專利名稱：電路保護裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對電壓瞬變的保護電路。
利用各種方法例如閃電、靜電放電或核電磁脈沖，可以在電路中產(chǎn)生電壓瞬變現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都可能在電纜和諸如飛機和船舶之類的結構中感生出非常大的電流，這些大電流能滲入電氣系統(tǒng)中，使電氣系統(tǒng)損壞，從而不是使硬件損壞例如使半導體燒毀，就是使電子系統(tǒng)混亂，例如引起傳輸損耗或丟失所存儲的數(shù)據(jù)等。
靜電放電是從諸如人體之類的電容器極其快速的放電。這種放電能夠在非常小的范圍內發(fā)生，因而對單個電子元件是個很大的威脅。由閃電引起的感應電瞬變現(xiàn)象對電氣/電子設備特別是(但不只是)宇航機中的電氣/電子設備是一個威脅。
對電氣和電子設備威脅最大的是電磁脈沖，典型脈沖是脈沖寬度為幾微秒、上升時間為幾毫微秒的脈沖，其場強在伴隨H場強為130安/米(設自由空間阻抗為377歐)的情況下約為105伏/米。通常，脈沖起破壞作用的幅值是在10千赫至100兆赫的頻率范圍內發(fā)生的。
本發(fā)明提供一種對電壓瞬變現(xiàn)象的保護電路裝置，該保護裝置包括一個閾值轉折器(threshold foldback device)、一個附加過電壓保護器和一個電容器。閾值轉折器連接在電路的一對載流線路之間。附加過電壓保護器與閾值轉折器并聯(lián)連接，且切換速率比閾值轉折器慢。電容器具有電容量在100微微法至200毫微法的范圍，它與閾值轉折器串聯(lián)連接，但不與附加過電壓保護器串聯(lián)連接。
這里所使用的“閾值轉折器”(Threshold foldback device)一詞是指一種裝置，該裝置在低電壓時，電阻大，例如至少10千歐，較好的至少100千歐，更好的至少為1兆歐，特別好的是至少為10兆歐，但在高電壓(這種電壓的最低值叫做“閾值電壓”)時則其電壓值從其高值降到低值，例如小于10歐。只有維持流過該裝置的“保持”電流小，該裝置才保持其低電阻狀態(tài)，不然它就要自動恢復到其高電阻狀態(tài)。
閾值轉折器的電容量最好至多100微微法，更理想的至多20微微法，特別好的是至多10微微法。閾值轉折器最好包括諸如非晶質的硫族化物組合物為主的固態(tài)器件，特別是主要由硒和或硫連同鍺、鎵、砷或銻四者中之一最好是之二構成的組合物為主的器件。由于明顯數(shù)量碲的存在可能導致在該組合物的高阻(或“斷開”)狀態(tài)電阻率下降到不允許的地步，因此該硫族化物組合物含至多10個原子百分數(shù)的碲為好，含至多5個原子百分數(shù)碲更好，尤其是基本不含碲最好。這種含硫族化物組合物的器件其優(yōu)點在于，當它們經(jīng)歷電壓瞬變時，它們就會極快地、通常在1毫微秒的內從其高阻狀態(tài)轉換成其低阻狀態(tài)。另外這種硫族化物器件通常呈現(xiàn)很低的電容，例如在10微微法數(shù)量級以內。這種器件的例子在歐洲專利申請196，891、198，624、242，902、261，937、261，938和261，939(相應于美國專利申請170，576、945，640、214，913、99，947、218，511和99，931，這些公開文件列在這里供參考)已被公開。“轉折器”這個詞包含稱之為“撬桿”器(“crowbar”device)的裝置。可以用于這種電路的那些裝置的實例包括齊納(Zener)二極管、觸發(fā)型半導體閘流管和類似物。這種電路最好只含有一個單一閾值轉折器。
