DE102004032367A1

DE102004032367A1 - Elektrisches Steckverbindungselement mit ESD-Schutz

Info

Publication number: DE102004032367A1
Application number: DE200410032367
Authority: DE
Inventors: Mathias Fiedler; Walter Reichert; Berndhard Seubert; Klaus Micheler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-26

Abstract

Elektrisches Steckverbindungselement (1), aufweisend mindestens ein Steckelement (16) mit einem Aufnahmebereich (22) für ein Gegensteckelement und mit einem Anschlussbereich (36) für eine elektrische Kontaktierung, ferner aufweisend mindestens ein mit einem Spannungspotenzial beaufschlagbares leitendes Element (26), wobei das Steckelement (16) und das leitende Element (26) ein Ableitelement (32) zumindest berühren, welches aus einem Material mit Varistoreigenschaften besteht oder ein solches Material aufweist zur zumindest teilweisen Ableitung einer am Steckelement (16) anliegenden Überspannung (U_HV). Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät (14), insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einem Steckverbindungselement (1) sowie ein Verfahren zur zumindest teilweisen Ableitung einer an einem Steckelement (16) eines elektrischen Steckverbindungselements (1) anliegenden Überspannung (U_HV).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steckverbindungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Steuergerät, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einem Steckverbindungselement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur zumindest teilweisen Ableitung einer Überspannung gemäß Anspruch 10.

Elektrische Steckverbindungselemente sind bekannt. Diese Steckverbindungselemente dienen dazu, einzelne elektrische (oder elektronische) Funktionseinheiten elektrisch miteinander zu verbinden und somit zu einem elektrischen Netzwerk zusammenzufügen. Die Komplexität solcher elektrischer Netzwerke hat sowohl bezüglich Funktionsumfang als auch der Anzahl der beteiligten Funktionseinheiten zugenommen. Daraus ergibt sich, dass eine zunehmende Anzahl von Funktionseinheiten elektrisch miteinander verbunden ist und dass die einzelnen Funktionseinheiten vor einer nachteiligen Einwirkung durch andere Funktionseinheiten oder durch das elektrische Netzwerk an sich geschützt werden müssen. Aber auch zu einem Zeitpunkt, zu dem eine Funktionseinheit noch nicht in einem elektrischen Netzwerk integriert ist, beispielsweise bei der Herstellung der Funktionseinheit oder während des Zusammenbaus des elektrischen Netzwerks, müssen die Funktionseinheiten, insbesondere Steuergeräte, vor nachteiligen Einwirkungen geschützt werden.

