DE102012201499A1

DE102012201499A1 - Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Stromschiene mit einer Leiterplatte und Verbindungsanordnung

Info

Publication number: DE102012201499A1
Application number: DE201210201499
Authority: DE
Inventors: Stefan Widmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Stromschiene (6), insbesondere zum Verbinden einer eine Hauptstrombahn eines Leistungsschalters bildenden Stromschiene (6), mit einer Leiterplatte (2). Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine entsprechende Verbindungsanordnung (1). Um das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Stromschiene (6) und einer Leiterplatte (2) zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, dass die Stromschiene (6) in einer Öffnung (3) der Leiterplatte (2) unter Ausbildung einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung fixiert und eine elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene (6) und wenigstens einem auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteil hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Stromschiene, insbesondere zum Verbinden einer eine Hauptstrombahn eines Leistungsschalters bildenden Stromschiene, mit einer Leiterplatte. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine entsprechende Verbindungsanordnung.
Anders als bei der Messung des elektrischen Stroms, bei der eine Kontaktierung eines elektrischen Leiters nicht zwingend erforderlich ist, muss der spannungsführende Leiter zur Spannungsmessung bzw. zur Spannungsversorgung kontaktiert werden. Mit anderen Worten muss ein Spannungsabgriff erfolgen. Üblicherweise erfolgt dabei die Kontaktierung des Leiters über zusätzliche Verbindungsteile unter Verwendung von beispielsweise Steck-, Klemm-, Feder- oder Schraubkontakten.
Bei den die Hauptstrombahnen eines Leistungsschalters bildenden Stromschienen handelt es sich zumeist um massive Kupfer-Schienen mit rundem oder rechteckigem Querschnitt, die, je nach Einsatzbereich, für Stromstärken in einem Bereich von 25 A bis 6300 A geeignet sind. Ist zum Zweck der Versorgung elektrischer Bauteile, beispielsweise zur Versorgung von auf einer Leiterplatte angeordneten Bauteilen einer elektrischen oder elektronischen Auslöseeinheit des Leistungsschalters, ein Spannungsabgriff an diesen Stromschienen vorgesehen, so erfolgt die Kontaktierung der Stromschienen, ggf. unter Zwischenschaltung von Spannungsteilern, über Kabel und Steckverbindungen.
Da Steckverbinder oftmals über einen sehr langen Zeitraum und bei härtesten Einsatzbedingungen, wie beispielsweise sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen und mechanischer Beanspruchung fehlerfrei funktionieren müssen, werden zumeist hochwertige und damit teure Verbindungskomponenten verwendet. Darüber hinaus ist die Montage solcher Steckverbinder zeitaufwendig und vergleichsweise fehleranfällig.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einer solchen Stromschiene und einer Leiterplatte zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Verbindungsanordnung nach Anspruch 10 gelöst. Danach ist es vorgesehen, dass die Stromschiene in einer Öffnung der Leiterplatte unter Ausbildung einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung fixiert und eine elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene und wenigstens einem auf der Leiterplatte angeordneten Bauteil hergestellt wird.
Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung und umgekehrt. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine Grundidee der Erfindung ist es, auf die Verwendung zusätzlicher Verbindungsteile zu verzichten und die Stromschiene in einer Öffnung der Leiterplatte festzulegen. Durch diese konstruktiv einfache Lösung lässt sich die Verbindung besonders preiswert herstellen. Durch den Wegfall von Klemmen, Verbindungskabeln, Steckverbindern usw. kann nicht nur eine Kosteneinsparung erzielt werden. Die Herstellung der Verbindungsanordnung ist auch weniger fehleranfällig, so dass sich insgesamt eine deutlich erhöhte Zuverlässigkeit der Kontaktierung ergibt. Zudem ist eine Zeiteinsparung bei der Montage möglich. Das Herstellen der Kontaktierung ist darüber hinaus vergleichsweise einfach automatisierbar.
