PL229304B1 - Układ zabezpieczający układów elektrycznych przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi - Google Patents

Abstract

W układzie zabezpieczającym układów elektrycznych, przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi, wyposażonych w płytę z układami i podzespołami elektronicznymi połączonymi obwodami elektrycznymi zawierającym metalowe warstwy ekranujące tworzące ekran (30) i zabezpieczające przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi, między którymi znajdują się układy i podzespoły elektroniczne i/lub co najmniej jedna wewnętrzna warstwa z obwodami elektrycznymi łączącymi układy i podzespoły elektroniczne, do jednej z metalowych warstw ekranujących jest podłączony główny równoległy układ RC (51, 52), który jest połączony z jednym z biegunów (-U, +U) układu zasilania płyty (40), a do innej metalowej warstwy ekranującej jest podłączony dodatkowy równoległy układ RC (53, 54), który jest połączony z pozostałym biegunem (-U, +U) układu zasilania płyty.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ zabezpieczający układów elektrycznych przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi, w szczególności urządzeń elektronicznych, zwłaszcza komputerów, twardych dysków, urządzeń oświetlających z diodami LED.

W dobie odzieży wykonanej w większości z tkaniny z włókna sztucznego coraz większe zagrożenie stwarzają ładunki elektrostatyczne wytwarzane przez odzież, które mogą prowadzić do uszkodzeń podzespołów układów elektronicznych.

Celem niniejszego wynalazku jest stworzenie układu zabezpieczającego układów elektrycznych przed przepięciami.

Ideą wynalazku jest układ zabezpieczający układów elektrycznych, przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi, wyposażonych w płytę z układami i podzespołami elektronicznymi połączonymi obwodami elektrycznymi zawierający metalowe warstwy ekranujące tworzące ekran i zabezpieczające przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi, między którymi znajdują się układy i podzespoły elektroniczne i/lub co najmniej jedna wewnętrzna warstwa z obwodami elektrycznymi łączącymi układy i podzespoły elektroniczne charakteryzujący się tym, że do jednej z metalowych warstw ekranujących jest podłączony główny równoległy układ RC, który jest połączony z jednym z biegunów układu zasilania płyty, a do innej metalowej warstwy ekranującej jest podłączony dodatkowy równoległy układ RC, który jest połączony z pozostałym biegunem układu zasilania płyty.

Korzystnie, jeden z biegunów układu zasilania, do którego jest podłączony główny równoległy układ RC, jest połączony z pozostałym biegunem układu zasilania, do którego jest podłączony pomocniczy równoległy układ RC, za pomocą układu prostowniczego w kierunku przewodzącym prąd elektryczny od bieguna ujemnego układu zasilania płyty do bieguna dodatniego układu zasilania płyty.

Korzystnie, jedną z metalowych warstw ekranujących płyty z obwodami elektrycznymi, układami i podzespołami elektronicznymi jest dolna metalowa warstwa ekranująca, która jest odizolowana od powierzchni stykowej obudowy lub jej elementu konstrukcyjnego.

Korzystnie, metalowe warstwy ekranujące płyty są połączone ze sobą.

Korzystnie, płytą z obwodami elektrycznymi, układami i podzespołami elektronicznymi jest płyta wielowarstwowa z obwodami drukowanymi.

Urządzeniem elektronicznym, w którym może być zastosowany układ zabezpieczający jest komputer albo dekoder, albo twardy dysk, albo urządzenie oświetlające z diodami LED.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ zabezpieczający układów elektrycznych na tle obudowy urządzenia elektronicznego, Fig. 2 przedstawia widok aksonometryczny komputera bez obudowy górnej, Fig. 3 przedstawia widok aksonometryczny fragmentu płytki z procesorem, Fig. 4 przedstawia poglądowy rysunek układu świetlówki z układem zabezpieczającym, Fig. 5 przedstawia ogólny schemat blokowy układu zasilania i sterowania modułem diod LED, Fig. 6 przedstawia fragment płyty z diodami LED, a Fig. 7 przedstawia widok rozstrzelony elementów świetlówki z diodami LED.

