Устройство для защиты низковольтных цепей от перенапряжений

23142l

ОП ИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сома Советских

Социалистических

Республик

К ПАТЕНТУ

Зависимый от патента №

Кл. 21с, 72

Заявлено 19.Х.1966 (K 1108301/24-7)

Приоритет 09.Х1.1965, № Л52105, ФРГ.

Опубликовано 15.Х1.1968. Бюллетень № 35

МПК Н 02d

УДК 621.316.933 (088.8) Комитет по делам изаоретений и открытий ори Совете Министров

СССР

Дата опубликования описания 14.III.1969

Лоторы изобретения

Иностранцы

Аугуст Кристиян Штумпе, Антон Зеелиг и Ханс (Федеративная Республика Германии)

Иностранная фирма

«Лиценция Патент-Фервальтунгс-ГмбХ» (Федеративная Республика Германии) Денгес

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЦЕПЕЙ

OT П ЕРЕНАП РЯЖЕН И Й

Известны устройства для защиты от перенапряжений низковольтных цепей, содержащие корпус из изоляционного материала, размещенные в нем два плоскопараллельных металлических электрода из хорошо проводящего материала, прижатых друг к другу своими поверхностями, между которыми проложена электроизоляционная прокладка и полупроводниковые элементы, образующие пакеты с одним или более запирающим слоем.

В предложенном устройстве для повышения чувствительности, надежности работы и срока службы указанные электроды снабжены выемками, образующими полость, переходящую в зазор между электродами. В полости размещены пакеты пз полупроводниковых элементов. В устройстве предусмотрен также указатель срабатывания, который состоит из штыря, воздействующей на него пружины и проводника, удерживающего штырь в первоначальном положении и пропускающего проходящий через полупроводниковые элементы ток, и закреплен на токопроводящих деталях устройства, например тарельчатых пружинах, укрепленных в выемках электродов, с помощью легкоплавкого материала. Между электродами предусмотрены промежуточные электроды из проводящего материала, отделенные один от другого н от основных электродов зазорами. Указанные выемки в электродах выполнены цилиндрической формы и находятся в центре электродов таким образом, что пакеты полупроводниковых элементов, расположенные в полости, образованной этими выемками, окружены кольцевыми зазорами.

Выемки в электродах могут быть выполнены кольцевыми, и зазоры между электродами находятся в центре кольцеобразных пакетов полупроводниковых элементов, расположенных в полости, образованной этими выемками. Каждый пз полупроводниковых элементов пакета, выполненный, например, из поликристаллического материала, состоит из двух металлических пластин, на которые с одной или двух сторон нанесен слой полупроводникового материала, между которыми проложен слой проводящего, плавящегося при низкой температуре материала, например припоя.

Полупроводники могут быть размещены в центре имеющих, например, цилиндрическую форму электродов и окружены кольцевым зазором. Но большие поверхности полупроводников и вместе с этим более продолжительный срок службы защиты в качестве разрядника перенапряжений получается, если

231421 ших токах попадает в зазоры и между электродаыи.

На фиг. 1 а и 1 б изображено предложенное устройство с одним зазором ыежду электродами; на фиг. 2 а и 2 б — устройство с несколькими зазорами, окружающими полупроводниковый пакет; на фиг. 3 — устройство с несколькими зазорами, окруженными полу: проводниковыы пакетом.

Электроды 1 и 1 из хорошо проводящего материала, такие как медь или алюминий, имеют в центре выемки, в которых находится полупроводниковый пакет 2, состоящий из слоев 8, 4 и 5 соответственно 4 и 5 . Между электродами 1 и 1 предусмотрен зазор б, ширина которого определяется относительно тонкой изолирующей кольцевой прокладкой 7.

Зазор расширяется по направлению к размещающим полупроводниковый пакет выемкам в электродах. Отдельные слои полупроводникового пакета сжимаются с помощью пружины 8, например, тарельчатого типа из проводящего м атер и ал а.

