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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige elektrische Schalter finden für ein Elektrohandwerkzeug mit einem Elektromotor, wie für ein Akku- und/oder Netz-Elektrowerkzeug, Verwendung. Bei diesen Elektrowerkzeugen kann es sich um Bohrmaschinen, Schleifer, Sägen, Hobel, Winkelschleifer o. dgl. handeln. Insbesondere sind diese Schalter für akkubetriebene Elektrowerkzeuge für den mittleren und hohen Leistungsbereich geeignet.
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Aus der
DE 41 14 854 A1 ist ein elektrischer Schalter für ein Akku-Elektrowerkzeug mit einem Elektromotor bekannt. Dieser Schalter weist ein Gehäuse mit einem Kühlkörper auf. Im Gehäuse ist wenigstens ein Kontaktsystem angeordnet, auf das mittels eines Betätigungsorgans schaltend eingewirkt werden kann. Weiter befindet sich im Gehäuse eine zur Drehzahleinstellung des Elektromotors dienende Steuerelektronik mit einer Freilaufdiode. Die ein Bauelementgehäuse mit Anschlussdrähten besitzende Freilaufdiode steht über ein Lagerblech in thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper.
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Die Freilaufdiode bei Schaltern für akkubetriebene Elektrowerkzeuge ist ein wichtiger Bestandteil, um im Elektronikbetrieb, insbesondere bei einer Ansteuerung des Elektromotors mit einer Pulsweiten-Modulation (PWM), die Spannungs- und/oder Stromspitzen im Ausschaltaugenblick abzubauen. Heutige Bauformen für die Freilaufdioden sind in bedrahteter Ausführung im Schalter eingelötet, eingeschweißt oder geklemmt. Bedrahtete Dioden sind zwar kostengünstig, aber bezüglich der Wärmeabfuhr begrenzt. Es hat sich bei dem bekannten Schalter somit herausgestellt, dass in manchen Fällen die Abführung der in der Freilaufdiode entstehenden Wärme nicht ausreichend ist, was zu Frühausfällen der Freilaufdioden führen kann.
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Für höhere Leistungen gibt es auch sogenannte Pressfit-Dioden, die in den Kühlkörper eingepresst sind. Sogenannte Sandwich-Dioden können geklemmt, aber auch auf die Leiterplatte aufgelötet werden. Pressfit-Dioden haben eine gute Wärmeabfuhr sind aber teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schalter derart weiterzuentwickeln, dass die Wärmeabfuhr für die Freilaufdiode verbessert ist. Insbesondere soll eine Lösung für die Freilaufdiode gefunden werden, die bezüglich der Kosten der bedrahteten Ausführung nahe kommt, andererseits aber die gute Wärmeabfuhr einer Pressfit-Diode besitzt.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen elektrischen Schalter durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Schalter besitzt das Bauelementgehäuse der Freilaufdiode an der einen Seite einen Anschlussdraht und an der anderen Seite eine ebene Fläche. Diese ebene Fläche steht wenigstens teilweise in direktem thermischen und/oder elektrischen Kontakt mit dem Kühlkörper. Geschaffen ist damit eine Freilaufdiode, die eine besonders gute Adaption an den Schalter für akkubetriebene Elektrowerkzeuge im Hinblick auf die Wärmeabführung bietet. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In weiterer Ausgestaltung, die sich durch Kompaktheit auszeichnet, weist das Bauelementgehäuse die Form eines Zylinders auf, der mit geringer Höhe im Verhältnis zum Durchmesser in der Art einer Ronde ausgebildet ist. Bevorzugterweise bildet die ebene Fläche den einen Deckel des Zylinders während am anderen Deckel des Zylinders der Drahtanschluss befindlich ist. Es bietet sich an, dass die Anode der Freilaufdiode an der ebenen Fläche und die Kathode der Freilaufdiode am Drahtanschluss befindlich sind.
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Zwecks einfacher und dennoch ausfallssicherer Befestigung kann die Freilaufdiode mittels eines federnden Clips auf dem Kühlkörper aufgeklemmt sein. Zudem sorgt der Federclip aufgrund der Anpresskraft für eine gute elektrische Kontaktierung zum Kühlkörper. Beispielsweise lässt sich der Federclip in der Art einer Flachfeder, einer Rundfeder o. dgl. ausgestalten. Zweckmäßigerweise berührt der Federclip das Bauelementgehäuse lediglich an einem elektrisch isolierten Teil. Zur Erleichterung der Montage kann der Clip ein Bestandteil des Bauelementgehäuses sein, insbesondere indem der Federclip am Bauelementgehäuse eingespritzt, aufgelötet, aufgeschweißt o. dgl. ist.
