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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltervorrichtung zum selbsttätigen Abschalten eines elektrischen Stromkreises bei Überschreiten von zulässigen Strom- und/oder Spannungswerten, aufweisend ein Mehrschichtsubstrat zur mechanischen Anordnung und Verbindung von elektronischen Bauteilen.
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Grundlegend bekannte Schutzschaltervorrichtungen bzw. Schutzschaltgeräte trennen einen Stromkreis selbsttätig, sobald beispielsweise dessen Nennstromstärke um einen definierten Faktor überschritten wird, sodass beispielsweise der in der Leitung hinter dem Schutzschalter befindliche Verbraucher oder auch die Leitung selbst vor Beschädigung oder Zerstörung durch etwa die thermische Wirkung des Stromes verhindert wird. Es ist des Weiteren bekannt, dass Schutzschalter bzw. Schutzschaltervorrichtungen zwei Auslösesysteme, wie beispielsweise den thermischen Auslöser und den elektromagnetischen Auslöser aufweisen. Der thermische Auslöser weist beispielsweise einen Bimetallstreifen auf, welcher aus zwei aufeinander gewalzten Metallbändern mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Der Strom des angeschlossenen Verbrauchers fließt hierbei beispielsweise über eine Heizwicklung und erwärmt den Bimetallstreifen, der sich dann krümmt. Sofern der Krümmungsweg größer ist als am Auslöser eingestellt, werden Steuerkontakte betätigt oder ein Schaltschloss des Schutzschalters wird entklinkt. Der thermische Auslöser des Schutzschalters schützt insbesondere Anlagen und Betriebsmittel vor Überlastung, jedoch nicht vor einem Kurzschluss. Hierfür dienen elektromagnetischen Auslöser, welche beispielsweise eine Spule aufweisen. Fließt durch diese Spule ein genügend großer Strom, so zieht ein Schlaganker an und entklinkt beispielsweise ein Schaltschloss des Schutzschalters unverzögert.
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Bei bekannten Schutzschaltern bzw. Schutzschaltgeräten sind die einzuhaltenden Kriechstrecken aufgrund beispielsweise einer hohen Betriebsspannung und eines vorliegenden Verschmutzungsgrades entsprechend lang. Der Verschmutzungsgrad wird hierbei von der Eigenverschmutzung des Gerätes durch zum Beispiel die Bildung eines leitfähigen Plasmas, wie zum Beispiel Ruß oder Silberpartikeln, während des Abschaltvorganges von Kurzschlüssen und des Einsatzes in Industrieumgebungen bestimmt. Kriechstrecken werden gebildet, wenn elektrischer Strom nicht nur entlang den dafür vorgesehenen Leitungselementen, wie den Anschlussbahnen, Leiterbahnen, Kupferflächen und Vias fließt. Insbesondere bei höheren Spannungen kann es zu Teilentladungen kommen, bei denen durch das Isolationsmaterial bzw. durch die Luft ein elektrischer Strom fließt, wobei Entladungen speziell in denjenigen Bereichen auftreten, in welchen Inhomogenitäten des Mediums unter starkem Feldeinfluss liegen, wie beispielsweise bei Verschmutzungen. Diese Störstellen besitzen eine kleinere Dielektrizitätszahl als das umgebende Material, wodurch eine Erhöhung der Feldstärke eintritt. So ist es denkbar, dass beispielsweise ein Kriechstrom, welcher auch als Leckstrom bezeichnet wird, entlang einer Oberfläche eines Isolierstoffes fließt. Das bedingt sich insbesondere dadurch, dass auch wenn die inneren Isolationseigenschaften eines Isolierstoffes durch dessen spezifischen elektrischen Widerstand bestimmt werden, die Stromleitung an dessen Oberfläche jedoch wesentlich davon abweichen kann, auch wenn die Durchschlagsfestigkeit einer gleich langen Luftstrecke noch nicht erreicht ist.