Zu diesen nachteiligen Einwirkungen zählt das Auftreten einer Überspannung am Steckverbindungselement beziehungsweise einem darin angeordneten Steckelement. Dazu zählt insbesondere die sogenannte elektrostatische Entladung (electro-static discharge, ESD), die sich als sehr kurzer Impuls mit einer hohen Spannung zeigt. Während ein solcher Spannungsimpuls auf das Steckverbindungselement als solches in der Regel keine Auswirkungen hat, so führt dieser Impuls bei mit dem Anschlussbereich des Steckverbindungselements direkt oder indirekt verbundenen Bauelementen zu Schäden oder Vorschädigungen. Um die Bauelemente vor derartigen Beschädigungen zu schützen, ist es bekannt, zum Ableiten dieser transienten Überspannungen konzentrierte Bauelemente, zum Beispiel Kapazitäten, auf der elektrischen Schaltung zu verwenden. Nachteilig sind dabei aber die erhöhten Kosten, ausgelöst durch steigenden Flächenbedarf und Bauteilkosten, um auf der Schaltung die Absicherung der einzelnen elektrischen Pfade zu realisieren. Außerdem kann es zu ungewünschten Kopplungen auf benachbarte Stromkreise kommen, die dann ebenfalls abgesichert werden müssen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung bildet den Stand der Technik dahingehend weiter, dass das Steckelement und ein leitendes Element ein Ableitelement zumindest berühren, welches aus einem Material mit Varistoreigenschaften besteht oder ein solches Material aufweist zur zumindest teilweisen Ableitung einer am Steckelement anliegenden Überspannung. Dies ist vorteilhaft, da am Steckelement des Steckverbindungselements auftretende Überspannungen unmittelbar im oder am Steckverbindungselement abgeleitet werden und die Energie eines Überspannungsimpuls deutlich verringert – oder überhaupt nicht mehr – an eine dem Aufnahmebereich des Steckverbindungsele ments nachgelagerte Schaltung übertragen wird. Damit können Maßnahmen zum Überspannungsschutz auf der Schaltung reduziert werden beziehungsweise ganz entfallen. Unter einem Material mit Varistoreigenschaften ist dabei ein nicht-lineares Material zu verstehen, welches zumindest in einem für die jeweilige Anwendung relevanten Bereich bei einem Anstieg einer an diesem Material angelegten Spannung mit einer Reduzierung des Widerstands des Materials entlang der Spannungsstrecke reagiert. Das heißt, das Material stellt bei höheren Spannungen einen geringeren, insbesondere deutlich geringeren, Widerstand dar. Es ergibt sich dabei folgende prinzipielle Funktionsweise: Bei niedrigen, den üblichen Betrieb kennzeichnenden Spannungen, stellt das Ableitelement einen großen Widerstand dar, sodass reguläre Spannungen nicht abgeleitet werden, sondern vom Steckelement aus dem Aufnahmebereich des Steckverbindungselements an den Anschlussbereich und von dort an eine nachgelagerte elektrische Schaltung weitergeleitet werden. Treten nun überhöhte Spannungen auf, so ist der Widerstand des Ableitelements reduziert und die Überspannungen werden von dem Steckelement über das Ableitelement an das leitende Element übertragen und erreichen die nachgelagerte Schaltung nicht, beziehungsweise nur zu einem verringerten Teil. Das leitende Element ist dabei während des Betriebs an ein Spannungspotenzial angeschlossen und stellt daher – relativ zur Überspannung – eine Spannungssenke dar. Für das Steckelement sind viele verschiedene Ausführungsformen möglich, insbesondere Buchse oder Stecker, sowie einteilige oder mehrteilige Ausführungsformen.

Vorteilhafterweise ist das leitende Element als Masseelektrode ausgeführt und mit einem Massepotenzial verbunden. Damit lässt sich die anliegende Überspannung auf besonders einfache Weise ableiten, da in einem elektrischen Netzwerk regelmäßig an vielen Stellen ein Massepotenzial abgreifbar ist.

Mit Vorteil ist das Steckelement in einem Halterungselement eines Steckergehäuses so angeordnet, dass das Steckelement das Halterungselement durchdringt und dass das leitende Element flächig am Halterungselement angeordnet ist. Dies ermöglicht eine einfache und günstig herzustellende Anordnung von Steckelement und leitendem Element. Das Steckelement wird dabei in aller Regel das Halterungselement derart durchdringen, dass es zumindest im Anschlussbereich hervorragt und dort die elektrische Kontaktierung zu einer nachgelagerten Schaltung ermöglicht.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Ableitelement im Aufnahmebereich des Steckverbindungselements angeordnet.

Mit Vorteil ist das Ableitelement als härtbare oder selbsthärtende Gussmasse ausgeführt. Dadurch lässt sich zum einen das Ableitelement auf sehr einfache Weise herstellen und zum anderen eine sichere Verbindung zwischen Steckelement und leitendem Bereich mittels des Ableitelements erzielen.

