УСТРОЙСТВО для ЗАЩИТЫ низковольтных ЦЕПЕЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Советский патент 1968 года по МПК H01T4/02 

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 из 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 ОДНИ от другого и 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 из 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 полупроводниковые пакеты окружают расположенный в центре зазор. Для более высокпх папряжеппй реагпрования (срабатывания) с целью распределения напряжений включают один за одпим несколько полупроводпиковых пакетов таким образом, что получается, по меньшей мере, один зазор между двумя проводящими электродами. Промежуточное электроды целесообразно иметь в виде колец, состоящих из металла, которые расположены собствеипо между электродами устройства. Зазор между электродами и промежуточными кольцами, соответственно между этими кольцами, образуется с помощью прокладок из изоляционного материала. В простейшей форме исполненпя изобретения, если возникают только одинаковые напряжения постоянной полярности, полупроводниковый пакет состоит лишь из полупроводникового элемента с соответствующим образом поляризованным запирающим слоем. В отношении переменных напряжений для защиты от перенапряжений целесообразно включать подряд два таких элемепта с противоположными направлеппями пропускания тока («пропускными направлениями). Устройство также просто п выгодно получается за счет введения выполненного, например, в виде шайбы полупроводникового монокристалла таким образом, что на его обеих поверхностях, в зависимости от обстоятельств, образуется запирающий слой. Так можно получить, например, шайбу из кремниевого монокристалла с электронной проводимостью за счет введения па обеих сторонах по одной зоне дырочной проводимости, благодаря чему образуется полупроводник р-п-уО-типа с двумя запирающими слоями противоположных «иропускных направлений. Соответственно может быть изготовлеи полупроводиик п-р-«-типа. Запирающие слои целесообразно контактировать так, что при появлении более высокпх температур в полупроводниках, вследствие большой нагрузки от запирающего (локирующего) тока, происходит изменение агрегатного состояния коитактного материала в теле полупроводников. Вместо включенных монокристаллических, полупроводников, как кремний или германий, для предлагаемой защиты могут быть применены также поликристаллические полупроводники, как селен. При этол целесообразно на две металлические иесущие пластины нанести с одиой или с обеих сторон слой поликристаллического полупроводника и между образованными таким образом иластинами предусмотреть слой из легкоплавкой эвтектики, наприлшр припоя. При этом контактирование может происходить так, что при нагреве, превышаюшем определенное значение, контактный материал проникает в запирающие слои, запирающая возможность которых повышается, и при протекающих затем больших токах попадает в зазоры и между электродами. На фиг. 1 а и 1 б изображено иредложениое устройство с одним зазором между электродами; на фиг. 2 а и 2 б - устройство с несколькими зазорами, окружающими полупроводниковый пакет; на фиг. 3 - устройство с несколькими зазорами, окруженными полупроводниковым пакетом. Электроды У и 7 из хорошо проводящего материала, такие как медь или алюминий, имеют в центре выемки, в которых находится пОоТупроводпиковый пакет 2, состоящий из слоев 3, 4 и 5 соответственно 4 и 5. Между электродами / и / предусмотрен зазор 6, ширина которого определяется относительно тонкой изолирующей кольцевой прокладкой 7. Зазор расширяется по направлению к размещающим полупроводниковый иакет выемкам в электродах. Отдельные слои полупроводникового пакета сжимаются с помощью пружины 8, например, тарельчатого типа из проводящего материала. 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 3 припоя. Запирающие слои полупроводникового пакета расположеиы 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 заиирающем слое уменьшается его запираюшая сиособность. Этот ироцесс 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 3 из припоя н, возможно, полупроводникового материала попадает в относительно узкий зазор 6, где, наиример, благодаря пламени электрической дуги, приводящей к сварке электродов, образуется длительно проводящее соединение. Благодаря этому полупроводниковый пакет падежно шунтирует, причем через сваренные электроды могут протекать высокие токи короткого замыкания. На фиг. 2 а и 2 б иоказано три включенных дин за одним полупроводниковых пакета 2, , 2 с одинаковым числом пристроенных ольцевых зазоров 6, 6 и 6 между электроами / и /. В зазорах между промежуточныи электродами 1а и 16 размещены тонкие рокладки 7, Т и 7. Конструкция приспособена для более высоких напряжений реагиротродами 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 повыщения 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, воздействующей 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 полупроводпиковых элементов, расположенные в полости, образованной этими выемками, окрул ены 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, из поликристаллического материала состоит из двух металлических пластин, на которые с одной или двух сторон нанесен слой полупроводникового, например, полнкристаллнческого 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 иарообразному полуироводниковому материалу, и, возможно, припою соответствующего полунроводникового пакета, который ироникает в зазор, так что между электродами и промежуточными электродами, соответственно между самими промежуточными электродадти, образуются 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 /а и 16, которые опять же разделены друг от друга с помощью прокладок 7, 7 и 7.

