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Prioritätsanspruch
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Die Anmeldung ist eine nicht vorläufige Anmeldung,
die die Priorität
der vorläufigen
U.S. Patentanmeldung Nr. 60/304,374, die am 10 Juli 2001 eingereicht
wurde, den gleichen Titel wie vorstehend genannt trägt und die
Anwaltsaktenzeichennr. 112690-073 aufweist, beansprucht.
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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Überspannungssicherung
elektrisch isolierter Systeme. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung ein verbessertes Gerät
zur elektrostatischen Entladung ("ESD"),
das in Ethernetsystemen eingesetzt werden kann.
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Elektrische Überlastungs-Störimpulse ("EOS-Störimpulse") erzeugen hohe elektrische
Felder und hohe Spitzenleistungen, die Schaltungen oder die hoch
empfindlichen elektrischen Bestandteile in Schaltungen vorübergehend
oder permanent außer
Funktion setzen. EOS-Störimpulse
können Störimpulsspannungen
oder Stromzustände
einschließen,
die einen Schaltungsbetrieb unterbrechen oder die Schaltung völlig zerstören können. EOS-Störimpulse
können
beispielsweise von einem elektromagnetischen Puls, einer elektrostatischen Entladung,
beispielsweise von einer Vorrichtung oder einem menschlichen Körper, Blitz,
einem Aufbau einer statischen Elektrizität entstehen oder durch den Betrieb
anderer elektronischer oder elektrischer Bestandteile herbeigeführt werden.
Ein EOS-Störimpuls kann
in Zeiten von unter Nanosekunden bis Mikrosekunden bis zu seiner
maximalen Amplitude ansteigen und weist wiederholend Amplitudenspitzen
auf.
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Die Spitzenamplitude der Störimpulswelle der
elektrostatischen Entladung (ESD) kann 25,000 Volt mit Strömen von
mehr als 100 Ampere übersteigen.
Es kommen mehrere Standards vor, die die Wellenform des EOS-Störimpulses
definieren. Diese schließen
IEC 61000-4-2, ANSI Richtlinien für ESD (ANSI C63.16), DO-160
und FAA-20-136 ein. Ebenso gibt es militärische Standards wie etwa MIL
STD 883 Teil 3015.7.
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Es kommen Materialien zum Schutz
gegen EOS-Störimpulse
("EOS-Materialien") vor, die entwickelt
sind, um schnell zu reagieren (d.h. Idealerweise bevor die Störimpulswelle
ihre Spitze erreicht), um die übertragene
Spannung auf einen viel geringeren Wert zu verringern und die Spannung
bei dem geringeren Wert für
die Dauer des EOS-Störimpulses
festzuklemmen.
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EOS-Materialien sind dadurch gekennzeichnet,
das sie hohe elektrische Impedanzwerte bei niedrigen oder normalen
Betriebspannungen und Strömen
aufweisen. Als Reaktion auf einen EOS-Störimpuls schalten die Materialien
im Wesentlichen augenblicklich auf einen niedrigen elektrischen Impedanzzustand
um. Wenn die EOS-Gefährdung gelindert
wurde, kehren diese Materialien zu ihrem hohen Impedanzzustand zurück. Diese
Materialien können
wiederholt zwischen den hohen und niedrigen Impedanzzuständen umschalten,
was Schaltungssicherung gegen mehrere EOS-Ereignisse gestattet.
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EOS-Materialien kehren ebenso im
Wesentlichen augenblicklich zu ihrem ursprünglich hohen Impedanzwert nach
Beendigung des EOS-Störimpulses
zurück.
EOS-Materialien können
auf den niedrigen Impedanzzustand Tausende Male umschalten, Tausenden
ESD-Ereignissen wiederstehen und nachdem Sicherung von jedem der
individuellen ESD-Ereignisse bereitgestellt wurde auf den hohen Impedanzwert
zurückkehren.
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EOS-Materialien verwendende Schaltungsbestandteile
können
einen Teil der überschüssigen Spannung
oder des überschüssigen Stroms
auf Grund des EOS-Störimpulses
zur Masse ableiten, die elektrische Schaltung und ihre Bestandteile schützend. Der
Hauptteil eines Störimpulses
mit schneller Anstiegszeit wird jedoch auf die Quelle der Gefährdung zurückreflektiert.
Die reflektierte Welle wird entweder durch die Quelle abgeschwächt, abgestrahlt
oder zu der Stromstoß-Sicherungsvorrichtung, die
auf jeden Puls reagiert bis die Gefährdungsenergie auf sichere
Niveaus vermindert ist, zurückgerichtet.
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Eine elektrische Vorrichtung zur
Bereitstellung von Sicherung gegen EOS-Störimpulse ist in der U.S. Patent
Nr. 6,211,554 B1 offenbart, die dem übertragen wurde, dem diese
Erfindung übertragen
wurde, und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein Spannungsvariables
Material ("VVM") oder eine Zusammensetzung
zur Bereitstellung von Sicherung gegen elektrische Überlastung
ist in der U.S. Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/136,507
offenbart, die dem übertragen
wurde, dem diese Erfindung übertragen
wurde, und ist ebenso hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
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Eine typische lokale Netzwerk-("LAN")-Ausführung verwendet
ein Ethernet-Protokoll, das gewöhnlich
ein Basisband- oder eine Breitband-Übertragung erfordert. Da LANs
typischerweise große Entfernungen
zwischen Netzwerkvorrichtungen (Servern, Workstations, Druckern,
etc.) umfassen, kann das Massepotential beachtlich von Ort zu Ort
variieren. Dies könnte
zu Datenübertragungsfehlern
und sogar Gerätebeschädigung führen, wenn
die Datenkommunikationsleitungen auf Erdmasse bezogen sind. Aus
diesem Grund sind Transceiver für
LAN- und Telekommunikation-Anwendungen typischerweise Differentialmodus-Vorrichtungen,
die gewöhnlich durch
Wandler von der Netzwerkverdrahtung isoliert sind. Diese Wandler
koppeln wirksam die Differentialmodus-Datensignale von den Twisted
Pairs der Netzwerkverdrahtung zu den Transceivervorrichtungen, während Gleichtaktsignale
wie solche, die von Massepotentialunterschieden herrühren, abgeschwächt werden.
