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Die
Erfindung betrifft eine Thermosicherung, insbesondere für ein Leistungsmodul
eines Kraftfahrzeugs, gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mit einer
derartigen Thermosicherung ausgestattetes Leistungsmodul.
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Aus
der
DE 196 39 427
A1 ist eine Thermosicherung bekannt, bei der eine Blattfeder
aus elektrisch leitendem Material quer über einem Spalt angeordnet,
der einen elektrischen Leiter trennt. Die Blattfeder ist an ihren
Enden an den durch den Spalt getrennten Leiterenden mittels Lot
befestigt, wobei die Blattfeder elastisch verformt – und damit
vorgespannt – fixiert
ist. An den Verbindungsstellen werden Lotlegierungen mit unterschiedlichen
Schmelzpunkten verwendet, so dass im Falle einer durch eine Fehlfunktion
ausgelöste
unzulässige
Erwärmung
zunächst
die Lötstelle
mit dem niedrigeren Schmelzpunkt erweicht und damit das Ende der
Blattfeder freigibt. Durch die Vorspannung schnellt das freigegebene
Ende nach oben, wodurch die Blattfeder ihre geometrische Ausgangsform
erreicht und das freigegebene Ende einen Abstand zu dem Leiter einnimmt und
somit die Stromzufuhr unterbrochen ist. Die gegenüberliegende
Lötstelle
erreicht hierbei den Schmelzpunkt nicht, so dass die Blattfeder
sicher gehalten wird und nicht auf die Kontaktstelle zurückfallen
kann.
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Obwohl
sich derartige Thermosicherungen dem Grunde nach bewährt haben,
weisen sie doch einige Nachteile auf, die je nach Anwendungsfall
zu Problemen führen
können.
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Ganz
generell ist festzuhalten, dass derartige Blattfedern meist aus
einer Kupfer-Berilliumlegierung, die aus Gründen des Umweltschutzes an
sich unerwünscht
sind.
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Weiterhin
ist bei kostensensitiven Anwendungen zu beachten, dass derartige
Federstahlelemente als Stanz-Biegeteile hohe Werkzeugkosten verursachen.
Dies kommt speziell dann zum Tragen, wenn im Rahmen einer standardisierten
Baureihenfertigung unterschiedliche Auslösekräfte realisiert werden müssen, die
eine größere Zahl
von unterschiedlich dimensionierten Blattfedern erforderlich macht.
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Schließlich ist
bei den gebräuchlichen
Werkstoffen für
derartige Federstahlelemente zu berücksichtigen, dass die Federcharakteristik
gegensinnig zur elektrischen Belastung verläuft. Dies kann im Extremfall
dazu führen,
dass die über
die Blattfeder geleiteten Ströme
unerwünscht
hohe Verlustleistungen erzeugen. Dies kann nicht nur die sichere
Funktion der Thermosicherung beeinträchtigen, sondern auch den Einsatz
in bestimmten Anwendungsgebieten erschweren oder gar unmöglich machen.
In diesem Zusammenhang sind Thermosicherungen für Leistungsmodule in Kraftfahrzeugen
zu nennen, die prinzipbedingt dauernd an der Bordspannung anliegen und
deren Stromzufuhr beim Abschalten der Zündung nicht unterbrochen wird.
Als Beispiel hierfür
ist das Steuergerät
für die
Glühkerzen
eines Dieselmotors zu nennen, das an der sogenannten Klemme 30 angeschlossen
und daher permanent an der Bordspannung anliegt. Es besteht daher
die Gefahr, dass auch im abgestellten Zustand ein Brand entstehen kann.
Dies ist besonders gefährlich,
da derartige Brände
lange unbemerkt bleiben und sehr hohe Schäden anrichten.
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Weiterhin
ist aus der
DE
10 2004 014 660 A1 ein Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei
dem das Leistungshalbleiterbauelement an einem Trägerkörper angelötet ist.
Das Lot wird hierbei so ausgewählt,
dass bei Erreichen eines bestimm ten vorgegebenen Temperaturniveaus
das Leistungshalbleiterbauelement ausgelötet und damit außer Funktion
gesetzt wird. Der Trennvorgang wird hierbei entweder alleine durch
das Eigengewicht des Bauelements bewirkt und kann gegebenenfalls
durch eine auf das Bauelement einwirkende Kraft unterstützt werden.
