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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand, insbesondere Messwiderstand
sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen elektrischen Bauelements.
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Bei
dem elektrischen Widerstand handelt es sich insbesondere um einen
oberflächenmontierbaren
Messwiderstand, der in so genannter SMD-Bauweise (SMD = surface-mounted
device) mittels beispielsweise Anschlusskontakte auf Kontaktflächen, wie
Leiterbahnen einer Leiterplatte aufgebracht wird. Dabei werden die
Anschlusskontakte mit den Kontaktflächen der Leiterplatte z. B.
durch Elektronenstrahlschweißen
oder Löten
miteinander verbunden.
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Aus
der
EP 0 605 800 B1 ist
ein derartiger oberflächenmontierbarer
Widerstand bekannt, bei dem zwischen zwei voneinander getrennten
Anschlussteilen ein elektrisch und mechanisch verbindendes Widerstandselement
angeordnet ist, wobei die beiden Anschlussteile und das Widerstandselement
plattenförmig
ausgebildet sind und die beiden Anschlussteile an die Kanten des
plattenförmigen Widerstandselements
angeschweißt
sind.
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Aus
der
EP 0 716 427 B1 ist
ein weiterer oberflächenmontierbarer
Widerstand bekannt. Auch dieses dort offenbarte Bauelement ist aus
mehreren Teilen gebildet, wobei ein Widerstandselement endseitig
mit Anschlussrandelementen verbunden ist, die insbesondere angeschweißt oder
gelötet
sind.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten oberflächenmontierbaren Widerstandselemente
und die bekannten Herstellungs verfahren sind sehr aufwendig und
bedürfen
der Verbindung von verschiedenen Metallteilen beispielsweise durch
Hartlöten. Darüber hinaus
weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Widerstände nur
ein Widerstandselement oder einen Widerstandspfad, auch Einzelshunt genannt,
auf. Für
einen so genannten Mehrfachshunt, d.h. für einen Widerstand mit mehreren
Widerstandspfaden, werden mehrere Einzelshunts miteinander verbunden.
Dabei müssen
diese üblicherweise nacheinander
auf die Leiterplatte aufgebracht und in einem so genannten Reflowlötvorgang
oder Wellenlötprozess
kontaktiert werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere oberflächenmontierbares
Bauelement anzugeben, das einfach aufgebaut und möglichst
variabel ausgebildet ist und das darüber hinaus in wenigen Herstellungsschritten
herstellbar ist.
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Hinsichtlich
des elektrischen Bauelements wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens
wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 11.
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Beim
erfindungsgemäßen elektrischen
Bauelement, insbesondere einem Messwiderstand, sind mindestens ein
Widerstandselement und mehrere Anschlusselemente aus einem Bandstreifen
einer metallischen Legierung gebildet, indem der Bandstreifen einen
im Wesentlichen tunnelförmigen,
mittleren Abschnitt und endseitig in Längsrichtung im rechten Winkel
nach innen oder außen
abgebogene Enden aufweist, wobei mindestens einer der abgebogenen
Enden mit mindestens einem Schlitz versehen ist, der senkrecht vom
abgebogenen Ende zumindest teilweise entlang der Längsrichtung
des Bandstreifens verläuft.
Ein derartiges aus einem einzigen Material gebildetes Bauelement,
das zumindest von einem Seitenrand aus eine einzelne oder mehrere
Einschlitzungen aufweist, ermöglicht
in besonders einfacher Art und Weise ein einziges Bauteil mit mehreren Widerstandspfaden.
Hierdurch ist eine kleine Bauteilabmessung und somit höhere Bauteildichte
auf der Leiterplatte sichergestellt. Durch den Wegfall von Verbindungsschweißen zwischen
Widerstandselement und Anschlusselementen kann das Bauteil einfach
und schnell in wenigen Fertigungsschritten in der Regel automatisch
hergestellt werden. Darüber hinaus
werden durch die Bildung mehrerer Widerstandspfade in einem Bauelement
mehrere einzelne Bauelemente (= Einfachshunts) vermieden. Dies führt zu einer
Reduzierung der Bestückungs- und Herstellungskosten.
Zusätzlich
entfallen insbesondere die damit verbundene Handbestückung der
Leiterplatte und der anschließende
Wellenlötprozess
vom nicht SMD-bestückbaren
Shunts. Zudem ermöglicht ein
derart ausgebildetes Bauelement in geschlitzter Ausführung eine
hohe Variabilität
durch Wahl der Größe, der
Form und der Anordnung des Schlitzes. Alternativ kann durch Einbringen
mehrerer kurzer Schlitze ein Einfachshunt mit einem Widerstandspfad und
mehreren Anschlusselementen für
eine Vierleiter-Messanordnung gebildet sein.
