DE10005836A1 - Leiterplattensicherung mit erhöhter Sicherheit - Google Patents

Abstract

Ein elektrisches oder elektronisches Gerät weist zur Absicherung gegen Fehlerfälle die mit einer übergroßen Stromaufnahme einhergehen einen geschwächten Leiterzugbereich (Durchbrennbereich 7) auf, der wenigstens abschnittsweise eine nichtleitende Beschichtung trägt. Diese dient der Lichtbogenlöschung. Bedarfsweise kann die Beschichtung mit lichtbogenlöschenden Substanzen angereichert sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches oder elek­ tronisches Gerät und dessen elektrische Absicherung.

Elektrische oder elektronische Geräte, insbesondere netzbetriebene Geräte, sind häufig durch Sicherungsele­ mente netzseitig abzusichern. Dazu dienen bspw. sogenann­ te Sicherungsleiterzüge, mit denen sonst übliche Feinsi­ cherungen ersetzt werden können. Die Sicherungsleiterzüge weisen einen Durchbrennbereich auf, dessen Querschnitt so gering ist, dass der betreffende Durchbrennbereich im Kurzschlussfall durchschmilzt oder verdampft, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird. Beim Durchbrennen oder Ab­ brennen des Durchbrennbereichs entsteht kurzzeitig ein Lichtbogen, der sicher verlöschen muss und keine anderen Leiterzüge erreichen soll. Geschieht dies dennoch, können davon Gefahren ausgehen oder weitergehende Kurzschlüsse hervorgerufen werden, die bspw. eine dem Gerät vorgela­ gerte Sicherung auslösen. Dies letzendlich, weil das be­ troffene Gerät, bei dem der Durchbrennbereich des Leiter­ zugs angesprochen hat, nach dem Ansprechen des Durch­ brennbereichs weiterhin einen erhöhten Strom zieht. Ist die vorgelagerte Sicherung stromstark dimensioniert, kön­ nen Brandgefahren entstehen. Einen Einfluss auf das Ab­ schaltverhalten und Folgegefahren hat auch die Größe des sich ausbildenden Lichtbogens. Schon geringe Fertigungs­ toleranzen haben dabei einen großen Einfluss auf das Ab­ brennverhalten. Es wird deshalb angestrebt, unabhängig von Fertigungstoleranzen ein kontrolliertes Abbrennver­ halten zu erzielen.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, das elektrische oder elektronische Gerät so zu gestalten, dass ein gefahrloses und sicheres Abschalten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elek­ tronisches oder elektrisches Gerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät bildet ein auf einer Leiterplatte ausgebildeter Leiterzug eine Feinsicherung. Dazu weist er einen Bereich mit reduziertem Querschnitt auf, der als Durchbrennbereich dient. Bspw. ist in diesem Durchbrennbereich über eine Länge von einigen Millimetern die Breite des Leiterzugs deutlich reduziert. Der Durch­ brennbereich ist wenigstens abschnittsweise mit einer elektrisch nicht leitenden Beschichtung versehen, die eine Ausbreitung des Lichtbogens hemmt oder verhindert. Hier sind insbesondere thermisch schwer dissoziierbare Verbindungen von Vorteil. Es können Verbindungen auf Ep­ oxidharzbasis oder auch Silikonverbindungen zur Anwendung kommen.

Vorzugsweise sind auf dem Duchbrennbereich mehrere, vorzugsweise drei oder mehr Anhäufungen (Kleckse) des Beschichtungsmaterials aufgebracht. Die äußeren Kleckse können sich bis auf den anschließenden Leiterzug erstre­ cken. Mehrere Kleckse gestatten die Unterteilung des Sich ausbildenden Lichtbogens in Teillichtbögen, die besser verlöschen als ein einziger Lichtbogen.

Der Ausbildung eines dauerhaft brennenden Lichtbo­ gens wird entgegengewirkt, wenn wenigstens der Durch­ brennbereich des Leiterzugs keine Verzinnung vorhanden ist. Vorteilhafterweise ist auch in unmittelbarer Umge­ bung des Durchbrennbereichs kein Zinn vorhanden, d. h. der betreffende Kupferleiterzug ist unverzinnt und es sind keine Lötaugen im geringem Abstand zu dem Durchbrennbe­ reich angeordnet.