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Um ein Auftreten von Kriechströmen zu vermeiden, ist folglich ein Mindestabstand zwischen Stromkreisen und insbesondere stromführenden Bauelementen einzuhalten. Der dafür notwendige Platzbedarf steht jedoch aufgrund einer kompakten Bauweise und der dadurch bedingten eingeschränkten Platzverhältnisse der Schutzschaltervorrichtungen unzureichend zur Verfügung.
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Des Weiteren ist eine weitere Erhöhung von Luft- bzw. Kriechstrecken erforderlich, wenn beispielsweise eine sichere Trennung zwischen einer hohen Betriebsspannung und eines Spannungsniveaus an einer Bedienerschnittstelle gewährleistet werden muss. Insbesondere beim Auftreten von Kurzschlüssen und bei der Kurzschlussabschaltungsfunktion der Schutzschaltervorrichtung können zumindest kurzfristig sehr hohe Temperaturen und Drücke durch das hierbei entstehende Plasma entstehen.
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Demzufolge ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Schutzschaltervorrichtung bzw. einem Schutzschaltgerät zumindest teilweise zu beheben und insbesondere eine Schutzschaltervorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei welcher auf einer einfachen und kostengünstigen Art und Weise die Kriechstrecken minimiert und die kompakte Bauweise einer Schutzschaltervorrichtung umgesetzt werden kann.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzschaltervorrichtung zum selbsttätigen Abschalten eines elektrischen Stromkreises bei Überschreiten von zulässigen Strom- und/oder Spannungswerten mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Schutzschaltervorrichtung zum selbsttätigen Abschalten eines elektrischen Stromkreises beim Überschreiten von zulässigen Strom- und/oder Spannungswerten weist wenigstens ein Mehrschichtsubstrat zur mechanischen Anordnung und Verbindung von elektronischen Bauteilen auf, wobei das Mehrschichtsubstrat wenigstens eine Trägerschicht zum Anbringen der elektronischen Bauteile an mindestens einer Oberfläche der Trägerschicht sowie wenigstens eine Deckschicht zum Abdecken der elektronischen Bauteile aufweist, wobei die Trägerschicht und die Deckschicht ein dielektrisches Material aufweisen und ein hermetisch geschlossenes Gehäuse bilden. Grundlegend ist es bekannt, dass zur Befestigung und Verbindung von elektrischen oder auch elektronischen Bauteilen beispielsweise sogenannte gedruckte Schaltungen verwendet werden, welche flächige Gebilde aus einem zumeist elektrisch isolierenden Material, das einseitig oder doppelseitig mit dünnschichtigen Leiterbahnen versehen ist, sind. Derartige gedruckte Schaltungen werden auch als Leiterplatten bzw. Leiterplatinen bezeichnet. Das Mehrschichtsubstrat, welches auch als Multilayer-Substrat bezeichnet werden kann und vorteilhaft ein aktives Multilayer-Substrat ist, weist eine Sandwichstruktur auf, bei der eine Trägerschicht zum Anbringen der elektronischen Bauteile von einer Deckschicht zum Abdecken der elektronischen Bauteile zumindest teilweise umgeben ist. Die elektrischen bzw. elektronischen Bauteile sind erfindungsgemäß an mindestens einer Oberfläche der Trägerschicht angeordnet, sodass die Bauteile von der Trägerschicht zumindest in einem unteren Bereich von der Umgebung abgegrenzt werden. Des Weiteren weist das Mehrschichtsubstrat eine Deckschicht auf, welche die verbliebenen Bauteiloberflächen, das bedeutet diejenigen Oberflächen, welche nicht mit der Trägerschicht in Verbindung stehen, vorteilhaft vollständig abdeckt bzw. ummantelt. Demzufolge ist es möglich, dass in den Bereichen, in welchen auf der Trägerschicht kein Bauteil angeordnet ist, die Deckschicht die Trägerschicht zumindest abschnittsweise kontaktiert. Die Trägerschicht und die Deckschicht bilden folglich ein Gehäuse, in welches die elektronischen Bauteile eingebettet sind. Erfindungsgemäß werden die elektronischen Bauteile derart von der Trägerschicht und der Deckschicht umschlossen bzw. eingeschlossen, dass diese hermetisch zur Umgebung abgegrenzt sind, sodass vorteilhaft kein Schmutz in die Bereiche der Bauteile von der Außenumgebung eindringen kann. Des Weiteren weist die Trägerschicht und auch die Deckschicht ein dielektrisches Material auf, welches elektrisch schwach und insbesondere nicht leitend ist. Das dielektrische Material, welches beispielsweise ein Gas, eine Flüssigkeit oder auch ein Feststoff sein kann, ist im Rahmen der Erfindung vorteilhaft ein Feststoff.
