-
Die
Erfindung betrifft ein elektrisches oder elektronisches Gerät und dessen
elektrische Absicherung.
-
Elektrische
oder elektronische Geräte,
insbesondere netzbetriebene Geräte,
sind häufig
durch Sicherungselemente netzseitig abzusichern. Dazu dienen bspw.
sogenannte Sicherungsleiterzüge,
mit denen sonst übliche
Feinsicherungen 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 Abbrennen 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 vorgelagerte Sicherung auslösen. Dies
letzendlich, weil das betroffene Gerät, bei dem der Durchbrennbereich
des Leiterzugs angesprochen hat, nach dem Ansprechen des Durchbrennbereichs
weiterhin einen erhöhten
Strom zieht. Ist die vorgelagerte Sicherung stromstark dimensioniert,
können
Brandgefahren entstehen. Einen Einfluss auf das Abschaltverhalten und
Folgegefahren hat auch die Größe des sich
ausbildenden Lichtbogens. Schon geringe Fertigungstoleranzen haben
dabei einen großen
Einfluss auf das Abbrennverhalten. Es wird deshalb angestrebt, unabhängig von
Fertigungstoleranzen ein kontrolliertes Abbrennverhalten zu erzielen.
-
Aus
der
EP 0 270 954 A1 ist
eine Chipsicherung bekannt, bei der auf einem Substrat ein mäanderförmiger Schmelzleiter
angeordnet ist. Dieser ist von einem Silikonharzfilm bedeckt, der
den Schmelzleiter vollständig
abdeckt und als Schutz dient. Der Silikonharzfilm verhindert beim
Durchbrennen des Schmelzleiters eine Verteilung des entstehenden Metalldampfs
in der Umgebung des Sicherungselements. Außerdem wirkt das Silikonharz
bogenlöschend.
-
Aus
der
US-PS 4626818 ist
ein Sicherungselement bekannt, das auf einem Substrat ausgebildet ist
und zwei Leiter miteinander verbindet. Zwischen den Leitern ist
eine Glasur angeordnet, die von einem Schmelzleiter über brückt wird.
Dieser verbindet die beiden Anschlussleiter. Auf dem Schmelzleiter
ist wiederum eine Glasur untergebracht.
-
Die
Glasuren schließen
den Schmelzleiter zwischen einander ein und bewirken eine Mikroexplosion
beim Schmelzen des Schmelzleiters. Diese Mikroexplosion setzt den
Metalldampf des Sicherungselements schnell frei, um eine Stromunterbrechung
zu erzielen. Der Schmelzleiter dient zur Abspeicherung eines logischen
Musters, nicht aber der energetischen Absicherung einer Schaltung.
-
Aus
der WO 96/41360 A1 und der
US-PS
1 542 608 ist jeweils ein elektrischer Sicherungsleiter bekannt,
der zumindest zwei im Abstand auf diesen aufgebrachte Isolierkörper trägt. Die
Isolierkörper sollen
den zwischen Ihnen gezündeten
Lichtbogen beim Auslösen
der Sicherung einschließen
und eine Lichtbogenfortpflanzung verhindern.
-
Solche
Anordnungen eignen sich zur Abschaltung größerer Ströme in Energieanlagen, weniger
aber zur Integration in elektronische Geräte.
-
Aus
der
US-PS 5,027,101 ist
ein für
die SMD-Technik vorgesehenes als Sicherung dienendes Bauelement
bekannt. Es weist Anschlüsse
auf, zwischen denen ein nicht leitender Träger angeordnet ist. Auf dem
Träger
ist eine Aluminiummetallisierung aufgebracht, um einen durchschmelzbaren
Verbindungsleiter zu bilden. Dieser ist mit einem Klebstoffklecks
abgedeckt.
-
Die
DE 30 44 711 A1 offenbart
eine Schmelzsicherung bestehend aus einem Substrat und einem aufgedruckten Schmelzleiter
mit einer Verengung der Leiterbreite zur Bildung der Schmelzstelle.
Die Schmelzstelle ist ganz oder teilweise mit einer Schicht aus
legierungsfähigem
Material bedeckt.
-
Durch
Legierung zwischen dem Schmelzleiter und dem Legierungsmaterial
soll die Durchschmelzcharakteristik beeinflusst werden.
