DE102013204039B4

DE102013204039B4 - Abtrennvorrichtung für ein elektrisches Bauelement

Info

Publication number: DE102013204039B4
Application number: DE102013204039.3A
Authority: DE
Inventors: Steffen Pförtner; Thomas Meyer
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2033-03-09
Also published as: DE102013204039A1

Abstract

Abtrennvorrichtung (1) für ein elektrisches Bauelement (EB), wobei das elektrische Bauelement (EB) auf einem Träger (PCB) befestigt ist und über eine trägerbasierte Anschlussleitung (L1a, L1b) verfügt über die ein Strom (I) zum elektrischen Bauelement (EB) fließen kann, wobei die Anschlussleitung (L1a, L1b) an einer Stelle über eine Sollbruchstelle (SBS) verfügt, wobei mittels einer Formgedächtnislegierung (FGL) bei einer thermischen Aktivierung (ϑE, ϑF, ϑBE) die Sollbruchstelle (SBS) damit einen eventuellen Strom (I) zum elektrischen Bauelement (EB) zur Unterbrechung bringen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtrennvorrichtung für ein elektrisches Bauelement.
Es ist bekannt, dass zahlreiche elektrische Bauelemente bei einer Überbeanspruchung oder einer Fehlbeanspruchung in einen Betriebszustand gelangen, in dem sie außerhalb des (spezifizierten) Nennbereichs arbeiten.
In diesem Betriebszustand tritt in aller Regel ein unerwünschter Leistungsumsatz auf, der zu einer starken Erwärmung des elektrischen Bauteils selbst als auch der betreffenden Umgebung führt.
Dabei kann die hierbei erzeugte Wärme so groß sein, dass das elektrische Bauelement und/oder Materialien der betreffenden Umgebung derart erwärmt werden, dass es zu einer Schädigung bzw. einem Brand kommen kann.
Daher wird versucht einer derartigen Temperaturerhöhung zu begegnen.
Beispielsweise sind aus dem Überspannungsschutz Einrichtungen bekannt, bei denen eine Temperatursicherung eingesetzt wird.
Beispielsweise ist aus der DE 90 102 46 U1 eine Ankoppelung – von Temperatursicherungen bekannt. Jedoch erlaubt die dort gezeigte Ankopplung – auf Grund der begrenzten Ankopplungsmöglichkeiten an das zu schützende elektrische Bauelement, keine schnelle Abschaltung.
In anderen Schriften, die sich insbesondere mit Varistoren mit thermisch aktivierten Abschalteinrichtungen beschäftigen, wird ein zu überwachendes elektrisches Bauelement über ein Kontaktelement thermosensitiv angebunden. Eine derartige Anbindung wird dabei über ein im Einsatzfall vorgespanntes Kontaktelement realisiert, das mittels einer Lötverbindung in einem ersten Zustand gehalten wird. Die Lötverbindung steht in thermischer Anbindung an das zu schützende Bauelement. Wird die Lötverbindung nun unter Einfluss der Wärme weich, löst sich die Verbindung unter Einfluss der Vorspannung und der Schaltvorgang wird ausgelöst.
Aus der US 2007 / 019 351 A1 , der US 2011 / 234 362 A1 , der WO 2008/ 071 134 A1 und der DE 10 2010 036 909 B3 sind unterschiedliche Vorrichtungen zum Schutz elektrischer Schaltungen bekannt, die eine Formgedächtnislegierung zu Schaltzwecken verwenden.
Die vorbeschriebenen Einrichtungen sind jedoch kostenungünstig, da sie eine Vielzahl von Bauelementen aufweisen und in aller Regel voluminös sind. Zudem sind vorgespannten Einrichtungen fehleranfällig, da die Vorspannung auch anderweitig frei werden kann, z.B. durch Vibration, Scherrung, oder dergleichen, und so die Einrichtung unbenutzbar oder fehleranfällig wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine kostengünstige Abtrennvorrichtung für ein elektrisches Bauelement bereitzustellen, die zudem ohne Vorspannung herstellbar ist und zudem für kleine Bauräume geeignet ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Abtrennvorrichtung für ein elektrisches Bauelement, wobei das elektrische Bauelement auf einem Träger befestigt ist und über eine trägerbasierte Anschlussleitung verfügt über die ein Strom zum elektrischen Bauelement fließen kann, wobei die Anschlussleitung an einer Stelle über eine Sollbruchstelle verfügt, wobei die Sollbruchstelle mittels einer Formgedächtnislegierung bei einer thermischen Aktivierung die Sollbruchstelle und damit einen eventuellen Strom zum elektrischen Bauelement zur Unterbrechung bringen kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Abtrennvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, und
2 eine schematische Darstellung einer Abtrennvorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die 1 und 2 zeigen eine elektrische Abtrennvorrichtung 1. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich soweit nichts anderes explizit angegeben ist stets auf alle Ausführungsformen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Abtrennvorrichtung 1 für zumindest ein elektrisches Bauelement EB weist einen Träger PCB auf. Das elektrische Bauelement EB ist mittels einer geeigneten Anbringungsweise auf dem Träger PCB befestigt.
Ein elektrisches Bauelement EB kann dabei jegliche Form einer Überspannungsschutzkomponente, z.B. ein Überspannungsschutzgerät/ableiter, als auch jedes andere elektrische Bauelement sein, das thermisch beansprucht wird. Insbesondere kann das elektrische Bauelement EB ein Halbleiter, insbesondere eine Suppressordiode oder ein Varistor, ein gasgefüllter Überspannungsableiter, oder aber auch ein (temperaturabhängiger) Widerstand sein.
Der Träger PCB kann beispielsweise eine Platine (engl. Printed Circuit Board – PCB) oder ein anderes geeignetes Trägermaterial sein, auf dem elektrische Bauelemente fixierbar sind, und das die Möglichkeit aufweist eine Sollbruchstelle SBS in Verbindung mit einer Anschlussleitung L_1a, L_1b zum elektrischen Bauelement EB bereitzustellen. Geeignete Befestigungsarten können z.B. mittels Löten und/oder Kleben und/oder Ultraschallbonden bereitgestellt werden.