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Vorteilhaft wird mittels der erfindungsgemäßen Schutzschaltervorrichtung und des innerhalb der Schutzschaltervorrichtung angeordneten Mehrschichtsubstrates der erforderliche Bauraum verringert, wobei gleichzeitig aufgrund der Einbettung der elektronischen Bauteile innerhalb des Mehrschichtsubstrates der Verschmutzungsgrad auf den Faktor 1 reduziert wird. Unter der Verschmutzung wird hierbei insbesondere jegliches Fremdmaterial in fester, flüssiger oder auch gasförmiger Form verstanden, welches die Durchschlagsfestigkeit oder auch den Oberflächenwiderstand eines Isolierstoffes beinträchtigen kann. Während bei einem Verschmutzungsgrad 4 die Verschmutzung zu einer beständigen Leitfähigkeit führt, liegt bei einem Verschmutzungsgrad 1 keine oder nur eine trockene, nicht leitfähige Verschmutzung vor, sodass die Verschmutzung keinen Einfluss mehr nimmt. Demzufolge wird vorteilhaft mittels der erfindungsgemäßen Schutzschaltervorrichtung und insbesondere dem Mehrschichtsubstrat eine Verschmutzung der elektronischen Bauteile und insbesondere der Leitungsbereiche zwischen den elektronischen Bauteilen verhindert. Hierdurch können die einzuhaltenden Kriechstrecken entsprechend minimiert werden, um eine kompakte Bauweise der Schutzschaltvorrichtung umzusetzen.
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Die gegen Umgebungseinflüsse dauerhaft mechanisch abgeschirmten elektronischen Bauteile, welche in dem Mehrschichtsubstrat eingebettet sind, sind folglich sicher mittels der Deckschicht voneinander getrennt, sodass auch eine Anzahl von Kurzschlussabschaltungen bei der Schutzschaltervorrichtung keinen Einfluss mehr auf die Kriechstrecken hat. Vorteilhaft entfallen dadurch die Luftstrecken zwischen den einzelnen elektronischen Bauteilen. Des Weiteren werden die elektronischen Bauteile auch gegen eine Betauung vor allem in einem rauen Einsatzgebiet mit Temperaturen zwischen –25°C bis 125°C hinreichend geschützt. Das bedeutet, dass die elektronischen Bauteile hinreichend gegen von außen eindringende Feuchtigkeit geschützt sind. Insbesondere bei Auftreten einer Kurzschlussabschaltung der Schutzschaltervorrichtung werden die elektronischen Bauteile hinreichend vor einer Wärmeentwicklung sowie auch vor Druckwellen geschützt. Des Weiteren entfällt der Bedarf eines zusätzlichen Gehäuses.
