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Die
Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit elektrischen und/oder elektronischen
Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Solche
Leiterplatten sind an sich bekannt und werden bei Kraftfahrzeugen
z. B. zur Ausbildung von Sensoren eingesetzt.
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Die
DE 197 05 722 A1 offenbart
einen Resonanzschwingkreis zur Artikelsicherung, der aus zwei entgegengesetzt
gewickelten spiralförmigen Leiterbahnen und einem Dielektrikum
besteht. Die Leiterbahnen überlappen teilweise, wobei ein
ausgewählter Bereich vorgesehen ist, in dem ein Kurzschluss zwischen
den Leiterbahnen entsteht, sobald durch ein äußeres
Wechselfeld ausreichend hohe Energie zugeführt wird. Auf
diese Weise soll der Schwingkreis sicher zerstörbar sein,
um z. B. bezahlte Ware gezielt zu entsichern. Der Schwingkreis ist
zur elektrischen Absicherung nicht geeignet.
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Die
DE 39 37 183 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Störstrahlungsdämpfung einer
mit einer Schaltung versehenen Leiterplatte, die auf der Vorder-
und der Rückseite Leiterbahnen aufweist. Die Leiterplatte
ist als Multilayer- Platte ausgebildet, die mindestens einen vollflächigen
eingebetteten Leiterbelag aufweist, der mit den Leiterbahnen durchkontaktiert
ist. Zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit
können zwischen Kondensatoren Leiterbahnen zur Bildung
einer Induktivität angeordnet sein. Diese Leiterbahnen
sind z. B. spiralförmig ausgebildet. Eine elektrische Absicherung
ist hierbei nicht gegeben.
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Weiterhin
ist es bekannt, zwischen der Spannungsversorgung und den Schaltungen
elektronische und/oder elektrische Bauteile wie z. B. sogenannte
Open Mode Kondensatoren anzuordnen, die bei Überlast so
zerstört werden, dass kein Kurzschluss entsteht. Die Anordnung
der Bauteile ist relativ aufwändig und bietet keinen vollständigen
Schutz vor Brand.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Leiterplatte mit elektrischen und/oder
elektronischen Bauteilen so weiterzubilden, dass bei geringem Aufwand
von ihr keine Gefahr von Brand infolge Erhitzung ausgeht.
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Die
Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Zwischen dem Anschluss und der Schaltung ist mindestens eine erste
der Leiterbahnen mit definierter Länge und definiertem
Querschnitt ausgebildet. Diese erste Leiterbahn wird infolge Erwärmung
zerstört, sobald relativ schwacher, aber lang andauernder Überstrom
ansteht. Auf diese Weise wird die Spannungsversorgung der Leiterplatte unterbrochen,
so dass keine weitere Erwärmung und somit Überhitzung
erfolgen kann. Diese geringen Überströme lösen
dagegen eine vorgeschaltete konventionelle Schmelzsicherung oder Ähnliches
nicht aus, so dass diese Schmelzsicherung allein keinen zuverlässigen
Schutz vor Rauchentwicklung und Brand in der Leiterplatte bieten
können. Andererseits lässt die erste Leiterbahn
hohe Stromspitzen durch, so dass z. B. ein hoher Einschaltstrom
nicht zu einem Defekt der Leitung führt.
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Auch
eine Rauchbildung ist praktisch ausgeschlossen.
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Wegen
ihres Widerstands begrenzt die erste Leiterbahn im Normalbetrieb
den Strom zu den Bauteilen, so dass deren Lebensdauer erhöht
wird.
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Die
erste Leiterbahn ist einfach und preiswert zusammen mit den anderen
Leiterbahnen herstellbar. Weitere Bauteile, die vor der Erfindung
zur Vermeidung von Bränden eingesetzt wurden, sind nicht erforderlich,
so dass insgesamt Kosten eingespart werden.
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Die
Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist die erste Leiterbahn als
Spirale ausgebildet. Diese beansprucht nur wenig Platz, weil sie
auch in inneren Schichten angeordnet sein kann. In Verbindung mit einer
Masse wird aufgrund der Induktivität sowohl die elektromagnetische
Abstrahlung als auch Einstrahlung der gesamten Leiterplatte reduziert.
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Weiterhin
bewirkt die spiralförmige erste Leiterbahn wegen ihrer
Induktivität eine Reduzierung des Einschaltstroms, so dass
die Spitzenbelastung der Bauteile während des Einschaltens
vermindert und somit deren Lebensdauer erhöht wird.
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In
einer weiteren Alternative ist in mindestens zwei Schichten jeweils
eine erste Leiterbahn so angeordnet, dass sich die ersten Leiterbahnen
gegenüber liegen. Hierdurch kann zwischen den ersten Leiterbahnen
eine Induktivität erreicht werden.
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Vorzugsweise
werden hierbei die Spiralen gegensinnig, das heißt, eine
von außen nach innen und eine andere von innen nach außen,
von Strom durchflossen. Die Spiralen sind hierbei gleichsinnig gewickelt.
Hierdurch sind sie mitgekoppelt. Dies erhöht die Induktivität
und somit die elektro-magnetische Verträglichkeit weiter.
Einschaltströme werden stärker gedämpft.
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Anhand
der beigefügten stark schematisierten Zeichnung wird die
Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein
Schaltbild eines Teils einer erfindungsgemäßen
Leiterplatte,
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2 ein
Ersatzschaltbild von zwei Spiralen in zwei Schichten und
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3A–D
ein Ausführungsbeispiel eines Layout einer Leiterplatte.
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In
der 1 ist ein Eingangsteil einer Leiterplatte 1 als
Schaltbild dargestellt. Die Leiterplatte 1 ist an eine
Spannungsquelle 2, z. B. eine Autobatterie mittels eines
Kabels und einer Steckverbindung angeschlossen. Zwischen der Spannungsquelle 2 und der
Steckverbindung, die einen Anschluss 4 bildet, ist eine
konventionelle Schmelzsicherung 3 angeordnet.