Die Kontaktierung der Stromschiene erfolgt zum Zweck des Spannungsabgriffs und kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. So kann die Stromschiene unmittelbar in der Öffnung fixiert werden. Sie kann aber auch in einer in der Öffnung fixierten Aufnahmehülse fixiert sein. Mit dem Fixieren der Stromschiene in der Öffnung kann zugleich auch die elektrische Verbindung hergestellt werden oder aber das Fixieren der Stromschiene in der Öffnung ist von der Herstellung der elektrischen Verbindung unabhängig, so dass die Öffnung nur der mechanischen Festlegung der Stromschiene, nicht aber deren elektrischer Kontaktierung dient, wobei in diesen Fall die elektrische Kontaktierung der Stromschiene anderweitig erfolgt. Diese Varianten können beliebig miteinander kombiniert werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform der Erfindung erwiesen, bei der die Stromschiene unmittelbar in der Öffnung einliegt und damit zugleich auch die elektrische Verbindung mit einem auf der Leiterplatte angeordneten Bauteil hergestellt wird, indem die Innenwand der Öffnung eine elektrisch leitende Kontaktfläche aufweist, an der die Stromschiene im montierten Zustand anliegt. Die Kontaktfläche ist dabei mit dem wenigstens einen Bauteil elektrisch verbunden. Bei der Kontaktfläche handelt es sich vorzugsweise um eine Durchkontaktierung, bei der eine innwandige Beschichtung der Öffnung, beispielsweise durch elektrochemische Abscheidung eines leitenden Materials, wie Kupfer, erfolgt.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Fixieren der Stromschiene in der Öffnung zugleich auch die elektrische Verbindung herstellt, die Stromschiene aber nicht unmittelbar in der Öffnung fixiert ist, wird dadurch verwirklicht, dass in der Öffnung der Leiterplatte eine Aufnahmehülse angeordnet ist, in der die Stromschiene im montierten Zustand einliegt. Die Stromschiene ist im montierten Zustand elektrisch leitend mit der Aufnahmehülse und die Aufnahmehülse mit dem wenigstens einem auf der Leiterplatte angeordneten Bauteil elektrisch verbunden. Hierzu besteht die Aufnahmehülse entweder selbst aus einem elektrisch leitenden Material oder aber die Oberfläche der Aufnahmehülse ist elektrisch leitend beschichtet, beispielsweise mit einer Goldbeschichtung.
Wird eine Aufnahmehülse verwendet, dann ist die Hülse in der Öffnung der Leiterplatte fixiert. Dabei kann die Aufnahmehülse in der Öffnung eingelötet sein. Hierbei kann die Lötverbindung zugleich die elektrische Verbindung zwischen der Aufnahmehülse und dem zu kontaktierenden Bauteil bilden. Die Aufnahmehülse kann aber auch als Einschlaghülse nach Art einer Einschlagmutter ausgebildet sein. In einem einfachen Fall ist die Aufnahmehülse über eine Presspassverbindung in der Öffnung der Leiterplatte festgelegt.
Bei Verwendung einer Aufnahmehülse kann zunächst die Aufnahmehülse in der Leiterplatte fixiert und anschließend die Stromschiene in der Aufnahmehülse fixiert werden. Je nach Ausführung des Montageprozesses kann jedoch auch zunächst die Stromschiene in der Aufnahmehülse festgelegt und anschließend die Aufnahmehülse in der Leiterplatte fixiert werden.
Die Verwendung einer Aufnahmehülse als Zwischenstück zwischen Stromschiene und Leiterplattenöffnung dient einer mechanischen Verstärkung der Leiterplatte im Kontaktbereich und/oder zur Entlastung der Leiterplatte von thermischen bzw. mechanischen Beanspruchungen, wie beispielsweise thermischen Spannungen, die durch Ausdehnung bei Temperaturen von 100 bis 200 °C entstehen, wie sie im normalen Betrieb der Stromschiene auftreten können. Die Aufnahmehülse dient mit anderen Worten als Puffer- bzw. Trennglied, insbesondere zur Aufnahme von Schwingungen und/oder zur Bereitstellung eines Temperaturgefälles.