Układ zabezpieczający 50 układów elektrycznych, przykładowo zestawu 1 urządzeń lub przykładowo urządzenia 2 usytuowanego na płytce z układami i podzespołami elektronicznymi, przedstawiony na Fig. 1, może chronić całą gamę urządzeń przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi. W swoim podstawowym rozwiązaniu, układ zabezpieczający zawiera ekran 30 mający wiele metalowych warstw ekranujących 31, 32, 35, które mogą być ze sobą połączone, i co najmniej dwa równoległe układy RC 51, 52 i 53, 54. Równoległych układów RC może być nawet tyle ile jest metalowych warstw ekranujących lub więcej, gdy metalowe warstwy ekranujące mają duże powierzchnie. Metalowe warstwy ekranujące mogą otaczać lub rozdzielać układy i podzespoły elektroniczne. Między metalowymi warstwami ekranującymi może być również usytuowana co najmniej jedna wewnętrzna warstwa z obwodami elektrycznymi łączącymi układy i podzespoły elektroniczne. W rozwiązaniu przedstawionym na Fig. 1 do jednej z metalowych warstw ekranujących, w tym przypadku metalowej warstwy ekranującej 35 jest podłączony główny równoległy układ RC 51,52, który jest połączony z jednym z biegunów -U, +U, w tym przypadku z biegunem +U, układu zasilania płyty 40, na której urządzenie 2 się znajduje, lub na której znajduje się co najmniej jeden podzespół, przykładowo procesor 20, urządzenia pokazanego na Fig. 2 i 3, przykładowo komputera. Z inną metalową warstwą ekranującą 32 układu zabezpieczającego jest połączony dodatkowy równoległy układ RC 53, 54, który jest połączony z pozostałym biegunem -U, +U, w tym przypadku z biegunem -U, układu zasilania płyty. Określenia „główny” i „dodatkowy” mogą być zamiennie stosowane w odniesieniu do równoległych układów RC, które

PL 229 304 Β1 są układami składającymi się z co najmniej jednego opornika R, o wartości rzędu 1 ΜΩ i co najmniej jednego kondensatora C o pojemności rzędu 100 nF odpornego na napięcie rzędu 630 V, połączonych równolegle. Opcjonalnie, układ zabezpieczający zawiera układ prostowniczy 55, w którym do jednego z wyprowadzeń jest podłączony jeden z biegunów -U, +U układu zasilania, do którego przykładowo jest podłączony główny równoległy układ RC 51, 52. Drugie z wyprowadzeń progowego układu prostowniczego, przykładowo diody Zenera, jest połączone z pozostałym biegunem -U, +U układu zasilania, do którego przykładowo jest podłączony pomocniczy równoległy układ RC 53, 54. Układ prostowniczy 55 w układzie zabezpieczającym 50 jest podłączony w kierunku przewodzącym prąd elektryczny od bieguna ujemnego -U układu zasilania płyty do bieguna dodatniego +U układu zasilania płyty i jest stosowany po to, aby odprowadzić nadmiar ładunków ujemnych zgromadzonych na biegunie ujemnym -U.

Układ zabezpieczający 50 może być umieszczony na oddzielnej płycie 45 lub na płycie będącej częścią płyty 40. Jedna z metalowych warstw ekranujących 32, co zostało szczegółowo pokazane na Fig. 3, może być usytuowana na dole płyty 40, i płyta 40 stroną najbliższą do dolnej metalowej warstwy ekranującej 32, jest skierowana do powierzchni stykowej 11 elementu 10 odbierającego ciepło, który może być częścią obudowy 5 urządzenia 1 lub metalowym elementem konstrukcyjnym należącym do obudowy 5.

Tak układ zabezpieczający 50 jak i urządzenie 2 jest zasilane za pomocą układu zasilania 60, który zgodnie z wariantem pokazanym na Fig. 1, jest podłączony do zacisków 61, 62 źródła prądu zmiennego, a które na wyjściu ma zaciski prądu stałego +U, -U.

Urządzenie elektroniczne wyposażone w układ zabezpieczający przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi, w jednym z wariantów wynalazku zrealizowane jako komputer, zostało przedstawione na Fig. 2. Zawiera on element najbardziej zagrożony na przepięcia lub wyładowania antystatyczne, jakim jest płyta główna 40 z układami elektronicznymi lub płytka z obwodami drukowanymi, zwana płytką PCB, na której są zamontowane różne układy półprzewodnikowe, przykładowo procesor 20 z wyprowadzeniami lub nóżkami 21 oraz dodatkowe płytki 12, 15, do których jest dostęp przez otwory 14 w przedniej ściance 13 obudowy 5 komputera. Płyta 40, której fragment został szczegółowo pokazany na Fig. 3, lub inna płytka z obwodami drukowanymi jest przymocowana do obudowy 5 lub do elementu konstrukcyjnego obudowy najkorzystniej w miejscu, gdzie znajduje się element 10 odbierający ciepło z powierzchnią stykową 11, z którą płyta 40 lub inna płytka z obwodami drukowanymi styka się swoją dolną powierzchnią.