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Zwischen
dem Anschluss 4 und elektrischen und/oder elektronischen
Bauteilen 6 ist eine erste Leiterbahn 5 in Form
einer Spirale ausgebildet. Die Bauteile 6 sind hier nur zu
einem geringen Teil dargestellt. Eine Länge und ein Querschnitt
der ersten Leiterbahn 5 sind entsprechend den Erfordernissen
der mindestens einen Schaltung dimensioniert.
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In
Alternativen ist die erste Leiterbahn 5 als eckige Spirale
oder mäanderförmig ausgebildet.
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Wie
aus einem Ersatzschaltbild in der 2 ersichtlich
bilden sich Kapazitäten infolge von Induktivitäten
zwischen der Spirale und Massen. Das Ersatzschaltbild gilt für
eine Leiterplatte 1 mit vier Schichten 7, 8, 9, 10,
wobei in zwei mittleren der Schichten 8, 9 jeweils
eine Spirale ausgebildet ist und in den äußeren
Schichten 7, 10 die zugehörigen Massen
gebildet sind. Die Spiralen sind gegenüber liegend hintereinander
geschaltet. Zwischen jeder Spirale und jeder zugehörigen
Masse bilden sich die Kapazitäten, wobei ein Kopplungseffekt
wirksam ist. Die Gesamtinduktivität Lges wird
nach der Formel Lges =
2·L·(1 +/– k)berechnet. L ist hierbei
die Induktivität der einzelnen Spiralen und k der Kopplungsfaktor
zwischen diesen. Die Addition gilt für Mitkopplung, die
Subtraktion für Gegenkopplung. Wegen der dann insgesamt
besseren elektromagnetischen Verträglichkeit der Leiterplatte 1 ist
der Mitkopplung der Vorzug zu geben.
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Nach
der 3A bis 3D weist
die Leiterplatte 1 die vier Schichten 7, 8, 9, 10 auf,
die eine Vielzahl von Leiterbahnen 11 umfassen. Die Schichten 7, 8, 9, 10 sind
weitgehend parallel und mit Ausnahme von Durchkontaktierungen gegeneinander isoliert.
Auf den äußeren (einer ersten und einer vierten)
der Schichten 7, 10 sind die elektrischen und/oder
elektronischen Bauteile 6 montiert. Die Leiterbahnen 11 und
die Bauteile 6 bilden insgesamt mindestens eine elektrische
Schaltung. Weiterhin ist in den äußeren Schichten 7, 10 elektrische
Masse ausgebildet.
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In
jeder von beiden mittleren (einer zweiten und einer dritten der)
Schichten 8, 9 ist die erste Leiterbahn 5 als
Spirale ausgebildet. Jede Spirale ist von der ersten Schicht 7 aus
gesehen im Uhrzeigersinn von außen nach innen gewickelt
und weist fünf Win dungen auf. Innere Enden 12 der
Spiralen sind durchkontaktiert. Ein äußeres Ende
der Spirale der zweiten Schicht 8 ist mit dem Anschluss 4 verbunden.
An ein äußeres Ende der Spirale der dritten Schicht 9 ist
die elektrische Schaltung angeschlossen.
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Wenn
im Betrieb eine lang anhaltende geringe Überlast in der
Stromversorgung der Leiterplatte 1 und somit an den Spiralen
als ersten Leiterbahnen 5 ansteht, erwärmen sich
diese und werden ab einer vorbestimmten Temperatur zerstört.
Hierdurch wird die Stromversorgung der Leiterplatte 1 unterbrochen, so
dass diese nicht überhitzt wird. Hohe aber kurze Überlast
beeinträchtigt die erste Leiterbahn nicht, so dass die Überlast
bis zur Schmelzsicherung 3 durchschlägt und diese
zerstört. Auf diese Weise werden Rauchentwicklung und Brand
wirksam verhindert.
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Da
die Spiralen einen elektrischen Widerstand aufweisen, dämpfen
sie beim Einschalten den Einschaltstrom.
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Bei
Stromänderungen bilden sich zwischen den Spiralen und der
Masse Kapazitäten. Dies stellt ein Filter für
elektro-magnetische Strahlung dar, so dass die elektromagnetische
Verträglichkeit der Leiterplatte 1 stark verbessert
ist.
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In
Kraftfahrzeugen sind viele Geräte nicht für eine
Reparatur geeignet und werden im Fall eines Defekts ausgetauscht.
Diese Geräte sind mit anderen Geräten über
eine einzelne Sicherung abgesichert. Weiterhin sind diese Geräte
meist über einen Kommunikationsbus (z. B. LIN, CAN) miteinander verbunden.
Ein Ausfall der Sicherung oder des Kommunikationsbusses soll weitestgehend
verhindert werden, um voll funktionsfähige Geräte
bei einen Kurzschluss in einem anderen Gerät nicht in ihrer Funktion
zu beeinträchtigen. Hier bewirkt die Erfindung, dass im
Kurzschlussfall mit Hilfe der ersten Leiterbahn nur das betroffene
fehlerhafte Gerät vom Bordnetz und vom Kommunikationsbus
getrennt wird.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit elektrischen und/oder elektronischen
Bauteilen. Damit die Leiterplatte wirksam und preiswert gegen Rauchentwicklung
und Brand geschützt ist, wird vorgeschlagen, zwischen einem
elektrischen Anschluss und einer Schaltung mindestens eine erste
Leiterbahn mit definierter Länge und definiertem Querschnitt
auszubilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19705722
A1 [0003]
- - DE 3937183 A1 [0004]