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Eine andere Quelle von Gleichtaktsignalen sind
von Gebäude-Starkstromleitungen
abgestrahlte Störimpulse,
die durch Lastschaltung in Geräten
wie Klimaanlagen, Heizgeräten,
Fahrstühlen,
Kopierern und Laser-Druckern verursacht werden. Ebenso ist es möglich Gleichtakt-ESD-Signale
mit der Netzwerkverdrahtung durch direkte Entladung auf das Kabel
oder einen Kabelverbinder, oder durch elektrische oder magnetische
Feld-Kopplung mit dem Kabel zu koppeln.
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Obwohl ein idealer Wandler ein Null-Gleichtaktsignal
von der Primärseite
(Netzwerkverdrahtungsseite) mit der Sekundärseite (Netzwerkvorrichtungs-Transceiverseite)
koppeln würde,
weisen echte Wandler einige Kapazitanz auf, die die Primärwicklungen
und Sekundärwicklungen
verbindet, die gestattet einigen Gleichtaktstrom über den
Wandler fließen
zu lassen. Gleichtaktdrosseln und Differentialmodus-Transceiver
verringern weiter oder weisen das Gleichtaktsignal ab, aber hohe
Amplitude, schnell ansteigende Signale wie solche, die von ESD herrühren können immer
noch Versagen oder Beschädigung des
Systems auslösen.
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Verbindungsanschlüsse an Netzwerkkommunikationsvorrichtungen
müssen
gemäß anerkannten
Standards elektrisch isoliert sein. Beispielsweise müssen Ethernet
10BaseT Netzwerkkommunikationsvorrichtungen den internationalen
Standard ISO/ICE8802-3 (ANSI/IEEE Standard 802.3) erfüllen und
100BaseT Netzwerkkommunikationsvorrichtungen müssen Standards, die unter ANSI
X3.263-1995, Sektion 8.4.1.1 ausgeführt sind, erfüllen. Für die 10BaseT
Vorrichtungen erfordert Standard 802.3, dass für jede PMA/MDI-Schnittstelle,
wie etwa die in einem RJ-45-Verbinder vorgefundene, die Verbindungen
zu der Netzwerkverdrahtung von der Masse für DC-Spannungs-Niveaus so hoch
wie 2500 Volt isoliert sein muss.
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Bekannte VVM Typ ESD-Geräte können der Gegenwart
eines Hochspannungs-Stationär-Signals nicht widerstehen.
Andere Typen von ESD-Sicherung wie etwa Funkenstrecken sind weniger
zuverlässig.
Funkenstrecken sind von Umgebungsbedingungen, wie etwa Wärme und
Feuchtigkeit, abhängig.
Desweiteren können
sich Funkenstrecken nach wiederholten ESD-Ereignissen verschlechtern. Dies stellt
ein Problem für
vernetzte Kommunikationssysteme dar, die ESD-Sicherung und Hochspannung-Direkt-Stromisolation
erfordern. Demgemäß besteht ein
Bedarf für
ein zuverlässiges
VVM Typ ESD-Gerät, das
der Gegenwart einer Hochspannungs (beispielsweise 2500 Volt)-Stationär-Signal,
wiederstehen kann.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein verbessertes Gerät
zur elektrostatischen Entladung ("ESD") bereit.
Spezifischer, stellt die vorliegende Erfindung ein ESD-Gerät bereit,
das eine elektrische Überlastungs-Unterdrückungs-Vorrichtung
in Reihe mit einem Kondensator einschließt. Das ESD-Gerät ist Idealerweise
für die
Verwendung mit Netzwerkkommunikationsvorrichtungen geeignet, jedoch
kann jede elektronische Vorrichtung, die ESD-Sicherung und Isolation erfordert, das
ESD-Gerät
der vorliegenden Erfindung verwenden.
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Zu diesem Zweck wird in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ein ESD-Gerät bereitgestellt.
Das ESD-Gerät
schließt
einen Kondensator und eine elektrische Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtung ein, die ein
polymeres, nicht-ohmsches Spannungsvariables Material aufweist,
das in Reihe mit dem Kondensator elektrisch kommuniziert.
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In einer Ausführungsform schließt das Gerät eine Signalleitung
ein, die mit der Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtung
elektrisch kommuniziert.
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In einer Ausführungsform ist die Signalleitung
eine Datenleitung, die aus einer Gruppe bestehend aus 10BaseT, 100BaseT
und 1000BaseT Datenleitungen ausgewählt wird.
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In einer Ausführungsform schließt das ESD-Gerät eine Ethernet-Netzwerkvorrichtung
ein, die mit der Signalleitung elektrisch kommuniziert.
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In einer Ausführungsform schließt das ESD-Gerät einen
Transceiver ein, der mit der Signalleitung elektrische kommuniziert.
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In einer Ausführungsform schließt das ESD-Gerät eine Erdungmasse
ein, die mit der Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtung
elektrisch kommuniziert.
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In einer Ausführungsform ist der Kondensator
bemessen, so dass die ESD-Vorrichtung einer Anwendung einer bestimmten
stationären
oder direkten Strom-Spannung widerstehen kann.
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In einer Ausführungsform blockiert der Kondensator
Gleichstrom, der von einer Signalleitung zur Masse wandert.