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Nachteilig
hierbei ist der vergleichsweise hohe konstruktive Aufwand. So ist
es insbesondere erforderlich, einen Durchbruch in der Leiterplatte
vorzusehen, um den Trägerkörper mit
dem Leistungshalbleiterbauelement einsetzen zu können. Auch ist es erforderlich,
bei der Konzeption des Leistungsmoduls die Einbaulage zu berücksichtigen,
da der Trennvorgang primär
durch Schwerkraft bewirkt wird. Schließlich spricht die Thermosicherung
nur für
den Fall an, dass der Defekt im Leistungshalbleiterelement selbst
auftritt. Eine Absicherung anderer Defekte, beispielsweise der Leiterplatte
oder von benachbarten Chip-Keramikkondensatoren,
ist hierdurch nicht möglich.
Eine vollständige
Absicherung des Gesamtmoduls ist somit nicht gegeben.
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Als
weiterer Stand der Technik wird die
DE 198 21 487 C1 genannt, von der die Erfindung
ausgeht. Besonders die konstruktive Ausführung des Einwirkens eines
Federelements auf eine Kontaktbrücke
erscheint verbesserungsbedürftig.
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Der
Erfindung lag daher das Problem zu Grunde, eine Thermosicherung
der eingangsgenannten Art bzw. ein mit einer derartigen Thermosicherung
versehenes Leistungsmodul zur Verfügung zu stellen, das die beschriebenen
Nachteile nicht mehr aufweist.
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Gelöst wird
dieses Problem durch eine Thermosicherung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie durch ein Leistungsmodul mit den Merkmalen des
Anspruchs 5.
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Vorteilhafte
die Ausgestaltungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der
jeweils hierauf rückbezogenen
Unteransprüche
angegeben.
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Die
Erfindung basiert auf der Idee, eine aufgelötete Kontaktbrücke, die
die Trennstelle zwischen den einander gegenüber stehenden Leiterbahnabschnitten überbrückt, mit
einem Federelement zu beaufschlagen. Bei Erreichen der Schmelztemperatur, die
für beide
Lötstellen
gleich ist, wird eine translatorische Verschiebebewegung der Kontaktbrücke ausgelöst. Der
Verschiebeweg kann hierbei so eingestellt werden, dass ein sicherer
Abstand der Kontaktbrücke
zu den Leiterbahnabschnitten erreicht wird, um den Stromfluss dauerhaft
zu unterbrechen.
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Es
ist ein Führungssteg
für die
Kontaktbrücke
vorgesehen, an dem diese längsverschieblich geführt ist.
Beim Auslösevorgang
stellt dieser sicher, dass die Kontaktbrücke eine definierte Translationsbewegung
vollziehen kann, wodurch eine sichere Unterbrechung des Stromflusses
möglich
ist.
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Darüber hinaus übernimmt
der Führungssteg
auch die seitliche Führung
des Druckfederelements, wodurch sich ein besonders einfacher konstruktiver
Aufbau ergibt.
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Dieses
Konzept weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik
auf.
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Gegenüber der
konventionellen Blattfeder können
nunmehr die elektrischen Eigenschaften unabhängig von den mechanischen eingestellt
werden. So kann insbesondere die Kontaktbrücke hinsichtlich ihrer Dimensionierung
weitgehend frei gestaltet werden. Beispielsweise kann eine verbesserte
elektrische Leitfähigkeit
durch einen deutlich vergrößerten Querschnitt
erreicht werden. Als Material können
die Elektrolytkupfer oder andere Kupferlegierungen verwendet werden,
wodurch sich insgesamt ein geringer elektrischer Übergangswiderstand
realisieren lässt. Auch
bei sehr hohen Strömen
tritt nur ein geringer Spannungsabfall auf, die Eigenerwärmung kann
auf diese Weise minimal gehalten werden. Insgesamt ist deshalb das
Ansprechverhalten der Thermosicherung weitgehend stromunabhängig.
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Im
Gegensatz zu den bisher verwendeten Federmaterialien können vergleichsweise
billige und umweltgerechte Werkstoffe eingesetzt werden. Dies ist
u. a. bei Anwendungen im KfZ-Bereich von Bedeutung, da die sogenannte
RoHS-Konformität
eingehalten werden muss.