Dient die Öffnung in der Leiterplatte ausschließlich der mechanischen Fixierung des Leiters, dann erfolgt die elektrische Kontaktierung des Leiters vorzugsweise außerhalb der Öffnung, beispielsweise mit Hilfe einer Lötverbindung zwischen der Stromschiene und dem anzuschließenden Bauteil bzw. einem an das Bauteil angeschlossenen oder anzuschließenden Anschlusskontakt. Die mechanische Fixierung der Stromschiene in der Öffnung kann dabei, wie oben beschrieben, sowohl mit, als auch ohne Verwendung einer Aufnahmehülse erfolgen. Kommt eine Aufnahmehülse zur Anwendung, so muss diese nicht elektrisch leitend sein. Die Aufnahmehülse kann daher in diesem Fall aus einem nicht leitenden Material bestehen. Vorteilhafterweise wird in einem solchen Fall als Material für die Aufnahmehülse ein thermisch nichtleitendes und/oder elastisches Material verwendet, wodurch die Aufnahmehülse besonders gut geeignet ist, um Schwingungen der Stromschiene, wie sie im normalen Betrieb der Stromschiene bei hohen Stromstärken auftreten können, von der Leiterplatte abzukoppeln bzw. eine Übertragung der Schwingungen auf die Leiterplatte zu verhindern und eine thermische Abkoppelung zu erreichen, um damit eine unerwünschte Erwärmung der Leiterplatte sowie der darauf angeordneten Bauteile zu verhindern.
Die mechanische Fixierung der Stromschiene in der Öffnung erfolgt unter Ausbildung eines Kraftschlusses und/oder Formschlusses. Unter einem Kraftschluss wird dabei eine elastische Formänderung verstanden, die durch eine schließende Kraft bewirkt wird, wobei diese Kraft durch Keil- oder Federwirkung der Werkstücke hervorgerufen wird. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der kraftschlüssigen Verbindung um eine Presspassverbindung. So kann beispielsweise eine Stromschiene mit einem viereckigen Querschnitt in eine Leiterplattenöffnung mit rundem Querschnitt gepresst werden oder aber eine Stromschiene mit einem größeren runden Querschnitt wird in eine Leiterplattenöffnung mit einem kleineren runden Querschnitt gepresst oder aber eine Stromschiene mit rippenförmigen Ausstülpungen derart, dass sich ein sternförmiger Querschnitt ergibt, wird in eine Leiterplattenöffnung mit rundem Querschnitt gepresst, wodurch es zu einer Verformung der Ausstülpungen kommt usw. Vorzugsweise ist die Verbindung von Stromschiene und Leiterplatte drehfest ausgeführt.
Die mechanische Verbindung der Stromschienen mit der Leiterplatte kann jedoch auch durch Formschluss erfolgen, wobei die Werkstücke durch die Form gefügt werden. Ein solcher Formschluss wird dann vielfach durch einen Kraftschluss unterstützt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 eine Kontaktierung ohne Aufnahmehülse mit Hilfe einer Durchmetallisierung,
2 eine Kontaktierung mit Hilfe einer eingelöteten Aufnahmehülse,
3 eine Kontaktierung mit Hilfe einer Einschlag- bzw. Einpresshülse.
Die Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und vereinfacht sowie im Querschnitt. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
In einer ersten, in 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Verbindungsanordnung 1 mit einer Leiterplatte 2 dargestellt. Bei der Verbindungsanordnung 1 handelt es sich um einen Teil eines elektrischen Leistungsschalters. Die Leiterplatte 2 weist eine durchgehende Öffnung 3 auf. Die Öffnung 3 ist innwandig mit einer Metallisierung 4 versehen, die sich über die Öffnung 3 hinaus auf beiden Seiten der Leiterplatte 2 als Leiterbahn 5 fortsetzt und eine elektrische Verbindung mit wenigstens einem auf der Leiterplatte 2 angeordneten Bauteil (nicht dargestellt) herstellt. Bei dem Bauteil handelt es sich um ein Teil der Auslöseeinheit des Leistungsschalters. Eine Stromschiene 6, welche eine Hauptstrombahn des Leistungsschalters bildet, ist unter Ausbildung einer Presspassverbindung in der Leiterplattenöffnung 3 fixiert. Durch diese mechanische Fixierung wird zugleich die elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene 6 und dem Bauteil hergestellt.
