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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft Funkenstrecken für den Schutz elektrischer Schaltungen
und insbesondere Funkenstrecken, die mit einer gedruckten Leiterplatte
verknüpft
sind.
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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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Eine
Funkenstrecke soll eine Schaltung vor schädlichen Wirkungen einer Überspannung
schützen,
indem vor der Schaltung ein Nebenschlusspfad für die Überspannung bereitgestellt
wird. Die Funkenstrecke bestimmt den Punkt in der Schaltung für Entladungen
von Spannungsspitzen oder Überspannungen
und bestimmt das spezifische Potential einer derartigen Entladung.
Der Ort der erwünschten
Entladung wird durch die involvierten Schaltungen, die Quelle derartiger
Spannungsspitzen und den bevorzugten Entladungspfad bestimmt. Die
Spannungsdifferenz, die für
die Entladung notwendig ist, wird durch den Abstand zwischen den
zwei leitfähigen
Punkten bestimmt, die die Funkenstrecke einschließen. Das erforderliche
Entladungspotential ergibt sich durch die Bestimmung der Quellen
der Spannungsspitzen oder Überspannungen
und des gewünschten Schutzniveaus,
das zum Beispiel durch gesetzliche Erfordernisse bestimmt sein kann.
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Funkenstreckentechniken
des Standes der Technik beinhalten diskrete Funkenstrecken (1A und 1B) oder die kosteneffektiveren Funkenstrecken auf
gedruckten Leiterplatten (PCB) (2A und 2B).
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Diskrete
Funkenstrecken werden allgemein mit Leitungen konstruiert, die innerhalb
eines Körpers
aus Glas, Keramik oder Kunststoff an entsprechenden leitfähigen Flächen mit
einem festen Abstand zwischen sich enden. Es gibt zwei Kategorien von
diskreten Funkenstrecken, eine versiegelte mit einer kontrollierten
Atmosphäre
wie in 1A gezeigt, und
eine andere unversiegelte mit normaler Atmosphäre wie in 1B gezeigt. Diese beiden Arten erfordern
für die
Montage (z. B. auf einer PCB) eine beträchtliche Menge an Raum, und
beide erfordern wegen des Abstands und anderer mechanischer Bedingungen
eine sorgfältige
physische Platzierung und Orientierung während der Montage. Obwohl diskrete
Funkenstrecken dazu neigen kostspieliger zu sein als Funkenstrecken
auf gedruckten Leiterplatten, sind sie etwas haltbarer und zeigen
normalerweise ein kontrollierteres Entladungspotential.
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Es
ist allgemein bekannt, gedruckte Leiterplatten (PCB's) mit einer oder
mehreren Schichten eines steifen oder flexiblen Isolators (z. B.
Glasfaser oder Kunststoff) und einer oder mehreren Schichten aus
einem leitfähigen
Material (z. B. Kupfer oder leitfähige Druckfarbe) herzustellen,
wobei verschiedene Schaltungskomponenten durch "Leiterbahnen" elektrisch verbunden werden.
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Wie
in den 2A und 2B gezeigt ist, verwendet
eine PCB-Funkenstrecke Leiterbahnen (z. B. Kupfer) der PCB, die
in einem festen Abstand voneinander positioniert sind und einen
kontrollierten Punkt für
die Entladung der unerwünschten
Spannungsspitzen oder Potentiale bereitstellt. Die PCB-Funkenstrecke
kann abhängig
von den Spannungspotentialen und der involvierten Energie einen
zwischen den Knoten in die Laminatplatte gestanzten Schlitz aufweisen.
PCB-Funkenstrecken
sind vergleichsweise einfach, genau und reproduzierbar zu fertigen,
da es wenige durch physische Toleranzen und die Platzierung eingeführte Variablen
gibt (im Gegensatz zu diskreten Funkenstrecken). PCB-Funkenstrecken
liefern eine vorhersagbare Arbeitsweise und sind vergleichsweise
günstig,
da sie nur wenig mehr als die aktuellen Kosten des Leiterplattenmaterials
kosten.