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In
einer möglichen
Ausführungsform
durchläuft
der Schlitz mittig zumindest das abgebogene Ende, so dass zwei getrennte
Anschlusselemente gleicher Größe gebildet
sind. Mit anderen Worten: Bei einem symmetrisch angeordneten Schlitz
sind zwei im Wesentlichen gleich große Widerstandspfade mit gleichem
Widerstandswert gebildet. In einer alternativen oder zusätzlichen
Ausführungsform kann
der Schlitz außermittig
zumindest das abgebogene Ende durchlaufen und zwei getrennte Anschlusselemente
unterschiedlicher Größe bilden. Hierdurch
ist die Bildung von unterschiedlichen Widerstandspfaden mit unterschiedlichen
Widerstandswerten in besonders einfacher Art und Weise ermöglicht.
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Die
Widerstandselemente sind als so genannte Shunts oder Schlusswiderstände meist
niederohmig und werden zur Messung von Strömen verwendet. Zur Messung
der Ströme
sind die Anschlusselemente als Stromanschlusskontakte ausgebildet.
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Alternativ
können
die Anschlusselemente als Messspannungsanschlusskontakte dienen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
beidseitig des Bandstreifens am jeweiligen Ende Schlitze mit zueinander
korrespondierenden Formen und Abmessungen vorgesehen. Mit anderen
Worten: Ist der Bandstreifen auf beiden Kanten oder Enden mit Schlitzen
versehen, die symmetrisch zueinander ausgebildet und symmetrisch
zueinander auf der jeweils gegenüber
liegenden Seite angeordnet sind, ist eine einfache Bestückung der
Leiterplatte mit dem Bauteil ermöglicht, da
das Bauteil beim Bestückungsvorgang
gedreht werden kann. Eine 180°-Drehung
zur Korrektur der Bestückungslage
ist hierdurch vermieden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
erstreckt sich der Schlitz von einem der abgebogenen Enden entlang
der Längsrichtung
des Bandstreifens über
den u-förmigen
Abschnitt bis hin zum Anfang des gegenüberliegenden abgebogenen Endes.
Dabei sind am jeweiligen Ende mehrere parallel zueinander verlaufende
Schlitze eingebracht, die zumindest eines der Enden des Bandstreifens
in zumindest drei voneinander getrennte Anschlusselemente unterteilt,
von denen zumindest das eine Anschlusselement als Stromanschlusskontakt
und die anderen als Messspannungsanschlusskontakte ausgebildet sind. Dies
ermöglicht
getrennt zum Messwiderstand eine Strom- und eine Spannungsmessung.
Dabei sind für jeden
Widerstandspfad oder jedes Widerstandselement zwei Anschlusselemente
für den
Strom und zwei Anschlusselemente für die Spannungsmessung durch
entsprechende Schlitzung des Bandstreifens gebildet. Darüber hinaus
ermöglicht
eine derartige Vielzahl von Anschlusselementen eine sichere Anbindung
des Bauteils an die Leiterplatte, indem beim thermischen Verflüssigen des
Lots infolge thermischer Beanspruchung zumindest einer der Anschlusselemente
sicher kontaktiert und somit das Bauelement auf der Leiterplatte
hält. Für eine Strommessung
in so genannter Vierleitertechnik oder Vierpunktkontaktierung sind in
den abgebogenen Enden vier kurze Schlitze eingefügt, wobei an jedem Bandende
durch die eingebrachten Schlitze ein Stromanschluss- und ein Spannungsanschlusskontakt gebildet
sind.
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Zur
Erzielung eines hinreichend guten Messwiderstandes ist der Bandstreifen
aus metallischer Legierung vorzugsweise aus einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung
gebildet. Beispielsweise ist der Bandstreifen aus Isotan CuNi44
oder Cu55Ni44Mn1.