Vorteilhafterweise ist das Ableitelement als Polymer in Silikonkleber ausgeführt. Ein derartiges Ableitelement ist einfach herzustellen und zeichnet sich durch besonders gute mechanische und elektrische Eigenschaften aus.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ableitelement als Fülllage im Aufnahmebereich ausgeführt und umschließt das Steckelement und das leitende Element zumindest teilweise. Dabei weist das Steckverbindungselement eine Steckerwandung auf, die unter anderem eine Positionierungshilfe für das Gegensteckelement darstellt und zudem ein fehlerhaftes Aufstecken des Gegensteckelements erschwert und/oder verhindert. Aufgrund dieser Steckerwandung ist es möglich, eine flüssige oder zähflüssige Gussmasse in den Aufnahmebereich des Steckverbindungselements einzufüllen. Die Gussmasse findet eine Begrenzung ihrer Ausdehnung sowohl in einer Seite des leitenden Elements oder des Halterungselements des Steckergehäuses als auch in der Steckerwandung und kann sich so zu einer gleichmäßigen Fülllage ausbreiten.

Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Steckverbindungselement mehrere Steckelemente aufweist. Über das Steckverbindungselement können so mehrere elektrische Pfade, insbesondere Signalpfade und/oder Versorgungsspannungen, geführt werden. Der Aufwand weitere Pfade über das Ableitelement abzusichern ist verhältnismäßig gering.

Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, welches ein Steckverbindungselement mit einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale aufweist. Ein solches Steuergerät, beispielsweise für ein Anti-Blockier-System, ist auf einfache und kostengünstige Weise vor Überspannungen geschützt.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur zumindest teilweisen Ableitung einer an einem Steckelement eines elektrischen Steckverbindungselements anliegenden Überspannung, wobei die Überspannung über ein Ableitelement an einen leitenden Bereich abgeführt wird und das Ableitelement aus einem Material mit Varistoreigenschaften besteht oder ein solches Material aufweist.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen
1 ein Steuergerät mit einem Steckverbindungselement und
2 einen Querschnitt durch ein Steckverbindungselement.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein elektrisches Steckverbindungselement 1, welches mit seinem -hier verdeckten- Anschlussbereich auf einer Platine 12 eines Steuergeräts 14 angeordnet ist. Das Steckverbindungselement 1 weist Steckelemente 16 auf, die in zwei parallel geführten Reihen mit je elf Steckelementen 16 angeordnet sind. Die Steckelemente 16 sind als Metallkontaktstifte mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt ausgeführt. Die Steckelemente 16 werden von einem Halterungselement 18 eines Steckergehäuses 20 in der gewünschten Position gehalten. Die Steckelemente 16 stehen in beide Richtungen über das Halterungselement 18 hervor, so dass sie sowohl in den Aufnahmebereich 22 für ein Gegensteckelement hineinragen als auch in den Anschlussbereich hervorstehen, um dort die elektrische Kontaktierung auf die Platine 12 zu ermöglichen. Das Steckergehäuse 20 weist eine Steckerwandung 24 auf, die als Positionierhilfe für das Gegensteckelement dient.
Um die Erfindung zu verdeutlichen, zeigt 1 zudem eine Ausschnittvergrößerung des Steckverbindungselements 1. In der Vergrößerung sind vier Steckelemente 16 zu erkennen, die an ihrer Spitze einen pyramidenstumpfförmigen Abschluss aufweisen. Mittels der engen Schraffur ist das leitende Element 26 angedeutet, welches im Aufnahmebereich 22 des Steckverbindungselements 1 flächig auf dem Halterungselement 18 angeordnet ist. Dabei weist das leitende Element 26 Ausnehmungen 28 auf, die so geformt sind, dass das leitende Element 26 überall von den Steckelementen 16 beabstandet ist. Es besteht also keine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen dem leitenden Element 26 und den Steckelementen 16. Nur für den Fall, dass ein Steckelement 16 gezielt dasselbe Potenzial wie das leitende Element 26 aufweisen soll, wird das leitende Element 26 das entsprechende Steckelement 16 kontaktieren. Das leitende Element 26 ist hier als Masseelektrode 30 ausgeführt und -symbolisch dargestellt- mit einem Massepotenzial GND verbunden. Mittels der weiten Schraffur ist das Ableitelement 32 dargestellt. Das Ableitelement 32 ist hier als Fülllage auf das leitende Element 26 aufgebracht und kontaktiert sowohl die Steckelemente 16 als auch das leitende Element 26. Das Ableitelement 32 wurde hier als selbsthärtende Gussmasse 34 ausgeführt, wobei als Gussmasse 34 ein Polymerwerkstoff mit Varistoreigenschaften auf Zinkoxidbasis in Silikonkleber gewählt wurde.
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Steckverbindungselement 1, wobei nun auch der Anschlussbereich 36 sichtbar ist. Die Ausführungen zur 1 lassen sich entsprechend auf den hier gezeigten Aufbau übertragen. Die prinzipielle Funktionsweise des Steckverbindungselements 1 ist symbolisch anhand einer Spannung U_N im Normalbetrieb und einer Überspannung U_HV dargestellt. Liegt an einem Steckelement 16 im Aufnahmebereich 22 eine normale Spannung U_N an, so stellt das Ableitelement 32 aufgrund seiner Varistoreigenschaften einen großen Widerstand zwischen dem Steckelement 16 und dem leitenden Element 26 dar. Dies bedeutet, dass die Spannung U_N im Wesentlichen unverändert in den Anschlussbereich 36 weitergeführt wird. Ein anderes Bild ergibt sich, wenn an einem Steckelement 16 eine Überspannung U_HV anliegt. In diesem Fall stellt das Ableitelement 32 einen erheblichen geringeren Widerstand zwischen dem Steckelement 16 und dem leitenden Element 26 dar, so dass die Überspannung U_HV, beziehungsweise der daraus resultierende Strom, an das leitende Element 26 abgeleitet und dann an das Massepotenzial GND abgeführt wird. Die Überspannung U_HV dringt also nicht in den Anschlussbereich 36 vor und erreicht insbesondere nicht ein nachgeschaltetes Steuergerät 14. Damit bietet das Steckverbindungselement 1 einen effektiven und einfach zu realisierenden Schutz vor einer Überspannung U_HV.