本發(fā)明的裝置可以極其有效地用以保護電路的負荷或元件使其免受電壓瞬變現(xiàn)象的影響。這種裝置的電容量通常小，例如至多100微微法，可用于工作頻率高達約1千兆赫的極高頻率信號和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中而不致對信號或數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生不利的影響。
在大多數(shù)情況下，當電路經(jīng)受瞬變時，跨在兩過電壓保護器上的電位差增加，直到達到閾值器的閾值電壓時為止，這時負荷兩端的電壓下降到一個低值，該低值與閾值轉折器的“導通”狀態(tài)的電阻有關。閾值轉折器一旦轉入其低電阻狀態(tài)，電容器就開始用瞬變電流充電，同時電容器兩端的電位差，以及負荷兩端的電位差都會開始上升。閾值轉折器和附加過電壓保護器可用一個電阻器分開，例如高達1千歐范圍的電阻器，或轉接，以使過電壓保護器兩端的電壓能繼續(xù)升高。隨著瞬變現(xiàn)象持續(xù)下去，會達到這樣一個時刻，這時時間消逝到足以使動作較慢的過電壓保護器轉入其低電阻狀態(tài)，并將流過負荷的瞬變電流分流。
附加過電壓保護器通常設在固態(tài)轉折器與信號傳輸線之間，用以保護閾值轉折器使其免受極大瞬變的影響。較好的附加過電壓保護器為諸如氣體放電單元或“火花間隙”之類的轉折器。這類裝置能傳輸大量的電能，但其電容非常小。若采用這種附加器件則可用高達1千歐的一個串聯(lián)電阻將其與固態(tài)轉折器隔開，甚至在固態(tài)轉折電路已轉入其低電阻狀態(tài)時，該電阻也能使另一電路保護器兩端的電壓升高到該裝置的閾值電壓。
在本發(fā)明的裝置中，電容器可起高通濾波器的作用，允許波形的低能高頻前沿由閾值轉折器處理，并允許波形的低速高能部分由附加的動作較慢的過電壓保護器處理。正確選擇電容器的電容值可以保持閾值轉折器處于其安全工作區(qū)內，且確保電壓不會因附加過電壓保護器工作速率低而發(fā)生電壓超調。電容器的電容值與許多因素有關，其中包括轉折器的安全工作區(qū)、電路電源的阻抗和另一電路保護器的可靠轉接電壓和速率，但通常在100微微法至200毫微法，最好是在1至100毫微法，特別是10至50毫微法最好。
本裝置還可以加設其它器件。例如可在閾值轉折器(或任何其它元件)與負荷之間的一條線路上裝設一個可復位的熔斷器型裝置。這種裝置在正常情況下電阻低，但會增加到極高值，英國專利申請8816632.7獲得優(yōu)先權的國際專利申請PCT/GB89/00797即公開了這種裝置，這里把該公開的內容也包括進來作為參考?？梢圆捎秒妷后槲黄鱽碓陂撝缔D換器來得及轉換之前限制電壓超調。該電壓箝位器可以從許多具有限壓性能的裝置例如背對背的二極管裝置(其中的二極管可以包括半導體二極管、雪崩二極管或齊納二極管)中來選取。該電壓箝位器也可以包括MIM(金屬絕緣體-金屬)或nin器件或充氣穩(wěn)壓。以英國專利申請8816630和8816631獲得優(yōu)先權的國際專利申請PCT/GB89/000809和PCT/GB89/00808公開了MIM和nin器件，這里把該介紹的內容也包括進來供參考。這里所使用的“nin器件”一詞包括那些含非晶質硅層夾在含n±或p-摻雜物的摻雜層之間的器(這在我們的共同未決的專利申請中已充分描述了)。電壓箝位器的電容最好至多50微微法，因此，nin器件比MIM器件更受歡迎。電壓箝位器的箝位電壓通常調定得使其高于電路的正常工作電壓，例如約為正常工作電壓的1.5倍，以使其不致干擾電路的工作，但也不致使負荷兩端的電壓在箝位之前過高。
