Предохранитель Советский патент 1993 года по МПК H01J17/30 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для защиты приемников электрических импульсов (в частности полупроводниковых приборов) от электрических импульсов, превышающих по амплитуде и длительности наперед заданные значения.

Цель изобретения - улучшение защитных характеристик (повышение скорости срабатывания или падения тока в нагрузке) и частотных характеристик.

Цель изобретения в предохранителе, содержащем корпус, в котором расположено диэлектрическое основание, на котором расположена первая металлическая пленка, выполненная с узким перешейком, достигается тем, что в него введены первый и второй коаксиально-полосковые переходы, каждый из которых состоит из заключенного внутри пустотелого цилиндра центрального электрода, являющегося выводом сигнала или нагрузки, и диэлектрической шайбы, расположенной между внутренними стенками цилиндра и центральным электродом, вторая металлическая пленка, диэлектрический защитный колпачок, металлические пластинки, причем корпус выполнен электропроводящим, в котором симметрично расположено диэлектрическое основание, на которое нанесена расположенная перпендикулярно первой вторая металлическая пленка в виде прямоугольника, выполненного на фиксированном расстоянии напротив узкого перешейка с

СО

ел

ел

равной ему шириной и со скругленным углом со стороны вывода сигнала, вторая металлическая пленка металлической пластинкой соединена с корпусом, узкий перешеек выполнен с утолщением прямоугольной фор- мы фиксированной ширины, расположенным напротив прямого угла второй металлической пленки, пустотелые цилиндры коаксиально- полосковых переходов соединены с корпусом предохранителя, концы первой металличе- ской пленки соединены металлическими пластинами с центральными электродами коаксиально-лолосковых переходов, диэлектрический колпачок через герметизирующий слой расположен на диэлектрическом основании в области узкого перешейка второй металлической пленки и конца второй металлической пленки.

Существо изобретения заключается в том, что в предлагаемом предохранителе сформированы два разрядных промежутка основной и дополнительный, которые введены параллельно нагрузке и источнику сигнала. Основной разрядный промежуток образован металлической торцевой поверх- ностью узкого перешейка вне области утолщения и торцевой поверхностью второй металлической пленки, соединенной с корпусом предохранителя. Дополнительный разрядный промежуток образован торце- вой поверхностью узкого перешейка в области утолщения и торцевой поверхностью второй металлической пленки. Дополни- «тельный разрядный промежуток определяет напряжение срабатывания предохранителя. Разряд в основном разрядном промежутке инициируется плазмой незавершенного разряда дополнительного разрядного промежутка, характеризующегося временами 100 не, быстро нагревает и испаряет металлическую пленку узкого перешейка предохранителя. При этом существенно повышается скорость отключения тока от нагрузки. В прототипе тепловые процессы протекают за время 1 мс, что приводит к повышению скорости отключения тока от нагрузки по сравнению с прототипом от 10 до 10 раз.

Конструкция предохранителя выбрана так, чтоб диэлектрическое основание с пер- вой. металлической пленкой, расположенное в корпусе, образует симметричную полосковую систему. Для перехода к используемым в широкополосных линиях пе- редачи сигналов коаксиальным линиям введены коаксиально-полосковые переходы, соединенные с корпусом. Кроме того, устранена индуктивность узкого перешейка, свойственная прототипу, благодаря введению согласованной по волновому

сопротивлению щелевой линии, образованной узким перешейком и второй металличе- ской пленкой, с полосковой линией, образованной первой металлической пленкой и корпусом, что существенно расширяет полосу пропускания ( 10 раз). Посуществу достигнуто согласование по волновому сопротивлению переходом от коаксиальной линии к симметричной полосковой линии, затем от полосковой линии к щелевой линии, от щелевой линии к симметричной полосковой линии и, наконец, от полосковой линии к коаксиальной линии. Т.е. предохранитель представляет собой 4-х полюсник, который может работать в широкополосных цепях электрических сигналов с полосой пропускания от постоянного тока до нескольких тысяч мегагерц.

Заявителю неизвестны технические решения со сходными признаками, что подтверждает существенность отличий.