-
Die
EP 0 696 812 A1 offenbart
eine Sicherungsanordnung, die zwei benachbarte Schmelzleiter aufweist.
Beide sind durch eine Auflage aus einem elektrisch isolierenden,
dabei aber thermisch leitfähigen
Material bedeckt, um eine thermische Verbindung zwischen den Leitern
zu bilden. Die Schmelzleiteranordnung bildet einen Informationsspeicher.
Es ist möglich,
diesen zu programmieren, indem das Durchschmelzen eines Leiters
durch Beheizung durch den benachbarten Leiter beeinflusst wird.
-
Die
DE-V3584/21c offenbart einen Schmelzleiter, auf dem eine Lotpille
aufgebracht ist. Zwischen dem Schmelzleiter und der Lotpille ist
eine dünne Zwischenschicht
aus einem synthetischen Kleber oder einem Aethoxylinharz angeordnet.
Dadurch sollen Alterungserscheinungen durch vorzeitige Legierungsbildung
unterdrückt
werden.
-
Die
US 4,140,988 offenbart ein
Sicherungselement mit einem Mehrschichtaufbau und einem oberflächlich angeordneten
mäanderförmigen Leiter. Dieser
ist auf eine Kunstharzschicht aufgebracht, die einerseits die Faserstränge des
Substrats bindet und andererseits als Löschgasquelle dient.
-
Die
DE 54 249 C offenbart
eine Sicherungsanordnung mit einem Schmelzleiter, auf dem ein oder mehrere
Isolierstücken
angeordnet sind. Diese weisen Öffnungen
auf, durch die der Schmelzleiter hindurchführt. Die Isolierstücke sollen
das Stehenbleiben eines Lichtbogens mit Sicherheit verhindern, indem
dieser sich nicht durch die relativ engen Öffnungen fortsetzen kann, die
in den Isolierstücken
ausgebildet sind.
-
Die
DE 37 23 832 A1 offenbart
eine gedruckte Schaltung mit integrierter Sicherung, die durch eine
Leiterbahn gebildet wird. In die Leiterbahn ist eine Bohrung eingebracht,
um ihren Querschnitt zu reduzieren und somit einen Durchschmelzbereich festzulegen.
Die Leiterbahn ist mit Abdecklack gegen Funkenbildung dicht abgedeckt.
Die Bohrung hingegen ist nicht abgedeckt. Damit soll eine Funkenbildung
vermieden werden.
-
Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, das elektrische oder elektronische
Gerät so
zu gestalten, dass im Fehlerfall ein gefahrloses und sicheres Abschalten
erreicht und insbesondere ein Übergreifen
eines sich in dem Durchbrennbereich ausbildenden Lichtbogens auf
benachbarte Bereiche verhindert wird.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
elektronisches 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 Durchbrennbereich 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
Epoxidharzbasis oder auch Silikonverbindungen zur Anwendung kommen.
-
Auf
dem Duchbrennbereich sind zwei oder mehrere, vorzugsweise drei oder
mehr Anhäufungen (Kleckse)
des Beschichtungsmaterials aufgebracht. Die äußeren Kleckse können sich
bis auf den anschließenden
Leiterzug erstrecken. Mehrere Kleckse gestatten die Unterteilung
des Sich ausbildenden Lichtbogens in Teillichtbögen, die besser verlöschen als
ein einziger Lichtbogen.
-
Der
Ausbildung eines dauerhaft brennenden Lichtbogens wird entgegengewirkt,
wenn wenigstens der Durchbrennbereich des Leiterzugs keine Verzinnung
vorhanden ist. Vorteilhafterweise ist auch in unmittelbarer Umgebung
des Durchbrennbereichs kein Zinn vorhanden, d.h. der betreffende
Kupferleiterzug ist unverzinnt und es sind keine Lötaugen im
geringem Abstand zu dem Durchbrennbereich 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
Por tionen des nichtleitenden, bei Zimmertemperatur festen Materials.
Die nichtleitenden Beschichtung ist in diesem Fall auf diese Kleckse
reduziert. Die Anhäufungen
(Kleckse) überragen,
wenn sie auf dem schmalen Durchbrennbereich 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
vorzugsweise freigelassen. Bei dieser Anordnung stoppt die Anhäufung elektrisch
isolierenden Materials an dem jeweiligen Ende des Durchbrennbereichs
die Lichtbogenfortpflanzung, so dass diese sicher verlischt, keine
sonstigen Kurzschlüsse
verursacht und auch keine Brandgefahr auslöst. Der Lichtbogen zündet zwischen
den beiden im Abstand zueinander angeordneten Anhäufungen
(Klecksen) mit begrenzter Länge.