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In einer Ausführungsform koppelt der Kondensator
mit einer nicht genutzten Datenleitung eines Daten-Übertragungs-Verbinders.
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In einer Ausführungsform sind die ESD-Sicherungs-Vorrichtung
und der Kondensator auf einer Platine für eine gedruckte Schaltung
("PCB") aufgebracht.
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In einer Ausführungsform kommunizieren das
Gerät und
der Kondensator mit mindestens einer PCB-Leiterbahn, die elektrisch
mit einem Daten-Übertragungs-Verbinder
kommuniziert.
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In einer Ausführungsform sind die ESD-Sicherungs-Vorrichtung
und der Kondensator auf einer flexiblen Schaltung aufgebracht.
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In einer Ausführungsform kommunizieren die ESD-Vorrichtung
und der Kondensator elektrisch mit einem Federkontakt, der auf die
flexible Schaltung aufgebracht ist.
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In einer Ausführungsform kommunizieren mehrere
EOS-Vorrichtungen und Kondensatoren elektrisch mit mehreren Kontakten,
die auf die flexible Schaltung aufgebracht sind.
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In einer Ausführungsform kommuniziert die EOS-Vorrichtung
und der Kondensator elektrisch mit einem Verbinderstift einer elektrischen
Vorrichtung.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird ein Gerät
zur elektrostatischen Entladung ("ESD")
bereitgestellt. Das ESD-Gerät schließt ein nicht-ohmsches
Spannungsvariables Material ("VVM") und einen Kondensator
oder ein Kondensatormaterial ein, das in Reihe mit der VVM elektrisch
kommuniziert. Der Kondensator ist bemessen, so dass das VVM einer
Anwendung einer bestimmten stationären Spannung widerstehen kann.
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In einer Ausführungsform schließt das Spannungsvariable
Material eine Matrix leitender und halbleitender Teilchen ein, die
eine Durchschnittsteilchengröße von weniger
als 10 Mikron aufweisen. In einer Ausführungsform schließt die Matrix
weiter isolierende Teilchen ein, die eine Durchschnittsteilchengröße aufweisen,
die größer als
300 Angström
ist.
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In einer Ausführungsform schließt das Spannungsvariable
Material ungleichmäßig geformte
Leiterteilchen ein, die isolierende Oxid-Oberflächenbeschichtungen aufweisen,
die in einer Matrix gebunden sind.
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In einer Ausführungsform schließt das Spannungsvariable
Material eine Mischung leitender und halbleitender Teilchen ein,
die eine mit einer isolierenden Oxidschicht beschichtete Oberfläche aufweisen,
worin die leitenden und halbleitenden Teilchen in einem isolierenden
Verbinder zusammen gebunden sind.
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In einer Ausführungsform schließt das Spannungsvariable
Material leitende und halbleitende Teilchen ein, die mit einer isolierenden
Oxidschicht beschichtet und in Punktkontakt miteinander zusammengebunden
sind.
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In einer Ausführungsform schließt das Spannungsvariable
Material leitende und halbleitende Teilchen ein, die eine Größe von 10
bis 20 Mikron aufweisen.
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In einer Ausführungsform schließt das Spannungsvariable
Material Teilchen ein, die 10 bis 20 Mikron groß sind und mindestens 1000
Angström
beabstandet sind.
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In einer Ausführungsform sind das VVM und ein
Kondensator oder ein Kondensatormaterial innerhalb eines gemeinsamen
Gehäuses
angeordnet.
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In einer Ausführungsform ist das VVM selbsthaftend
und ist an ein PCB, Polyamid (Polymide), Flex-Schaltung oder innerhalb
eines Gehäuses
mit einem Kondensator oder einem Kondensatormaterial selbsthaftend
angebracht.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird eine elektrische Schaltung für die elektrostatische Entladungs-Unterdrückung bereitgestellt.
Die Schaltung schließt
eine Signalleitung und einen Kondensator ein, der mit der Signalleitung elektrisch
kommuniziert. Die Schaltung schließt eine elektrische Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtung ein,
die ein polymeres, nicht-ohmsches Spannungsvariables Material aufweist,
das in Reihe mit dem Kondensator elektrisch kommuniziert. Die Schaltung schließt ebenso
eine Erdungsmasse ein, die mit der Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtung
elektrisch kommuniziert.
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In einer Ausführungsform schließt die Schaltung
eine Ethernet Netzwerk-Vorrichtung ein, die mit der Signalleitung
elektrisch kommuniziert.
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Daher ist es ein Vorteil der vorliegenden
Erfindung ein ESD-Gerät
zur Verwendung in Ethernet-LAN-Netzwerken bereitzustellen.
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Ein anderer Vorteil der vorliegenden
Erfindung liegt darin ein ESD-Gerät bereitzustellen, das eine
Stationär-Blockierfunktion
aufweist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung liegt darin ein ESD-Gerät bereitzustellen, das IEEE
802.3 Testen widerstehen und gute Unterdrückung von EOS-Störimpulsen aufrechterhalten
kann.
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Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden
Erfindung liegt darin ein ESD-Gerät bereitzustellen, in dem Hochgeschwindigkeitsdaten über eine
angehäufte
(aggregate) Kapazitanz wandern, die geringer ist als die Kapazitanz
einer elektrischen Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtung, die
einen Teil des ESD-Geräts
bildet und worin das Gerät
die Integrität der
Hochgeschwindigkeitsdaten nicht gefährdet.
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Zusätzliche Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden beschrieben in und ersichtlich
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der
Figuren
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1 ist
ein schematisches elektrisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des
verbesserten ESD-Gerätes.
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2 ist
eine fragmentarische Grundrissansicht eines Abschnitts einer Platine
für eine
gedruckte Schaltung, die einen möglichen
Aufbau für
das erfindungsgemäße verbesserte
ESD-Gerät zeigt.