Auf dem Träger befindet sich auch eine Anschlussleitung L_1a, L_1b zum elektrischen Bauelement EB. Die Anschlussleitung L_1a, L_1b dient im Betrieb dazu das elektrische Bauelement EB mit Energie zu versorgen, d.h. einen Stromfluss I zu ermöglichen.
Die Anschlussleitung L_1a, L_1b verfügt an zumindest einer Stelle über eine Sollbruchstelle SBS. Diese Sollbruchstelle ist schematisch in den Figuren durch einen gestrichelten Rahmen gekennzeichnet.
Die Sollbruchstelle SBS kann dabei mittels einer Formgedächtnislegierung FGL bei einer thermischen Aktivierung ϑ_E, ϑ_F, ϑ_BE zum Brechen gebracht werden. Die thermischen Aktivierungen sind vielgestaltig und in den Figuren mit einer strich-punktiertem Pfeillinie dargestellt. Hierdurch wird durch die Aktivierung der Sollbruchstelle SBS die Anschlussleitung L₁ in zwei Abschnitte, welche beispielhaft als L_1a und L_1b (hypothetische punktierte Unterbrechungslinie) dargestellt sind, geteilt, welche dann nicht mehr elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Hierdurch wird ein eventueller Strom I zum elektrischen Bauelement EB unterbrochen. Ohne weiter darauf einzugehen kann das elektrische Bauelement EB auch mit einer oder weiteren Anschlussleitungen L₂ versehen sein.
Dabei können unterschiedliche Formen der thermischen Aktivierung alternativ oder zusammen wirken. Eine erste Form der thermischen Aktivierung ist eine äußere Aktivierung, dargestellt durch ϑ_F Hierbei kann z.B. durch. einen gezielten Energieeintrag von außen eine Schaltung herbeigeführt werden, so dass auch andere Bauelemente geschützt sein können bzw. auch andere Vorrichtungen auf Grund anderer Gründe gezielt eine Schaltung hervorrufen können.
Eine zweite Form der Aktivierung ist eine mittelbare thermische Aktivierung ϑ_BE durch eine Erwärmung des elektrischen Bauelements EB. Die Auslegung kann dabei so erfolgen, dass z.B. die für das zu schützende elektrische Bauteil EB zulässigen Stoßströme zu keiner Schalthandlung führen, während, wenn die maximal zulässige Impulsamplitude (deutlich) überschritten wird, die Vorrichtung schaltet und damit das Gerät in einen sicheren Zustand überführen. Fließen Leck- o. Netzfolgeströme unzulässig lange durch das zu schützenden elektrische Bauteil EB wird ein Schaltvorgang durchgeführt.
Eine dritte Form der Aktivierung ist nur in 2 dargestellt. Hier ist die Formgedächtnislegierung FGL Teil der Anschlussleitung. Fließt nun ein hinreichender Strom I, kommt es durch Eigenerwärmung der Formgedächtnislegierung FGL zu einer unmittelbaren thermischen Aktivierung dargestellt durch ϑ_E. Die Auslegung kann dabei so erfolgen, dass z.B. die für das zu schützende elektrische Bauteil EB zulässigen Stoßströme zu keiner Schalthandlung führen, während, wenn die maximal zulässige Impulsamplitude (deutlich) überschritten wird, die Vorrichtung schaltet und damit das Gerät in einen sicheren Zustand überführen. Fließen Leck- o. Netzfolgeströme unzulässig lange durch das zu schützenden elektrische Bauteil EB wird ein Schaltvorgang durchgeführt.
D.h. im Unterschied dazu kann die Formgedächtnislegierung FGL in den Ausführungsformen der 1 als galvanisch getrenntes Bauelement ausgeführt sein.
Die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtungen sind kostengünstig, da sie nur eine geringe Anzahl von Bauelementen aufweisen und zudem eine kompakte Anordnung ermöglichen. Zudem sind die erfindungsgemäßen Einrichtungen fehlerunanfällig, da keine Vorspannung verwendet wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Sollbruchstelle so ausgelegt, dass die Aktivierung der Sollbruchstelle SBS zu einer irreversiblen Abtrennung führt. Hierdurch kann z.B. ein Wiedereinschalten eines geschädigten elektrischen Bauteils und damit eine erneute Brandgefahr zuverlässig verhindert werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das zumindest eine elektrische Bauelement EB ein Bauelement zur Überspannungsbegrenzung, insbesondere einen Halbleiter, eine Suppressordiode, einen Varistor, einen gasgefüllten Überspannungsableiter, oder einen Widerstand auf. Hierdurch können besonders kostengünstig integrierte Überspannungsschutzgeräte mit einer thermischen Abtrennvorrichtung bereitgestellt werden.
Obwohl vorstehend nur eine Abschaltfunktion gezeigt wurde, können ohne weiteres auch andere Schaltfunktionen alternativ oder zusätzlich mittels des Abschnitts der Sollbruchstelle bereitgestellt werden.
Beispielsweise kann durch eine Anordnung eines weiteren Leiters in Bezug auf einen der Leiterabschnitte L_1a, L_1b eine Schließerfunktion/Kurzschlussfunktion bereitgestellt werden, so dass der Strom I an dem elektrischen Bauelement EB vorbei geführt wird oder aber der Strom I kann auf einen Parallelpfad umgeleitet werden.
Alternativ oder zusätzlich können auch weitere Leiter mittels der Sollbruchstelle und der Formgedächtnislegierung geschalten werden, so dass auch weitere Funktionen, insbesondere Meldefunktionen in Bezug auf eine erfolgte Aktivierung, bereitgestellt werden können.
Besonders einfach lässt sich eine geeignete Sollbruchstelle SBS durch Fräsen, Bohren, entsprechende Spritzgussformung, Ritzung oder Perforierung des Trägers erreichen. Andere Formen der Erstellung einer Sollbruchstelle SBS sind jedoch nicht ausgeschlossen.
Dabei kann die Sollbruchstelle je nach Wahl des Herstellungsprozesses vor der Bestückung, während der Bestückung oder nach der Bestückung erfolgen und so kostengünstig in den Herstellungsprozess integriert werden.
Die Formgedächtnislegierung FGL kann geeignet durch ein Einpressen, einrasten, eindrücken oder durchstecken, kleben, oder dergleichen mit dem Träger PCB verbunden werden, wobei die Anbringung der Formgedächtnislegierung FGL in Bezug auf die Sollbruchstelle SBS vor, während oder nach der Erstellung der Sollbruchstelle erfolgen kann und so kostengünstig in den Herstellungsprozess integriert werden.
Bezugszeichenliste