Die Größe des Lichtbogens
wird beschränkt, so
dass Toleranzen kaum mehr eine Rolle spielen. Diese verhindern die
Lichtbogenfortpflanzung auch dann, wenn der Durchbrennbereich aus
sonstigen Quellen ionisierbares Material bezieht, bspw. wenn er
mit Lötstopplack
bedeckt ist.
-
Häufig ist
es erforderlich, auf dem Durchbrennbereich mit Lötstopplack zu beschichten,
um beim Schwalllöten
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 Anhäufungen von
nichtleitendem Material vorgesehen. Dies können sowohl aus dem gleichen
Material wie der Lötstopplack
als auch aus einem etwas anders zusammengesetzten Material, bspw.
durch SMD-Klebstoff gebildet sein. Dieser Kleb stoff wird vor dem
Löten von
oberflächenmontierbaren
Bauelementen (SMD-Bauelementen) zur Befestigung der Bauelemente
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 dickeren Beschichtung zu versehen, die insbesondere SMD-Klebstoff enthält. Außerdem wird
es als vorteilhaft angesehen, 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 Einzelbereiche 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 Bezirke der Leiterplatte
von Lötstopplack freigehalten,
kann auf diese Weise die Menge des vorhandenen ionisierbaren Materials
reduziert werden. Dies kommt der Lichtbogenlöschung entgegen.
-
Als
zweckmäßig hat
es sich herausgestellt, zur Steuerung der Ausbildung des Lichtbogens
und zur Beeinflussung des Abbrennverhaltens des Durchbrennbereichs
ein relativ gut wärmeleitendes Beschichtungsmaterial,
insbesondere 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 Lichtbogenbeeinflussung gestattet
außerdem
das Aufbringen der betreffenden Anhäufungen (Kleckse) mit einer
SMD-Bestückungseinrichtung,
so dass kein zusätzlicher
fertigungstechnischer 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 dissoziierbaren
Mineralfasern, um das Löschverhalten
nicht zu beeinträchtigen.
-
Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung, der
Zeichnung und/oder von Unteransprüchen.
-
In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
-
1 ein
elektronisches Gerät
mit abgenommener Bodenplatte und einer im Innenraum angeordneten
Leiterplatte die einen Sicherungsleiterzug trägt, in perspektivischer Darstellung,
-
2 die
Leiterplatte des Geräts
nach 1, in perspektivischer und ausschnittsweiser Darstellung,
in einem anderen Maßstab,
-
3 die
Leiterplatte nach 2, in Seitenansicht,
-
4 eine
abgewandelte Ausführungsform der
Leiterplatte nach 2, in Schnittdarstellung,
-
5 eine
weiter abgewandelte Ausführungsform
einer Leiterplatte mit Sicherungsleiterzug, in ausschnittsweiser
Schnittdarstellung,
-
6 die
Leiterplatte nach 4 oder 5, in Draufsicht
mit Blick auf ihre Leiterseite, in ausschnittsweiser Darstellung,
und
-
7 eine
Mehrebenenleiterplatte mit einem Durchbrennbereich, der als Sicherung
dient, in perspektivischer Darstellung.
-
In 1 ist
ein elektronisches Gerät 1 veranschaulicht,
dessen Gehäuse 2 einen
Innenraum 3 umschließt,
in dem eine Leiterplatte 4 angeordnet ist. Diese trägt mehrere
Leiterzüge 5, 6,
die über
nicht weiter veranschaulichte Anschlussmittel mit einer externen
Stromversorgung, bspw. einem 230V-Netz zu verbinden sind. Sie dienen
der Stromversorgung einer nicht weiter dargestellten, auf der Leiterplatte 4 untergebrachten,
elektronischen Schaltung oder anderweitiger Stromverbraucher. Der
Leiterzug 6 ist so abgesichert, dass ein in der elektronischen
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 Durchbrennbereich 7 bildenden
Abschnitt wesentlich geringer als in den übrigen Bereichen. Dadurch wird in
dem Durchbrennbereich 7 eine erhöhte Stromdichte erzwungen.