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Wegen
der weitgehend uneingeschränkten geometrischen
Gestaltungsfreiheit ist es möglich
die Thermosicherung problemlos an verschiedenste geometrische Vorgaben
anzupassen. Es kann ein einfaches, robustes Design gewählt werden,
das fertigungstechnisch einfach umzusetzen ist und große fertigungstechnische
Toleranzen zulässt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich bei der Auswahl der Werkstoffe für das Lot.
So kann die Auslösetemperatur
in Abhängigkeit
der verwendeten Legierung innerhalb einer großen Bandbreite von ca. 135°C bis 240°C gezielt,
also auch insbesondere unterhalb des Flammpunkts von Kunststoff,
ausgewählt werden.
Auch ist es möglich,
ein anderes Lot zu verwenden als auf der Leiterplatte, insbesondere
bleifreies Lot, welches die RoHS-Konformität gewährleistet.
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Schließlich ist
es problemlos möglich,
die Vorspannkraft der Feder an unterschiedliche Vorgaben dadurch
anzupassen, dass Federelemente mit einer anderen Federcharakteristik
verwendet werden. Da es sich bei den bevorzugt verwendeten Druckfederelementen
um kostengünstige
Bauteile handelt, ist der Übergang
zu einer anderen Federcharakteristik hier besonders problemlos möglich.
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Gegenüber der
aus der
DE 10
2004 014 6660 A1 bekannten Thermosicherung ergibt sich
der Vorteil, dass bei Integration der erfindungsgemäßen Thermosicherung
in Leistungsmodule eine Komplettabschaltung des gesamten Leistungsmoduls
ermöglicht
wird, somit Defekte auch anderer Bauteile zu einer Auslösung führen.
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Der
Auslösevorgang
funktioniert lageunabhängig,
so dass das Leistungsmodul nicht mehr speziell auf die Einbaulage
abgestimmt werden muss.
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Weiterhin
können
bei der Leiterplattenbestückung
konventionelle Fertigungsverfahren angewendet werden, insbesondere
sind keine speziellen Durchbrüche
für die
Anbringung des Trägerkörpers notwendig.
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Weitere
Vorteile ergeben sich in Verbindung mit den Ausführungsvarianten, die Gegenstand
der Unteransprüche
sind.
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Bevorzugt
wird als Federelement eine Druckfeder verwendet, die im vorgespannten
Zustand zwischen der Leiterbahn und der Kontaktbrücke wirkend
eingesetzt ist. Dies ermöglicht
einen platzsparenden Aufbau der Thermosicherung.
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Kostenvorteile
ergeben sich beispielsweise dann, wenn als Federelement eine Spiralfeder
eingesetzt wird. Derartige Federn ermöglichen die einfache Anpassung
an die gewünschte
Federcharakteristik.
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Bevorzugt
wird der Führungssteg
aus einer Lasche gebildet, die zunächst zusammen mit einem der
beiden Leiterbahnenabschnitte ausgestanzt und anschließend spannlos
geformt wird. Damit ist für
die Aufnahme des Druckfederelements und die Führung der Kontaktbrücke kein
gesondertes Bauteil erforderlich.
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Die
Thermosicherung kann in einem Gehäuse eingebaut und somit als
eigenständiges
Bauteil konfiguriert werden.
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Bevorzugt
werden die Leiterbahnabschnitte in einem definiertem Abstand zur
Innenwand des Gehäuses
derart geführt,
dass die Verschiebebewegung der Kontaktbrücke durch Anliegen an der benachbarten
Innenwand des Gehäuses
begrenzt ist. Hierdurch ist einerseits sichergestellt, dass ein
ausreichender Verschiebeweg erreicht wird, um einen genügend großen Abstand
bei hohen Spannungen zu garantieren. Andererseits ist eine exakt
definierte Endlage der Kontaktbrücke
nach dem Auslösevorgang
erreicht, die durch eine entsprechende Auslegung des Druckfederelements
sicher eingehalten werden kann. Auch ist sichergestellt, dass die
Kontaktbrücke
keinen Folgeschaden dadurch auslösen kann,
dass sie beim Auslösevorgang
andere Bauelemente beschädigt
oder einen weiteren Kurzschluss erzeugt.
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Das
erfindungsgemäße Konzept
erlaubt auch die Bereitstellung eines Leistungsmoduls, bei dem die
Thermosicherung in einem gemeinsamen Gehäuse integriert ist.
