Предохранитель

(53)5 Н 01,3 17/3 ЕТЕ Т 2 ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ С(71) Научно-исследовательский институт импульсной техники(57) Использование: предохранитель относится к электроизмерительной технике и может быть использован в широкополосных трактах для защиты приемников, например, полупроводниковых приборов от электрических импульсов, превышающих по амплитуИзобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использованодля защиты приемников электрических им пуп ьсов (в частности полуп роводниковых 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 втоЖ 1835565 А де и длительности наперед заданные значения. 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 прямоугольнойпленки, расположенной напротив узкого перешейка на предохранителе со скругленным со стороны вывода нагрузки углом, а также дополнительно и введением коаксиально полосковых переходов, включаемых в сигнальный тракт защищаемой цепи. 2 з.п.ф-лы, 1 ил,рой 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 сравной ему шириной и со скругленным углом со стороны вывода сигнала, вторая металлическая пленка металлической пластинкой соединена с корпусом, узкий перешеек выполнен с утолщением прямоугольной формы фиксированной ширины, расположенным напротив прямого угла второй металлической пленки, пустотелые цилиндры коаксиальнополосковых переходов соединены с корпусом предохранителя, концы первой металлической пленки соединены металлическими пластинами с центральными электродами коаксиально-полосковых переходов, диэлектрический колпачок через герметизирую щий 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 поверхностью узкого перешейка вне области утолщения и торцевой поверхностью второй металлической пленки, соединенной с корпусом предохранителя. Дополнительный разрядный промежуток образован торцевой 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 нс, 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 з до 104 раз.Конструкция предохранителя выбрана так, чтоб диэлектрическое основание с первой металлической пленкой, расположенное в корпусе, образует симметричную полосковую систему. Для перехода к используемым в широкополосных линиях передачи сигналов коаксиальным линиям введены коаксиально-полосковые переходы, соединенные с корпусом. Кроме того, устранена индуктивность узкого перешейка, свойственная прототипу, благодаря введению согласованной по волновомулиндр коаксиально-полоскового перехода 10, центральный электрод коаксиально-полоскового перехода 1 (2), диэлектрическая шайба 11, диэлектрический защитный колпачок 12, утолщение узкого перешейка пер 35 вой металлической пленки 13, выступ корпуса 14, герметизирующий слой 15,Металлические пленки первая 5 и вторая 9 нанесены на диэлектрическое основа ние 4, например, методом напыления ввакууме с последующим формированием рисунка методом фотолитографии. Корпус 3 выполнен в виде рамки, например, фрезерованием с верхней крышкой,45 50 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, напримерс помощью металлической сопротивлению щелевой линии. образованной узким перешейком и второй металлической пленкой, с полосковой линией,образованной первой металлической пленкой и корпусом, что существенно расширяетполосу пропускания ( -10 раз). Посуществудостигнуто согласование по волновому сопротивлению переходом от коаксиальнойлинии к симметричной полосковой линии,затем от полосковой линии к щелевой линии, от щелевой линии к симметричной полосковой линии и, наконец, от полосковойлинии к коаксиальной линии, Т,е. предохранитель представляет собой 4-х полюсник,15 который может работать в широкополосныхцепях электрических сигналов с полосойпропускания от постоянного тока до нескольких тысяч мегагерц,Заявителю неизвестны технические ре 20 щения со сходными признаками, что подтверждает существенность отличий.Предлагаемое устройство представлено на фиг,1.