Предлагаемое устройство представлено нафиг.1.

Принятые обозначения.

Вывод сигнала 1, вывод нагрузки 2, корпус 3, диэлектрическое основание 4, первая металлическая пленка 5, узкий перешеек первой металлической пленки 6, пластина, коаксиально-полосковый переход 8, вторая, металлическая пленка 9, пустотелый цилиндр коаксиально-полосковрго перехода 10, центральный электрод коаксиально-по- лоскового перехода 1 (2), диэлектрическая шайба 11, диэлектрический защитный колпачок 12, утолщение узкого перешейка первой металлической пленки 13, выступ корпуса 14, герметизирующий слой 15.

Металлические пленки первая 5 и вторая 9 нанесены на диэлектрическое основание 4, например, методом напыления в вакууме с последующим формированием рисунка методом фотолитографии.

КорпусЗ выполнен в виде рамки, например, фрезерованием с верхней крышкой. Диэлектрическое основание 4 установлено в корпус 3 симметрично, например, на выступы 14 с помощью клея. Корпус выполнен электропроводящим, например, из дюралюминия, покрытого слоем олово-висмут. На корпус с помощью винтов установлены коаксиально-полосковые переходы 8, содержащие центральный электрод 1 (2), пустотелый цилиндр 10 и диэлектрическую шайбу 11. Первая металлическая пленка 5 с обоих концов соединена с центральными выводами сигнала 1 и нагрузки 2, например,, с помощью металлической пластины 7 и пайкой. Первый конец второй металлической пленки 9 соединен с корпусом 3, например, с помощью металлической

пластины 7 и пайкой. Диэлектрический защитный колпачок 12 установлен на диэлектрическое основание 4с п ом о щ ь ю герметизирующего материала 15, например, клея, выполнен, например, цилиндрической формы и служит для обеспечения воздушной среды искрового промежутка. Он закрывает область искрового промежутка, охватывающую узкий перешеек 6, утолщение узкого перешейка 13, второй конец второй металлической пленки 13. Второй конец второй металлической пленки 9 отделен от края узкого перешейка 6 зазором фиксированной величины. Узкий перешеек расположен со стороны второй металлической пленки с целью лучшего поступления

тепловой энергии искрового зазора. Узкий перешеек 6 имеет утолщение 13 прямоугольной формы фиксированной ширины со стороны вывода нагрузки.

При таком выполнении между торцевой поверхностью вне и в области утолщения 13 и торцевой поверхностью второй металлической пленки 9 образуются два зазора фик- сированных величин. Второй зазор определяет напряжение срабатывания разрядного промежутка предохранителя. Выполнение второй металлической пленки 9 в виде прямоугольника, расположенного перпендикулярно оси первой металлической пленки с шириной, равной длине узкого перешейка 6, обеспечивает компенсацию неоднородности, образованной узким перешейком в СВЧ тракте. Выполнение второго конца второй металлической пленки

скругленным, например, радиусом, равным длине узкого перешейка, обеспечивает в первую очередь отключение нагрузки от сигнала, т.к, ликвидирует образование искрового промежутка между двумя концами разорванной в процессе теплового нагрева первой металлической пленки в области узкого перешейка. Форма первой металлической пленки может быть произвольной, но на практике легче всего реализовать прямоугольную форму, т.к. при этом проще конструкция корпуса, обеспечивающая широкую полосу пропускания рабочих частот.

Принцип действия предохранителя состоит в испарении проводящего материала при нагревании путем пропускания через него тока с плотностью, не превышающей критическую или предельную величину. Более быстрому разогреву узкого перешейка в данном устройстве способствует возникающий основной электрический разряд в воздухе в непосредственной близости от узкого перешейка. Основной электрический разряд инициируется дополнительным и предшествующим основному разрядом.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигнал в виде напряжения произвольной формы любой полярности поступает на вывод сигнала 1 предохранителя, через коэксиально-поло- сковый переход 8, первую металлическую пленку 5 и коаксиально-полосковый переход 8 поступает в нагрузку через вывод 2. Когда амплитуда сигнала меньше напряже0 ния срабатывания предохранителя сигнал проходит к нагрузке практически без искажений, при этом узкий перешеек б нагревается, но его температура не достигает значений, при которых пленка испаряется.