В качестве примера исполнения полупроводниковый пакет состоит из селеновых слоев

4 и 4, которые нанесены на металлические несущие пластины 5 и 5, служащие в качестве проводников тока. Между селеновыми слоями находится слой 8 припоя. Запирающие слои полупроводникового пакета расположены так, что обладают блокирующим действием в обоих направлениях тока.

Устройство работает следующим образом.

Если напряжение на обоих электродах достигает пробивного напряжения встроенного запирающего слоя, то начинает проходить повышенный блокирующий (запирающий) ток, который, прежде всего, препятствует повышению напряжения. С повышением выделения тепла в запирающем слое уменьшается его запирающая способность. Этот процесс можно поддерживать, соответственно ускорять с помощью диффузии контактного материала или припоя в запирающий слой. Если ток,проходящий через полупроводниковый пакет, настолько велик, что полупроводниковый материал или припой становится жидким или испаряется, то часть материала слоя 8 из припоя и, возможно, полупроводникового материала попадает в относительно узкий зазор б, где, например, благодаря пламени электрической дуги, приводящей к сварке электродов, образуется длительно проводящее соединение.

Ьлагодаря этому полупроводниковый пакет надежно шунтирует, причем через сваренные электроды могут протекать высокие токи короткого замыкания.

На фиг. 2 а и 2 б показано три включенных один за одним полупроводниковых пакета 2, 2, 2" с одинаковым числом пристроенных кольцевых зазоров б, б и б" между электродами 1 и 1 . В зазорах между промежуточныыи электродами 1а и 1б размещены тонкие прокладки 7, 7 и 7". Конструкция приспособлена для более высоких напряжений реагирополупроводниковые пакеты окружают расположенный в центре зазор.

Для более высоких напряжений реагирования (срабатывания) с целью распределения напряжений включают один за одины не- 5 сколько полупроводниковых пакетов таким образом, что получается, по ыеньшей мере, Один 33301? ыс?кду двумя проводящими электродами.

Промежуточные электроды целесообразно 10 иметь в виде колец, состоящих из ыеталла, которые расположены собственно между электродами устройства. Зазор между электродами и промежуточными кольцами, соответственно между этими кольцаыи, образуется 15 с помощью прокладок из изоляционного материала.

В простейшей форме исполнения изобретения, если возникают только одинаковые напряжения постоянной полярности, полупро- 20 водниковый чакет состоит лишь из полупроводникового элемента с соответствующим об-. разом поляризованным запирающим слоем.

В отношении переменных напряжений для защиты от перенапряжений целесообразно 25 включать подряд два таких элемента с противоположными направлениями пропускания тока («пропускными» направлениями) .

Устройство так?ке просто и выгодно получается за счет введения выполненного, напри- 50

ыер, в виде шайбы полупроводникового ыонокристалла таким образом, что на его обеих поверхностях, в зависимости от обстоятельств, образуется запирающий слой. Так можно получить, например, шайбу из кремниевого мо- 35 нокристалла с электронной проводимостью за счет введения на обеих сторонах по одной зоне дырочпой проводимости, благодаря чему образуется полупроводник p — и — р-типа с дьуыя заппрающиыи слоями противополож- 40 ных «пропускных» направлений. Соответственно ыо?кет быть изготовлен полупроводник

n — р — и-типа. Запирающие слои целесообразно контактировать так, что при появлении более высоких температур в полупроводниках, 45 вследствие большой нагрузки от запирающего (олокирующего) тока, происходит изменение агрегатного состояния коптактного материала в теле полупроводников.

Вместо включенных ыонокристаллических 50 полупроводников, как креыний или германий, для предлагаемой защиты могут быть применены также поликристаллические полупроводники, как селен. При этом целесообразно на две металлические несущие пластины на- 55 нести с одной или с обеих сторон слой поликристаллического полупроводника и между образованными таким образом пластинаыи предусмотреть слой из легкоплавкой эвтектики, наприыер припоя. При этом контактиро- 60 ванне мо?кет происходить так, что при нагреве, превышающем определенное значение, контактный материал проникает в запирающие слои, запирающая возыожность которых повышается, и при протекающих затем боль- 65

231421 тродами благодаря их сварке при пробое.