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Ein
Nachteil der Funkenstrecken auf gedruckten Leiterplatten wird nach
wiederholten Entladungen, schwerwiegenden Vorkommnissen oder langdauernder
Entladung offenbar. In diesen Situationen werden die Oberfläche der
gedruckten Leiterplatte und die Kupferfolie wegen der Verdampfung der
Folie bezüglich des
Abstands zwischen den leitfähigen
Knoten schnell geschädigt.
Wenn die Spaltbreite zunimmt, nimmt das Spannungspotential zu, das
für einen
Lichtbogenüberschlag über den
Spalt hinweg erforderlich ist, und der Ort des Lichtbogens kann
weniger kontrolliert sein. Zusätzlich
kann die Laminatplatte während
einer schwerwiegenden und langdauernden Entladung wegen der starken
Wärme Schaden
nehmen, die aus einem solchen Vorkommnis resultieren kann.
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Es
gibt mehrere Techniken, die brauchbar sind, um die PCB-Funkenstrecke
zu verbessern. Die Probleme, die mit der Verdampfung der Folie verknüpft sind,
können
zum Beispiel durch eine Erhöhung
der Foliendicke oder bei einer Funkenstrecke der Art mit einem Schlitz
in der PCB durch Erhöhung der
Länge des
Schlitzes (während
die gleiche Breite beibehalten wird) hinausgezögert werden. Unglücklicherweise
nimmt die Fläche
der PCB zu, die erforderlich ist, um bei dieser Technik eine Funkenstrecke einzurichten,
und die Verdampfung wird schließlich die
Leistung verschlechtern. Eine weitere Technik ist die Verwendung
mehrerer Spalte, die seriell beabstandet sind, so dass die Energie
des Funkens auf zwei Spalte verteilt wird (2B). Diese Technik verzögert ebenso
die Folienschädigung
auf Kosten der PCB-Fläche.
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Die
GB-A-1 468 132 offenbart eine Erhöhung der Isolierung zwischen
zwei benachbarten elektrisch leitenden Elementen, indem zwischen
ihnen eine Öffnung
in der gedruckten Leiterplatte vorgesehen wird.
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Die
DE 3 011 465 A beschreibt
eine Funkenstreckenvorrichtung. Die Funkenstrecke umfasst ein Paar
von Metallkugeln, die auf einem Paar von gegenüberliegenden Elektroden angeordnet
ist.
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Es
zeigt sich somit, dass es wünschenswert ist,
eine Funkenstrecke bereitzustellen, die die zuvor beschriebenen
Einschränkungen
der Funkenstrecken des Standes der Technik reduziert oder beseitigt.
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KURZE DARSTELLUNG DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine Verbesserung für den Typ der oben beschriebenen
PCB-Funkenstrecke, die oberflächenmontierte
Bauteile (SMD's) verwendet,
die mit dem Ende zueinander zeigend und mit entsprechenden PCB-Leitern
der Funkenstrecke verlötet
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun unter Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden:
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1 und 2, auf die zuvor Bezug genommen wurde,
zeigen Funkenstrecken der im Rahmen des Standes der Technik bekannten
Art;
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3A zeigt die Draufsicht
und Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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3B zeigt die Draufsicht
und Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt eine isometrische
Ansicht einer Ausführungsform
der Erfindung;
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5 zeigt die Draufsicht und
Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform der in 3A gezeigten Erfindung;
und
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6 zeigt die Draufsicht und
Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung.
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Gleiche
Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche oder ähnliche
Elemente.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In
den 3A und 5 ist eine Ausführungsform
einer PCB-Funkenstrecke gemäß den Lehren der
Erfindung dargestellt. Die PCB umfasst ein nichtleitfähiges Substrat
oder Laminat 100 und eine leitfähige Schicht mit Leitern 200 und 300,
die auf dem Laminat 100 ausgebildet sind. Die Leiter 200 und 300 sind
beabstandet und elektrisch voneinander isoliert, um eine Funkenstrecke 400 zu
bilden. Die Funkenstrecke 400 wird durch die Hinzufügung von
oberflächenmontierten Bauteilen
(SMD's) 210 und 310 verbessert,
die mit dem Leiter 200 beziehungsweise 300 verlötet wurden.