5 Искажения сигнала обусловлены лишь нео- днородностями, вносимыми данной конструкцией предохранителя. Поскольку конструкция предохранителя обеспечивает включение его в электрическую цепь как 4-х

0 полюсника с элементами СВЧ тракта (коак- сиально-полосковые переходы 8, содержащие центральный электрод 1 (2). пустотелый металлический цилиндр 10 и диэлектрическую шайбу 11, симметричная полосковая

5 линия, образованная корпусом 3, диэлектрическим основанием 4 с нанесенной на него первой металлической пленкой 5 и полосками 7, щелевая линия, образованная узким перешейком 6 с утолщением 13 и вто0 рой металлической пленкой 9, соединенной с корпусом 3 полоской 7) не содержит схемных или конструктивных элементов с большими значениями индуктивностей, резисторов или емкостей, то полоса пропу5 екания предохранителя составляет несколько тысяч мегагерц (МГц). Соответственно допустимый для передачи диапазон рабочих частот сигнала может составить от постоянного тока до тысячи мегагерц.

0 Когда амплитуда сигнала в заданный момент времени превышает напряжение срабатывания предохранителя (напряжение, при котором происходит испарение узкого перешейка 6 первой металлической пленки 5 с соответствующим разрывом цепи

5 и отключением нагрузки от источника сигнала), например, из-за возникшего в цепи выброса напряжения или произошла перегрузка цепи по длительности импульса срабатывает дополнительный искровой рэз0 рядник предохранителя с незавершенным разрядом (дополнительный искровой разрядник образован элементами 13 и 9). При прохождении тока по узкому перешейку 6 с одной стороны происходит разогрев узкого

5 перешейка током, но температура перегрева не может превысить температуру испарения металла без постороннего теплового источника. С другой стороны в определенный момент времени, определяемый напряженностью электрического поля в зазоре S между торцевой поверхностью вне утолщения узкого перешейка 13 и торцевой поверхностью второго конца второй металлической пленки 9, начинается эмиссия термоэлектронов в зазоре, которая со временем развивается в дуговой разряд. Основной искровой разрядник образован элементами 6 и 9. Температура в плазме основного разряда растет значительно быстрее, чем температура перегрева пленки.

Разрядный промежуток расположен в непосредственной близости от узкого перешейка 6, поэтому время дополнительного и значительного перегрева узкого перешейка от воздействия плазмы искрового разряда не превышает 10 мкс. Плазма разряда под колпачком 12 движется от дополнительного к основному разрядному промежутку, т.е. от области утолщения узкого перешейка 13 в сторону, противоположную от вывода нагрузки 2, и сохраняется в течение времени испарения металла. Кроме того напряжение на разрядном промежутке падает, поэтому между неиспаренными частями узкого перешейка 6 разряд не возникает, что улучшаетзащитныехарактеристикипредохранителя. Улучшение защитных характеристик данного предохранителя в частности достигнуто выбором формы утолщения перешейка 13 и формы второй металлической пленки 9.

Ниже следует обоснование признаков формулы изобретения,

Защитные характеристики предохранителя определяются:

временем срабатывания, т.е. временем отключения тока от нагрузки;

исключением возможности возникновения разряда в парах испаренного металла из-за оставшейся разности потенциалов между сигнальным выводом и выводом нагрузки;

стабильностью воздушной среды в разрядном промежутке.

Широкополосность устройства определяется ограничением диапазона рабочих частот из-за влияния паразитных емкостных и индуктивных элементов, а также из-за рассогласования ёолковых сопротивлений элементов 4-х полюсника.