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Bevorzugt
ist der zweite Leiterbahnabschnitt Bestandteil einer Stromzuführung für das Leistungsmodul,
wodurch sich fertigungsbedingte Vorteile erzielen lassen.
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Besonders
bevorzugt ist die Stromzuführung mit
dem integrierten Leiterbahnabschnitt als Kühlkörper ausgebildet. Durch ein
einfaches Stanzteil kann somit ein hoher Grad an Integration erreicht
werden, ohne dass zusätzliche
thermische Isolationen am Bauteil oder weitere Kühlkörper erforderlich sind.
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Der
Erfindung wird näher
anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Thermosicherung,
integriert in ein Leistungsmodul, vorgespannt,
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2 Thermosicherung
gemäß 1,
ausgelöst,
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3 Thermosicherung
gemäß 1,
eingesetzt in ein Gehäuse,
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4 Thermosicherung
gemäß 2,
eingesetzt in ein Gehäuse,
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5 Thermosicherung
gemäß 3,
perspektivische Ansicht,
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6 Thermosicherung
gemäß 4,
perspektivische Ansicht, und
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7 Schaltschema
mit Thermosicherung.
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Sämtliche
Figuren mit Ausnahme von 7 zeigen eine Schnittdarstellung
(axialer Halbschnitt). 1, 3 und 5 zeigen
den Normalzustand, 2, 4 und 6 zeigen
den Zustand, bei dem die Sicherungsfunktion ausgelöst ist.
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Eine
Leiterbahn 10 ist gebildet durch einen Steckkontakt 11 und
eine Stromzuführung 15,
die auf eine Platine 80 aufgesetzt ist und zur Stromversorgung
für ein
elektrisches Bauteil 82 dient. Bei dem elektrischen Bauteil 82 kann
es sich beispielsweise um einen Leistungshalbleiter handeln, der
zur Ansteuerung von hier nicht näher
dargestellten Glühkerzen
eines Motors dient. Der Steckkontakt 11 ist bei einem derartigen
Anwendungsfall mit der sogenannten Klemme 30 des Bordnetzes
(nicht dargestellt) verbunden.
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Die
Leiterbahn 10 ist an einer Trennstelle 20 (mechanisch
und elektrisch) unterbrochen. In diesem Bereich ist eine Thermosicherung 1 in
der nachstehend beschriebenen Art und Weise realisiert.
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Der
Trennstelle 20 benachbart enden die Stromzuführung 15 in
einem Leiterbahnabschnitt 12 und der Steckkontakt 11 in
einem Leiterbahnabschnitt 14.
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Im
Bereich der Trennstelle 20 ist eine Kontaktbrücke 30 vorgesehen.
Die Kontaktbrücke 30 ist längsverschieblich
an einem Führungssteg 16 geführt, der
senkrecht zur Leiterbahn 10 verlaufend die Trennstelle 20 durchsetzt.
Der Führungssteg 16 ist aus
einer Lasche 17 geformt, die aus einem Abschnitt benachbart
zum Leiterbahnabschnitt 12 freigestanzt und im Wesentlichen
U-förmig
gebogen ist. Die Lasche 17 ist so geformt, dass sie ein
Widerlager für
eine Schraubenfeder 60 bildet. Ein mittlerer Teilbereich
der Lasche 17 ist nach oben geführt und bildet den Führungssteg 16.
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Die
Schraubenfeder 60 umgibt somit seitlich den Führungssteg 16 und
wirkt zwischen der Lasche 17 (und damit der Leiterbahn 10)
und der Kontaktbrücke 30.
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Die
Kontaktbrücke 30 weist
endseitig Kontaktabschnitte 32, 34 auf, die korrespondierend
zu den Leiterbahnabschnitten 12, 14 gestaltet
und mit diesen mittels eines Lots 42, 44 verbunden
sind. In dieser Position, wie sie in den 1, 3 und 5 dargestellt
ist, ist die Schraubenfeder 60 vorgespannt. Der Strom kann
somit über
den Steckkontakt 11, die Kontaktbrücke 30 und die Stromzuführung 15 der
Platine 80 bzw. dem elektrischen Bauteil 82 zugeführt werden.