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Für eine leichte
Bestückung
des Bauelements auf eine Leiterplatte und ein gute Oberflächenkontaktierung
sind die nach außen
oder nach innen abgebogenen Enden des Bandstreifens ausgebildet und
verlaufen im Wesentlichen platt oder eben. Dabei sind die abgebogenen
Enden auf flachen Leiterbahnen einer integrierten Schaltung oberflächenmontierbar,
wobei die Anschlusselemente als Stromanschlusskontakte oder mindestens
zwei der Anschlusselemente als Stromanschlusskontakt und die anderen
als Messspannungsanschlusskontakte ausgebildet sind.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung des elektrischen Bauelements wird von einem Materialband
einer metallischen Legierung zumindest ein flacher Bandstreifen
abgetrennt und ein Schlitz an einem Ende des Bandstreifens parallel
zu dessen Längsrichtung
eingebracht und anschließend der
Bandstreifen mehrfach quer zur Längsrichtung des
Bandstreifens gebogen. Dabei kann das Abtrennen, Schlitzen und Umformen
des Bandstreifens in einem einzigen Verfahrensschritt mittels eines
kombinierten Stanz- und Biegewerkzeugs ausgeführt werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass mittels eines derart unterschiedlichen Bauelements zur Bildung
eines Einfach- oder Mehrfachshunts aus einem Materialstreifen mit
einem oder mehreren Schlitzen der Bestückungsaufwand und zudem bei
einer Ausbildung als Mehr fachshunt der Platzbedarf auf der Leiterplatte
deutlich reduziert sind. Insbesondere bei einer Ausführung des
Bauelements als Einfach- oder Mehrfachshunt in einer so genannten
4-Leitermessanordnung sind Lötübergangswiderstände eliminiert, da
der Abgriff des Spannungsabfalls außerhalb des Lötknies durch
separate Anschlusselemente für
die Spannungsmessung erfolgt. Somit ist eine genauere Strommessung
möglich.
Bei einer Verwendung von ausschließlich oberflächenmontierbaren
Bauelementen ist die Leiterplatte in einem einzigen Reflowlötgang herstellbar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
in Draufsicht ein elektrisches Bauelement mit mehreren Widerstandselementen
und einer korrespondierenden Anzahl von Anschlusselementen, wobei
ein metallischer Bandstreifen zumindest an einem Ende geschlitzt
ist,
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2 schematisch
ein elektrisches Ersatzschaltbild für das elektrische Bauelement
gemäß 1,
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3 schematisch
das elektrische Bauelement gemäß 1 in
einer Ansicht von vorne,
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4 schematisch
das elektrische Bauelement gemäß 1 in
Seitenansicht,
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5 schematisch
das elektrische Bauelement gemäß 1 in
perspektivischer Darstellung,
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6 schematisch
eine alternative Ausführungsform
für ein
elektrisches Bauelement als Mehrfachshunt in einer so genannten
Vierleiter-Messanordnung,
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7 schematisch
ein elektrisches Ersatzschaltbild für das elektrische Bauelement
gemäß 6.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
schematisch in Draufsicht ein elektrisches Bauelement 1.
Das elektrische Bauelement 1 ist als ein niederohmige Messwiderstand
ausgeführt,
der für
eine Leiterplattenbestückung
oberflächenmontierbar
ausgeführt
ist.
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Zur
Bildung eines möglichst
einfach herstellbaren und verschiedenartigen Messwiderstands ist das
Bauelement 1 aus einem Bandstreifen 2 gebildet, der
an mindestens einem Ende 2.1 mit einem Schlitz 3 versehen
ist, der das Ende 2.1 in zwei Abschnitte unterteilt. Der
Bandstreifen 2 ist aus einer metallischen Legierung, insbesondere
einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung,
beispielsweise aus einer Isotan-CuNiMn-Legierung.
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Durch
die Einbringung des Schlitzes 3 in das Ende 2.1 sind
mehrere Widerstandspfade mit mehreren Widerstandselementen R1 bis
R3 und einer korrespondierenden Anzahl von Anschlusselementen 4.1 bis 4.3 gebildet.
Durch die mittige Anordnung des Schlitzes 3 und die gleichgroßen Anschlusselemente 4.1 und 4.2 weisen
die betreffenden Widerstandselemente R1 und R2 einen im Wesentlichen
gleich großen
Widerstandswert auf. 2 zeigt beispielhaft ein elektrisches
Ersatzschaltbild für
das Bauelement 1 gemäß 1 mit
einem mittig angeordneten Schlitz 3, wodurch zwei im Wesentlichen
gleich große
Widerstände
R1 und R2 gebildet sind.
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Alternativ
zur symmetrischen Anordnung des Schlitzes 3 kann dieser
auch versetzt angeordnet sein. Dies würde zu unterschiedlich großen Widerständen R1
und R2 führen.