Нежелательное срабатывание устройства вследствие электростатических зарядов предохраняемых элементов установки надежно предотвращается.

Требующиеся для оборудования запирающего слоя полупроводники, которые не ограничиваются упомянутым в примере исполнения селеном, могут легко настраиваться на требуемую характеристику срабатывания (напряжение реагирования) защиты, так что при малых, по сравнению с производственным напряжением, но еще очень опасных для человека напряжениях достигается высокая надежность срабатывания.

Предмет изобретения

1. Устройство для защиты низковольтных цепей от перенапряжений, содержащее корпус из изоляционного материала, размещенные в нем два плоскопараллельных металлических электрода из хорошо проводящего материала, прижатых друг к другу своими поверхностями, между которыми проложена электроизоляционная прокладка и полупроводниковые элементы, образующие пакеты с одним или более запирающим слоем, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, надежности работы и срока службы, указанные электроды снабжены выемками, образующими полость, переходящую в зазор между электродами, в которой размещены пакеты из полупроводниковых элементов, и предусмотрен указатель срабатывания, который состоит из штыря, воздействую5

35 щей на него пружины и проводника, удерживающего указанный штырь в первоначальном положении, пропускающего проходящий через полупроводниковые элементы ток, и закреплен на токопроводящих деталях устройства, например тарельчатых пружинах, укрепленных в выемках электродов, с помощью легкоплавкого материала.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между электродами предусмотрены промежуточные электроды из проводящего материала, отделенные один от другого и от основных электродов зазорами.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что указанные выемки в электродах выполнены цилиндрической формы и находятся в центре электродов таким образом, что пакеты полупроводниковых элементов, расположенные в полости, образованной этими выемками, окружены кольцевыми зазорами.

4. Устройство по пп. 1 — 3, отличающееся тем, что указанные выемки в электродах выполнены кольцевыми, и зазоры между электродами находятся в центре кольцеобразных пакетов полупроводниковых элементов, расположенных в полости, образованной этими выемками.

5. Устройство по пп. 1 — 4, отличающееся тем, что каждый из полупроводниковых элементов пакета, например, пз поликристаллического материала состоит из двух металлических пластин, на которые с одной или двух сторон нанесен слой полупроводникового, например, поликристаллического материала, между которыми проложен слой проводящего, плавящегося при низкой температуре материала, например припоя. вания и ее способ действия в основном не отличается от устройства, показанного на фиг. 1. Каждый кольцевой зазор также шунгируется благодаря расплавленному или парообрязному полупроводниковому материалу, и, возможно, припою соответствующего полупроводникового пакета, который проникает в зазор, так что между электродами и проме>куточнымн электродами, соответственно между самими промежуточными электродами, ооразуются сварные места. При этом количество полупроводниковых пакетов может быть больше, чем число зазоров.

На фиг. 3 полупроводниковые пакеты 2, 2 и 2" в виде кольца опоясывают расположенные в центре промежуточные электроды Iа и

1б, которые опять же разделены друг от друга с помощью прокладок 7, 7 и 7".

Пакеты полугроводящих элементов подпружинены тарельчатой пружиной 8 из проводящего материала или двумя тарельчатыми пружинами, соединенными между собой как проводники только в узловом месте.

Преимущество устройства, данного на фиг. 3, заключается в том, что поверхности полупроводниковых пакетов существенно больше, чем при центральном расположении, так что устройство в качестве разрядника перенапряжений может принимать больше энергии. Благодаря этому замена устройства требуется только после энергоемких перенапряжений.