Außer der fehlenden Verzinnung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die nichtleitende Beschichtung in Form von bspw. zwei Anhäufungen auf dem Durchbrennbereich oder unmittelbar im Anschluss an diesen anzuordnen. Die Anhäufungen sind bspw. kleine Kleckse, d. h. runde oder kegelförmige oder sonstwie ausgebildete voluminöse Portionen des nichtleitenden, bei Zimmertemperatur festen Materials. Die nichtleitenden Beschichtung ist in diesem Fall auf diese Kleckse reduziert. Die Anhäufungen (Kleck­ se) überragen, wenn sie auf dem schmalen Durchbrennbe­ reich angeordnet sind, diesen zu beiden Seiten. Außerdem können sie sich auf den sich an den Durchbrennbereich anschließenden Leiterzug erstrecken. Zwischen den beiden Anhäufungen wird ein Teil des Durchbrennbereichs vorzugs­ weise freigelassen. Bei dieser Anordnung stoppt die An­ häufung elektrisch isolierenden Materials an dem jeweili­ gen Ende des Durchbrennbereichs die Lichtbogenfortpflan­ zung, so dass diese sicher verlischt, keine sonstigen Kurzschlüsse verursacht und auch keine Brandgefahr aus­ löst. Der Lichtbogen zündet zwischen den beiden im Ab­ stand zueinander angeordneten Anhäufungen (Klecksen) mit begrenzter Länge. Die Größe des Lichtbogens wird be­ schränkt, so dass Toleranzen kaum mehr eine Rolle spie­ len. Diese verhindern die Lichtbogenfortpflanzung auch dann, wenn der Durchbrennbereich aus sonstigen Quellen ionisierbares Material bezieht, bspw. wenn er mit Löt­ stopplack bedeckt ist.

Häufig ist es erforderlich, auf dem Durchbrennbe­ reich mit Lötstopplack zu beschichten, um beim Schwall­ löten zu verhindern, dass Zinn auf den Durchbrennbereich gelangt. Die Beschichtung des Sicherungsleiters und des Durchbrennbereichs ist in diesem Fall durchgängig, wobei die Dicke wechselt. An den Enden des Durchbrennbereichs ist eine größere Dicke vorhanden, d. h. hier sind Anhäu­ fungen von nichtleitendem Material vorgesehen. Dies kön­ nen sowohl aus dem gleichen Material wie der Lötstopplack als auch aus einem etwas anders zusammengesetzten Materi­ al. bspw. durch SMD-Klebstoff gebildet sein. Dieser Klebstoff wird vor dem Löten von oberflächenmontierbaren Bau­ elementen (SMD-Bauelementen) zur Befestigung der Bauele­ mente auf der Leiterseite der Leiterplatte benutzt. Vor oder nach dem Aufbringen von Lötstopplack können diese SMD-Klebstoffkleckse auf den Leiterzug, insbesondere auf den Durchbrennbereich aufgebracht werden. Alternativ ist es möglich, den gesamten Durchbrennbereich mit einer di­ ckeren Beschichtung zu versehen, die insbesondere SMD- Klebstoff enthält. Außerdem wird es als vorteilhaft ange­ sehen, mehr als zwei, z. B. drei, Anhäufungen zueinander beabstandet auf dem Durchbrennbereich vorzusehen. Der Durchbrennbereich kann dadurch relativ lang ausgebildet werden, wobei er durch die Anhäufungen in mehrere Einzel­ bereiche unterteilt ist, die durch jeweils eine Anhäufung voneinander getrennt sind. Es wird dadurch in einigen Fällen eine schnellere Lichtbogenlöschung und meist auch eine geringere Empfindlichkeit gegen Fertigungstoleranzen erreicht.

Werden zu beiden Seiten des Durchbrennbereichs Be­ zirke der Leiterplatte von Lötstopplack freigehalten, kann auf diese Weise die Menge des vorhandenen ionisier­ baren Materials reduziert werden. Dies kommt der Licht­ bogenlöschung entgegen.

Als zweckmäßig hat es sich herausgestellt, zur Steuerung der Ausbildung des Lichtbogens und zur Beein­ flussung des Abbrennverhaltens des Durchbrennbereichs ein relativ gut wärmeleitendes Beschichtungsmaterial, ins­ besondere für die Klebstoffkleckse vorzusehen. Dadurch wird eine kühlende Wirkung erzielt, womit sichergestellt wird, dass der Lichtbogen zwischen den Klebstoffklecksen zündet.

Die Verwendung von SMD-Klebstoff zur Lichtbogenbe­ einflussung gestattet außerdem das Aufbringen der betref­ fenden Anhäufungen (Kleckse) mit einer SMD-Bestückungs­ einrichtung, so dass kein zusätzlicher fertigungstech­ nischer Aufwand entsteht.