Пакеты полупроводящих элементов подпружинены тарельчатой пружиной 5 из проводящего материала или двумя тарельчатыми прул инами, соединенными между собой как проводники только в узловом месте.

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

Указатель срабатывания, изображенный на фиг. 1 а, состоит из цилиндрического штыря 9, пружины W и легкоплавкой проволоки 11, проходящей внутри изоляционной трубки /2 и соединяющей щтырь с пружиной 8а, которая поднимает полупроводниковый пакет и упирается на пластину 13 из изоляционного материала. При этом схематически изображенная пружина 10 находится в сжатом положении. Протекающий через полупроводнивый пакет ток проходит через тарельчятую пружину 8а, легкоплавкую проволоку // и указательный щтырь 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 86 имеет сужающееся место, к которому крепится проволока 11, не являющаяся теперь легкоплавкой проволокой. Эта проволока опять проходит через изоляционную трубку 12 и соединяется со щтырем 9, подл имаемым при этом прулсиной 10. Пружина 86 может состоять, например, из расположенных одна над другой тарельчатых пружин из проводящего материала, которые только в сул ающемся (узловом) месте соединены собой как проводники, в то время как на друг от др лока закреплеиа легкоплавким припоем. Благодаря сильномз, проходящему через сул :ающееся место при срабатывании защиты току проволока отпаивается, так что пружина 10 отлсимает щтырь нарул у.

Прули-1ны 8а и соответственно 86 поддерживают процесс проникновения контактного материала в зазор 6 благодаря тому, что они одновременно иодлсимают расплавленный материал полупроводникового пакета и выл :1 мают его нарул у.

Указатель срабатывания, данный на фиг. 2 а, 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 пружина 10

щтырь наружу.

Указательное устройство срабатывания на фиг. 2 б наиболее простого типа и состоит из штыря 9 и небольшого реактивного заряда 15, который за счет образующегося при срабатывании защиты тепла воспламеняется и при этом выталкивает штырь наружу. Для защиты от влал{ности реактивный заряд покрывается тонкой пленкой легкоплавкого лака.

Указательное устройство срабатывания, изобралсенное на фиг. 3, состоит из штыря 9, который напрял ением Ю через легкоплавкую проволоку 11 соединяется с листовой 16. Листовая пружина изолирована по отношению к электроду / с помощью кольцевой пластины 13. На ней, кроме того, закреплена не обладающая проводимостью проволока /7 или нить, например, из искусственного материала, удерживающая контакты 18, 18 и 18, которые связаны с промежуточными электродами 1а и 16, соответственно с электродом /, в таком положении, что они не шунтируют зазоры 6, 6 и 6. Правда, ток в представленной конструкции протекать опять же через тарельчатую 8 из проводящего материала, через листовую пружину, легкоплавкую проволоку и указательный штырь. Если легкоплавкая проволока отпаивается, то пружина 10, во-первых, выл имает штырь нарул у и, во-вторых, подпружинивает листовую пружину 16 вверх, так что контакты 18, 18 и 18 прилегают, в зависимости от необходимости, к размещенным на ними электродам 1, соответственно к промежуточным электродам 1а и 16. Процесс сваривания в отдельных щелях эффективно заменяется проводящими соединениями. Преимущества предлагаемой защиты состоят в том, что, несмотря на больщой, легко устанавливающийся с помощью относительно толстой электроизоляционной прокладки промел уток, меледу электродами достигается чительное иапрял :ение реагирования и проводящее соединение между элек/ /; 3

5ff 3 2 6 77

/3