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In üblicher Weise kann der Schalter ein Gehäuse besitzen. Es kann sich dann anbieten, dass die Steuerelektronik mitsamt der Freilaufdiode im Gehäuse befindlich ist. Bevorzugterweise ist jedoch in alternativer Weise die Freilaufdiode außen am Gehäuse befindlich. Die Steuerelektronik kann wiederum einen Leistungshalbleiter zur Steuerung des Motorstroms für die Drehzahleinstellung des Elektromotors ansteuern. Zweckmäßigerweise ist der Leistungshalbleiter im Gehäuse angeordnet und kontaktiert den Kühlkörper thermisch und/oder elektrisch in einer Öffnung am Gehäuse.
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Weiter können am Gehäuse in üblicher Weise elektrische Anschlüsse angeordnet sein. Insbesondere handelt es sich dabei um Anschlüsse zur Verbindung mit dem Akku des Elektrowerkzeugs. Es bietet sich dann an, dass der Drahtanschluss der Freilaufdiode in elektrischen Kontakt mit einem der elektrischen Anschlüsse steht. Insbesondere bei einem als Kathode wirkenden Drahtanschluss steht dieser mit dem elektrischen Anschluss für den positiven Pol des Akkus in Verbindung. Bevorzugterweise befindet sich dann die Freilaufdiode außen am Gehäuse, und zwar in der Nähe der Anschlüsse. Zwecks einfacher Montage kann der Drahtanschluss mit dem elektrischen Anschluss verlötet, verschweißt, verklemmt o. dgl. sein.
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Für besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Freilaufdiode, die sich insbesondere für einen Akku-Elektrowerkzeugschalter eignen, ist nachfolgendes festzustellen.
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Es wird eine spezifische Bauform einer Freilaufdiode vorgeschlagen, die auf der einen Seite bedrahtet ist, und auf der anderen Seite eine flache Ronde mit guter thermischer und/oder elektrischer Leitfähigkeit aufweist. Mit der flachen Seite, bei der es sich um die Anode handelt, berührt die Diode den Kühlkörper möglichst großflächig, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten. Es kann auch zusätzlich Wärmeleitpaste verwendet werden. Die andere Seite, bei der es sich um die Kathode handelt, kann in Drahtform mit dem B+ Potential verlötet, verklemmt oder verschweißt werden. Damit die Diode immer sicher mit dem Kühlkörper kontaktiert, wird diese mit einem federnden Clip, beispielsweise einer Flachfeder, einer Rundfeder oder ähnlichem, auf dem Kühlkörper aufgeklemmt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Federclip die Diode nur am isolierten Körper berührt. Es ist auch eine Lösung denkbar, wobei der Clip schon Bestandteil der Freilaufdiode ist, und mit dieser fest verbunden, beispielsweise eingespritzt, aufgelötet, aufgeschweißt etc., ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Freilaufdiode bezüglich der Kosten mit einer günstigen bedrahteten Diode vergleichbar ist. Durch die einfache Montage am Kühlkörper durch Aufclipsen wird eine sehr gute Wärmeabfuhr erreicht. Das andere bedrahtete Ende kann mittels einfachen Verbindungstechniken elektrisch und/oder mechanisch kontaktiert werden. Diese Lösung kann für sehr viele unterschiedliche Elektrowerkzeugschalter angewendet werden, ohne dass größere Änderungen am Design vorzunehmen sind. Dadurch dass die Diode außen am Schalter angebracht ist, kann diese die Wärme besser abgeben. Die Kontaktierung zum Kühlkörper findet thermisch und/oder elektrisch statt. Desweiteren bietet die erfindungsgemäße Freilaufdiode eine einfache sowie auch schnelle Montage, was zur Kostengünstigkeit für den elektrischen Schalter beiträgt.
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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 schematisch ein Elektrowerkzeug, wobei das Elektrowerkzeug-Gehäuse des Elektrowerkzeugs teilweise aufgebrochen sowie Teile des im Elektrowerkzeug-Gehäuse befindlichen Schalters teilweise durchsichtig dargestellt sind,
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2 einen Teil des elektrischen Schalters aus 1 in perspektivischer Ansicht und
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3 die Freilaufdiode des Schalters aus 2 als Einzelteil.