Fragment płyty 40, na której znajduje się procesor 20 z nóżkami 21 usytuowany w obszarze 16 z brzegami 15, został pokazany w powiększeniu na Fig. 3.

Płyta ta jest płytą wielowarstwową i zawiera metalową dolną warstwę ekranującą 32, którą płytka 40 z układami półprzewodnikowymi jest zwrócona do powierzchni stykowej 11 elementu 10 odbierającego ciepło, którym może być część obudowy 5 lub element konstrukcyjny obudowy 5, od którego dolna warstwa ekranująca jest odizolowana za pomocą dolnej warstwy izolacyjnej 43. Ponadto płytka 40 posiada co najmniej jedną metalową dodatkową warstwę ekranującą 31, która wraz z metalową dolną warstwą ekranującą 32, tworzy układ ekranujący 30, w skład którego wchodzą jeszcze dalsze metalowe warstwy ekranujące 34, 35, które są ze sobą połączone za pomocą łączy elektrycznych 33, zwanych również przelotkami. Między metalową dodatkową warstwę ekranującą 31 i metalową dolną warstwą ekranującą 32 jest usytuowana co najmniej jedna wewnętrzna warstwa 25, 26 z obwodami elektrycznymi, odizolowana od metalowej dodatkowej warstwy ekranującej 31 za pomocą górnej warstwy izolacyjnej 41 i odizolowana od metalowej dolnej warstwy ekranującą 32 za pomocą środkowej warstwy izolacyjnej 42. Obwody elektryczne znajdujące się w wewnętrznej warstwie 25, 26 posiadają ścieżki przewodzące, które są połączone z elementami urządzeń mocowanych na płycie 40, przykładowo procesora 20 za pomocą dodatkowych łączy 23, które są łączone z płytkami przyłączeniowymi 22, zwanymi padami.

W innym wariancie wykonania wynalazku, układ zabezpieczający 150 układów elektrycznych, zawierający ekran 130 z warstwami ekranującymi, został zastosowany w urządzeniu z diodami LED, które zostało przedstawione schematycznie na Fig. 4, 5, a którego fragment płyty 240, z zestawami 241 diod LED 341,342, 343, 344 pogrupowanymi w moduły 241 diod LED został pokazany na Fig. 6. Dolna warstwa ekranująca 132 płyty 240 posiada od dołu dolną warstwę izolacyjną 548, a u góry ma co najmniej jedną metalową dodatkową warstwę ekranującą 131, 135, które są ze sobą połączone za pomocą łączy elektrycznych 549 i 389, 649 zaznaczonych na Fig. 5, zwanych również przelotkami. Między dolną

PL 229 304 Β1 warstwą ekranującą 132 a co najmniej jedną metalową dodatkową warstwą ekranującą 131, 135 znajduje się co najmniej jedna wewnętrzna warstwa 346, 746 z obwodami elektrycznymi łączącymi diody LED 241 z układami zasilającymi i układami sterującymi diod LED 241, która jest odizolowana od dolnej warstwy ekranującej za pomocą środkowej warstwy izolacyjnej 448 i od dodatkowej warstwy ekranującej 131, 135 za pomocą górnej warstwy izolacyjnej 348. Obwody elektryczne łączące diody LED 241 posiadają ścieżki przewodzące 347, 346 wykonane z metalu dobrze przewodzącego prąd, przykładowo z miedzi i/lub srebra i/lub o podobnych właściwościach, które są połączone za pomocą łączy przelotowych 546 z płytkami przyłączeniowymi 646, nazywanymi również padami, do których są przylutowane styki lub wyprowadzenia diod LED 241.

