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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Auf
einem Trägersubstrat
angeordnete elektrische Schaltungen besitzen einen weiten Einsatzbereich,
beispielsweise in Steuergeräten,
Elektrohaushaltsgeräten
oder Elektrowerkzeugen. Insbesondere sind solche Schaltungen, die
zur Ansteuerung eines Elektromotors in einem Elektrowerkzeug dienen,
mit dem Trägersubstrat
im Gehäuse
des Schalters für
das Elektrowerkzeug angeordnet.
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Eine
derartige elektrische Schaltungsanordnung besteht aus elektrischen
und/oder elektronischen Bauelementen. Die Bauelemente sind auf einem
Trägersubstrat
angeordnet. Ein Schalter für
ein Elektrowerkzeug, und zwar für
ein Akku-Elektrowerkzeug, in dessen Gehäuse das Trägersubstrat der Ansteuerschaltung
untergebracht ist, ist beispielsweise in der
DE 41 14 854 A1 gezeigt.
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Während des
Betriebs der elektrischen Schaltungsanordnung wird Wärme in den
Bauelementen erzeugt. Diese Verlustwärme muß abgeführt werden, um thermische Beschädigungen
der Bauelemente und dadurch eine Zerstörung der Schaltungsanordnung
zu verhindern. Dies geschieht über
ein Metallteil in der Art eines Kühlkörpers, mit dem das Trägersubstrat,
gegebenenfalls über
einen Leistungshalbleiter und dessen Kühlfahne, in wärmeleitender
Verbindung steht.
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Es
hat sich herausgestellt, daß bei
Schaltungsanordnungen mit höherer
Verlustwärme,
die effektive Abfuhr der Wärme
begrenzt ist. Insbesondere bei elektrischen Schaltern für Elektrowerkzeuge
mit großer
Leistung, bei denen eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung,
zur Drehmomentabschaltung o. dgl. im Gehäuse des Schalters angeordnet
ist, haben sich entsprechende Beeinträchtigen bis hin zum vorzeitigem
Ausfall des Schalters ergeben. Vor allem ist dieses Problem bei
Akku-Elektrowerkzeugen relevant, wo hohe Ströme durch den Schalter fließen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltungsanordnung
mit einer verbesserten Wärmeabfuhr
zu schaffen. Insbesondere soll ein elektrischer Schalter, der beispielsweise
in einem Elektrowerkzeug mit hoher Leistung eingesetzt wird, in
dieser Hinsicht verbessert werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
weist das Metallteil wenigstens eine Federklammer auf, derart daß das Trägersubstrat
durch Einschieben zwischen die Federklammer und dem Metallteil am
Metallteil gehalten ist. Eine derartige Schaltungsanordnung gestattet
eine besonders effiziente Abfuhr der in den Bauelementen erzeugten Verlustwärme. Zudem
bilden das Trägersubstrat
mit den elektrischen Bauelementen und das Metallteil als Kühlkörper eine
kompakte und in einfacher sowie kostengünstiger Weise vormontierbare
Einheit. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Bei
dem Trägersubstrat
kann es sich in bekannter Art und Weise um eine Leiterplatte, eine
Platine, ein Keramikmodul o. dgl. handeln. Das Trägersubstrat
läßt sich
einfach zwischen die Federklammern und dem Metallteil einschieben.
Die Federklammern besitzen eine in Richtung auf das Trägersubstrat
wirkende Elastizität,
derart daß das
Trägersubstrat
an das Metallteil angepreßt
sowie fixiert wird. Trotz der Einfachheit wird dadurch eine hohe Funktionssicherheit
erzielt. Ergänzend
kann wenigstens eine der Federklammern eine elektrische Anschlußfläche, die
in der Art eines Kontaktpads, einer Leiterbahn o. dgl. ausgestaltet
ist, auf dem Trägersubstrat
elektrisch kontaktieren. Die Federklammer wirkt dann gleichzeitig
als federnder Kontaktarm, wobei aufgrund des Anpreßdrucks
des Kontaktarms eine gute sowie sichere elektrische Kontaktierung gewährleistet
ist.