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In 1 ist ein Elektrowerkzeug 1 mit einem Elektromotor 2 zum Antrieb eines Werkzeugs 3 zu sehen. Es kann sich dabei um ein Akku- und/oder Netz-Elektrowerkzeug handeln. Beispielhaft ist in 1 eine Akku-Bohrmaschine als Elektrowerkzeug 1 gezeigt, die mit einer Versorgungsspannung aus einem mobilen Energiespeicher 8 in der Art eines Akkus betrieben wird. Selbstverständlich kann es sich bei dem Elektrowerkzeug 1 auch um einen Schleifer, eine Säge, einen Hobel, einen Winkelschleifer o. dgl. handeln.
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Im Elektrowerkzeug-Gehäuse 4 des Elektrowerkzeugs 1 ist ein elektrischer Schalter 5 mit einem Gehäuse 13 angeordnet. Der Schalter 5 ist derart im Elektrowerkzeug-Gehäuse 4 aufgenommen, dass ein manuell vom Benutzer bewegbares Betätigungsorgan 6 des Schalters 5 aus dem Elektrowerkzeug-Gehäuse 4 herausragt. Der Schalter 5 besitzt wenigstens ein Kontaktsystem 7, auf das das Betätigungsorgan schaltend einwirkt, so dass die Spannungsversorgung aus dem Energiespeicher 8 für das Elektrowerkzeug 1, und zwar insbesondere zum Betrieb des Elektromotors 2, mittels des Betätigungsorgans 6 vom Benutzer ein- und/oder ausschaltbar ist. Schließlich umfasst der Schalter 5 eine im Gehäuse 13 befindliche elektrische Schaltungsanordnung 9 zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors 2. Die Schaltungsanordnung 9 dient als Steuerelektronik zur Drehzahlveränderung bzw. zur Drehzahleinstellung des Elektromotors 2 entsprechend der Stellung des vom Benutzer bewegten Betätigungsorgans 6, womit der Schalter 5 eine Art von Steuergerät für das Elektrowerkzeug 1 darstellt.
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Im Gehäuse 13 befindet sich ein Trägersubstrat 10 in der Art einer Leiterplatte zur Aufnahme von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen der Steuerelektronik 9. Die mittels einer (PWM) Pulsweiten-Modulation arbeitende Steuerelektronik 9 umfasst einen nicht weiter gezeigten Leistungstransistor, der zur Steuerung des der eingestellten Drehzahl entsprechenden Stroms für den Elektromotor 2 dient. Bei dem Leistungstransistor handelt es sich vorliegend um einen MOS-FET, da es sich bei dem Elektrowerkzeug 1 um ein Akku-Elektrowerkzeug handelt. Für ein mit einer Phasenanschnitt- oder einer Phasenabschnitt-Steuerung versehenen Netz-Elektrowerkzeug kann ein Triac als Leistungstransistor Verwendung finden. Schließlich weist die Steuerelektronik 9 noch eine in 2 sichtbare Freilaufdiode 11 auf, die zum Abbau der im Elektromotor 2 aufgrund dessen Induktivität gespeicherten Energie in den Pulspausen bei der PWM sowie zum Schutz des Leistungshalbleiters dient.
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An der Freilaufdiode 11 entsteht eine Verlustwärme, womit es sich hierbei um ein wärmeerzeugendes Bauteil handelt. Selbstverständlich kann die Schaltungsanordnung 9 noch weitere wärmeerzeugende Bauteile aufweisen, beispielsweise den Leistungstransistor. Zur Abführung dieser Wärme von der Schaltungsanordnung 9 befindet sich im und/oder am Gehäuse 13 ein Kühlkörper 14, wobei die Freilaufdiode 11 in thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper 14 steht. Wie man weiter in 3 sieht, besitzt die Freilaufdiode 11 ein Bauelementgehäuse 12. Das Bauelementgehäuse 12 der Freilaufdiode 11 besitzt an der einen Seite 15 einen Anschlussdraht 17 und an der anderen Seite 16 eine ebene Fläche 18. Diese ebene Fläche 18 steht wenigstens teilweise in direktem thermischen und/oder elektrischen Kontakt mit dem Kühlkörper 14, wie man anhand der 2 erkennt.