1: Abtrennvorrichtung
EB: elektrisches Bauelement
PCB: Träger
L_1a, L_1b, L₂: Anschlussleitung
SBS: Sollbruchstelle
FGL: Formgedächtnislegierung
ϑ_E, ϑ_F, ϑ_BE: thermische Aktivierung
I: Strom

Claims

Abtrennvorrichtung (1) für ein elektrisches Bauelement (EB), wobei das elektrische Bauelement (EB) auf einem Träger (PCB) befestigt ist und über eine trägerbasierte Anschlussleitung (L_1a, L_1b) verfügt über die ein Strom (I) zum elektrischen Bauelement (EB) fließen kann, wobei die Anschlussleitung (L_1a, L_1b) an einer Stelle über eine Sollbruchstelle (SBS) verfügt, wobei mittels einer Formgedächtnislegierung (FGL) bei einer thermischen Aktivierung (ϑ_E, ϑ_F, ϑ_BE) die Sollbruchstelle (SBS) damit einen eventuellen Strom (I) zum elektrischen Bauelement (EB) zur Unterbrechung bringen kann.
Abtrennvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung (FGL) vor Auslösung von dem Strom (I) zum elektrischen Bauelement (EB) durchflossen ist, wobei der Wärmeumsatz durch den Stromfluss in der Formgedächtnislegierung (FGL) zu einer thermischen Aktivierung (ϑ_E) der Sollbruchstelle (SBS) führt.
Abtrennvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung der Sollbruchstelle (SBS) zu einer irreversiblen Abtrennung führt.
Abtrennvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elektrische Bauelement (EB) ein Bauelement zur Überspannungsbegrenzung aufweist.
Abtrennvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement zur Überspannungsbegrenzung ausgewählt ist aus einer Gruppe aufweisend einen Halbleiter, eine Suppressordiode, einen Varistor, einen gasgefüllte Überspannungsableiter, einen Widerstand.
Abtrennvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung weitere Schaltfunktionen, bereitstellt.
Abtrennvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schaltfunktion ausgewählt ist aus einer Gruppe aufweisend eine Wechselschaltfunktion, eine Schließerfunktion.
Abtrennvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstelle (SBS) im Träger (PCB) eingefräst, eingeritzt oder perforiert ist.