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In
einer besonderen Ausgestaltung ist ein weiteres elektrisches Bauteil,
das im Betrieb eine hohe Verlustwärme erzeugt, direkt am Metallteil
befestigt. Bei diesem weiteren elektrischen Bauteil kann es sich
beispielsweise um einen Leistungshalbleiter, eine Freilaufdiode
o. dgl. handeln, das durch Verlöten am
Metallteil befestigt ist. Selbstverständlich können auch mehrere dieser weiteren
elektrischen Bauteile auf dem als Kühlkörper dienenden Metallteil befestigt sein.
Ein solches weiteres elektrisches Bauteil liegt mit einem Anschluß, einer
Anschlußfläche o. dgl.
auf dem elektrischen Potential des Metallteils. Ergänzend bietet
es sich an, daß wenigstens
ein elektrischer Anschluß des
weiteren elektrischen Bauteils über
die eine Federklammer mit der einen elektrischen Anschlußfläche auf
dem Trägersubstrat
elektrisch verbunden ist, um so in einfacher Weise eine elektrische
Verbindung des weiteren elektrischen Bauteils zur elektrischen Schaltung
auf dem Trägersubstrat
herzustellen. Der elektrische Anschluß des weiteren elektrischen
Bauteils ist mit der Federklammer verlötet, verschweißt o. dgl.,
und zwar derart daß die
Federklammer am elektrischen Anschluß fixierend befestigt ist.
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Kostengünstig läßt sich
die Federklammer durch Stanzen am Metallteil und/oder Umbiegen in Richtung
auf das Metallteil herstellen. Dabei fixieren zunächst Zwischenstege
die Federklammern untereinander und/oder am Metallteil. Falls erforderlich
lassen sich durch weiteres Biegen Abwinklungen, Abkantungen o. dgl.
an den Federklammern erzeugen. Anschließend werden dann die der elektrischen
Kontaktierung zu den elektrischen Anschlußflächen auf dem Trägersubstrat
dienenden Federklammern nach deren Verlöten mit den elektrischen Anschlüssen am weiteren
elektrischen Bauteil freigestanzt. Dabei werden also die Zwischenstege
an den Federklammern ausgestanzt, derart daß eine Trennung vom elektrischen
Potential des Metallteils gegeben ist. Es erfolgt somit einer sichere
Kontaktierung zwischen dem Trägersubstrat
und dem weiteren elektrischen Bauteil über die freigestanzten Leitungsbahnen
des Metallteils.
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Je
nach Erfordernis in dem Gerät,
in dem die Schaltungsanordnung zum Einsatz kommt, kann das Metallteil
als ebener, abgewinkelter, eine Freiformfläche aufweisender o. dgl. Kühlkörper ausgestaltet sein.
Das Metallteil läßt sich
aus einem Metallblech herstellen. Wird zur Erzeugung der Federklammern ein
Stanzprozeß vorgesehen,
so handelt es sich also bei dem Metallteil um eine Art von Stanzgitterkühlkörper.
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Zusammenfassend
ist für
eine besonders bevorzugte Ausgestaltung festzustellen, daß das weitere
elektrische Bauteil, und zwar ein Leistungshalbleiter, auf einem
Stanzgitterkühlkörper durch
Löten aufgebracht
wird. Anschließend
werden die Zwischenstege an den Kontaktarmen ausgestanzt und die
Platine wird eingeschoben. Hierbei kommt es zu einer sicheren Kontaktierung
von Platine und weiterem elektrischen Bauteil über die freigestanzten Leitungsbahnen
des Stanzgitterkühlkörpers. Da
die Kontaktarme des Stanzgitterkühlkörpers federn,
wird das Modul angepreßt,
womit eine gute Kontaktierung gewährleistet und das Modul zur
Modulbefestigung am Stanzgitterkühlkörper fixiert
wird.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
läßt sich
besonders vorteilhaft bei einem elektrischen Schalter einsetzen.