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3A stellt
ein schematisches elektrisches Diagramm für einen bekannten Datenübertragungsverbinder
dar.
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3B ist
ein schematisches elektrisches Diagramm, dass das erfindungsgemäße ESD-Gerät in Kombination
mit dem Datenübertragungsverbinder von 3A darstellt.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht, die das erfindungsgemäße verbesserte
ESD-Gerät
darstellt, das auf einer flexiblen Schaltung verwendet wird.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
und insbesondere auf 1,
stellt ein schematisches elektrisches Diagramm eine erfindungsgemäße Ausführungsform
des verbesserten ESD-Gerätes
dar. Es sollte klar sein, dass in einer bevorzugten Ausführungsform
das verbesserte ESD-Gerät
zur Verwendung mit einer Netzwerk-Kommunikationsvorrichtung angepasst
ist. Die Fachmänner
werden erkennen, dass das Gerät
in jedem elektronischen System, das ESD-Störimpuls-Sicherung
erfordert, verwendet werden kann.
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In 1 tritt
eine EOS-Störimpuls-Spannung 12 in
die Schaltung 10 bei Signalleitung 14 ein. Bei normalem
Betrieb weist eine Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtung 16 eine
hohe Impedanz auf, so dass Strom normalerweise zu einem Transceiver 18 fließt und nicht
zu der Sicherungs-Vorrichtung 16. Beim Auftreten einer
EOS-Störimpuls
Spannung 12 schaltet die Sicherungs-Vorrichtung 16 von
dem hohen Impedanzzustand auf einen niedrigen Impedanzzustand um.
Ein Teil der Störimpuls-Spannung 12 von
der Signalleitung 14 breitet sich zu der Erdungsmasse 20 aus.
Die Sicherungsvorrichtung 16 reflektiert das Meiste der Störimpuls-Spannung 12 auf
die Quelle der Gefährdung
zurück.
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In einer Ausführungsform ist die Signalleitung 14 eine
Hochgeschwindigkeitsdatenleitung, die eine hohe Frequenzbandbreite
oder einen Betriebsfrequenzbereich erfordert, um vielen Trägerfrequenzen
zu gestatten auf einem einzelnen Kabel zu existieren. Die IEEE 802.3
Ethernet Beschreibung erfordert, dass das ESD-Gerät oder Gerät 22 2.250
VDC widerstehen kann. Die Sicherungsvorrichtung 16 des Gerätes 22 kann
diesem Hochspannungs-Stationär-Signal nicht widerstehen.
Das Gerät 22 schließt daher
einen Kondensator 24 ein, der in Reihe mit der Sicherungsvorrichtung 16,
zwischen der Signalleitung 14 und der Erdungsmasse 20 verbunden
ist. In dieser Ausführungsform
ist der Kondensator 24 zwischen der Signalleitung 14 und
der Sicherungsvorrichtung 16 angeordnet.
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Es ist in der Technik gut bekannt,
dass ein Kondensator vom Verbindungstyp, wie etwa Kondensator 24,
Wechselstrom gestattet durch den Kondensator durchzugehen, gestattet
jedoch Gleichstrom, ausgenommen für einen anfänglichen Stromstoß, nicht
durch den Kondensator durchzugehen. Die Sicherungsvorrichtung 16 kann
diesem anfänglichen Stromstoß widerstehen.
Der Kondensator 24 des Gerätes 22, wenn korrekt
bemessen, gestattet der Sicherungsvorrichtung 16 nicht
die stationäre
2.250 VDC Spannung zu sehen, abgesehen von dem Stromstoß, da der
Kondensator 24 dem Gleichstrom nicht gestattet zur Erdungsmasse 20 zu
wandern.
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Die Kapazitanz des Kondensators 24 muss passend
gewählt
werden. Wenn die Kapazitanz zu klein ist kann ein Überschießen und
ein Unterschießen
auftreten. Wenn die Kapazitanz zu groß ist absorbiert der Kondensator 24 einen übermäßigen Teil von
Leistung. Leistungsableitung in dem Kondensator 24 ist
eine Funktion der Frequenz, Betriebsart und Bitmuster der Telekommunikationsdaten.
Diese Faktoren beeinflussen das Laden und Entladen des Kondensators 24 und
daher die Leistungsableitungskapazität des Gerätes 22.
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Wenn der Kondensatorwert passend
gewählt
ist, blockiert jedoch der Verbindungskondensator 24 des
Gerätes 22 Gleichstrom
und sichert daher die Sicherungsvorrichtung 16 und spart
beträchtlich Strom.
Weiter führt
eine geeignete Wahl des Kondensatorwert dazu, dass die Wellenform
an dem Lastende der Signalleitung 14, die nahezu identisch
zu der Eingangs-Wellenform
ist. Das heißt,
dass das Gerät 22 die
Form und Größe der Eingangs-Wellenform nicht
wesentlich ändert.
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Das Gerät 22 bekämpft sowohl
Gleichtakt und Differentialmodus-Störimpulse. In einer Ausführungsform
ist jede Ethernet-Signalleitung 14 individuell isoliert,
so dass jeder Transceiver 18 von zwischen verschiedenen
Signalleitungen 14 fließenden Differentialströmen und
von, von miteinanderverbundenen Leitungen zur Masse fließenden Gleichtaktströmen isoliert
ist. Ebenso, da die Sicherungsvorrichtung 16 lediglich
einen Teil eines EOS-Störimpulses zur
Masse ableitet, wird das Meiste der Spannungsspitze 12 eines
Störimpulses
zu seiner Quelle zurückgesendet,
was das Auftreten von Gleichtaktströmen verringert.