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Im Rahmen der Erfindung ist es des Weiteren möglich, dass das Mehrschichtsubstrat mehr als eine Trägerschicht und eine Deckschicht und vorteilhaft eine Trägerschicht und zwei Deckschichten oder auch mehr als zwei Trägerschichten und mehr als zwei Deckschichten aufweist. Die Trägerschichten können demzufolge auch Zwischenschichten bilden, welche zu einem Mehrschichtverbund miteinander verbunden werden und beispielsweise mittels einer Deckschicht oder auch zwei oder mehr Deckschichten ummantelt sind. Vorteilhaft wird durch eine Verwendung mehrerer Trägerschichten auch die Anzahl der innerhalb des Mehrschichtsubstrates anordenbaren elektronischen Bauteile, bei gleichbleibender hermetischer Einbettung dieser Bauteile, erhöht.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass die elektronischen Bauteile an zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerschicht des Mehrschichtsubstrates angeordnet sind. Demzufolge kann die Trägerschicht entweder ein- oder auch beidseitig bestückt sein. So ist es des Weiteren möglich, dass das Mehrschichtsubstrat eine oder mehrere Trägerschichten aufweist, welche einseitig bestückt ist und auch ein oder mehrere Trägerschichten aufweist, welche beidseitig bestückt sind. Vorteilhaft wird durch eine zweiseitige Bestückung der Trägerschicht die Anzahl der elektronischen Bauteile des Mehrschichtsubstrates im Vergleich zu einer einseitigen Bestückung der Trägerschicht bei einer lediglich marginalen Vergrößerung der Dicke des Mehrschichtsubstrates ermöglicht.
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Um die einzelnen elektronischen Bauteile zur Übertragung von elektrischer Energie miteinander zu verbinden, ist es denkbar, dass wenigstens eine Leiterbahn auf zumindest der einen Oberfläche der Trägerschicht des Mehrschichtsubstrates zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen den elektronischen Bauteilen angeordnet ist. Derartige Leiterbahnen werden folglich ebenfalls zwischen der zumindest einen Trägerschicht und der zumindest einen Deckschicht eingebettet, sodass diese Leiterbahnen nicht mehr an einer Platte einer Leiterplatine angelötet werden müssen, wodurch vorteilhaft die Belastung durch das beim Löten entstehende Schadgas in beispielsweise einer Industrie- bzw. Fertigungsumgebung reduziert werden kann.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass wenigstens ein Anschlusselement zum Verbinden des Mehrschichtsubstrates mit zumindest einer elektrischen oder elektronischen oder elektromechanischen Bauteilkomponente sich zumindest abschnittsweise aus dem Mehrschichtsubstrat hinaus erstreckt. Ein derartiges Anschlusselement, wie beispielsweise ein Stecker bzw. ein Steckverbinder, weist folglich einen Bereich auf, welcher insbesondere zwischen der Trägerschicht und der Deckschicht angeordnet und zumindest abschnittsweise von der Deckschicht derart ummantelt ist, dass auch über den außerhalb des Mehrschichtsubstrates befindlichen Bereich des Anschlusselementes keinerlei Verschmutzungen in das Innere des Mehrschichtsubstrates und insbesondere in den Bereich der elektronischen Bauteile und der Leiterbahnen zwischen den elektronischen Bauteilen eindringen kann.
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Im Rahmen der Erfindung ist es des Weiteren möglich, dass zumindest die Trägerschicht des Mehrschichtsubstrates ein Epoxidharz aufweist. So ist es folglich auch denkbar, dass neben der Trägerschicht auch die Deckschicht oder lediglich die Deckschicht ein Epoxidharz aufweist. Epoxidharze, welche auch als Reaktionsharze bezeichnet werden sind härtbare Kunstharze, die mit einem Härter und ggfs. mit Zusatzstoffen zu einem duroplastischen Kunststoff umgesetzt werden können.