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Für das Lot 42, 44 ist
eine Legierung gewählt,
die bei einer bestimmten, vorgegebenen Auslösetemperatur schmilzt. Hierdurch
wird die Verbindung zwischen den Kontaktabschnitten 32, 34 und den
Leiterbahnabschnitten 12, 14 gelöst und die
Kontaktbrücke 30 durch
die Schraubenfeder 60 translatorisch verschoben. Die Leiterbahn 10 ist
damit unterbrochen, ein Stromfluss ist nicht mehr möglich.
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Die
Verschiebebewegung der Kontaktbrücke 30 ist
durch die Einbausituation, wie es in den 3 bis 6 dargestellt
ist, konstruktiv begrenzt und damit auf einen exakten Wert einstellbar.
Hierzu verläuft die
Leiterbahn 10 in einem Abstand A von einer Innenwand 72 eines
die Thermosicherung 1 einschließlich des Leistungsmoduls 5 aufnehmenden Gehäuses 70.
Zu diesem Zweck ist der Steckkontakt 11 in einem Kontaktträger 74 geführt, der
stirnseitig in das Gehäuse 70 eingesetzt
ist. Jenseits der Trennstelle 20 setzt sich der Leiterbahnabschnitt 12 fort, der
im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel
einstückig
mit der Stromzuführung 15 aus
einem Stanzteil geformt ist, das zusätzlich seitliche Abschnitte
zur Ausbildung eines Kühlkörpers 50 aufweist.
Der Abschnitt, der die Stromzuführung 15 bildet,
ist auf der Platine 80 aufgesetzt, die sich wiederum am
Gehäuse 70 abstützt.
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Die
Kontaktbrücke 30 befindet
sich im angelöteten
Zustand im wesentlichen im Abstand A von der gegenüberliegenden
Innenwand 72 des Gehäuses 70.
Beim Lösen
der Lötverbindung
drückt
die Schraubenfeder 60 die Kontaktbrücke 30 soweit nach
oben, bis er mit den Kontaktabschnitten 32, 34 zu
Anlage an die Innenwand 72 gelangt. Die Dimensionierung
der Schraubenfeder 60 ist so gewählt, dass sie die Kontaktbrücke 30 unter
Restvorspannung gegen die Innenwand 72 gedrückt hält und somit
ein definierter Abstand zwischen den Leiterbahnabschnitten 12, 14 ei nerseits
und den Kontaktabschnitten 32, 34 andererseits
eingehalten wird. Durch diese Maßnahme in Verbindung mit der
Führung
der Kontaktbrücke 30 am
Führungssteg 16 ist
sichergestellt, dass beim Auslösen
keine Gefahr durch lose umherfliegende Teile besteht.
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Aus
dem Vorstehenden ergibt sich, dass sich auf einfache Art und Weise
eine thermische Absicherung eines Schaltkreises kostengünstig und
betriebssicher realisieren lässt.
Hierbei kann die Thermosicherung 1 als unabhängiges Bauteil
ausgeführt
sein oder in ein Gehäuse 70,
das eine elektrische Schaltung beinhaltet, integriert werden.
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7 zeigt
ein Schaltschema, dass der letzt genannten Konfiguration entspricht.
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Die
Thermosicherung 1 ist in diesem Falle in einem Steuergerät integriert,
das eine Elektronik bzw. eine Leiterplatte aufnimmt. Die Thermosicherung 1 ist
der Elektronik bzw. der Leiterplatte vorgeschaltet. Das dargestellte
Ausführungsbeispiel
stellt das Schaltprinzip eines Steuergeräts für Glühkerzen eines Dieselmotors
dar. Es versteht sich von selbst, dass das beschriebene Prinzip
auch außerhalb
des Anwendungsgebiets der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden
kann.
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- 1
- Thermosicherung
- 5
- Leistungsmodul
- 10
- Leiterbahn
- 11
- Steckkontakt
- 12
- Leiterbahnabschnitt
- 14
- Leiterbahnabschnitt
- 15
- Stromzuführung
- 16
- Führungssteg
- 17
- Lasche
- 20
- Trennstelle
- 30
- Kontaktbrücke
- 32
- Kontaktabschnitt
- 34
- Kontaktabschnitt
- 42
- Lot
- 44
- Lot
- 50
- Kühlkörper
- 60
- Schraubenfeder
- 70
- Gehäuse
- 72
- Innenwand
- 74
- Kontaktträger
- 80
- Platine
- 82
- elektrisches
Bauteil
- A
- Abstand