Außerdem wird die Verwendung eines dauerelastischen Materials zur Beschichtung als vorteilhaft angesehen. Unabhängig davon kann die Beschichtung (Film und/oder Kleckse) lichtbogenlöschende Substanzen enthalten. Das Material ist vorzugsweise homogen und insbesondere frei von Fasern, insbesondere verkohlbaren oder dissoziier­ baren Mineralfasern, um das Löschverhalten nicht zu be­ einträchtigen.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschrei­ bung, der Zeichnung und/oder von Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektronisches Gerät mit abgenommener Bodenplatte und einer im Innenraum angeordneten Leiter­ platte die einen Sicherungsleiterzug trägt, in perspekti­ vischer Darstellung,

Fig. 2 die Leiterplatte des Geräts nach Fig. 1, in perspektivischer und ausschnittsweiser Darstellung, in einem anderen Maßstab,

Fig. 3 die Leiterplatte nach Fig. 2, in Seitenan­ sicht,

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform der Leiter­ platte nach Fig. 2, in Schnittdarstellung,

Fig. 5 eine weiter abgewandelte Ausführungsform ei­ ner Leiterplatte mit Sicherungsleiterzug, in ausschnitts­ weiser Schnittdarstellung,

Fig. 6 die Leiterplatte nach Fig. 4 oder 5, in Draufsicht mit Blick auf ihre Leiterseite, in aus­ schnittsweiser Darstellung, und

Fig. 7 eine Mehrebenenleiterplatte mit einem Durch­ brennbereich, der als Sicherung dient, in perspektivi­ scher Darstellung.

In Fig. 1 ist ein elektronisches Gerät 1 ver­ anschaulicht, dessen Gehäuse 2 einen Innenraum 3 um­ schließt, in dem eine Leiterplatte 4 angeordnet ist. Die­ se trägt mehrere Leiterzüge 5, 6, die über nicht weiter veranschaulichte Anschlussmittel mit einer externen Stromversorgung, bspw. einem 230 V-Netz zu verbinden sind. Sie dienen der Stromversorgung einer nicht weiter dar­ gestellten, auf der Leiterplatte 4 untergebrachten, elek­ tronischen Schaltung oder anderweitiger Stromverbraucher. Der Leiterzug 6 ist so abgesichert, dass ein in der elek­ tronischen Schaltung entstehender Kurzschluss oder ein sonstiger Fehler, der zu einem übergroßen Strom in den Leiterzügen 5, 6 führt, sicher unterbrochen wird. Dazu dient ein Durchbrennbereich 7 des Leiterzugs 6. Der Durchbrennbereich 7 wird durch einen wenige Millimeter (2. . .20 mm) langen Abschnitt des Leiterzugs 6 gebildet. Die Breite des Leiterzugs 6 ist in dem den Durchbrenn­ bereich 7 bildenden Abschnitt wesentlich geringer als in den übrigen Bereichen. Dadurch wird in dem Durchbrenn­ bereich 7 eine erhöhte Stromdichte erzwungen. Die Leiter­ zugbreite ist hier z. B. auf einen halben Millimeter redu­ ziert. Die Leiterzugdicke ist unverändert. Der Durch­ brennbereich 7 kann sowohl, wie dargestellt, durch einen geraden Abschnitt als auch durch bogenförmig gekrümmte oder seitlich durch einen Einschnitt eingeengte Leiter­ zugabschnitte gebildet sein.

Der Durchbrennbereich 7 und benachbarte Bereiche der Leiterplatte 4 sind insbesondere aus Fig. 2 und 3 zu entnehmen. Wie dargestellt, sind insbesondere auf dem Durchbrennbereich 7, der durch einen unverzinnten Leiter­ zugabschnitt gebildet wird, Anhäufungen 8, 9 von nichtleitendem Material in Form von Klecksen angeordnet. Hier wird vorzugsweise ein SMD-Klebstoff genutzt. Dieser ver­ hindert ein Übergreifen eines sich in dem Durchbrennbe­ reich 7 zwischen den beiden Klecksen 8, 9 ausbildenden Lichtbogens auf benachbarte Bereiche, so dass der Licht­ bogen schnell erlischt. Insbesondere sind die Kleckse 8, 9 soweit elektrisch isolierend und weisen eine Wärmeleit­ fähigkeit auf, die den darunter liegenden Leiterzug kühlt, dass der Lichtbogen keine weitere Nahrung findet. Außerdem sind sie vorzugsweise aus einem schwer dissozi­ ierbaren Material. Als Material wird hier der handels­ übliche SMD-Klebstoff PD 955 HR der Firma Heraeus, Hanau bevorzugt.