Принятые обозначения,В ы вод сигнала 1, вывод нагрузки 2, корпус 3, диэлектрическое основание 4, перваяметаллическая пленка 5, узкий перешеекпервой металлической пленки 6, пластина 7,коаксиально-полосковый переход 8, вторая.30 металлическая пленка 9, пустотелый ци 1835565пластины 7 и пайкой. Диэлектрический защитный колпачок 12 установлен на диэлектрическое основание 4 с помощьюгерметизирующего 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 зазоромфиксированной величины. Узкий перешеек расположен со стороны второй металлической пленки с целью лучшего поступления тепловой энергии искрового зазора. Узкий перешеек б 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 фиксированных величин, Второй зазоропределяет 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 б, обеспечивает компенсацию неоднородности, образованной узкимперешейком в СВЧ тракте. Выполнение второго конца втооой металлической пленкискругленным, например, радиусом, равным длине узкого перешейка, обеспечивает впервую очередь отключение нагрузки отсигнала, 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 перещейка, Основной электрический разряд инициируется дополнительным и предшествующим основному разрядом.10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигнал в виде напряжения произвольноЙ формы любой полярности поступает на вывод сигнала 1 предохранителя, через коэксиально-полосковый переход 8, первую металлическую пленку 5 и коэксиально-полосковый переход 8 поступает в нагрузку через вывод 2. Когда амплитуда сигнала меньше напряжения 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. Искажения сигнала обусловлены лишь неоднородностями, вносимыми данной конструкцией предохранителя. Поскольку конструкция предохранителя обеспечивает включение его в электрическую цепь как 4-х полюсника с элементами СВЧ тракта (коаксиально-полосковые переходы 8, содержащие центральный электрод 1 (2). пустотелый металлический цилиндо 10 и диэлектрическую шайбу 11, симметричная полосковая 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 второй металлической пленкой 9, соединенной с корпусом 3 полоской 7) не содержит схемных или конструктивных элементов с большими значениями индуктивн остей, резисторов или емкостей, то полоса пропускания предохранителя составляет несколько тысяч мегагерц (МГц), Соответственно допустимый для передачи диапазон рабочих частот сигнала может составить от постоянного тока до тысячи мегагерц,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 и отключением нагрузки от источника сигнала), например, из-эа возникшего в цепи выброса напряжения или произошла перегрузка цепи по длительности импульса срабатывает дополнительный искровой разрядник 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 перешейка током, но температура перегрева не может превысить температуру испарения металла без постороннего теплового источника. С другой стороны в определенный момен времени, определяемый напря 7 18355 б 5женностью электрического полч в зазоре 5между торцевой поверхностью вне утолщения узкого перешейка 13 и торцевой поверхностью второго конца второйметаллической пленки 9, начинается эмиссия термоэлектронов в зазоре, которая современем развивается в дуговой разряд,Основной искровой разрядник образованэлементами б и 9, Температура в плазмеосновного разряда растет значительно быстрее, чем температура перегрева пленки,Разрядный промежуток расположен внепосредственной близости от узкого перешейка б, поэтому время дополнительного изначительного перегрева узкого перешейкаот воздействия плазмы искрового разрядане превышает 10 мкс, Плазма разряда подколпачком 12 движется от дополнительногок основному разрядному промежутку, т.е. отобласти утолщения узкого перешейка 13 всторону, противоположную от вывода нагрузки 2, и сохраняется в течение временииспарения металла. Кроме того напряжениена разрядном промежутке падает, поэтомумежду неиспаренными частями узкого перешейка б разряд не возникает, что улучшает защитные характеристикипредохранителя, Улучшение защитных характеристик данного предохранителя в частности достигнуто выбором формыутолщения перешейка 13 и формы второйметаллической пленки 9,Ниже следует обоснование признаковформулы изобретения,Защитные характеристики предохранитЕля определяются:временем срабатывания, т,е. временемотключения тока от нагрузки;исключением возможности возникновения разряда в парах испаоенного металлаиз-за оставшейся разности потенциаловмежду сигнальным выводом и выводом нагрузки;стабильностью воздушной среды в разрядном промежутке.Широкополосность устройства определяется ограничением диапазона рабочих частот из-за влияния пэразитных емкостных ииндуктивных элементов, а также из-за рассогласования волновых сопротивлений элементов 4-х полюсника.