Ein solcher Schalter findet vor allem in Elektrowerkzeugen, wie
in einem mit Gleichspannung betriebenen Akku-Elektrowerkzeug oder
einem mit Wechselspannung betriebenen Elektrowerkzeug Verwendung,
kann jedoch auch in sonstigen Elektrogeräten, Hausgeräten o. dgl.
eingesetzt sein. Der Schalter besitzt ein Gehäuse, in der die elektrische
Schaltungsanordnung derart angeordnet ist, daß das Metallteil zur Wärmeabfuhr
von der Schaltungsanordnung und/oder einem am Metallteil befestigten
weiteren elektrischen Bauteil, insbesondere einem Leistungshalbleiter,
einer Freilaufdiode o. dgl., aus dem Gehäuse herausragt. Ein solcher
elektrischer Schalter, bei dem eine besonders effiziente Wärmeabfuhr
gewährleistet
ist, ist einfach aufgebaut und spart daher Kosten.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß eine
verbesserte Wärmeabfuhr
mit optimaler Kühlleistung
aus der Schaltungsanordnung gegeben ist. Dadurch arbeitet die Schaltungsanordnung
betriebssicherer. Es kommt zu weniger vorzeitigen Ausfällen und
die Lebensdauer der Schaltungsanordnung wird verlängert. Wird die
erfindungsgemäße elektrische
Schaltungsanordnung für
einen elektrischen Schalter verwendet, so ist dieser für den Betrieb
mit hoher Leistung geeignet.
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Desweiteren
ist eine gute elektrische Verbindung vom weiteren elektrischen Bauteil
zur Platine mit einfachen Mitteln gegeben. Dabei wird ein zusätzliches
Kabel o. dgl., das nachträglich
anzulöten
wäre, gespart.
Das weitere elektrische Bauteil kann auf dem Kühlkörper an einer fast beliebigen
Position sitzen, und zwar auch außerhalb des Gehäuses sowie entfernt
von der Platine, falls dies notwendig ist.
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Die
Form und Baugröße der gesamten
Einheit, die eine stabile Baugruppe darstellt, kann in einfacher
Weise flexibel den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden.
Die Platine mit den zugehörigen elektrischen
und/oder elektronischen Bauteilen und der Kühlkörper mit dem weiteren elektrischen
Bauteil können
unabhängig
voneinander gefertigt werden. Bei der Endmontage ist lediglich die
Platine an den Federklammern des Kühlkörpers einzuschieben. Vor allem
bei großen
Stückzahlen
handelt es sich um eine sehr kostengünstige Lösung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
elektrischen Schalter in Seitenansicht,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie 2-2 in 1,
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3 das
Metallteil in perspektivischer Ansicht von der einen Seite gesehen,
in der die Schaltungsanordnung sichtbar ist,
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4 das
Metallteil in perspektivischer Ansicht von der anderen Seite gesehen,
in der das weitere elektrische Bauteil sichtbar ist,
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5 einen
Ausschnitt aus 3 in vergrößerter Darstellung und
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6 einen
Ausschnitt aus 4 in vergrößerter Darstellung bei der
Herstellung des Metallteils.
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In 1 ist
ein elektrischer Schalter 1 zu sehen, der für ein Elektrowerkzeug,
und zwar insbesondere für
ein mit Gleichspannung betriebenes Akku-Elektrowerkzeug zu verwenden
ist. Der Schalter 1 besitzt ein Gehäuse 2, ein in der
Art eines Drückers ausgebildetes,
am Gehäuse 2 beweglich
angeordnetes Betätigungsorgan 13 für die manuelle
Betätigung des
Elektrowerkzeugs durch den Benutzer, ein in der Art eines Umschalthebels
ausgebildetes Betätigungselement 14 zur
Umschaltung des Rechts-Links-Laufs für das Elektrowerkzeug sowie am
Gehäuse 2 angeordnete
Anschlußklemmen 15 zur
elektrischen Verbindung mit dem Akku. Selbstverständlich kann
ein solcher Schalter 1 bei entsprechender Ausgestaltung
auch für
ein mit Wechselspannung betriebenes Elektrowerkzeug verwendet werden.
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Wie
weiter in 2 schematisch dargestellt ist,
ist im Gehäuse 2 eine
elektrische Schaltungsanordnung 3 zur Steuerung der Drehzahl
des Elektromotors im Elektrowerkzeug angeordnet. Die Schaltungsanordnung 3 kann
auch eine Drehmomentabschaltung des Elektromotors, die beispielsweise
für Schraubarbeiten
mit dem Elektrowerkzeug verwendbar ist, oder eine sonstige Funktionalität des Elektrowerkzeugs
beinhalten. Die Schaltungsanordnung 3 enthält damit
zumindest einen Teil der Steuerelektronik für den Elektromotor des Elektrowerkzeugs.