Die Leiterzugbreite ist hier z.B. auf einen halben Millimeter reduziert.
Die Leiterzugdicke ist unverändert.
Der Durchbrennbereich 7 kann sowohl, wie dargestellt, durch
einen geraden Abschnitt als auch durch bogenförmig gekrümmte oder seitlich durch einen
Einschnitt eingeengte Leiterzugabschnitte gebildet sein.
-
Der
Durchbrennbereich 7 und benachbarte Bereiche der Leiterplatte 4 sind
insbesondere aus 2 und 3 zu entnehmen.
Wie dargestellt, sind insbesondere auf dem Durchbrennbereich 7,
der durch einen unverzinnten Leiterzugabschnitt gebildet wird, Anhäufungen 8, 9 von
nicht leitendem Material in Form von Klecksen angeordnet. Hier wird
vorzugsweise ein SMD-Klebstoff genutzt. Dieser verhindert ein Übergreifen
eines sich in dem Durchbrennbereich 7 zwischen den beiden
Klecksen 8, 9 ausbildenden Lichtbogens auf benachbarte
Bereiche, so dass der Lichtbogen schnell erlischt. Insbesondere
sind die Kleckse 8, 9 soweit elektrisch isolierend
und weisen eine Wärmeleitfähigkeit
auf, die den darunter liegenden Leiterzug kühlt, dass der Lichtbogen keine
weitere Nahrung findet. Außerdem
sind sie vorzugsweise aus einem schwer dissoziierbaren Material.
Als Material wird hier der handelsübliche 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 erwärmt
und von diesem zumindest dauerhaft ertragen werden kann. Bei einem
Kurzschluss zwischen den Leiterzügen 5 und 6 tritt
jedoch in dem Durchbrennbereich 7 eine Stromdichte auf,
die zu einer sofortigen Erhitzung und Verdampfung 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 Metalldampf oder anderem ionisierten Material
der Lichtbogen nicht aufrechterhalten werden kann, so dass er zügig verlischt.
Wegen der so erreichten und nahezu sofortigen Stromunterbrechung
sprechen vorgelagerte Sicherungseinrichtungen 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 Abbrennen seines Durchbrennbereichs 7 ab,
ohne den Betrieb der parallel geschalteten anderen Geräte zu beeinträchtigen.
Durch das schnelle Verlöschen
des Lichtbogens wird sichergestellt, dass die vorgeschaltete Sicherung
nicht anspricht. Verschmorungen werden auf ein Minimum reduziert.
-
In 4 ist
eine abgewandelte Ausführungsform
der Leiterplatte 4 veranschaulicht. Sie unterscheidet sich
von der vorbeschriebenen Leiterplatte durch eine durchgängige Beschichtung 11,
die die Leiterplatte 4 zusätzlich zu der durch die Anhäufungen
oder Kleckse 8, 9 gebildeten partiellen Beschichtung
bedeckt. Die Beschichtung 11 liegt hier zwischen dem Leiterzug 6 und
den Klebstoffklecksen 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 Schwalllöten
keine Verzinnung des Durchbrennbereichs 7 und unmittelbar
anschließender
Bereiche, so dass verhindert wird, dass der Lichtbogen verzinnte Bereiche
erreicht.
-
Bei
der Ausführungsform
nach 5 ist ebenfalls eine Beschichtung 11 aus
Lötstopplack
vorhanden, wobei diese jedoch nicht unter sonder über den
Klebstoffklecksen 8, 9 vorgesehen ist. Wiederum bedeckt
der Lötstopplack
den Durchbrennbereich 7 des Leiterzugs 6.
-
Bei
den Ausführungsformen
nach 4 und 5 weist die Lötstopplackbeschichtung 11,
insbesondere in unmittelbarer 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 befindenden dünnen Steg
von Lötstopplack
verdampfen und findet danach in der Nachbarschaft keine weitere
Nahrung vor.
-
Zusätzlich zu
den bislang vorgestellten Ausführungsformen
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 Mehrebenenleiterplatte,
wobei auch der Durchbrennbereich 7 in das Basismaterial
der Leiterplatte 4 eingebettet ist. Auch hier führt die
kühlende,
wärmeabführende Wirkung
des insbesondere 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 Zwischenebene, 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 besteht.
-
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.