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Es ist gut bekannt, dass sich Kondensatoren in
Reihe reziprok addieren, beispielsweise 1/C gesamt = 1/C Kondensator+l/C
Sicherungsvorrichtung. Dies führt
zu einer gesamten Reihenkapazitanz, die immer geringer ist als die
kleinste in der Reihe Kapazitanz. Die Kapzitanz der Sicherungsvorrichtung 16 ist
typischerweise bedeutend kleiner als die des Kondensators 24,
so dass die Gesamtkapazitanz des Gerätes 22 ungefähr gleich
oder geringfügig
geringer als die der Kapazitanz der Sicherungsvorrichtung 16 ist.
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Die Hochgeschwindigkeitsdaten, die
auf der Leitung 14 erscheinen, an die das Gerät 22 angeschlossen
ist, sieht die angehäufte
(aggregate) Kapazitanz der zwei Vorrichtungen, die näherungsweise
die gleiche oder geringer als die der Sicherungsvorrichtung 16 alleine
ist. Im Vergleich zu anderen Schaltungssicherungsverfahren sollte
daher das Gerät 22 besser
arbeiten, da Datenleitungen an Geschwindigkeit zunehmen.
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In Bezug nun auf 2, in einer anderen Ausführungsform
sind mehrere Geräte 22 auf
einer Seite eines PCB-Substrates 30 oberflächenmontiert. Eine
Masseschiene 20 wird auf ein Ende mehrerer Kondensatoren 24,
wie durch die Lötverbindungen 34 angezeigt,
gelötet.
Die Kondensatoren 24 sind jeweils direkt an Leitungen (nicht
dargestellt) gelötet, die
durch die Überlastungs-Sicherungsvorrichtungen 16 bereitgestellt
werden. Die Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtungen sind
wiederum an die Anschlusspunkte 32 eines Transceivers (nicht
dargestellt, kann auf anderen Seite von PCB 30 aufsitzen) gelötet. In
einer Ausführungsform
sind die Anschlusspunkte 32 mit einem Datenübertragungsverbinder,
wie etwa einem RJ-45-Verbinder elektrisch verbunden. Verfahren zum
Oberflächenmontieren der Überlastungs-Sicherungs-Vorrichtung 16 und des
Kondensators 24 des erfindungsgemäßen Gerätes 22, wie etwa Aufschmelzlötung, sind
gut bekannt.
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Das in 2 dargestellte
Gerät wurde
erfolgreich getestet. Bei an dem Gerät 22 ausgeführten Testen,
unter Verwendung einer PulseGuard®Model PGB002ST23-ESD
Sicherungsvorrichtung 16, widerstand die Sicherungsvorrichtung 16 der
erforderten stationären
2.250 VDC Spannung für
sechzig (60) Sekunden. Überdies
zeigte das Testen, dass ein Transceiverchip wiederholten 15 kV Luftentladungsumschaltungen
(air discharge zaps) auf die Datenleitung, beispielsweise einen
Anschlusspunkt von einem RJ-45-Verbinder, wiederstand. Wenn sich
eine EOS Störimpuls-Spannung 12 auftritt,
erscheint der Kondensator 24 des Gerätes 22 in Bezug auf
die Störimpulspitze 12 als
ein Kurzschluss, so dass die Sicherungsvorrichtung 16 wie
ausgeführt
arbeitet, um den Transceiver 18 zu sicheren. In einer Ausführungsform
ist der Kondensator 24 ein 1.000 pF Kondensator, der für die durch
Regulierung spezifizierte angemessene Spannung ist.
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Es sollte klar sein, dass in dieser
Ausführungsform
im Gegensatz zu der Ausführungsform von 1, der Kondensator 24 zwischen
der Sicherungsvorrichtung 16 und der Masseschiene 20 angeordnet
ist. Der DC-Verbindungskondensator 24 gestattet Gleichstrom
nicht von den Transceiveranschlusspunkten 32 zu der Masseschiene 20 zu
fließen,
und sichert daher die Sicherungsvorrichtung 16 vor hohen
DC-Spannungen. Beide Anordnungen der Sicherungsvorrichtung 16 und
des Kondensators 24 zwischen Signalleitung und Masse dienen
dazu die Sicherungsvorrichtung 16 zu sichern, und beide
Anordnungen sind in der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
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3A und 3B stellen eine mögliche elektrische
Anordnung des Gerätes 22 in
der erfindungsgemäßen Kombination
mit einer Datenübertragung oder
einem RJ-45 Verbinder dar. 3A zeigt
eine typische Anordnung für
einen RJ-45-Verbinder 40. RJ-45 Verbinder 40 weist
acht Kontakte 42a bis 42h auf. Typischerweise
sind zwei Kontakte, beispielsweise Kontakt 42a und 42b,
mit Signalübertragungsleitungen
verbunden, während
zwei Kontakte, beispielsweise Kontakte 42c und 42d mit
Signalempfangsleitungen verbinden sind. Vier Datenleitungen, nämlich Leitungen 42e bis 42h werden
typischerweise bereitgestellt jedoch nicht verwendet. Da diese Leitungen
unbenutzt sind werden sie als nicht-geerdet bezeichnet, d.h. sie
sind nicht über
eine Eingangsspannung auf entweder einen hohen oder niedrigen Zustand
festgelegt. Da die Datenleitungen 42e bis 42h nicht-geerdet
sind, werden sie jeweils typischerweise durch einen Verbindungskondensator 24 auf
einem PCB (nicht dargestellt) elektrisch verbunden. Der, wie vorstehend
beschriebene Verbindungskondensator 24 blockiert Gleichstrom,
der sich durch unbenutzte Leitungen 42e bis 42h ausbreiten kann
und daher den Stromverbrauch des Systems verringert. Der Kondensator 24 wird
typischerweise gewählt,
um den DC-Spannungen zu wiederstehen, die in der IEEE 802.3 Ethernet
Beschreibung genannt sind.