位于附加過電壓保護器與信號傳輸線之間的一個串聯(lián)的電路保護器中還可以裝設另一種裝置，該裝置在過載持續(xù)時間特別長例如短路等的情況下會從低電阻狀態(tài)變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)，以切斷電路。這種裝置可以是例如PTC(正溫度系數(shù))器件電路保護裝置，這在美國專利4，237，441、4，426，663、4，426，339和4，774，024以及歐洲專利申請38，713中都以描述了，這里也將該公開內容包括進來供參考。一種合適的裝置由美國加利福尼亞州門路帕克的Raychem公司出售，商標名稱為“Polyswitch”。
在某些情況下，本發(fā)明的裝置可按與上述不同的方式工作。例如，該電路可以經(jīng)受到通常具有波前極其迅速地(例如以1000伏/毫微秒的速率)上升的靜電放電引起的瞬變。固態(tài)閾值轉折器和任何電壓箝位器有可能經(jīng)過一個足夠的延時予以分開，該延時足以讓轉折器兩端的電壓在電壓箝位器經(jīng)歷瞬變達到任何程度之前超過其閾值電壓。同樣，當采用象硫族化物器件之類的快速轉折器件時，瞬變現(xiàn)象有可能由轉折器件在負荷兩端予以分流而不致使電壓箝位或可復位的熔斷器(如有的話)或氣體放電管對它起反應。這一點特別有利，因為這種形式的瞬變現(xiàn)象有可能使電壓箝位器永久損壞。
參照

圖1和圖2本發(fā)明的電路保護裝置的電路圖以舉例的方式來描述本發(fā)明兩種形式的裝置。附圖中，同樣的標號表示同樣的元件。
參看圖1。一對傳輸線1和2將信號傳輸線(圖在側以遠)連接到負荷(圖右側以遠)。傳輸線1和2之間連接一個諸如由非晶質的硫族化物組合物的固態(tài)閾值轉折器6。33毫微法的電容器7與轉折器6串聯(lián)連接。電阻8，(一般達1千歐)與轉折器6及電容器7串聯(lián)連接。在兩傳輸線之間，電阻8最好選擇得使其與該裝置的所有其它串聯(lián)和并聯(lián)的元件一起與輸入線的阻抗匹配，從而使反射過來的瞬變現(xiàn)象減少到最小程度。該電阻的大小較好地選取得使其被反射回來的入射瞬變功率不超過50%，更好是不超過25%，特別好的是不超過10%。
在傳輸線1和2之間在轉折器6傳輸線側連接有一個火花放電器或放電管9。一個串聯(lián)電阻13設在閾值轉折器6與火花間隙9之間，其阻值達100千歐。
這種簡單電路的優(yōu)點在于，閾值轉折器6、電容器7和任一個電阻在體積上都比火花間隙小，實際上可以裝在火花放電器上。因此本裝置可用于電路中代替通常使用同樣夾持器的傳統(tǒng)的火花放電器。這種裝置可以呈現(xiàn)非常短的切換時間，因而比傳統(tǒng)的火花放電器更不容易隨時間而改變。
當本裝置經(jīng)受到電壓瞬變時，傳輸線之間的電壓升高直到一般為80至200伏時為止，閾值轉折器6轉入其低電阻狀態(tài)。這時電能在電阻8中消耗，且A、B點兩端的電壓升高直到火花放電器時為止，這通常是在瞬變現(xiàn)象開始之后至少20毫微秒時發(fā)生的。
圖2示出了與圖1所示類似的電路保護器，但這種電路保護器能保護電路免受范圍更大寬的瞬變。該裝置包括一固態(tài)閾值轉折器6、100微微法至200毫微法的電容器7、電阻8和火花放電器9，它們的工作都與圖1所述的一樣。此外，該裝置還包括一電壓箝位器3和一串聯(lián)電阻器12。電壓箝位器包括一對跨接在負荷兩端的“背對背”連接的二極管4和5，串聯(lián)電阻12達1千歐，連接在電壓箝位器3與閾值轉折器6之間。
在火花放電器9這一側的傳輸線上，設有一串聯(lián)連接載碳的聚合物(carbon loaded polymer)的電路保護器10或其它過電流保護器。此外，在電壓箝位器3與負荷之間設有串聯(lián)連接的可復位熔斷器11。