Der dargestellte Spalt 400 umfasst einen Schlitz, der durch
das Laminat 100 gestanzt ist. Zur Ausführung der Erfindung ist es
jedoch nicht notwendig, einen derartigen Schlitz zu stanzen. Das SMD 210 ist
an den leitfähigen
Enden 230 und 231 über die Lotnaht 220 und
die Lotnaht 221 elektrisch und mechanisch mit dem Leiter 200 verbunden.
Das SMD 310 ist an den leitfähigen Enden 230 und 231 über die
Lotnaht 320 und die Lotnaht 321 elektrisch und
mechanisch mit dem Leiter 300 verbunden.
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Der
tatsächliche
Spalt 400, über
den sich die elektrische Energie in Form eines Funkens ausbreiten
wird, wird anfangs von dem Zwischenraum zwischen den Leitern 200 und 300 gebildet.
Diese Leiter können
eine gewisse Verdampfung erleiden, so dass sie bis dorthin erodieren,
wo der Spalt zwischen SMD 210 und SMD 310 ausgebildet
ist. Die Menge des Leiters zwischen einem SMD und der Kante des
Leiters wird durch die Platzierungstoleranz des verwendeten SMD-Prozesses
und die Ausbildung der Lotnähte
bestimmt.
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Eine
erste Elektrode der Funkenstrecke 400 wird durch den Leiter 200 und
die Lotnaht 220 gebildet, und eine zweite Elektrode wird
durch den Leiter 300 und die Lotnaht 320 gebildet.
Ein Funke wird von einer Elektrode zur anderen überspringen, wenn das Differenzspannungspotential
zwischen den zwei Elektroden einen Pegel überschreitet, der von der Breite
des Spalts und der dielektrische Festigkeit des Materials (z. B.
Luft im Falle eines Schlitzes oder Glasfaser) abhängt. Die
leitfähige
Folie zwischen SMD 210 oder 310 kann so geformt
sein, dass sie einen definierten Punkt bereitstellt, so dass die
Lotnähte 220 und 320 in
diese Form fließen.
Auf diese Weise können
der Ort des Funkenüberschlags
und folglich der Differenzspannungspegel, der erforderlich ist,
um einen Lichtbogenüberschlag
auszulösen,
genauer kontrolliert werden. Dieser definierte Punkt begünstigt eine Entladung
beim erwünschten
Potential und am erwünschten
Ort, im Gegensatz zu einer abgerundeten oder breiten Entladungsfläche, die
weniger kontrolliert sein wird.
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Wenn
man nur die erste Elektrode betrachtet, wird die der Elektrode angebotene
elektrische Energie aufgrund des Funkenüberschlags durch den Leiter 200,
die Lotnaht 220 und das leitfähige Ende 230 der
SMD 210 aufgenommen. Zudem wird (neben anderen Faktoren)
die durch die I2R Verluste innerhalb des leitfähigen Materials der Elektrode
erzeugte Wärme
auf das ganze benachbarte Material übertragen, wie beispielsweise
das SMD 210 und das Laminat 100.
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Bei
der Funkenstrecke des Standes der Technik von 2A würde
die elektrische Energie und die Wärmeenergie allein durch das
Kupfer und das Laminat aufgenommen, woraus sich eine Erosion des
Leiters und des Laminats ergäbe,
wie zuvor beschrieben wurde. Durch die Verwendung von oberflächenmontierten
Bauteilen und ihren zugehörigen Lotnähten und
leitfähigen
Enden wird die zur Absorption der Wärme aus dem Kupfer verfügbare Masse erhöht und der
Schaden am Kupfer und dem benachbarten Laminat minimiert. Die größere Querschnittsfläche, die
durch die Lotnähte
und die leitfähigen
Enden bereitgestellt wird, reduziert zusätzlich durch die Senkung des
Stromwiderstands während
des Funkenüberschlags
direkt die I2R Verluste; dadurch wird die erzeugte Wärmemenge
reduziert.
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Die
Erfindung kann so wie in den Zeichnungen dargestellt ausgeführt werden
oder ohne das "Kurzschließen" der SMD 210 und
der SMD 310 durch die Leiter 200 beziehungsweise 300.
Das zusätzliche
Kupfer unter den SMD's
sorgt jedoch für
einen zusätzlichen
Schutz durch Senkung sowohl des elektrischen Widerstands (z. B.
geringere I2R Verluste) und Erhöhung
der thermischen Masse (z. B. Absorption von mehr Wärme ohne
Schädigung).