Zur Herstellung der in 2 abgebildeten Verbindungsanordnung 1 wurde die Stromschiene 6 zunächst mit einer Aufnahmehülse 7 aus elektrisch leitendem Material versehen. Dabei liegt die Stromschiene 6 unter Ausbildung einer Presspassverbindung in der Aufnahmehülse 7 ein. Die Aufnahmehülse 7 mit der darin einliegenden Stromschiene 6 wurde anschließend in die Öffnung 3 der Leiterplatte 2 eingeführt und dort mit an beiden Seiten der Leiterplatte 2 vorgesehenen Leiterbahnen 5 verlötet. Die Lötverbindung ist symbolisch durch das Verbindungsmaterial 8 dargestellt.
Bei der in 3 dargestellten Verbindungsanordnung 1 ist die Leiterplatte 2 einseitig mit einer Leiterbahn 5 versehen. Eine Aufnahmehülse 9 aus elektrisch leitendem Material, die nach Art einer Einschlagmutter ausgebildet ist, wird durch die Leiterplattenöffnung 3 hindurchgesteckt und mit ihrem ausragenden Kontaktrand 11 mit der Leiterbahn 5 elektrisch und mit der die Leiterbahn 5 aufweisenden Seite der Leiterplatte 2 mechanisch verbunden. Anschließend wird die Stromschiene 6 unter Ausbildung einer Presspassverbindung in die an der Leiterplatte 2 fixierte Aufnahmehülse 9 eingeführt, wodurch zugleich eine elektrische und mechanische Kontaktierung der Stromschiene 6 erfolgt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Stromschiene (6), insbesondere einer eine Hauptstrombahn eines Leistungsschalters bildenden Stromschiene (6), mit einer Leiterplatte (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (6) in einer Öffnung (3) der Leiterplatte (2) unter Ausbildung einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung fixiert und eine elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene (6) und wenigstens einem auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteil hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (6) unmittelbar in der Öffnung (3) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (6) in einer in der Öffnung (3) befestigten Aufnahmehülse (7, 9) fixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Fixieren der Stromschiene (6) in der Öffnung (3) zugleich auch die elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene (6) und dem wenigstens einen auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteil hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Öffnung (3) eine Kontaktfläche (4) aufweist, an der die Stromschiene (6) im montierten Zustand anliegt, wobei die Kontaktfläche (4) mit dem wenigstens einen auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteil elektrisch verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnung (3) eine Aufnahmehülse (7, 9) angeordnet ist, in der die Stromschiene (6) im montierten Zustand einliegt, wobei die Aufnahmehülse (7, 9) mit dem wenigstens einen auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteil elektrisch verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Fixieren der Stromschiene (6) in der Öffnung (3) keine elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene (6) und dem wenigstens einen auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteil hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene (6) und dem wenigstens einen auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteil außerhalb der Öffnung (6) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (6) unter Ausbildung einer Presspassverbindung in der Öffnung (3) bzw. in der Aufnahmehülse (7, 9) fixiert wird.
Anordnung (1) zum Verbinden einer elektrischen Stromschiene (6), insbesondere einer eine Hauptstrombahn eines Leistungsschalters bildenden Stromschiene (6), mit einer Leiterplatte (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (6) in einer Öffnung (3) der Leiterplatte (2) unter Ausbildung einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung fixiert und eine elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene (6) und wenigstens einem auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteil hergestellt ist.