當該裝置經(jīng)受電壓瞬變時，箝位器3兩端的電壓升高直到熔斷11變?yōu)楦唠娮韬腕槲黄?對其兩端的電壓箝位在大致上恒定的電壓值(例如5至100伏，通常為10至20伏)時為止。這時A、B兩點的端電壓繼續(xù)升高，至到一般在8至200伏時轉折器6轉入其低電阻狀態(tài)為止。這時，電能在電阻器8中消耗，并且A、B兩點的端電壓升高直到火花放電器9放電時為止，這通常在瞬變現(xiàn)象開始之后20毫微秒發(fā)生。
若瞬變現(xiàn)象的持續(xù)時間超過大約100毫秒，載碳的聚合物裝置10開始轉入其高電阻狀態(tài)，并切斷電路。
權利要求
1.一種用以保護電路免受電壓瞬變的裝置，其特征在于它包括一個閾值轉折器、一個附加過電壓保護器和一個電容器，閾值轉折器連接在電路的一對載流線路之間，附加過電壓保護器與閾值轉折器與閾值轉折器并聯(lián)連接，且其切換速率比閾值轉折器慢，該電容器與閾值轉折器串聯(lián)連接，但不與附加過電壓保護器串聯(lián)連接，其電容值在100微微法至200毫微法的范圍。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于該裝置包括一與閾值轉折器和過電壓保護器并聯(lián)連接的電壓箝位器。
3.如權利要求1或權利要求2的裝置，其特征在于它包括一個電阻，該電阻的阻值使所有串聯(lián)和并聯(lián)元件的總阻抗與輸入線的阻抗匹配。
4.如權利要求1至3中任一權利要求所述的裝置，其特征在于所述電壓保護器是個轉折器。
5.如1至4任一權利要求所述的裝置，其特征在于過電壓保護器能夠對連接到一對傳輸線的負荷的兩端上的電能分流要比閾值轉折器分流的多。
6.如權利要求4所述的裝置，其特征在于所述附加電路保護包括一火花放電器或一放電管。
7.如權利要求1至6中任一權利要求所述的裝置，其特征在于所述電容器作為高通濾波箝位器工作，電容值調定得使其確保該快速轉折器工作在安全工作區(qū)內，并允許動作較慢的轉折器到時間工作。
8.如權利要求1至7中任一權利要求所述的裝置，其特征在于，閾值轉折器包括一個由非晶質的硫族化物組合物構成的開關元件。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于所述硫族化物組合物含有硒和/或硫連同鍺、鎵、砷或銻四種元素中至少一種元素，但含碲不大于10原子%。
10.如權利要求1至9中任一權利要求所述的裝置，其特征在于閾值轉折器在高電阻狀態(tài)下的電阻至少為1兆歐。
11.如權利要求1至10中任一權利要求所述的裝置，其特征在于閾值轉折器的電容不大于100微微法，最好不大于50微微法。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，閾值轉折器的電容不大于20微微法。
13.如權利以前1至12中任一權利要求所述的裝置，其特征在于，電路內部至少部分吸收內部產(chǎn)生的切換瞬變。
全文摘要
本裝置包括閾值轉折器6、附加過電壓保護器9和電容器7。閾值轉折器6連接在電路的一對載流線路之間，附加過電壓保護器9與閾值轉折器6并聯(lián)，電容器7與閾值轉折器串聯(lián)，而不與附加過電壓保護器串聯(lián)，電容器7的電容量在100pf至200nf范圍內。附加過電壓保護器的切換速率比閾值轉折器慢，且最好是諸如火花放電器或氣體放電管之類具有轉折或急劇短路特性的器件。本裝置可保護電路或元件免受電壓瞬變，因其電容小而可用于極高頻系統(tǒng)中。
文檔編號H02H9/04GK1053868SQ9110081
公開日1991年8月14日 申請日期1991年1月30日 優(yōu)先權日1990年1月30日
發(fā)明者伊安·保羅·阿特金斯 申請人:雷伊化學有限公司