Claims

Elektrisches Steckverbindungselement (1) aufweisend mindestens ein Steckelement (16) mit einem Aufnahmebereich (22) für ein Gegensteckelement und mit einem Anschlussbereich (36) für eine elektrische Kontaktierung, ferner aufweisend mindestens ein mit einem Spannungspotenzial beaufschlagbares leitendes Element (26), dadurch gekennzeichnet, dass das Steckelement (16) und das leitende Element (26) ein Ableitelement (32) zumindest berühren, welches aus einem Material mit Varistoreigenschaften besteht oder ein solches Material aufweist zur zumindest teilweisen Ableitung einer am Steckelement (16) anliegenden Überspannung (U_HV).
Steckverbindungselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Element als Masseelektrode (30) ausgeführt ist und mit einem Massepotenzial (GND) verbunden ist.
Steckverbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckelement (16) in einem Halterungselement (18) eines Steckergehäuses (20) so angeordnet ist, dass das Steckelement (16) das Halterungselement (18) durchdringt und dass das leitende Element flächig am Halterungselement (18) angeordnet ist.
Steckverbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableitelement (32) im Aufnahmebereich (22) angeordnet ist.
Steckverbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableitelement (32) als härtbare oder selbsthärtende Gussmasse (34) ausgeführt ist.
Steckverbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableitelement (32) als Polymer in Silikonkleber ausgeführt ist.
Steckverbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableitelement als Fülllage (34) im Aufnahmebereich (22) ausgeführt ist und das Steckelement (16) und das leitende Element (26) zumindest teilweise umschließt.
Steckverbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Steckelemente (16).
Steuergerät (14), insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch ein Steckverbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur zumindest teilweisen Ableitung einer an einem Steckelement (16) eines elektrischen Steckverbindungselements (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, anliegenden Überspannung (U_HV), dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannung (U_HV) über ein Ableitelement (32) an ein leitendes Element (26) abgeführt wird, wobei das Ableitelement (32) aus einem Material mit Varistoreigenschaften besteht oder ein solches Material aufweist.