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Viele PCBs, die einen RJ-45 Verbinder 40 enthalten,
schließen
oder sind spezifiziert den Kondensator 24 zu enthalten. 3B stellt dar, dass das erfindungsgemäße Gerät 22 leicht
durch Hinzufügen einer
Sicherungsvorrichtung 16 in Reihe mit dem vorhandenen Kondensator 24 gebildet
werden kann. 3B stellt
dar, dass die Rx-Datenleitung 42d mit Sicherungsvorrichtung 16 elektrisch
verbunden ist, die ihrerseits mit dem Kondensator 24 elektrisch
verbunden ist, der seinerseits mit Erdungsmasse 20 elektrisch
verbunden ist. Selbstverständlich
kann Sicherungsvorrichtung 16 alternativ zwischen den Kondensator 24 und
Masse 20 angeordnet werden, solange die Leiterbahn oder
Leitung 44 mit der Datenleitung 42d elektrisch
verbunden ist.
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3B stellt
dar, dass das Gerät 22 die
einzelne Rx-Datenleitung 42d sichert. Es sollte klar sein, dass
durch Erweiterung der Leiterbahn oder Leitung 44 oder irgendeiner
Kombination oder aller der aktiven Datenleitungen 42a bis 42d,
das erfindungsgemäße Gerät 22 irgendeine
Anzahl von oder alle der Datenleitungen sichern kann. 3A und 3B sind nicht gedacht die Anmeldung der
vorliegenden Erfindung auf vier aktive Datenleitungen zu beschränken, sie
zeigen vielmehr eine Anwendung, die Gebrauch von einem vorhandenen
Kondensator 24 macht. Wenn alle acht Datenleitungen 42a bis 42h aktiv sind,
kann das Gerät 22 irgendeine,
eine Kombination oder alle acht Datenleitungen sichern. Desweiteren,
wenn erwünscht,
kann das Gerät 22 angepasst werden
die nicht aktiven Datenleitungen 42e bis 42h, dargestellt
in 3A und 3B, zu sichern. Desweiteren
ist die vorliegende Erfindung nicht auf RJ-45-Verbinder beschränkt und
ist mit anderen Verbindern, wie etwa RJ-11, USB und FireWire-Verbindern
betrieben werden kann.
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In einer anderen alternativen Ausführungsform
(nicht dargestellt) werden mehrere Geräte 22 verwendet, um
eine Kombination von Datenleitungen zu sichern. In dieser Ausführungsform
kann jedes Gerät 22 eine
oder mehrere Datenleitungen sichern. Beispielsweise sichert ein
Gerät 22 Datenleitungen 42a und 42b,
während
ein anderes Gerät 22 Datenleitungen 42c und 42d sichert.
Dieses Beispiel kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden.
In einer Ausführung
teilen die zwei Geräte 22 den
gleichen Kondensator 24 und die gleiche Masseverbindung.
In einer anderen Ausführung
verwenden die zwei Geräte
jeweils einzelne Kondensatoren 24, verwenden jedoch die
gleiche Masseverbindung. In einer weiteren Ausführung verwenden die zwei Geräte jeweils
einzelne Kondensatoren 24 und Erdungsverbindungen.
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In Bezug nun auf 4 schließt eine andere Anwendung für das Gerät 22 die
Einrichtung des Gerätes 22 auf
einer flexiblen Schaltung 50 ein. Flexible Schaltungen
oder "Flex-Schaltungen" sind gut bekannt
und verwenden ein dünnes,
flexibles Substrat 52, wie etwa Kapton®Film.
Flex-Schaltungen stellen ein passendes Mittel für elektrisches verbinden von Bestandteilen
bereit, die auf getrennten, fixierten Strukturen angeordnet sind,
beispielsweise PCBs, innerhalb eines bestimmten Systems. Flex-Schaltung 50 schließt mehrere
Federkontakte 54 und mindestens eine Masseschiene 20 ein.
Flex-Schaltung 50 schließt ein Paar von Reihen von
Kontakten 54 und Masseschienen 20 ein. Die vorliegende
Erfindung ist ebenso mit Flex-Schaltungen,
die andere elektrische Anordnungen aufweisen, betrieben werden.
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Viele Typen von Vorrichtungen können mit Flex-Schaltung 50 verbunden
werden, worin, beispielsweise eine Flex-Schaltung zur Verbindung
mit einem RJ-45 Verbinder mindestens acht Federkontakte 54,
aufweisen würde
etc. In einer anderen Anordnung enthält Flex-Schaltung 50 die
Leitungen oder Leiterbahnen 42a bis 42h (3A und 3B), die zu einem RJ-45 Verbinder verlaufen,
der irgendwo anders auf einem PCB angebracht ist. Das Gerät 22 kann
entweder mit dem dargestellten Federkontakt 54 oder mit
einer Datenleitung auf der flexiblen Schaltung verbunden werden, ähnlich der
Offenbarung in Verbindung mit 3A und 3B.
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Wie dargestellt, ist der Federkontakt 54 in
einer Ausführung
eine Verbindung vom Durchgangsloch-Typ, worin der Federkontakt 54 einen
Stift 56 eines Verbinders vom Durchgangsloch-Typ oder Vorrichtung
aufnimmt, die an der Schaltung 50 anzubringen ist. In einer
anderen Ausführung
ist stattdessen der Federkontakt 54 eine oberflächenmontierte
Anschlussfläche,
worin ein oberflächenmontierter
Verbinder unter Aufschmelzlötung
auf die Anschlussfläche
aufgebracht ist. In beiden Fällen
koppelt der Federkontakt 54 oder die Anschlussfläche, beispielsweise über löten einer
Verbindung 34 an die Sicherungsvorrichtung 16 des
Gerätes 22,
das seinerseits beispielsweise über
eine Lötverbindung 34 an
den Kondensator 24 des Gerätes 22 koppelt, das
seinerseits an die Masseschiene 20 koppelt. Selbstverständlich kann
die Reihenfolge der Sicherungsvorrichtung 16 und Kondensators 24 hinsichtlich
des Federkontakts 54 (oder der Anschlussfläche) und
der Masseschiene 20 umgekehrt werden. In beiden Fällen blockiert,
Kondensator 24 des Gerätes 22,
das Gleichstrom zwischen den Federkontakt 54 (oder Anschlussfläche) und
der Masseschiene 20 wandert. Die Sicherungsvorrichtung 16 leitet
ein ESD-Ereignis zu der Masseschiene 20 ab und/oder reflektiert
das Signal auf die Quelle zurück
und sichert dadurch Signalleitungen der Vorrichtung, die mit dem
Federkontakt 54 über
einen der Stifte 56 verbunden sind.
