專利名稱：過電壓保護元件和過電壓保護元件的觸發元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于瞬時過電壓漏電的過電壓保護元件，帶有至少兩個電極，至少一個設置在電極之間由絕緣材料制成的觸發元件和一個在電極之間作用的空氣擊穿火花隙，其中，在觸發兩個電極之間的空氣擊穿火花隙時產生電弧。此外，本發明還涉及一種用于過電壓保護元件上的觸發元件。
背景技術：
電的，但特別是電子的測量、控制、調節和開關電路，特別是還有通信裝置和設備，對特別是通過大氣放電，但還有通過供電網上的配電作業或者短路而可能產生的瞬時過電壓非常敏感。這種敏感性隨著特別是使用晶體管和晶閘管這種電子元件的程度而增加；尤其是所使用的集成開關電路受到瞬時過電壓的威脅在很大程度上增長。過電壓在很大程度上會毀壞電和電子裝置和設備。這種毀壞在此方面不僅局限于工業和商業設備，而且還涉及到建筑物領域，直至私人家庭中日常使用的設備，如廚房設備、電話機、電視機和音響設備以及計算機等。沒有有效防止過電壓的保護措施，就要為相關裝置和設備的修理和更新付出很高的代價。
電路正常狀態下利用無損壞的額定電壓這種為其專門配備的電壓工作。如果出現過電壓則無效。過電壓是指高于額定電壓上限的所有電壓。屬于此類的主要還有瞬時過電壓，它們由于大氣放電，但還有通過供電網上的配電作業或者短路而產生，并且電流、電感或者電容式與電路耦合。為防止電子的測量、控制、調節和開關電路，特別是還有始終所使用的通信裝置和設備瞬時過電壓，開發出過電壓保護元件或過電壓保護裝置，而且二十多年來所公知。
這里所述類型的過電壓保護元件的重要組成部分至少是一種火花隙，它在一定的過電壓時起動動作電壓，并防止受過電壓保護裝置保護的電路出現大于火花隙的動作電壓的過電壓。
開頭詳細介紹過，依據本發明的過電壓保護元件具有兩個電極和在兩個電極之間存在或作用的空氣擊穿火花隙。空氣擊穿火花隙通常是指擊穿火花隙；因此也包括兩個電極之間存在的不是空氣，而是其他氣體的擊穿火花隙。除了帶有空氣擊穿火花隙的過電壓保護元件外，還帶有在起動時出現表面放電的空氣火花放電火花隙的過電壓保護元件。
帶有空氣擊穿火花隙的過電壓保護元件與帶有空氣火花放電火花隙的過電壓保護元件相比的優點是較高的沖擊電流承受能力，然而缺點是較高的-而且還有不是特別恒定的-動作電壓。因此，已經提出了各種各樣帶有空氣擊穿火花隙的過電壓保護元件，它們在動作電壓方面得到了改進。在此方面，電極或電極之間作用的空氣擊穿火花隙的區域內以各種各樣的方式實現一種輔助觸發元件，例如這樣構成，在電極之間具有至少一個引發表面放電的輔助觸發元件，它至少部分伸入空氣擊穿火花隙內，接片式構成并由塑料組成(參閱例如DE 4141 681 A1，DE 42 44 051 A1或者DE 44 02 615 A1)。
在公知的過電壓保護元件具有的前面談到的輔助觸發元件同樣可以稱為“被動的輔助觸發元件”，之所以是“被動的輔助觸發元件”，是因為它們本身不“主動”起動，而是只有通過主電極上出現的過電壓才起動。
德國公開專利文獻198 03 636公開了一種過電壓保護元件或過電壓保護裝置，帶有兩個電極，一個在兩個電極之間作用的空氣擊穿火花隙和一個輔助觸發元件。在這種公開的過電壓保護裝置中，輔助觸發元件作為“主動的輔助觸發元件”構成，也就是說，除了兩個電極外-那里稱為主電極-還有兩個觸發電極。這兩個觸發電極構成起到觸發火花隙作用的第二空氣擊穿火花隙。在這種公開的過電壓保護裝置中，屬于輔助觸發元件的除了觸發火花隙外還有帶觸發開關元件的觸發電路。在向該公知的過電壓保護裝置上施加過電壓情況下，帶有觸發開關元件的觸發電路負責起動觸發火花隙。觸發火花隙或兩個觸發電極與兩個主電極相關這樣設置，通過起動觸發火花隙使兩個主電極之間的空氣擊穿火花隙起動。觸發火花隙的起動導致電離空氣擊穿火花隙內存在的空氣，從而-沖擊式-在起動觸發火花隙后也起動兩個主電極之間的空氣擊穿火花隙。