Układ zabezpieczający 150 urządzenia z diodami LED zawiera ekran 130 mający wiele metalowych warstw ekranujących 131, 132, 134, 135, które mogą być ze sobą połączone, i co najmniej dwa równoległe układy RC 151, 152 i 153, 154. W rozwiązaniu przedstawionym na Fig. 4 do jednej z metalowych warstw ekranujących, w tym przypadku metalowej warstwy ekranującej 135 jest podłączony główny równoległy układ RC 151, 152, który jest połączony z jednym z biegunów -U, +U, w tym przypadku z biegunem +U, układu zasilania płyty 240, na której znajduje się moduł 241 diod LED oraz moduł sterowania 345 LED. Z inną metalową warstwą ekranującą 132 układu zabezpieczającego 150 jest połączony dodatkowy równoległy układ RC 153, 154, który jest połączony z pozostałym biegunem -U, +U, w tym przypadku z biegunem -U, układu zasilania płyty, składającego się z układu prostownika 170 i układu wstępnego 160 zasilania podłączonego do zacisków 161, 162 płyty 370. Określenia „główny” i „dodatkowy” mogą być zamiennie stosowane w odniesieniu do równoległych układów RC, które są układami składającymi się z co najmniej jednego opornika R i co najmniej jednego kondensatora C połączonych równolegle. Opcjonalnie, układ zabezpieczający zawiera układ prostowniczy 156, w którym do jednego z wyprowadzeń jest podłączony jeden z biegunów -U, +U układu zasilania, do którego przykładowo jest podłączony główny równoległy układ RC 151, 152. Drugie z wyprowadzeń progowego układu prostowniczego, przykładowo tranzystora typu STD3NK80ZT4 firmy ST MICROELECTRONICS, jest połączone z pozostałym biegunem -U, +U układu zasilania, do którego przykładowo jest podłączony pomocniczy równoległy układ RC 153, 154. Układ prostowniczy 156 w układzie zabezpieczającym jest podłączony w kierunku przewodzącym prąd elektryczny od bieguna ujemnego -U układu zasilania płyty do bieguna dodatniego +U układu zasilania płyty i jest stosowany po to aby odprowadzić nadmiar ładunków ujemnych zgromadzonych na biegunie ujemnym -U. Działanie ekranu elektrostatycznego, to znaczy metalowych płyt ekranujących wraz z układem zabezpieczającym polega na tym, iż zbiera on ładunki elektryczne, w szczególności ładunki elektrostatyczne gromadzące się na obudowie urządzenia i poprzez układ zabezpieczający, w skład którego wchodzą równoległe układy RC, zwane również mostkami RC, i ładunki te są odprowadzane poprzez sieć do ziemi. Ekran antyelektrostatyczny chroni też przed tak zwanym zjawiskiem pojemnościowym powstającym pomiędzy metalową obudową urządzenia, przykładowo radiatorem, do której jest przymocowana płytka z diodami LED, a ścieżkami obwodów elektrycznych zasilających diody LED. Jak wynikło z badań, sprawność ekranu antyelektrostatycznego jest tym większa im większa jest jego powierzchnia w stosunku do powierzchni ścieżek obwodów elektrycznych zasilających diody LED. Ponadto wspomniana sprawność zależy od pojemności mostków RC. Wielkość napięcia na bazie układu prostowniczego jest ustalana za pomocą dzielnika napięcia składającego się z oporników 157, 158.

Układ zabezpieczający 150 może być umieszczony na płycie 240, na której są umieszczone diody LED 241. Jedna z metalowych warstw ekranujących 132, co zostało szczegółowo pokazane na Fig. 6, może być usytuowana na dole płyty 240, i płyta 240 stroną najbliższą do dolnej metalowej warstwy ekranującej 132, jest skierowana do powierzchni stykowej 211 elementu 210 odbierającego ciepło, który może być częścią obudowy 205 urządzenia 201 oświetlającego lub metalowym elementem konstrukcyjnym należącym do obudowy.

Fig. 5 przedstawia schemat uproszczonego obwodu elektrycznego 300 z elementami omówionymi w opisie dotyczącym Fig. 4, którego głównymi układami są zasilacz 370, układ zabezpieczający 150, procesor lub moduł 345 sterowania LED z układami sterującymi i moduły lub segmenty 355 diod LED 241. Diody LED 241, pogrupowane w moduły 355 diod LED 341 do 342, 343 do 344 zawierające co najmniej jedną diodę LED, są przymocowane najczęściej w środkowym rejonie co najmniej jednej płytki 240 z obwodami drukowanymi, zwanej w skrócie płytką PCB. Nóżki lub wyprowadzenia każdej z diod LED 241 są przylutowane do płytek przyłączeniowych, zwanych padami 646, które zostały przedstawione bardziej szczegółowo na Fig. 6, które znajdują się na górnej warstwie 348 lub na górnej powierzchni płyty 240. Załączaniem poszczególnych modułów 355 diod LED 341