Das Gehäuse 2 nimmt
in bekannter Weise noch weitere Teile des Schalters 1 auf,
wie das Kontaktsystem o. dgl., was jedoch nicht weiter gezeigt ist.
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Die
in der Art eines Moduls ausgestaltete Schaltungsanordnung 3 weist
elektrische und/oder elektronische Bauelemente 4 auf, die
auf einem Trägersubstrat 5 angeordnet
sind. Auf dem Trägersubstrat 5,
bei dem es sich um eine Leiterplatte, eine Platine, einen Keramikträger o. dgl.
handelt, befinden sich weiterhin die zu den Bauelementen 4 o.
dgl. führenden,
und deren elektrische Verbindung herstellenden Leiterbahnen 6,
was auch näher
aus 5 ersichtlich ist. Das Trägersubstrat 5 liegt
wärmeleitend an
einem Metallteil 7 an, das mittels Halterungen 17 im
Gehäuse 2 befestigt
ist. Das Metallteil 7 dient zur Wärmeabfuhr und ist in der Art
eines Kühlkörpers, und
zwar eines nachfolgend noch näher
erläuterten Stanzgitterkühlkörpers, ausgestaltet.
Hierzu ist die Schaltungsanordnung 3 mitsamt dem Metallteil 7 derart
im Gehäuse 2 angeordnet,
daß das
Metallteil 7 aus dem Gehäuse 2 herausragt.
Zur Befestigung des Trägersubstrats 5 am
Metallteil 7 weist das Metallteil 7 Federklammern 8, 8' auf, derart
daß das
Trägersubstrat 5 durch
Einschieben zwischen die Federklammern 8, 8' und dem Metallteil 7 am
Metallteil 7 gehalten ist.
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Wie
man anhand der 3 oder 5 sieht, besitzen
die Federklammern 8, 8' eine in Richtung auf das Trägersubstrat 5 wirkende
Elastizität,
so daß das
eingeschobene Trägersubtrat 5 an
das Metallteil 7 angepreßt wird. Die Federklammern 8, 8' dienen jedoch
nicht nur zum Fixieren des Moduls 3. Wenigstens eine Federklammer 8 dient
zusätzlich
zur elektrischen Kontaktierung einer elektrischen Anschlußfläche 9 auf
dem Trägersubstrat 5.
Die elektrische Anschlußfläche 9 kann
in der Art eines Kontaktpas, einer Leiterbahn o. dgl. ausgestaltet
sein. Somit wirkt die Federklammer 8 zusätzlich als
Kontaktarm. Da die Kontaktarme 8 des Stanzgitterkühlkörpers 7 eine federnde
Elastizität
aufweisen, ist aufgrund des Anpreßdrucks des Kontaktarms 8 an
die Anschlußfläche 9 eine
gute elektrische Kontaktierung gewährleistet.
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Ein
weiteres elektrisches Bauteil 10 mit einer hohen Verlustwärmeerzeugung
ist direkt am Metallteil 7 befestigt, was in 4 zu
sehen ist. Bei dem weiteren elektrischen Bauteil 10 handelt
es sich um einen Leistungshalbleiter, eine Freilaufdiode o. dgl., wobei
das weitere elektrische Bauteil 10 mit einem Anschluß 11', einer Anschlußfläche o. dgl.
auf dem elektrischen Potential des Metallteils 7 liegt.
Dadurch kann das weitere elektrische Bauteil 10 durch Verlöten mit
diesem Anschluß 11' bzw. mit dieser
Anschlußfläche auf
dem Metallteil 7 befestigt werden. In 4 ist
zwar nur ein einziges weiteres elektrisches Bauteil 10 gezeigt,
selbstverständlich
können
auch mehrere solche weiteren elektrischen Bauteile auf dem Kühlkörper 7 befestigt
sein, falls diese auf demselben elektrischen Potential liegen. Wenigstens
ein weiterer elektrischer Anschluß 11 des weiteren
elektrischen Bauteils 10 ist über die eine Federklammer 8 mit
der in 5 sichtbaren einen elektrischen Anschlußfläche 9 auf
dem Trägersubstrat 5 elektrisch verbunden,
so daß der
Kontaktarm 8 die elektrische Verbindung für das weitere
elektrische Bauteil 10 zum Trägersubstrat 5 bewirkt.