在帶有輔助觸發元件的過電壓保護元件前述公開的實施方式中，輔助觸發元件產生一種得到改進的，也就是更低的和更恒定的動作電壓。但是在主動輔助觸發元件中的缺點是，需要一種帶觸發開關元件的附加觸發電路，以便實現起動觸發火花隙。在此方面存在的危險是，觸發火花隙或帶有觸發開關元件的觸發電路會受到閃電電流或者大多出現的電源續流的破壞。
發明內容
本發明的目的因此在于提供一種開頭所述類型的過電壓保護元件，其中，可以按照特別簡單和有效的方式保證一種相當低的和盡可能恒定的動作電壓。在此方面，為此使用的觸發元件可以盡可能簡單并因此成本低廉地制造。
上述目的在依據本發明的過電壓保護元件中首先和基本上由此得以實現，即觸發元件這樣設置和構成，使兩個電極之間具有一個得到減弱絕緣的區域(觸發區)，并在向觸發元件施加電壓時，觸發元件表面上的放電導致兩個電極之間的導電連接，其中，導電連接具有很小的電流承受能力。
由此實現一種用于過電壓保護元件上帶有觸發元件的全新的過電壓保護元件或全新的觸發元件，下面對其功能進行說明觸發元件這樣選擇或確定尺寸，在施加大于過電壓保護元件的動作電壓時，使觸發元件的表面上產生表面放電，它導致兩個-鄰接在觸發元件上的-電極之間的導電連接。在帶有漏電流的這種導電連接的負荷下，然后由于導電連接較低的電流承受能力造成導電連接的“燃燒”。通過這種“燃燒”觸發區受到電離，從而-沖擊式-造成觸發兩個電極之間的空氣擊穿火花隙。
通過空氣擊穿火花隙兩個電極之間所希望出現的導電連接，依據本發明的過電壓保護元件與公知的過電壓保護元件存在著明顯區別。從現有技術(參閱198 56 939 A1)中雖然公知在兩個電極之間設置一個元件，但是該元件與其作為隔離支架的作用相應由一種絕緣材料組成，該材料即使在出現電弧時也能持續保證兩個電極之間所希望的絕緣。DE 42 44 051 A1雖然同樣公開了一種過電壓保護元件，其中在兩個電極之間設置一個絕緣材料的觸發元件，但是在這種公開的過電壓保護元件中，空氣擊穿火花隙只能通過在該觸發元件上出現表面放電完成。在該公開的過電壓保護元件中，通過在兩個電極之間設置觸發元件因此實現一種輔助空氣火花放電火花隙；但兩個電極之間卻沒有通過觸發元件的導電連接。
觸發元件的上述設置和構成最好由此完成，即得到減弱絕緣的區域(觸發區)通過觸發元件上的一個空隙實現。這種空隙例如簡單的可以是在觸發元件上加工的孔，其中，觸發區完全由觸發元件包圍。但此外也可以在觸發元件的邊緣側構成該觸發區。
作為觸發元件的材料最好使用具有相當低CTI值(Comperative TreckingIndex)的塑料。通過使用具有相當低CTI值-并因此還有較低的耐泄漏電流穩定性的-塑料，有助于觸發元件的表面上構成所希望的導電連接。與此不同的是，在公知的過電壓保護元件中，為設置在電極之間的隔離支架使用例如POM這種具有盡可能高CTI值的塑料。
依據本發明另一優選的構成，觸發元件這樣設置和構成，使電極之間出現電弧時觸發元件的表面產生碳化。由此達到在重新出現過電壓時，在觸發元件的表面上重新存在兩個電極之間較低電流承受能力導電連接的起始條件，從而再次產生空氣擊穿火花隙的起始觸發和導電連接的“燃燒”并因此產生觸發區的電離。由此提供一種過電壓保護元件，它即使在時間上連續出現多個過電壓的情況下，仍具有帶較低動作電壓的恒定動作參數特性。
為提高依據本發明的過電壓保護元件在第一次施加過電壓時的動作參數特性，依據一優選的構成，在觸發元件的表面上涂覆較低電流承受能力的導電涂層。由此保證兩個電極之間不取決于通過觸發元件表面上放電產生碳化的導電連接。在此方面，該涂層例如通過在制造過電壓保護元件時觸發元件表面上的化學、熱或者電熱碳化實現。