Die Sicherung arbeitet wie folgt:

Bei normalem Betrieb fließt in dem Leiterzug 6 ein Strom, der den Durchbrennbereich 7 nicht wesentlich er­ wärmt und von diesem zumindest dauerhaft ertragen werden kann. Bei einem Kurzschluss zwischen den Leiterzügen 5 und 6 tritt jedoch in dem Durchbrennbereich 7 eine Strom­ dichte auf, die zu einer sofortigen Erhitzung und Ver­ dampfung des Durchbrennbereichs 7 führt. Der Leiterzug 6 wird dadurch unterbrochen, wobei zwischen den Anhäufungen oder Klecksen 8, 9 ein Lichtbogen zündet. Dieser erreicht aufgrund des Abstandes zwischen den Klecksen 8, 9, der einige Millimeter beträgt, alsbald eine Länge über die zumindest ohne ständige ausreichende Zufuhr von Metall­ dampf oder anderem ionisierten Material der Lichtbogen nicht aufrechterhalten werden kann, so dass er zügig ver­ lischt. Wegen der so erreichten und nahezu sofortigen Stromunterbrechung sprechen vorgelagerte Sicherungsein­ richtungen in der Regel nicht an. Sind über diese mehrere dieser hier vorgestellten Geräte 1 versorgt und fällt eins dieser Geräte aus, schaltet dieses durch das Abbren­ nen seines Durchbrennbereichs 7 ab, ohne den Betrieb der parallel geschalteten anderen Geräte zu beeinträchtigen. Durch das schnelle Verlöschen des Lichtbogens wird si­ chergestellt, dass die vorgeschaltete Sicherung nicht anspricht. Verschmorungen werden auf ein Minimum redu­ ziert.

In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Leiterplatte 4 veranschaulicht. Sie unterscheidet sich von der vorbeschriebenen Leiterplatte durch eine durch­ gängige Beschichtung 11, die die Leiterplatte 4 zusätz­ lich zu der durch die Anhäufungen oder Kleckse 8, 9 ge­ bildeten partiellen Beschichtung bedeckt. Die Beschich­ tung 11 liegt hier zwischen dem Leiterzug 6 und den Kleb­ stoffklecksen 8, 9. Die Beschichtung 11 ist bspw. durch Lötstopplack gebildet, der einen Kontakt des Leiterzugs 6, insbesondere in der Umgebung zu dem Durchbrennbereich 7 mit Lötzinn verhindert. Dadurch entsteht beim Schwall­ löten keine Verzinnung des Durchbrennbereichs 7 und un­ mittelbar anschließender Bereiche, so dass verhindert wird, dass der Lichtbogen verzinnte Bereiche erreicht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist ebenfalls eine Beschichtung 11 aus Lötstopplack vorhanden, wobei diese jedoch nicht unter sonder über den Klebstoffkleck­ sen 8, 9 vorgesehen ist. Wiederum bedeckt der Lötstop­ plack den Durchbrennbereich 7 des Leiterzugs 6.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 4 und 5 weist die Lötstopplackbeschichtung 11, insbesondere in unmit­ telbarer Nachbarschaft zu dem Durchbrennbereich 7 Fenster 14, 15 auf, in denen das Basismaterial der Leiterplatte nicht beschichtet ist. Ein sich ausbildender Lichtbogen kann dadurch den sich auf dem Durchbrennbereich 7 befin­ denden dünnen Steg von Lötstopplack verdampfen und findet danach in der Nachbarschaft keine weitere Nahrung vor.

Zusätzlich zu den bislang vorgestellten Ausführungs­ formen ist es möglich, die den Leiterzug 6 bedeckende Beschichtung durch das Basismaterial der Leiterplatte auszubilden. Mit anderen Worten, der Leiterzug 6 ist ein Leiterzug in einer Zwischenebene einer Mehrebenenleiter­ platte, wobei auch der Durchbrennbereich 7 in das Basis­ material der Leiterplatte 4 eingebettet ist. Auch hier führt die kühlende, wärmeabführende Wirkung des insbeson­ dere auf Epoxidbasis beruhenden Leiterplattenmaterials zu einer sicheren und schnellen Lichtbogenlöschung und somit zur Verhinderung des Übergreifens des Lichtbogens auf andere Leiterzüge. Dies insbesondere, wenn in der Zwi­ schenebene, in der der Leiterzug 6 untergebracht ist, bis auf einen Abstand von mehreren Millimetern kein weiterer Leiterzug vorhanden ist. Andere Leiterzüge 6a, 6b können an beiden Flachseiten der Leiterplatte untergebracht sein. Sie können bedarfsweise auch den Durchbrennbereich 7 überkreuzen oder sich an diesen annähern, ohne dass eine größere Gefahr des Übergreifens des Lichtbogens be­ steht.