Der elektrische Anschluß 11 des
weiteren elektrischen Bauteils 10 ist mit der Federklammer 8 verlötet, verschweißt oder
in sonstiger Weise verbunden, derart daß die Federklammer 8 am
elektrischen Anschluß 11 fixierend
befestigt ist.
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Je
nach Erfordernis kann das Metallteil 7 als ebener, abgewinkelter,
eine Freiformfläche
aufweisender oder eine sonstige zweckmäßige Form besitzender Kühlkörper ausgestaltet
sein. Am Kühlkörper 7 befinden
sich die Federklammern 8, 8' zur Fixierung des Trägersubstrats 5.
Ein derartiges mit Federklammern 8, 8' versehenes
Metallteil 7 läßt sich
besonders einfach und kostengünstig
aus einem Metallblech in der Art eines Stanzgitterkühlkörpers herstellen,
wie nachfolgend näher
erläutert
ist.
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Am
Metallteil 7 werden zuerst die Federklammern 8, 8' durch Stanzen
als langgestreckte Teile hergestellt. Dabei fixieren zunächst Zwischenstege 12 die
Federklammern 8, 8' untereinander
und/oder am Metallteil 7, wie in 6 gezeigt
ist. Die langgestreckten Teile werden dann in Richtung auf das Metallteil 7 zur
eigentlichen Federklammer 8, 8' umgebogen. Um die Federkraft weiter
zu erhöhen,
können gegebenenfalls
durch weiteres Biegen Abwinklungen 16, Abkantungen o. dgl.
an den Federklammern 8, 8' erzeugt werden. Die der elektrischen
Kontaktierung zu den elektrischen Anschlußflächen 9 auf dem Trägersubstrat 5 dienenden
Federklammern 8 werden dann mit den elektrischen Anschlüssen 11 am
weiteren elektrischen Bauteil 10 verlötet. Da dann diese Federklammern 8 an
den Anschlüssen 11 fixiert
sind, können
danach die Federklammern 8 freigestanzt werden, indem die
Zwischenstege 12 an den Federklammern 8 ausgestanzt
werden. Dadurch ist auch eine Trennung dieser Federklammern 8 vom
elektrischen Potential des Metallteils 7 gegeben. Es ist
somit eine sichere Kontaktierung des weiteren elektrischen Bauteils 10 mit
dem Trägersubstrat 5 über die freigestanzten
Kontaktarme 8 des Stanzgitterkühlkörpers 7 gewährleistet.
Die eine Federklammer 8' schließlich bleibt
mit dem Metallteil 7 elektrisch verbunden und überträgt damit
das elektrische Potential des Metallteils 7 auf das Modul 3,
wie man anhand von 3 und 4 erkennt.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung 3 im Gehäuse 2 des elektrischen Schalters 1 beschränkt. Genausogut
kann diese Schaltungsanordnung 3 auch an sonstiger zweckmäßiger Stelle
im Elektrowerkzeug an sich angeordnet sein. Die Erfindung umfaßt auch
alle fachmännischen
Weiterbildungen im Rahmen der Schutzrechtsansprüche. So kann die Erfindung
nicht nur für elektrische
Schalter und Elektrowerkzeuge Verwendung finden, sondern kann vielmehr
auch bei Schaltungsanordnungen auf Trägersubstraten für Steuergeräte, Elektrohaushaltsgeräte, Elektrogartengeräte, sonstige
Elektrogeräte,
Werkzeugmaschinen o. dgl. eingesetzt werden.
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- 1
- elektrischer
Schalter
- 2
- Gehäuse
- 3
- elektrische
Schaltungsanordnung/Modul
- 4
- Bauelement
- 5
- Trägersubstrat
- 6
- Leiterbahn
- 7
- Metallteil/Kühlkörper/Stanzgitterkühlkörper
- 8,
8'
- Federklammer/Kontaktarm
- 9
- (elektrische)
Anschlußfläche (auf
Trägersubstrat)
- 10
- (weiteres
elektrisches) Bauteil
- 11,
11'
- (elektrischer)
Anschluß (von
weiterem elektrischen Bauteil)
- 12
- Zwischensteg
- 13
- Betätigungsorgan
- 14
- Betätigungselement
- 15
- Anschlußklemme
- 16
- Abwinklung
(an Federklammer)
- 17
- Halterung
(für Metallteil)