На время срабатывания предохранителя влияют следующие элементы, их расположение и форма как отличительные признаки: расположение узкого перешейка у края первой металлической пленки для создания разрядного промежутка и обеспечения быстрого перегрева и испарения перешейка; введение второй металлической пленки, ее расположение в непосредствен

ной близости от узкого перешейка для qo- здания основного разрядного промежутка; соединение первого конца второй металлической пленки с корпусом для обеспечения

5 прохождения тока через разрядный промежуток; введение диэлектрического защитного колпачка, его расположение и соединение с диэлектрическим основанием герметизирующим материалом для обеспе0 чения стабильности среды в разрядных промежутках; соединение пустотелых цилиндров коаксиально-полосковых переходов с корпусом для прохождения тока через разрядные промежутки от источника

5 сигнала; соединение вывода сигнала с центральным электродом коаксиально-поло- скового перехода для прохождения тока через разрядные промежутки; выполнение зазора фиксированной величины между

0 краем узкого перешейка и второй металлической пленкой для получения наперед заданного напряжения срабатывания.

Время срабатывания предохранителя определяется суммарным временем сраба5 тывания дополнительного и основного разрядных промежутков, временем разогрева и испарения части узкого перешейка первой металлической пленки; Время срабатывания разрядника может существенно увели0 читься, если не будут приняты меры, исключающие возможность возникновения разряда в парах испаренного металла из-за оставшейся разности потенциалов между выводом сигнала и выводом нагрузки. Для

5 этого со стороны вывода нагрузки вводится утолщение фиксированной ширины и прямоугольной формы части узкого перешейка, направленное в сторону второй металлической пленки; вторая металлическая пленка

0 выполнена со скругленным углом со стороны вывода сигнала и расположена перпендикулярно оси первой металлической пленки.

На частотные характеристики предо5 хранителя влияют следующие элементы, их расположение и форма как отличительные признаки:

введение первого и второго коаксиально-полосковых переходов, каждый из кото0 рых состоит из заключенного внутри пустотелого цилиндра центрального электрода и диэлектрической шайбы, расположенной между внутренними стенками цилиндра и центральным электродом для

5 улучшения АЧХ и КСВН; введение второй металлической пленки в виде прямоуголь-, ника с шириной, равной длине узкого перешейка первой металлической пленки, ее расположение перпендикулярно оси первой металлической пленки для компенсации

неоднородности, образованной узким перешейком, с целью улучшения АЧХ и КСВН; введение диэлектрического колпачка и соединение его с диэлектрическим основанием для компенсации уменьшения емкости на землю второй металлической пленки в области скругленного угла с целью улучшения АЧХ в области частот выше 1 ГГц (уменьшения неравномерности АЧХ); выполнение корпуса электропроводящим для выполнения наперед заданного 75 или 50-омного волнового сопротивления симметричной полосковой линии, образованной первой металлической пленкой для устранения существенной неоднородности в виде индуктивности с целью улучшения АЧХ и КСВН; соединение первого конца второй металлической пленки с корпусом для улучшения АЧХ и КСВН путем компенсации неоднородности узкого перешейка; соединение пу- стотелыхцилиндров

коаксиально-полосковых переходов с корпусом для обеспечения неискаженной передачи сигнала в области низких, высоких и СВЧ частот;

соединение выводов сигнала и нагрузки с центральными электродами коаксиально- полосковых переходов для обеспечения прохождения сигнала от источника в нагрузку.

Были изготовлены и экспериментально, проверены образцы.предохранителя.

Первый и второй сверхширокололос- ные коаксиально-полосковые переходы выполнены сечением 7/3 мм с волновым сопротивлением 50 Ом (внутренний диаметр пустотелого цилиндра -- 7 мм, диаметр центральной жилы - 3 мм), диэлектрическая шайба выполнена из фторопласта. Корпус выполнен из дюралюминия Д16 с покрытием О-Bi в виде рамки с крышками, в который на одинаковом расстоянии от внутренних поверхностей крышек, равном 4 мм, размещено диэлектрическое основание с размерами 15x24 мм.

Металлические пленки структуры Cr-Cu- NI нанесены на диэлектрическое основание из поликора толщиной 0,5 мм методом напыления в вакууме с последующим формированием рисунка методом фотолитографии. Толщина металлической пленки 1 мкм.