Wie in der 1 beispielhaft durch die gestrichelte
Darstellung von weiteren alternativen oder zusätzlichen Schlitzen 3 gezeigt, die
auf dem gegenüberliegenden
Ende 2.2 des Bandstreifens 2 eingebracht sind,
können
weitere Widerstandspfade mit gleichem oder unterschiedlichen Widerstandswerten
gebildet werden. Mit anderen Worten: Durch Einbringen mindestens
eines Schlitzes 3 in den metallischen Bandstreifen 2 können in
einem einzigen Bauelement 1 mehrere Widerstandspfade mit
mehreren Widerstandselementen R1 bis R3 gebildet werden. Gegenüber dem
herkömmlichen
Bauelement mit nur einem Widerstand sind hierdurch der Bestückungsaufwand
und der Materialaufwand deutlich reduziert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Schlitze 3 beidseitig
des Bandstreifens 2 symmetrisch zueinander in den Enden 2.1 und 2.2 eingebracht
sein. Dabei sind die Schlitze 3 in Form, Abmessung und
Größe weitgehend
gleich und somit identisch ausgeführt. Dies ermöglicht eine
einfache und sichere Bestückung
einer nicht näher
dargestellten Leiterplatte, da beim Platzieren und Anordnen des
Bauelements 1 auf der Leiterplatte eine 180° Drehung
des Bauelements 1 möglich
ist.
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Für eine Oberflächenmontierung
des Bauelements 1 auf einer Leiterplatte ist das Bauelement 1 in
so genannter SMD-Bauweise
ausgeführt.
Hierzu ist der Bandstreifen 2 des Bauelements 1 mehrfach gebogen,
wie dies in 1 durch die Biegefalten 5.1 und 5.2 angedeutet
ist. In 3 ist das oberflächenmontierbare
Bauelement 1 in einer Ansicht von vorne mit mehreren Biegefalten 5.1 bis 5.4 dargestellt.
Zur flächigen
Kontaktierung weist der Bandstreifen 2 einen im Wesentlichen
tunnelförmigen,
z. B. omega- oder u-förmigen,
mittleren Abschnitt 2.3 und endseitig in Längsrichtung
die im rechten Winkel beispielsweise nach außen abgebogenen Enden 2.1 und 2.2 auf.
Alternativ können
die Enden 2.1 und 2.2 nach innen gebogen sein.
Die Steghöhe
des mittleren Abschnitts 2.3 richtet sich dabei im Wesentlichen
nach der Vorgabe für
die Bauhöhe
der betreffenden Leiterplatte. Beispielsweise kann das Bauelement 1 eine Steghöhe von 5
mm aufweisen. Die abgebogenen Enden 2.1 und 2.2 sind
eben und flach ausgeführt und
dienen der flächigen
Kontaktierung mit Kontaktflächen
einer Leiterplatte. Dabei werden die Unterseiten der abgebogenen
Enden 2.1 und 2.2 in SMD-Technik z. B. auf eine
gedruckte Schaltung oder Leiterplatte aufgebracht und dort gelötet.
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Zur
Bildung der Widerstandselemente R1 bis R3 des Bauelements 1 ist
das abgebogene Ende 2.1 mit dem Schlitz 3 versehen,
der senkrecht vom abgebogenen Ende zumindest teilweise entlang der Längsrichtung
des Bandstreifens 2 verläuft. Die abgebogenen Enden 2.1 und 2.2 bilden
somit mehrere voneinander getrennte Anschlusselemente 4.1 bis 4.3 für separate
Kontaktflächen
einer gedruckten Schaltung.
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4 zeigt
das elektrische Bauelement 1 gemäß der 1 in Seitenansicht,
von der Seite mit dem abgebogenen und geschlitzten Ende 2.1.
Dabei verläuft
der Schlitz 3 vom Anfang des abgebogenen Endes 2.1 über die
Biegefalte 5.3 bis hin zur Biegefalte 5.1. Die
Form, Größe, Abmessung
und Anordnung des Schlitzes 3 richtet sich dabei im Wesentlichen
nach der Größe des vorgegebenen
Widerstandselements R1 bis R3.