因為在上述依據本發明的過電壓保護元件中兩個電極之間實現一種導電連接，或在施加過電壓時通過觸發元件表面上的放電實現，所以具有優點地與該過電壓保護元件串聯一個電壓開關元件。在此方面，電壓開關元件特別可以是充氣過電壓泄電器、壓敏電阻或者抑制二極管。在此方面，通過該附加串聯的電壓開關元件防止在正常情況下，也就是在沒有施加過電壓的情況下電流通過過電壓保護元件。在然后由依據本發明的過電壓保護元件和附加的電壓開關元件組成的這樣一種過電壓保護裝置中，該電壓開關元件這樣選擇或確定尺寸，使過電壓保護裝置的動作電壓時導電，也就是“接通”。由此然后在該過電壓保護裝置上或在兩個電極上施加過電壓，然后導致空氣擊穿火花隙由觸發元件引發的起始觸發進行前面詳細介紹的觸發。
開頭介紹的特別是可以在上述過電壓保護元件上使用的觸發元件由此可以特別簡單和成本低廉地制造，即觸發元件由至少兩個導電層和至少一個設置在其間的絕緣層組成，其中，絕緣層通過粘貼或擠壓與導電層連接并具有一個得到減弱絕緣的區域(觸發區)。在此方面，依據本發明觸發元件的制造可以與多層印刷電路板(Multilayer-Leiterplatten)公知的制造過程相應進行，其中，大多數情況下也可以使用由此公知的材料，即導電層使用銅箔，絕緣層使用聚合物膜或FR4膜。
使用導電層或者特別是銅箔這樣的箔和例如聚合物膜這樣的絕緣層，可以在非常窄的尺寸公差下使導電層之間產生非常小的距離。在此方面，導電層通過絕緣層彼此以這種程度相距或絕緣，使電絕緣明顯高于最不利情況下過電壓保護元件所預計的動作電壓。在此方面，實踐上無論是為導電層還是為絕緣層均可使用具有依據標準可供使用的35μm、50μm、70μm或者100μm厚度的銅箔或聚合物膜或FR4膜。但不言而喻，取代銅箔也可以使用其他的金屬箔或者導電的塑料膜。
絕緣層上空氣擊穿火花隙進行無論是起始觸發還是固有觸發的得到減弱絕緣的區域(觸發區)，可以簡單地通過絕緣層上和需要時附加在一個或者兩個導電層上的空隙或孔實現。在此方面，無論是在絕緣層上還是在兩個導電層上構成的孔例如可以在各層壓合之后簡單地通過相應鉆孔產生。
在相應確定導電層的尺寸時，該層直接承擔過電壓保護元件的電極功能，從而然后這種觸發元件本身可以起到過電壓保護元件的作用。但觸發元件的導電層一般這樣構成，通過它們可以直接觸點接通過電壓保護元件的電極。
具體地說，依據本發明的過電壓保護元件或依據本發明的觸發元件存在著大量構成和進一步構成的可能性。為此一方面參閱權利要求1和8的從屬權利要求，另一方面與附圖相結合參閱優選實施例的下列說明。其中圖1示出依據本發明過電壓保護裝置一實施例的原理圖；圖2示出依據本發明觸發元件的第一實施例；圖3示出依據本發明觸發元件的第二實施例；圖4示出觸發元件類似于圖1結構的實施例；圖5示出帶有大量導電層和絕緣層的觸發元件的實施例；圖6示出帶有大量導電層和絕緣層的觸發元件的另一實施例；圖7示出用于多相過電壓保護系統的觸發元件的實施例；圖8示出用于多相過電壓保護系統的觸發元件的另一實施例。
具體實施例方式
圖1僅在其原理結構方面示出依據本發明的過電壓保護元件。過電壓保護元件包括第一電極1、第二電極2、設置在兩個電極1和2之間的觸發元件3和在兩個電極1和2之間存在或作用的空氣擊穿火花隙4。在觸發空氣擊穿火花隙4時，兩個電極1和2之間出現-未示出的-電弧，所要泄漏的閃電電流從該電弧通過。
觸發元件3現在這樣設置，使兩個電極1和2之間構成一個得到減弱絕緣的區域(觸發區)，里面在觸發空氣擊穿火花隙4產生電弧。依據本發明觸發元件3這樣構成，在向觸發元件3施加電壓時，使觸發元件3表面5上的放電導致兩個電極1和2之間導電連接，其中，導電連接具有較低的電流承受能力。如果現在漏電流通過該導電連接，那么由于導電連接較低的電流承受能力，造成導電連接的燃燒并因此造成觸發區的電離，從而導致沖擊式觸發空氣擊穿火花隙。
在適當確定觸發元件3尺寸的情況下，在觸發空氣擊穿火花隙4時出現的電弧的作用是在觸發元件3的表面5上產生“碳化”。由此達到在重新出現過電壓時，在觸發元件的表面上重新存在兩個電極1和2之間較低電流承受能力的導電連接，它在漏電流的負荷下再次導致燃燒并因此導致起始觸發空氣擊穿火花隙4以及因此導致觸發過電壓保護元件。