Eine weitere Erhöhungen
der thermischen Masse kann durch die Verwendung verschiedener Lotkomponenten
realisiert werden. Eine besondere Lotkomponente könnte zum
Beispiel wegen ihrer höheren
spezifischen Wärmeeigenschaften
ausgewählt
werden. Eine besondere Lotkomponente könnte auch wegen einer besonderen
Fließ-
oder Härtungseigenschaft ausgewählt werden,
wodurch eine ungewöhnlich
dicke Lötverbindung
ausgebildet werden könnte.
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Die
verwendeten SMD's
können
mit den Kupfersschichten einer PCB unter Verwendung von standardisierten
Techniken und Toleranzen verlötet werden.
Es kann sich zum Beispiel um Schwell- oder Rückstromverfahren, Dampfphasen-
und Infrarottechniken handeln. Zudem ist die tatsächlich verwendete
SMD-Bauelementart
nicht kritisch, wenn die Vorrichtung wie oben beschrieben "kurzgeschlossen" wird. Wenn die Vorrichtung
nicht "kurzgeschlossen" wird, ist die Komponentenauswahl
wichtiger und eine Komponente mit niedriger Impedanz (z. B. ein
brückenartiges
SMD) ist eine geeignete Wahl. In der Praxis hat es sich herausgestellt,
dass SMD-Widerstände
dazu neigen, mechanisch stabiler zu sein als SMD-Kondensatoren und
sind daher vorzuziehen; es können
jedoch beide verwendet werden. Auf ähnliche Weise ist die Toleranz
der gewählten
Vorrichtung nicht kritisch. Insofern können elektrisch ausgeschiedene
Teile immer noch verwendet werden, wenn sie noch geeignete mechanische
Eigenschaften (d. h. nicht gerissen, etc.) aufweisen. SMD's müssen zudem
zur Verwendung in Funkenstrecken nicht spezifisch bevorratet werden,
und es können
für andere Zwecke
georderte SMD's
verwendet werden.
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Die
Erfindung kann auch unter Verwendung der Konfiguration von 4 ausgeführt werden, wobei zwei gegenüberliegende
SMD's verwendet
werden, um eine Funkenstrecke 400 auszubilden. Variationen
der Anordnung von 4 sind
in den 3A und 3B gezeigt. 3A zeigt ein erstes Paar 210A, B von
SMD's, die auf einem
ersten Leiter 200 gegenüber
einem zweiten Paar 310A, B von auf dem ersten Leiter 300 montierten
SMD's montiert sind,
mit einer Funkenstrecke 400, die die zwei gegenüberliegenden
SMD-Paare umfasst. Diese Konfiguration sorgt für eine gewisse Redundanz, da
es zwei definierte Flächen
für den
Funkenüberschlag
gibt. Dadurch, dass zwei derartige Flächen vorgesehen sind, wird die
Haltbarkeit der Funkenstrecke erhöht, da jede signifikante Verschlechterung
der definierten Flächen eines
Satzes von gegenüberliegenden
SMD's schließlich zu
einem Funkenüberschlag
zwischen dem anderen Satz von gegenüberliegenden SMD's führen wird.
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3B zeigt eine weitere Verbesserung
der in 3A gezeigten
Anordnung. Ein drittes Paar 510A, B SMD's, die zwischen dem
ersten 210A, B und dem zweiten Paar 310A, B von
montierten SMD's
auf einem dritten Leiter 500 montiert sind, bildet eine
zweite Funkenstrecke 400B. Diese Anordnung erlaubt eine
Aufteilung der Funkenüberschlagsenergie
zwischen den zwei Spalten 400A und 400B, wodurch
die Belastungen der individuellen Elemente, die die Funkenstrecken
einschließen,
reduziert werden. Wenn man zum Beispiel identische Funkenüberschlagsspannungen
annimmt, wird die einzelne Funkenstrecke in der Anordnung von 3A notwendigerweise breiter
sein als jede der zwei Funkenstrecken in der Anordnung von 3B und die verteilte Wärmeenergie
und elektrische Energie wird in der Anordnung von 3A durch weniger Bauelemente aufgenommen.