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5 zeigt
das elektrische Bauelement 1 gemäß 1 in perspektivischer
Darstellung. Die Herstellung des Bauelements 1 erfolgt
durch Abtrennen oder Ausstanzen des Bandstreifens 2 aus
einem Band einer metallischen Legierung, insbesondere aus einer
Isotan-CuNiMn-Legierung. Dabei können gleichzeitig
oder in einem nachfolgenden Schritt ein oder mehrere Schlitze 3 endseitig,
ein- oder beidseitig aus dem Bandstreifen 2 ausgestanzt
oder auf andere Art und Weise erzeugt werden. Anschließend wird
der geschlitzte Bandstreifen 2 entsprechend der vorgegebenen
Biegefalten 5.1 bis 5.4 mehrfach gebogen, so dass
ein u-förmiger
Abschnitt 2.3 mit rechtwinklig von diesem in Art einer
Hutkrempe nach außen abgebogenen
Enden 2.1 und 2.2 gebildet ist. Alternativ können die
Enden 2.1 und 2.2 nach innen gebogen sein. Das
Bauelement 1 ist somit aus einem metallischen Material
gebildet und kann in einem einzigen Verfahrensschritt durch gleichzeitiges
Stanzen und Biegen in einem Stanz- und Biegewerkzeug hergestellt
werden. Der metallische Bandstreifen 2 kann beispielsweise
eine Dicke von 0,3 mm und eine Länge
von 9 mm bis 15 mm mit einer Breite von 6 mm bis 11 mm oder eine
andere geeignete Abmessung aufweisen. Die niederohmigen Widerstandselemente R1
bis R3 sind beispielsweise 4 mOhm bis 8 mOhm groß.
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6 zeigt
eine alternative Ausführungsform
für ein
elektrisches Bauelement 1, das als Mehrfachshunt in einer
so genannten Vierleiter-Messanordnung ausgeführt ist. Dabei sind durch Einbringen von
fünf Schlitzen
sieben Anschlusselemente 4.1 bis 4.7 gebildet.
Ein erster Schlitz 3.1 verläuft mittig von dem einem gebogenen
Ende 2.2 über
die Biegefalten 5.1 bis 5.4 in Längsrichtung
des Bandstreifens 2 zum Anfang des gegenüberliegenden
Endes 2.1 und teilt sowohl das Ende 2.2 als auch
den u-förmigen
Abschnitt 2.3 in zwei Teile, wobei das Ende 2.1 ungeteilt bleibt.
Darüber
hinaus sind weitere vier kürzere Schlitze 3.2 in
den beiden Enden 2.1 und 2.2 an den Seitenkanten
eingebracht, so dass kurze Endstreifen gebildet sind. Die durch
die kurzen Schlitze 3.2 gebildeten seitlichen Endstreifen
der Enden 2.1 und 2.2 bilden Anschlusselemente 4.1, 4.3, 4.4 und 4.7. Durch
den langen Schlitz 3.1 werden die Anschlusselemente 4.2, 4.5 und 4.6 gebildet.
Dabei unterteilt der Schlitz 3.1 den Bandstreifen 2 in
zwei Widerstandspfade und Widerstandselemente R1 und R2, die ein
gemeinsames Anschlusselement 4.2 und zwei voneinander getrennte
Anschlusselemente 4.5 und 4.6 als Stromanschlusskontakte
aufweisen. Die durch die Schlitze 3.2 gebildeten Anschlusselemente 4.1, 4.3, 4.4 und 4.7 bilden
Messspannungsanschlusskontakte zum Abgriff des durch den Laststrom
entstehenden Spannungsabfalls.
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In
einer alternativen und nicht näher
dargestellten Form kann das elektrische Bauelement 1 als ein
Einfachshunt in einer Vierleiter-Messanordnung ausgeführt sein,
indem der erste Schlitz 3.1 sowie an jedem abgewinkelten
Ende 2.1, 2.2 jeweils einer der Schlitze 3.2 entfallen
und der Bandstreifen 2 lediglich endseitig mit einem kurzen
Schlitz 3.2 pro Endseite versehen ist, so dass die Anschlusselemente 4.5, 4.6 und 4.7 sowie 4.2 und 4.3 jeweils
ein gemeinsames Anschlusselement für einen Widerstandspfad bilden.
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7 zeigt
beispielhaft ein elektrisches Ersatzschaltbild für das elektrische Bauelement 1 als Mehrfachshunt
gemäß 6.
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- 1
- Bauelement
- 2
- Bandstreifen
- 2.1
- abgebogenes
Ende
- 2.2
- abgebogenes
Ende
- 2.3
- u-förmiger Abschnitt
- 3
- Schlitz
- 3.1
- Weitere
Schlitze
- 3.2
- Weitere
Schlitze
- 4.1
bis 4.7
- Anschlusselemente
- 5.1
bis 5.4
- Biegefalten
- R1
bis R3
- Widerstandselemente