因為在這種過電壓保護元件中，即使在施加標準電壓時-希望的-兩個電極1和2之間也存在導電連接，所以依據圖1與該固有的過電壓保護元件串聯一個例如壓敏電阻和/或者充氣過電壓泄電器這樣的附加電壓開關元件6。在由依據本發明的過電壓保護元件和附加電壓開關元件6組成的這樣一種過電壓保護裝置中，該電壓開關元件6這樣確定尺寸，使過電壓保護裝置的動作電壓時導電。如果在該過電壓保護裝置上出現過電壓，那么它導致接通電壓開關元件6，從而然后兩個電極1和2上施加過電壓，導致空氣擊穿火花隙4由觸發元件3電流觸發引發的起始觸發進行前面介紹的觸發。在另一面上，電壓開關元件6防止在正常情況下，也就是沒有施加過電壓的情況下-然后不希望的-電流通過過電壓保護元件。
下面借助圖2-8對依據本發明觸發元件的優選實施例進行說明。
圖2-4中所示的觸發元件3由兩個導電層7、8和一個設置在其間的絕緣層9組成，其中，得到減弱絕緣的區域通過絕緣層9上的空隙10實現。例如依據圖1和3作為中心孔構成的空隙可以簡單地通過鉆孔或者銑削制造。在此方面-如與圖2和4比較所示-空隙10或者僅在導電層7上或者在兩個導電層7、8上構成。
依據本發明觸發元件的制造現在由此特別簡單，即可以使用從制造多層印刷電路板(Multilayer-Leiterplatten)公知的制造過程。例如可以是標準化銅箔的導電層7、8與絕緣層9通過壓合連接。在此方面，為絕緣層9也適用于從制造多層印刷電路板中公知的材料，如聚合物膜或者FR-4膜，其可供使用的標準化的厚度從35到100μm。由此可以非常小但卻非常精確地調整可直接與電極1和2連接的導電層7、8之間的距離，由此可以實現非常小的動作電壓。
在實施例中所示的觸發元件3圓形構成的情況下，絕緣層9具有略大于導電層7、8的外徑，從而在觸發元件3的邊緣區域11上通過加長泄漏距離而提高了絕緣，由此防止在該區域內觸發。
圖5示出具有多個導電層7、8和多個絕緣層9的觸發元件3的一個實施例。在此方面，在所示的實施例中，三個導電層7、7′和7″三個導電層8、8′和8″各自導電相互連接，從而雖然總計存在六個導電層7、7′、7″和8、8′、8″，但它們僅具有兩個不同的電位，其中，兩個電位各自彼此交替設置并各自通過一個絕緣層9分開。當然，取代所示的六個絕緣層9也可以交替利用兩個不同電位設置更多的導電層。
通過圖2中原理上示出的觸發元件3這種簡化的結構，可以補償與絕緣層9的特性相關制造造成的變動并由此補償在觸發元件3動作電壓方面造成的變動。在圖5所示的觸發元件3的實施例中，起始觸發始終由分觸發元件3′引起，從而具有最小的動作電壓，也就是說，在其他特性相同的情況下，分觸發元件3′具有最薄的絕緣層9。
在圖6的實施例中，觸發元件3也具有多個導電層7、7′、8、8′和多個絕緣層9，其中，導電層7、7′和8、8′導電相互連接，從而這里也僅存在兩個不同的電位。但與圖5實施例的區別在于，這里兩個不同的電位沒有多次交替設置。這種實施方式與圖2實施方式相比的優點在于，在空氣擊穿火花隙4觸發后，電弧直接躍到外置的導電層7、8上，從而出現更大的電弧。
圖7和8最后示出觸發元件3的兩個實施例，帶有三個水平重疊(圖7)或四個水平并排設置的電位(圖8)。這種觸發元件3因此特別適合于在三相電源上使用的過電壓保護元件上使用。在此方面，與圖2實施例的區別在于，在圖7的觸發元件3上具有第三導電層13，它與第二導電層8通過第二絕緣層14分開，從而三個導電層7、8、13具有三個不同的電位。
在如圖8所示的觸發元件3中，除了一個圓形的導電層7和一個同樣圓形的絕緣層9外，還有其他導電層8、13、15和16，它們各自導電不相互連接。在此方面，導電層8、13、15和16各自扇面式構成和并排設置，其中，圓形導電層7與它們相對設置。在第一導電層7和其他導電層8、13、15或者16之一之間出現過電壓時，然后首先造成各自空氣擊穿火花隙4的起始觸發，其中，由于各導電層8、13、15和16彼此或與導電層7的設置，完成所有空氣擊穿火花隙4的觸發。在過電壓保護元件的一種相應的電路中，由此確保不僅有源相導線(L1、L2、L3)和中性線(N)之間或中性線(N)和地線(PE)之間，而且確保所有線路分支之間所要求的安全電平。