Ein elektrisches oder elektronisches Gerät weist zur Absicherung gegen Fehlerfälle, die mit einer übergroßen Stromaufnahme einhergehen, einen geschwächten Leiterzug­ bereich (Durchbrennbereich 7) auf, der wenigstens ab­ schnittsweise eine nichtleitende Beschichtung trägt. Die­ se dient der Lichtbogenlöschung. Bedarfsweise kann die Beschichtung mit lichtbogenlöschenden Substanzen angerei­ chert sein.

Claims (21)

1. Elektrisches oder elektronisches Gerät (1), ins­ besondere Vorschaltgerät für Lampen, insbesondere Gasent­ ladungslampen oder elektronischer Spannungsumsetzer, mit einer Leiterplatte (4), über die ein ab­ zusichernder Leiterzug (6) führt, und der einen Bereich mit reduziertem Querschnitt als Durchbrennbereich (7) aufweist, der wenigstens abschnittsweise mit einer nicht­ leitenden Beschichtung (8, 9, 11) versehen ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterzug ein wenigstens im Durchbrennbereich (7) unverzinnter Kupferleiterzug ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Beschichtung wenigstens zwei im Abstand zu­ einander auf dem Durchbrennbereich (7) oder unmittelbar im Anschluss an den Durchbrennbereich (7) angeordnete Anhäufungen (8, 9) gehören.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8, 9, 11) homogen ausgebildet ist und vorzugsweise eine nicht einheitliche Dicke aufweist.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11) durchgängig ausgebildet ist, so dass der Durchbrennbereich (7) von der Beschichtung (11) lückenlos bedeckt ist.

6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf dem Durchbrennbereich (7) zwei in Leiterzuglängsrichtung voneinander beabstandete Anhäu­ fungen (8, 9) beinhaltet.

7. Gerät nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Anhäufungen (8, 9) aus dem gleichen Material ausgebildet sind wie eine etwaige sonstige Be­ schichtung (11).

8. Gerät nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Anhäufungen (8, 9) aus einem anderen Material ausgebildet sind, wie eine etwaige sonstige Be­ schichtung (11).

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die sonstige Beschichtung (11) zwischen dem Leiter­ zug (6) bzw. dem Durchbrennbereich (7) und der darüber liegenden Anhäufung (8, 9) angeordnet ist.

10. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anhäufungen (8, 9) zwischen dem Leiterzug (6) bzw. dem Durchbrennbereich (7) und der sonstigen Be­ schichtung angeordnet sind.

11. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine längliche, sich wenigstens eine Teilstrecke über den Durchbrennbereich erstreckende Anhäufung ist.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass über oder unter der Anhäufung (8, 9) eine weitere Beschichtung (11) vorgesehen ist.

13. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu wenigstens einer Seite des Durchbrennbereichs (7) auf der Leiterplatte ein unbeschichteter Bereich (14, 15) vorgesehen ist.

14. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten des Durchbrennbereichs (7) auf der Leiterplatte (4) unbeschichtete Bereiche (14, 15) vor­ gesehen sind.

15. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11) eine Lötstopplackbeschichtung ist.

16. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8, 9) des Durchbrennbereichs (7) durch einen Klebstoff für oberflächenmontierbare Bauele­ mente gebildet ist.

17. Gerät nach Anspruch 1, 3 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Beschichtung bzw. die Anhäufungen (8, 9) durch eine SMD-Bestückungseinrichtung, insbesondere einen SMD-Bestückungsautomaten aufgebracht ist.

18. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8, 9, 11) auf Epoxidharzbasis aufgebaut ist.

19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Epoxidharz aufbauende Beschichtungsmaterial einen Zusatz zur Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit ent­ hält.

20. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (8, 9, 11) elastisch ist.

21. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (8, 9, 11) lichtbogenlö­ schende Substanzen enthält.