PL 229 304 Β1 do 342, 343 do 344, i dalszych steruje wspomniany już moduł 345 sterowania LED z układami sterującymi 351 i układami załączającymi 352, którego wejścia są połączone za pomocą oporników 347, regulujących za pomocą łączy 346 kolejność załączania poszczególnych sekwencji 355 diod LED. Wartość napięcia odniesienia na poszczególnych wejściach procesora 345 jest ponadto regulowana za pomocą opornika 350.

Jednym z urządzeń oświetlających z diodami LED jest świetlówka 201 z diodami LED 241, która jest coraz powszechniej stosowana zwłaszcza w budynkach publicznych. Świetlówka 201 przedstawiona na Fig. 7 zawiera obudowę 205 mającą element odbierający ciepło 210 z powierzchnią stykową 211 i klosz 220. Obudowa świetlówki 201 jest zakończona co najmniej jednym trzonkiem z cylindryczną oprawką 250 i zaślepką 260, między którymi znajduje się płytka zasilająca 270. Płytka 240 z diodami LED 241 może być zbudowana jako płytka wielowarstwowa, której budowa została opisana w nawiązaniu do Fig. 6.

Rozwiązanie według wynalazku zostało przedstawione na wybranych przykładach wykonania. Przykłady te nie ograniczają jednak wynalazku. Oczywiste jest, że można wprowadzić modyfikacje bez zmiany istoty rozwiązania. Prezentowane przykłady wykonania nie wyczerpują w pełni możliwości zastosowania rozwiązań według wynalazku.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ zabezpieczający układów elektrycznych, przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi, wyposażonych w płytę z układami i podzespołami elektronicznymi połączonymi obwodami elektrycznymi, zawierający metalowe warstwy ekranujące tworzące ekran (30, 130) i zabezpieczające przed uszkodzeniami wywołanymi ładunkami elektrostatycznymi, między którymi znajdują się układy i podzespoły elektroniczne i/lub co najmniej jedna wewnętrzna warstwa z obwodami elektrycznymi łączącymi układy i podzespoły elektroniczne, znamienny tym, że do jednej z metalowych warstw ekranujących jest podłączony główny równoległy układ RC (51, 52), który jest połączony z jednym z biegunów (-U, +U) układu zasilania płyty (40, 140, 240), a do innej metalowej warstwy ekranującej jest podłączony dodatkowy równoległy układ RC (53, 54), który jest połączony z pozostałym biegunem (-U, +U) układu zasilania płyty.
2. 2. Układ zabezpieczający według zastrz. 1, znamienny tym, że jeden z biegunów (-U, +U) układu zasilania, do którego jest podłączony główny równoległy układ RC (51, 52), jest połączony z pozostałym biegunem (-U, +U) układu zasilania, do którego jest podłączony pomocniczy równoległy układ RC (53, 54), za pomocą układu prostowniczego w kierunku przewodzącym prąd elektryczny od bieguna ujemnego (-U) układu zasilania płyty do bieguna dodatniego (+U) układu zasilania płyty.
3. 3. Układ zabezpieczający według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jedną z metalowych warstw ekranujących płyty (40, 240) z obwodami elektrycznymi, układami i podzespołami elektronicznymi (20) jest dolna metalowa warstwa ekranująca, która jest odizolowana od powierzchni stykowej (11,111) obudowy lub jej elementu konstrukcyjnego.
4. 4. Układ zabezpieczający według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że metalowe warstwy ekranujące płyty (40, 240) są połączone ze sobą.
5. 5. Układ zabezpieczający według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że płytą (40, 240) z obwodami elektrycznymi, układami i podzespołami elektronicznymi (20) jest płyta wielowarstwowa z obwodami drukowanymi.
6. 6. Układ zabezpieczający według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że urządzeniem elektronicznym jest komputer.
7. 7. Układ zabezpieczający według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że urządzeniem elektronicznym jest dekoder.
8. 8. Układ zabezpieczający według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, znamienny tym, że urządzeniem elektronicznym jest twardy dysk.
9. 9. Układ zabezpieczający według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, albo 8, znamienny tym, że urządzeniem elektronicznym jest urządzenie oświetlające z diodami LED.