權利要求
1.用于瞬時過電壓漏電的過電壓保護元件，帶有至少兩個電極(1、2)，至少一個設置在電極(1、2)之間由絕緣材料制成的觸發元件(3)和一個在電極(1、2)之間作用的空氣擊穿火花隙(4)，其中，在觸發兩個電極(1、2)之間的空氣擊穿火花隙(4)時產生電弧，其特征在于，觸發元件(3)這樣設置和構成，使兩個電極(1、2)之間具有一個得到減弱絕緣的區域(觸發區)，并在向觸發元件(3)施加電壓時，觸發元件(3)表面(5)上的放電導致兩個電極(1、2)之間的導電連接，其中，導電連接具有很小的電流承受能力。
2.按權利要求1所述的過電壓保護元件，其特征在于，得到減弱絕緣的區域通過觸發元件(3)內的空隙(10)實現。
3.按權利要求1或2所述的過電壓保護元件，其特征在于，觸發元件(3)由塑料或者具有相當低CTI值的其他絕緣材料組成。
4.按權利要求1-3之一所述的過電壓保護元件，其特征在于，導電連接僅在觸發元件(3)的表面(5)上產生。
5.按權利要求1-4之一所述的過電壓保護元件，其特征在于，觸發元件(3)這樣設置和構成，使電極(1、2)之間出現電弧時觸發元件(3)的表面(5)產生“碳化”。
6.按前述權利要求1-5之一所述的過電壓保護元件，其特征在于，觸發元件(3)的表面(5)上涂覆一種較低電流承受能力的導電涂層。
7.按權利要求6所述的過電壓保護元件，其特征在于，涂層通過化學、熱或者電熱碳化實現。
8.用于特別是按權利要求1-7之一所述的過電壓保護元件的觸發元件，其特征在于，觸發元件(3)由至少兩個導電層(7、8)和至少一個設置在其間的絕緣層(9)組成，其中，絕緣層(9)通過粘貼或擠壓與導電層(7、8)連接并具有一個得到減弱絕緣(5)的區域(觸發區)。
9.按權利要求8所述的觸發元件，其特征在于，得到減弱絕緣的區域特別是通過鉆孔或銑削通過絕緣層上的(9)和需要時附加在導電層(7)上的或在導電層(7、8)上的空隙(10)或孔實現。
10.按權利要求8或9所述的觸發元件，帶有至少三個導電層(7、7′、8、8′)和至少兩個絕緣層(9)，其特征在于，至少兩個導電層(7、7′、8、8′)相互導電連接。
11.按權利要求8-10之一所述的觸發元件，其特征在于，作為導電層(7、8)使用銅箔，作為絕緣層(9)使用聚合物膜或者FR4膜。
12.按權利要求8-11之一所述的觸發元件，其特征在于，在絕緣層(9)上絕緣加入例如纖維或者金屬顆粒這樣的導電成分。
13.按權利要求8-12之一所述的觸發元件，其特征在于，導電層(7、8)和/或者絕緣層(9)具有小于0.2mm，最好35μm-70μm的厚度。
全文摘要
本發明涉及一種用于瞬時過電壓漏電的過電壓保護元件，帶有至少兩個電極(1、2)，至少一個設置在電極(1、2)之間由絕緣材料制成的觸發元件(3)和一個在電極(1、2)之間作用的空氣擊穿火花隙(4)，其中，在觸發兩個電極(1、2)之間的空氣擊穿火花隙(4)時產生電弧。依據本發明，過電壓保護元件以特別簡單的方式具有可以特別簡單制造的觸發元件(3)，其中，觸發元件(3)這樣設置和構成，使兩個電極(1、2)之間具有一個得到減弱絕緣的區域(觸發區)，并在向觸發元件(3)施加電壓時，觸發元件(3)表面(5)上的放電導致兩個電極(1、2)之間的導電連接，其中，導電連接具有很小的電流承受能力。
文檔編號H01T1/20GK1674375SQ20051005655
公開日2005年9月28日 申請日期2005年2月23日 優先權日2004年2月23日
發明者R·杜爾特 申請人:鳳凰接觸股份有限及兩合公司