaltungselement mit einem Telekommunikationssystem verbunden ist und zwischen einem verdrillten Speise-Doppelleitungspaar und der geschützten Schaltung angeordnet ist.
Schaltungselement nach Anspruch 18, worin das einkapselnde Material ein Epoxidharz umfaßt.
Schaltungselement nach Anspruch 22, worin die Einkapslung ein Epoxidharz umfaßt.
Schaltungselement nach Anspruch 20, worin die mehreren Leitungs-Anschlüsse Kupfer umfassen und plattiert sind mit mindestens einem ausgewählt unter Nickel und Zinn-Blei.
Schaltungselement nach Anspruch 20, worin das Substrat zwei gegenüberliegende Ränder aufweist und wobei mindestens einer der mehreren Leitungs-Anschlüsse nahe einem der gegenüberliegenden Ränder angeordnet ist und mindestens ein anderer der mehreren Leitungs-Anschlüsse nahe dem anderen der gegenüberliegenden Ränder angeordnet ist.
Schaltungselement nach Anspruch 17, worin der auf der Plättchen-Verbindungsanschlußfläche angeordnete Thyristor an die Plättchen-Verbindungsanschlußfläche durch ein thermisch leitfähiges Bindungsmaterial gebunden ist.
Schaltungselement nach Anspruch 29, worin das thermisch leitfähige Bindungsmaterial umfaßt mindestens eines ausgewählt unter Lötmittel und Epoxidharz.
Schaltungselement nach Anspruch 11, worin das Gehäuse ein thermisch leitfähiges Material umfaßt.
Schaltungselement nach Anspruch 31, worin das thermisch leitfähige Material Keramik ist.
Schaltungselement nach Anspruch 31, worin die Überspannungsvorrichtung und das Gehäuse im wesentlichen den gleichen thermischen Koeffizient aufweisen.
Schaltungselement nach Anspruch 12, worin das Rohr eine Querschnittsform aufweist, die näherungsweise quadratisch ist.
Schaltungselement, das Überspannungs- und Überstrom-Schutz für Schaltungen in einem Telekommunikationssystem bereitstellt, welches umfaßt: ein Sicherungselement; eine Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung; und eine Packung, die als eine einzelne Komponente konfiguriert ist, die auf einer gedruckten Schaltplatte montierbar ist, wobei die Packung das Sicherungselement und die Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung enthält.
Schaltungselement nach Anspruch 35, welches weiter umfaßt: die Packung, die einen ersten, zweiten und dritten Anschluß enthält; das Sicherungselement mit einer ersten und zweiten Leitungsverbindung; und wobei die Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung eine erste und zweite Leitungsverbindung aufweist; wobei der erste Anschluß mit der ersten Leitungsverbindung des Sicherungselements verbunden ist; und wobei der zweite Anschluß mit der zweiten Leitungsverbindung des Sicherungselements und der ersten Leitungsverbindung der Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung verbunden ist; und wobei der dritte Anschluß mit der zweiten Leitungsverbindung der Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung verbunden ist.
Schaltungselement nach Anspruch 35, worin die Halbleiter-Überspannungsvorrichtung ein bidirektionaler Thyristor ist.
Schaltungselement nach Anspruch 35, worin die Halbleiter-Überspannungs- Schutzvorrichtung und die Packung im wesentlichen den gleichen thermischen Koeffizient aufweisen.
Schaltungselement nach Anspruch 35, worin das Sicherungselement und die Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung derart in dem Gehäuse konfiguriert sind, daß das Sicherungselement von der Halbleiter-Überspannungs-Schutzvorrichtung thermisch getrennt ist.
Verfahren zur Bereitstellung einer Überstrom- und Überspannungsvorrichtung in einer Telekommunikationsschaltung, welches umfaßt: Bereitstellen eines Gehäuses, das zum Aufnehmen eines Überstrom-Schutzelements und eines Überspannungs-Schutzelements konfiguriert ist, wobei das Gehäuse mehrere Anschlüsse aufweist; Anordnen der Überstrom- und Überspannungs-Schutzelemente in dem Gehäuse, derart daß das Überstrom-Schutzelement zwischen dem ersten und zweiten Anschluß der mehreren Anschlüsse elektrisch verbunden ist und das Überspannungs-Schutzelement zwischen dem zweiten Anschluß und einem dritten Anschluß der mehreren Anschlüsse elektrisch verbunden ist; und Verbinden des Gehäuses als ein einziges, einzelnes Element an die Schaltplatte, welche die Telekommunikationsschaltung enthält.
Verfahren nach Anspruch 40, welches weiter umfaßt: elektrisches Verbinden eines der ersten und zweiten Anschlüsse mit einer ersten ankommenden Leitung mit der Telekommunikationsschaltung und elektrisches Verbinden des anderen der ersten und zweiten Anschlüsse mit der Telekommunikationsschaltung, derart daß das Überstrom-Schutzelement in Reihenschaltung mit der Telekommunikationsschaltung verbunden ist; und elektrisches Verbinden des dritten Anschlusses mit einer zweiten ankommenden Leitung mit der Telekommunikationsschaltung, derart daß das Überspannungs-Schutzelement in Parallelschaltung mit der Telekommunikationsschaltung verbunden ist.