На время срабатывания предохранителя влияют следующие элементы, их расположение .и форма как отличительныепризнаки: расположение узкого перешейкау края первой металлической пленки длясоздания разрядного промежутка и обеспечения быстрого перегрева и испарения перешейка; введение второй металлическойпленки, ее оасположение в непосредствен 55 5 102025 30 354045 50 ной близости от узкого перешейка для создания основного разрядного промежутка; соединение первого конца второй металлической пленки с корпусом для обеспечения прохождения тока через разрядный промежуток; введение диэлектрического защитного колпачка, его располокение и соединение с диэлектрическим основанием герметизирующим материалом для обеспечения стабильности среды в разрядных промежутках; соединение пустбтелых цилиндров коаксиально-полосковых переходов с корпусом для прохождения тока через разрядные промежутки от источникасигнала; соединение вывода сигнала с центральным электродом коаксиально-полоскового перехода для прохождения токачерез разрядные промежутки; выполнениезазора фиксированной величины между краем узкого перешейка и второй металлической пленкой для получения наперед заданного напряжения срабатывания.Время срабатывания предохранителя определяется суммарным временем срабатывания дополнительного и основного разрядных промежутков, временем разогрева и испарения части узкого перешейка первой металлической пленки; Время срабатывания разрядника может существенно увеличиться, 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 этого со стороны вывода нагрузки вводитсяутолщение фиксированной ширины и прямоугольной формы части узкого перешейка, направленное в сторону второй металлической пленки; вторая металлическая пленка выполнена со скругленным углом со стороны вывода сигнала и расположена перпендикулярно оси первой металлической пленки.На частотные характеристики предохранителя влияют следующие элементы, их расположение и форма как отличительные признаки;введение первого и второго коаксиально-полосковых переходов, каждый из которых состоит из заключенного внутри пустотелого цилиндра центрального электрода и диэлектрической шайбы, рэсположенной между внутренними стенками цилиндра и центральным электродом для 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 компенсации1015 2025 303540 45 Металлические пленки структуры Сг-СцЮ нанесены на диэлектрическое основаниеиз 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 центрерамки выступы с помощью клея КВ, На корпус установлены коаксиально-полосковые 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 50 неоднородности, образованной узким перешейком, с целью улучшения АЧХ и КСВН; введение диэлектрического колпачка и соединение его с диэлектрическим основаниемдля 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); выполнениекорпуса электропроводящим для выполнения наперед заданного 75 или 50-омного волнового сопротивления симметричной полосковой линии, образованной первойметаллической 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 пустотелых цилиндров коаксиально-полосковых переходов с корпусом для обеспечения неискаженной передачи сигнала в области низких, высоких иСВЧ частот;соединение выводов сигнала и нагрузки с центральными электродами коаксиальнополосковых переходов для обеспечения прохождения сигнала от источника в нагрузку.Были изготовлены и экспериментальнопроверены образцы. предохранителя,Первый и второй сверхширокополосные 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 Д 16 с покрытием Ов виде оамки с крышками, в который на одинаковом расстоянии от внутренних поверхностей крышек, равном 4 мм, размещено диэлектрическое основание с размерами 15 х 24 мм,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 Сг-Сц-% выполнена в виде прямоугольника с шириной 1 мм и длиной 9 мм, расположена перпендикулярно оси первой металлической пленки. Второй конец второй металлицеской 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 велицины между краями первой и второй металлической пленки в области узкого перешейка Я - 65 мкм, в области утолщения перешейка б - 35 мкм.