Диэлектрическое основание установлено в корпус на расположенные в центре рамки выступы с помощью клея КВ-9. На корпус установлены коаксиально-полоско- зые переходы с помощью винтов. Первая металлическая пленка выполнена в виде прямоугольника шириной 4,8 мм, и длиной 13 мм с узким перешейком у края боковой

поверхности и соединена с центральными электродами коаксиально-полосковых переходов с помощью медной пластины толщиной 100 мкм и пайкой припоем. Ширина узкого перешейка - 0,1 мм, длина - 1 мм. Узкий перешеек имеет утолщение прямоугольной формы шириной 30 мкм, длиной - 50 мкм, которое расположено со стороны вывода нагрузки и направлено в сторону

второй металлической пленки. Вторая пленка Cr-Cu-Ni выполнена в виде прямоугольника с шириной 1 мм и длиной 9 мм, расположена перпендикулярно оси первой металлической пленки. Второй конец второй металлической пленки выполнен со скругленным радиусом 0,9 мм со стороны вывода для источника сигнала. Первый конец второй металлической пленки соединен с корпусом медной пластиной толщиной 100

мкм и пайкой припоем. Зазоры фиксированной величины между краями первой и второй металлической пленки в области узкого перешейка S - 65 мкм, в области утолщения перешейка d - 35 мкм.

Диэлектрический защитный колпачок выполнен из полиэтилена цилиндрической формы с диаметром 3 мм, толщиной стенок 0,5 мм. высотой 4 мм. Он установлен так, что полностью закрывает области зазоров разрядных промежутков, т.е. ось колпачка находится на оси прямоугольника второй металлической пленки на расстоянии 2,4+0,1 мм от оси первой металлической пленки. Колпачок приклеен к диэлектрическому основанию со стороны металлических пленок герметизирующим клеем ВК-9,

При выбранных размерах металлической пленки и корпуса волновое сопротивление симметричной полосковой линии,

образованной первой металлической пленкой и крышками корпуса, составляет 50 Ом вне области узкого перешейка. В области узкого перешейка сформирована щелевая линия со средним волновым сопротивлением 90 Ом. Экспериментальный образец пле- ночного предохранителя пропускает рабочие импульсы амплитудой 450 В длительностью 10 мкс без срабатывания и срабатывает от одиночного аварийного

импульса амплитудой 750 В длительностью 10 мкс. При этом перегорание первой металлической пленки происходит в области узкого перешейка между его утолщением и концом, направленным в сторону источника

сигнала, за время, не превышающее 1 мкс.

При выбранных размерах и напряжениях (рабочем и аварийном) предохранителя плотности тока первой пленки в различных сечениях:

РАБОЧИЙ РЕЖИМ вне узкого перешейка1,9 103 А/мм2; в области узкого перешейка 9 104А/мм2; утолщение узкого перешейка 7 104А/мм2; напряженность поля в дополнительном зазоре 1,3 В/мм; напряженность поля в основном

зазоре, не более 0,7 10 В/мм; АВАРИЙНЫЙ РЕЖИМ вне узкого перешейка3,1 103А/мм2; узкий перешеек1,5 105 А/мм2; утолщение узкого перешейка 1,2 10 А/мм ; Ed 2,1 104 В/мм; Es, не более1,2-104 В/мм. Температура нагрева пленки пропорциональна мощности или квадрату плотности протекающего тока.

С одной стороны за время действия импульса тока температура нагрева в области узкого перешейка в аварийном режиме в 3,2 раза превышает температуру нагрева в рабочем режиме. С другой стороны в аварийном режиме температура нагрева в области узкого перешейка в 1,6 раза превышает температуру нагрева пленки в области утолщения узкого зазора. Максимальная температура нагрева имеет место в центре узкого перешейка, и там же максимальное количество термоэлектронов, где напряженность поля ниже. Поэтому начало развития разряда в этой зоне менее вероятно.