Die Anordnung von 3B gestattet
daher Funken mit höherer
Energie als bei der Anordnung von 3A,
ohne dass die Schädigung
des zugehörigen
Leiters erhöht
wird.
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Die
Erfindung kann auch unter Verwendung der Konfiguration von 6 ausgeführt werden, wobei ein erstes
SMD 210A und optional ein zweites SMD 210B auf
dem ersten Leiter 200 gegenüber einem zweiten Leiter 300 montiert
sind. Die Funkenstrecke 400 umfasst den Spalt zwischen
dem ersten Leiter mit den leitfähigen
Flächen
des einen oder der mehreren darauf montierten SMD's und dem zweiten Leiter.
Diese Ausführungsform
verbessert den Stand der Technik durch Bereitstellung eines erhöhten Schutzes
vor durch Lichtbögen
induzierten Schäden auf
einer Seite der Funkenstrecke.
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Im
Vergleich zu PCB-Funkenstrecken des Standes der Technik sind die
Kostenerhöhungen
minimal und bestehen im Wesentlichen in den Kosten für zwei oder
mehr SMD's und ihre
Platzierung auf der PCB. Die Verwendung von SMD's anstelle der diskreten Funkenstrecke
von 1A nutzt zudem die
Vorteile der Oberflächenmontagetechniken
(z. B. genaue und reproduzierbare Komponentenplatzierung, etc.).
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Die
SMD-Platzierung sollte so gewählt
werden, dass die schlimmstmögliche
Kombination von mechanischen Toleranzen und Platzierungsfehlern des
gewählten
Platzierungs/Verlötungsverfahrens
es gewährleisten
wird, dass immer ein gewisser Teil des Leiters durch die Komponenten
an der Spaltkante unbedeckt bleibt. Der Zweck dieser Platzierung
steht darin, sowohl die Lotverbindung als auch einen definierten
Punkt für
den anfänglichen
Entladungsbeginn zu gewährleisten.
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Eine
Funkenstrecke kann entweder unter Verwendung von 0805 oder 1206
SMD-Komponenten konstruiert werden. Tests, die mit einer Ausführungsform
der Erfindung wie in 3A ausgeführt wurden,
die eine Genauigkeit der End-zu-End-Platzierung eines SMD-Paars
von annähernd
0,127 mm (0,5 mil) und des Seitenabstands (Mittellinie zu Mittellinie)
von annähernd
2,54 mm (100 mil) aufweisen, haben gute Resultate ergeben. Die Richtlinien
des Platzierungsprozesses erfordern 0,508 mm (20 mils) Kupfer jenseits
des Endes eines SMD, obschon dieser Abstand abhängig zum Beispiel vom erwünschten
Schutzgrad verringert werden kann.
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Aufgrund
der Faktoren des SMD-Montageprozesses (z. B. angrenzendes Bauelementelot)
sollte der Seite-zu-Seite-Mittellinienabstand
bei 2,286 mm (90 mil) von Mittellinie zu Mittellinie für die SMD der
Größe 0805
und 2,54 mm (100 mil) von Mittellinie zu Mittellinie für die SMD
der Größe 1206
liegen. Der Endabstand, der erforderlich ist, um eine Lotnaht von 0,127
mm (5 mil) zu erzielen, sorgt auch für eine großzügige elektrische und mechanische
Verbindung.
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Es
sind Experimente mit wiederholten Spannungsspitzen und Überspannungen
mit der Anordnung von 3A mit
den obigen physischen Dimensionierung mit sehr zufriedenstellenden
Resultaten durchgeführt
worden. Die durchgeführten
Tests bestanden in über
20 Überspannungen
bei 6 kV und 0,51 μF
unter Verwendung von brückenartigen SMD's. Es stellte sich
heraus, dass der Leiter so gut wie keine Schädigung erlitt. Ähnliche,
mit der Anordnung von 2A des
Standes der Technik durchgeführte
Experimente ergaben eine signifikante Schädigung des Kupfers. Es hat
sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Funkenstrecke eine brauchbare
Vorrichtung sowohl für
kurzzeitige als auch kontinuierliche Entladungen ist.