Указатель срабатывания, изобра>кенный на фиг. 1 а, состоит из цилиндрического штыря 9, пружины 10 и легкоплавкой проволоки ll, проходящей внутри изоляционной трубки 12 и соединяющей штырь с пружиной 8а, которая поднимает полупроводниковый пакет и упирается на пластину 18 из изоляционного материала. При этом схематически изображенная ITpv?KHHB 10 находится в с?катом поло>кении. Протекающий через полупроводнивый пакет ток также проходит через тарельчятую пру>кину 8а, легкоплавкую проволоку

II н указательный штырь 9. Когда ток достигает определенного значения, при котором срабатывает устройство, легкоплавкая проволока расплавляется и пружина 10 выжимает штырь наружу, что указывает на срабатывание устройства.

Указатель срабатывания, показанный на фиг. 1 б, отличается от устройства на фиг. 1 а тем, что пружина 8б имеет сужающееся место, к которому крепится проволока 11, не являющаяся теперь легкоплавкой проволокой.

Этя проволока опять >ке проходит через изоляционную трубку 12 и соединяется со штырем 9, поджимаемым при этом пружиной 10.

Пружина ßá может состоять, например, из расположенных одна над другой тарельчатых пружин из проводящего материала, которые только в сужающемся (узловом) месте соединены между собой как проводники, в то время как на пове .. друг от др "231421

6 лока закреплена легкоплавким припоем. Благодаря сильному, проходящему через сужающееся место при срабатывании защиты току проволока отпаивается, так что пру>кина 10 от?кимает штырь наружу.

Пру>кипы 8а и соответственно 8б поддер>кивают процесс проникновения контактного материала в зазор б благодаря тому, что они одновременно под>кимают расплавленный материал полупроводникового пакета и вы>кпмяют его наружу.

Указатель срабатывания, данный на фиг. 2 я, состоит из соединенной со штырем 9 проволоки 11, которая закреплена с помощью легкоплавкого припоя в точке 14 на полупроводниковом пакете 2". Если при срабатывании защиты полупроводниковый материал очень сильно нагревается, то проволока отделяется от него, так что пру>кина 10 выжмет

20 штырь наружу.

Указательное устройство срабатывания на фиг. 2 б наиболее простого типа и состоит нз штыря 9 и небольшого реактивного заряда

15, который за счет образующегося при сра25 батывании защиты тепла воспламеняется и при этом выталкивает штырь наружу. Для защиты от влажности реактивный заряд покрывается тонкой пленкой легкоплавкого лака.

30 Указательное устройство срабатывания, изображенное на фиг. 3, состоит пз штыря 9, который напряжением сжатия пружины 10 через легкоплавкую проволоку 11 соединяется с листовой пружиной 1б. Листовая пру>ки35 на изолирована по отношению к электроду I с помощью кольцевой пластины 18. На ней, кроме того, закреплена не обладающая проводимостью проволока 17 или нить, например, из искусственного материала, удержива40 ющая контакты 18, 18 и 18", которые связаны с промежуточными электродами la и Iб, соответственно с электродом 1, в таком положении, что они не шунтируют зазоры б, б и б". Правда, ток в представленной конструк45 ции должен протекать опять же через тарельчатую пружину 8 из проводящего материала, через листовую пру>кину, легкоплавкую проволоку и указательный штырь. Если легкоплавкая проволока отпаивяется, то пружина 10, во-первых, выжимает штырь наружу и, во-вторых, подпружинивает листовую пру>кину Iá вверх, так что контакты 18, 18 и 18" прилегают, в зависимости от необходимости, к размещенным на ними электродам 1, со55 ответственно к проме>куточным электродам Iа и Iб. Процесс сваривания в отдельных щелях эффективно заменяется проводящими соединениями.

Преимущества предлагаемой защиты состоят в том, что, несмотря на большой, легко устанавливающийся с помощью относительно толстой электроизоляционной прокладки промежуток, между электродами достигается

- -.чительное напря>кение реагирования и проводящее соединение между элек231421

%u2 9

2

Фыг. 3

Редактор Н. С. Коган

Заказ 296,19 1 ирана 530 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий нри Совегс Министров ССС1

Москьа, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, 2

1а

1б г"

Составитель H. Карасева

Техред Т. П. Курилко Корректор С. А, Муратова