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Jede der Kombinationen der Geräte 22 und Datenleitungen,
die vorstehend in Verbindung mit 3A und 3B diskutiert wurden, können auf
einer Flex-Schaltung verwendet werden. Weiter können mehrere Geräte 22 auf
dem Substrat 52 vorhanden sein, um mehrere Vorrichtungen
zu sichern. Noch weiter, können
ein oder mehr Kondensatoren 24 mit einer vielfachen Anzahl
von Vorrichtungen 16 arbeiten und die vielfachen Signalleitungen
der Vorrichtung können
durch eine einzelne Sicherungsvorrichtung 16 gesichert
werden.
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Die Sicherungsvorrichtung 16 enthält ein Spannungsvariables
Material ("VVM"). In einer Ausführungsform
schließt
das VVM eine Zusammensetzung ein, die in U.S Patent Nr. 6,251,513,
betitelt: "Polymer
Composites for Overvoltage Protection", die eine Matrix von leitenden und
halbleitenden Teilchen enthält,
die eine Durchschnitts-Teilchengröße von weniger als 10 Mikron
aufweisen. Die Matrix schließt
weiter isolierende Teilchen ein, die eine Durchschnitts-Teilchengröße, die
größer als
300 Angström
ist, aufweisen. VVM's,
die leitende und halbleitende Füllstoffe
mit vergleichweise kleinen Teilchen verwenden, zeigen Festklemmspannungen in
einem Bereich von ungefähr
30 Volt bis ungefähr 2000
Volt oder größer. In
anderen Ausführungsformen
kann die Sicherungsvorrichtung 16 irgendein bekanntes Spannungsvariables
Material einschließen.
Spezifischerweise können
die Spannungsvariablen Materialien irgendeine der folgenden Zusammensetzungen,
die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind, einschließen.
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U.S. Pat. Nr. 2,273,704, ausgegeben
an Grisdale, offenbart granulierte Composite, die nicht-lineare
Strom/Spannungs-Beziehungen zeigen. Diese Mischungen umfassen leitende
und halbleitende Granulate, die mit einer dünnen isolierenden Schicht beschichtet
und zusammengedrückt
und zusammengeklebt sind, um einen kohärenten Körper bereitzustellen.
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U.S. Pat. Nr. 2,796,505 ausgegeben
an Bocciarelli, offenbart ein nicht-lineares Spannungsregulierendes
Element. Das Element umfasst Leiterteilchen, die isolierende Oxidoberflächenbeschichtungen
aufweisen, die in einer Matrix gebunden sind. Die Teilchen weisen
unregelmäßige Form
auf und stellen miteinander Punktkontakt her.
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U.S. Pat. Nr. 4,726,991, ausgegeben
an Hyatt et al., offenbart ein EOS-Sicherungs-Material, das eine Mischung von leitenden
und halbleitenden Teilchen umfasst, worin alle deren Oberflächen mit
einer isolierenden Oxidschicht beschichtet sind. Diese Teilchen
sind in einem isolierenden Verbinder zusammen verbunden. Die beschichteten
Teilchen befinden sich vorzugsweise miteinander in Punktkontakt
und leiten vorzugsweise in einer quantenmechani schen Tunnellungsweise.
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U.S. Pat. Nr. 5,476,714, ausgegeben
an Hyatt, offenbart EOS-Composit-Materialien, die Mischungen von
leitenden und halbleitenden Teilchen, die in einem Bereich von 10
bis 100 Mikron bemessen sind, umfassen. Die Materialien schließen ebenso
ein Verhältnis
von 100 Angström
großen
isolierten Teilchen ein. All diese Materialien sind in einem isolierenden
Verbinder zusammen verbunden. Diese Erfindung schließt Klassifizierung
von Teilchengrößen ein,
so dass die Zusammensetzung bewirkt, das die Teilchen ein bevorzugtes
Verhältnis
zueinander einnehmen.
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U.S. Pat. Nr. 5,260,848, ausgegeben
an Childers, offenbart zurückfaltende
Umschaltmaterialien (foldback switching materials), die Sicherung
vor Störimpuls-Überspannungen
bereitstellen. Diese Materialien umfassen Mischungen von leitenden
Teilchen in dem 10 bis 200 Mikronbereich. Halbleiter und isolierende
Teilchen werden ebenso in diesen Zusammensetzungen verwendet. Der
Abstand zwischen leitenden Teichen beträgt mindestens 1000 Angström.
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Zusätzliche EOS polymere Composit-Materialien
werden ebenso in den U.S. Pat. Nr. 4,331,948; 4,726,991; 4,977,357;
4,992,333; 5,142,263; 5,189,387; 5,294,374; 5,476,714; 5,669,381
und 5,781,395 offenbart, und wobei deren Lehren spezifisch hierin
durch Bezugnahme aufgenommen sind.