Диэлектрический защитный колпацок 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 металлицеской пленки на расстоянии 2,4+0,1 мм от оси первой металлической пленки. Колпачок приклеен к диэлектрическому основанию со стороны металлических пленок герметизирующим клеем В К,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 пленочного 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:10 20 РАБОЧИЙ РЕЖИМвне узкого перешейка 1,910 з А/мм 2;в области узкогоперешейка 9 10 А/мм; 5утолщение узкогоперешейка 7 10 А/мм;4 2,напряженностьполя в дополнительном зазоре 1,3 10 В/мм;напряженностьполя в основномзазоре, не более 0,7 10 В/мм;АВАРИЙНЫЙ РЕЖИМвне узкого перешейка 3,1 10 А/мм 2;узкий перешеек 1,5 10 А/мм;утолщение узкого перешейка 1,2 10 А/мм;Ед 21 10 В/мм;Ез, не более 1,2 10 В/мм.Температура нагрева пленки пропорциональна мощности или квадрату плотностипротекающего тока,25С одной стороны за время действия импульса тока температура нагрева в областиузкого перешейка в аварийном режиме в 3,2раза превышает температуру нагрева в рабочем режиме. С другой стороны в аварийном режиме температура нагрева в областиузкого перешейка в 1,6 раза превышает температуру нагрева пленки в области утолщения узкого зазора. Максимальнаятемпература нагоева имеет место в центре 35узкого перешейка, и там же максимальноеколичество термоэлектронов, где напряженность поля ниже. Поэтому начало развития разряда в этой зоне менее вероятно.Пробой или начало разряда начинается 40края (слева) утолщения узкого перешейка взоне дополнительного разрядного промежутка, а развитие разряда с более резкимростом температуры в центре продолжается в сторону к левому концу узкого промежутка. Температура в разрядедополнительно нагревает перешеек. Ни наодной из сгоревших пленок не было случаяиспарения пленки в области утолщения, т,е,в зоне дополнительного разрядного Громежутка. В завершающей стадии развитияразряда напряжение на зазоре падает и втечение времени иСпарения пленки в узкомзазоре сохранившаяся разность потенциалов между оставшимися неиспаренными левым и правым частями не можетобеспечитьразряд, поэтому разряд не затягивается, ивремя срабатывания не превышает 1 мкс.Скорость срабатывания достигнута 10А/с. 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 .ф.0,7 дБ, а КСВН - 1,1,Таким образом, в предлагаемом предохранителе 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 двух разрядных промежутков основного и дополнительного с зазорами фиксированной величины значительно улучшены защитные и частотные характеристики предохранителя прототипа (время срабатывания сокращено на 4 порядка, полоса пропускания увеличена в 10 раз).Формула изобретения 1,Предохранитель, содержащий корпус, в котором располокено диэлектрическое 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 разряда, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения скорости срабатывания и улучшения частотных характеристик предохранителя, корпус выполнен электропроводящим, в котором симметрично располокено диэлектрическое основание. второй пленочный электрод выполнен в виде прямоугольника перпендикулярно первому электроду и напротив узкого перешейка с равной ему шириной и скругленным углом со стороны ввода сигнала, причем второй металлический пленочный электрический электрод соединен с корпусом, а узкий перешеек выполнен с утолщением прямоугольной формы, расположенным напротив прямого угла второго металлического пленочного электрода.2.Предохранитель по п.1, о т л и ч а ю щи й с я тем, что в него введены первый и второй коаксиально-полосковые переходы, каждый из которых состоит из размещенного внутри пустотелого цилиндра центрального электрода для ввода сигнала или нагрузки и диэлектрической шайбы, расположенной между внутренними стенками цилиндра и центральным электродом, пустотелые цилиндры коаксиально-полосковых переходов соединены с корпусом предохранителя, концы первой металлической пленки соединены металлическимиКорректор И.Шулл каз 2983 . Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 пластинами с центральными электродами коаксиально-полосковых переходов.З.Предохранитель по п,1, о т л и ч а ю щи й с я тем, что, с целью обеспечения постоянной работоспособности в течение хранения и улучшения. частотных характеристик,введен диэлектрический защитный колпачок, расположенный через герметизирующий слой на диэлектрическом основании в области узкого перешейка первого пленоч ного электрода и конца второго пленочногоэлектрода,