Пробой или начало разряда начинается края (слева) утолщения узкого перешейка в зоне дополнительного разрядного промежутка, а развитие разряда с более резким ростом температуры в центре продолжается в сторону к левому концу узкого промежутка. Температура в разряде дополнительно нагревает перешеек. Ни на одной из сгоревших пленок не было случая испарения пленки в области утолщения, т.е. в зоне дополнительного разрядного промежутка. В завершающей стадии развития разряда напряжение на зазоре падает и в .течение времени испарения пленки в узком зазоре сохранившаяся разность потенциалов между оставшимися неиспаренными левым и правым частями не можегобеспечить разряд, поэтому разряд не затягивается, и время срабатывания не превышает 1 мкс.

Скорость срабатывания достигнута А/с.

10

Экспериментальный образец имеет следующие частотные характеристики. Неравномерность ослабления в диапазоне частот от постоянного тока до 4 ГГц не превышает минус 3 дБ, КСВН - не более 1,5. В диапазоне частот до 500 МГц неравномерность ослабления не превышает ±0,7 дБ, а КСВН -1.1.

Таким образом, в предлагаемом предо0 хранителе за счет выполнения плавкого элемента в виде симметричной полосковой системы с компенсацией неоднородности в виде щелевой линии передачи, а выводов - в виде коаксиальной системы, введения

5 двух разрядных промежутков основного и дополнительного с зазорами фиксированной величины значительноулучшены защит- ные и частотные характеристики предохранителя прототипа (время срабаты0 вания сокращено на 4 порядка, полоса пропускания увеличена в 10 раз). Формула изобретения 1 .Предохранитель, содержащий корпус, в котором расположено диэлектрическое

5 основание, на котором расположены первый металлический пленочный элемент, выполненный с узким плавким перешейком и двумя вводами для сигнала и нагрузки, и второй пленочный электрод для поджига

0 разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости срабатывания и улучшения частотных характеристик предохранителя, корпус выполнен электропроводящим, в котором симметрично

5 расположено диэлектрическое основание, второй пленочный электрод выполнен в виде прямоугольника перпендикулярно первому электроду и напротив узкого перешейка с равной ему шириной и скруг0 ленным углом со стороны ввода сигнала, причем второй металлический пленочный электрический электрод соединен с корпусом, а узкий перешеек выполнен с утолщениемпрямоугольнойформы,

5 расположенным напротив прямого угла второго металлического пленочного электрода. 2.Предохранитель по п.1, о т л и ч а ю щ- и и с я тем, что в него введены первый и второй коаксиально-полосковые переходы,

0 каждый из которых состоит из размещенного внутри пустотелого цилиндра центрального электрода для ввода сигнала или нагрузки и диэлектрической шайбы, расположенной между внутренними стенками ци5 линдра и центральным электродом, пустотелые цилиндры коаксиально-поло- сковых переходов соединены с корпусом предохранителя, концы первой металлической пленки соединены металлическими

пластинами с центральными электродами коаксиально-полосковых переходов.

3.Предохранитель по п.1, о т л и ч а ю щ- и и с я тем, что, с целью обеспечения постоянной работоспособности в течение хране- 5 ного электрода и конца второго пленочного ния и улучшения, частотных характеристик, электрода.

введен диэлектрический защитный колпачок, расположенный через герметизирующий слой на диэлектрическом основании в области узкого перешейка первого пленоч

Использование: предохранитель относится к электроизмерительной технике и может быть использован в широкополосных трактах для защиты приемников, например, полупроводниковых приборов от электрических импульсов, превышающих по амплитуде и длительности наперед заданные знзче- ния. Цель изобретения: повышение скоро- . сти отключения тока в нагрузке и улучшение частотных свойств. Сущность изобретения: введение двух разрядников, что повышает скорость испарения узкого перешейка, выполненных в виде согласованной по волновому сопротивлению линии с линией сигнального тракта предохранителя. Конструктивно это достигнуто введением дополнительной металлической прямоугольной пленки, расположенной напротив узкого перешейка на предохранителе со скругленным со стороны вывода нагрузки углом, а также дополнительно и введением коакси- ально полосковых переходов, включаемых в сигнальный тракт защищаемой цепи. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

ШШ