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Die vorstehend genannten Ausführungsformen
sind dargestellt und beschrieben worden, als ein erfindungsgemäßes Gerät 22 einschließend, das eine
EOS-Vorrichtung 16 und einen Kondensator 24 einschließt. Dies
beinhaltet, dass das Gerät 22 mindestens
zwei getrennte Vorrichtungen 16 und 24 einschließt. Wie
dargestellt, kann Gerät 22 eine
getrennte EOS-Vorrichtung 16 und
einen getrennten Kondensator 24 einschließen, der
typischerweise in der Form einer Vorrichtung bereitgestellt wird.
Wie in Verbindung mit 3B dargestellt,
kann es erwünscht sein
eine EOS-Vorrichtung 16 mit einem Kondensator 24,
der bereits auf einer PCB vorhanden ist, zu verbinden. _
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In anderen Ausführungsformen kann ein Kondensator
oder ein Kondensatormaterial, beispielsweise ein halbleitendes Material
und ein EOS-Material in einem einzelnen Gehäuse angeordnet sein, worin
der Kondensator oder das Kondensatormaterial und das EOS-Material über mindestens eine
Elektrode kommunizieren. In einer noch anderen Ausführungsform
kann ein direkt anwendbares Spannungsvariables Material (VVM), das
in der vorläufigen
U.S. Patentanmeldung Nr. 60/370,975, betitelt "Voltage Variable Material for Direct
Application and Devices Employing Same" ausgeführt ist, die dem übertragen
wurde, dem diese Erfindung übertragen
ist, verwendet werden. Dieses VVM-Material muss nicht in einem Gehäuse bereitgestellt
werden und kann daher direkt auf ein Substrat aufgetragen werden,
das ausgehärtet
oder nicht ausgehärtet
ist und dann möglicherweise über eine
Epoxidharz-Beschichtung eingekapselt wird. Dieses VVM haftet intrinsisch
auf Oberflächen,
wie etwa einer leitenden Metalloberfläche oder einer nicht-leitenden,
isolierten Oberfläche
oder einem Substrat, und härtet
ohne zusätzliche
Bearbeitung aus. Anwendungen, die dieses VVM verwenden, können jedoch
ausgehärtet
werden, um den Herstellungsvorgang desselben zu beschleunigen.
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Der selbst-härtende und selbst-haftende
isolierende Verbinder des VVM, der in der vorläufigen Patentanmeldung Nr.
60/370,975 offenbart ist, schließt ein Polymer oder ein thermoplastisches
Harz ein, wie etwa Polyester, das in einem Lösungsmittel gelöst ist.
Das Polyesterharz weist eine Glasübergangstemperatur in dem Bereich
von 6°C
bis 80°C und
ein Molekulargewicht zwischen 15.000 und 23.000 atomaren Masseeinheiten
("AMU") auf. Ein geeignetes
Lösungsmittel
zum Lösen
des Polymers ist Diethylenglycolmonoethyletheracetat, das gewöhnlich als "Carbitolacetat" bezeichnet wird.
In einer Ausführungsform
wird ein Verdickungsmittel zu dem isolierenden Verbinder hinzugegeben,
der die Viskosität
des isolierenden Verbinder erhöht.
Beispielsweise kann das Verdickungsmittel ein Quarzstaub, wie etwa
das unter dem Handelsnamen Cab-o-Sil TS-720 gefundene, sein.
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Der erfindungsgemäße isolierende Verbinder weist
eine hohe Durchschlagsfestigkeit, einen hohen elektrischen Wiederstand
und eine hohe Kriechimpedanz (tracking impedance) auf. Der isolierende
Verbinder liefert und erhält
ausreichenden Teilchen-Teilchen Abstand zwischen den anderen möglichen
Bestandteilen von VVM 100, wie etwa leitenden Teilchen, isolierenden
Teilchen, halbleitenden Teilchen, dotierten halbleitenden Teilchen
und verschiedenen Kombinationen von diesen. Der Teilchen-Teilchen
Abstand, der Widerstand und die Durchschlagfestigkeit des isolierenden
Verbinders beeinflussen jeweils die hohe Impedanzgüte des VVM
in seinem normalen Zustand. In einer Ausführungsform weist der isolierende
Verbinder einen spezifischen Volumen-Widerstand von mindestens 109 Ohm-cm auf. Es ist möglich verschiedene Polymere
in dem Verbinder zu mischen und dieselben zu vernetzen.
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Es sollte verstanden werden, dass
verschiedene Änderungen
und Abänderungen,
der hierin beschriebenen, vorliegenden, bevorzugten Ausführungsformen
dem Fachmann ersichtlich werden. Solche Änderungen und Abänderungen
können
ohne von dem Wesen und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen
und ohne seine begleitenden Vorteile zu vermindern, gemacht werden.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein ESD-Gerät
bereit, das eine elektrische Überlastungs-Unterdrückungsvorrichtung
in Reihe mit einem Kondensator einschließt. Das ESD-Gerät ist Idealerweise
für die
Verwendung mit Netzwerk-Kommunikationsvorrichtungen geeignet, jedoch
kann irgendeine elektronische Vorrichtung, die Überspannungssicherung und Isolation
erfordert das erfindungsgemäße ESD-Gerät verwenden.
In einer Ausführungsform schließt das ESD-Gerät einen
Kondensator und eine elektrische Überlastungs-Sicherungsvorrichtung
ein, die in Reihe mit dem Kondensator elektrisch kommuniziert. In
einer anderen Ausführungsform
schließt das
ESD-Gerät
eine elektrische Überlastungs-Sicherungsvorrichtung
ein, die ein Spannungsvariables Material und einen Kondensator aufweist,
der in Reihe mit der Überlastungs-Sicherungsvorrichtung
elektrische kommuniziert. Der Kondensator ist bemessen, so dass
die Überlastungsvorrichtung
der Anwendung einer bestimmten Stationär-Spannung widerstehen kann.