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Wie man wiederum in 3 sieht, weist das Bauelementgehäuse 12 die Form eines Zylinders mit geringer Höhe im Verhältnis zum Durchmesser auf. Das Bauelementgehäuse 12 ist somit in der Art einer Ronde ausgebildet. Dabei bildet die ebene Fläche 18 den einen Deckel des Zylinders, der der Seite 16 zugeordnet ist. Am anderen Deckel des Zylinders, der der Seite 15 zugeordnet ist, ist der Drahtanschluss 17 befindlich. Zweckmäßigerweise ist die Freilaufdiode 11 so beschaltet, dass die Anode der Freilaufdiode 11 an der ebenen Fläche 18 befindlich ist. Die Kathode der Freilaufdiode 11 ist hingegen am Drahtanschluss 17 befindlich.
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Zur Befestigung ist die Freilaufdiode 11 mittels eines federnden Clips 19 auf dem Kühlkörper 14 aufgeklemmt, wie in 2 sowie in 3 zu sehen ist. Die Federkraft des Clips 19 sorgt für eine Anpressung der ebenen Fläche 18 an den Kühlkörper 14, so dass für einen guten Wärmeübergang vom Bauelementgehäuse 12 auf den Kühlkörper 14 gesorgt ist. Der Clip 19 ist in der Art einer Rundfeder ausgestaltet und greift einerseits im wesentlichen an einem der Seite 15 zugewandten umlaufenden Absatz 20 am Bauelementgehäuse 12 an. Desweiteren umfasst der Clip 19 das Bauelementgehäuse 12 und liegt andererseits mit einer Klemmkraft an der der ebenen Fläche 18 abgewandten Seite des Kühlkörpers 14 an. Der Clip 19 berührt das Bauelementgehäuse 12 lediglich an einem elektrisch isolierten Teil, nämlich dem Absatz 20, womit ein Kurzschluss der Freilaufdiode 11 vermieden ist. Selbstverständlich kann der Clip 19 auch in der Art einer Flachfeder o. dgl. ausgestaltet sein. Desweiteren kann der Clip 19 auch ein Bestandteil des Bauelementgehäuses 12 sein, insbesondere am Bauelementgehäuse 12 eingespritzt, aufgelötet, aufgeschweißt o. dgl. sein, was allerdings nicht weiter gezeigt ist.
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Wie in 2 gezeigt ist, befinden sich am Gehäuse 13 elektrische Anschlüsse 21, 22, die zur Verbindung mit dem Akku 8 für die Spannungsversorgung des Schalters 5 dienen. Die Freilaufdiode 11 ist außerhalb am Gehäuse 13 in der Nähe der elektrischen Anschlüsse 21, 22 angeordnet. Dadurch kann zwecks einfacher Kontaktierung der Drahtanschluss 17 in elektrischen Kontakt mit einem der elektrischen Anschlüsse 21, 22 stehen, indem der Drahtanschluss 17 in eine entsprechende Aufnahme 23 am Anschluss 21 eingesteckt ist. Durch entsprechende elektrische Beschaltung des Schalters 5, bei der der Kühlkörper 14 auf Masse liegt, steht der Drahtanschluss 17 mit dem elektrischen Anschluss 21 für den positiven Pol B+ des Akkus 8 in elektrischer Verbindung. Wie erwähnt ist der Drahtanschluss 17 mit dem elektrischen Anschluss 21 in der Aufnahme 23 verklemmt, jedoch kann der Drahtanschluss 17 auch mit dem elektrischen Anschluss 21 verlötet, verschweißt o. dgl. sein.
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Die Erfindung ist anhand eines Elektrowerkzeugs erläutert, jedoch nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann ein derartiges Steuergerät auch in sonstigen Elektrogeräten, beispielsweise in Hausgeräten, in tragbaren Lampen o. dgl., Verwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrowerkzeug
- 2
- Elektromotor
- 3
- Werkzeug
- 4
- Elektrowerkzeug-Gehäuse
- 5
- (elektrischer) Schalter
- 6
- Betätigungsorgan
- 7
- Kontaktsystem
- 8
- Energiespeicher/Akku
- 9
- Schaltungsanordnung/Steuerelektronik
- 10
- Trägersubstrat/Leiterplatte
- 11
- Freilaufdiode/wärmeerzeugendes Bauteil
- 12
- Bauelementgehäuse (von Freilaufdiode)
- 13
- Gehäuse (von Schalter)
- 14
- Kühlkörper
- 15, 16
- Seite (von Freilaufdiode)
- 17
- Anschlussdraht/Drahtanschluss
- 18
- ebene Fläche
- 19
- Clip/Federclip
- 20
- Absatz (am Bauelementgehäuse)
- 21, 22
- (elektrischer) Anschluss
- 23
- Aufnahme (am Anschluss)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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