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So ist es folglich möglich, dass zumindest die Deckschicht des Mehrschichtsubstrates ein endlosfaserverstärktes duroplastisches Halbzeug ist, wobei es zudem auch denkbar ist, dass neben der Deckschicht die Trägerschicht oder lediglich die Trägerschicht ein endlosfaserverstärktes duroplastisches Halbzeug ist. Vorteilhaft weist das Halbzeug, welches auch als Prepreg bezeichnet werden kann, ein härtbares Kunstharz, wie zum Beispiel das oben genannte Epoxidharz auf. Die maschinell verarbeitbaren Prepregs zeichnen sich durch einen hohe Faservolumenanteil und eine niedrige Ondulation aus. Bei einem Prepreg, welches beispielsweise ein mit Epoxidharz getränktes Glasfasergewebe ist, befindet sich das Harz in einem Zwischenstadium, bei dem das Harz noch nicht endgehärtet ist. Das Aushärten des Harzes erfolgt bei einem Verpressvorgang, bei welchem das Prepreg mit einer anderen Schicht zu einem Verbund verpresst wird. Ein derartiger Verpressvorgang findet vorteilhaft bei einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Epoxidharzes statt. So ist es beispielsweise denkbar, dass das Mehrschichtsubstrat aus wenigstens einem und insbesondere zwei Prepregs besteht, welche bei einer Temperatur von beispielsweise 150°C miteinander verpresst werden. Hierbei ist eine Verpresstemperatur zu berücksichtigen, bei welcher eine Verpressung und damit eine Endhärtung des Harzes der Prepregs gewährleistet werden kann, wobei gleichzeitig eine Beschädigung der elektronischen Bauteile aufgrund der erhöhten Wärmezufuhr vermieden wird. Vorteilhaft erfolgen das Verpressen der Trägerschicht mit der Deckschicht und damit das Einpressen der elektronischen Bauteile zwischen der Trägerschicht und der Deckschicht in einer Vakuumpresse.
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Zudem ist es denkbar, dass die verwendeten Prepregs bzw. die verwendete Deckschicht mit Kavitäten im Bereich der elektronischen Bauteile versehen wird, um eine lückenlose Verfüllung der geschaffenen Hohlräume, auch unter den einzelnen elektronischen Bauteilen, zu gewährleisten. Dies ist insbesondere erforderlich um eine vollständige Ummantelung der elektronischen Bauteile sicherzustellen.
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Die Endstärke des Mehrschichtsubstrates ergibt sich im Wesentlichen aus der Dicke der integrierten elektronischen Bauteile, sodass beispielsweise bei einer Bauteilhöhe von 0,5 mm die Mehrschichtsubstratdicke bei beispielsweise 5 mm liegen kann. Vorteilhaft wird bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltervorrichtung unter Verwendung des Mehrschichtsubstrates eine Reduzierung der Belastung der elektronischen Bauteile bei Vibrationen und Schock reduziert. Zudem sind die zwischen der Trägerschicht und der Deckschicht eingebetteten elektronischen Bauteile hinreichend gegen eine mechanische Beschädigung geschützt, welche beispielsweise durch das Handling des Mehrschichtsubstrates während eines Einbaus in die Schutzschaltervorrichtung beispielsweise aufgrund sehr enger Platzverhältnisse auftreten kann. Zudem wird vorteilhaft ein Reverse-Engineering erschwert, da die elektronischen Bauteile folglich fest eingebettet zwischen der Trägerschicht und der Deckschicht und damit unter einer festen Abschirmung angeordnet sind und folglich nicht mehr direkt von außen zugänglich sind. Die Kriechstromfestigkeit des Mehrschichtsubstrates weist vorteilhaft einen CTI-Wert (Comperative Tracking Index) von über 400 auf, wobei der CTI-Wert aussagt, bis zu welcher Spannung das Basismaterial kein Tracking zeigt, wenn insbesondere 50 Tropfen genormter Elektrolytlösung aufgetropft werden.
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Eine erfindungsgemäße Schutzschaltervorrichtung sowie das in der Schutzschaltervorrichtung angeordnete Mehrschichtsubstrat werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Mehrschichtsubstrates,
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2 eine Ansicht eines entlang der in der 1 aufgezeigten Schnittgeraden A-A ausgeführten Schnittes des Mehrschichtsubstrates, und
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3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzschaltervorrichtung, aufweisend ein Mehrschichtsubstrat.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Mehrschichtsubstrates 1 und insbesondere auf eine Deckschicht 3 des Mehrschichtsubstrates 1 gezeigt. Die hier nicht gezeigten elektronischen Bauteile sind von der Deckschicht 3 vollständig abgedeckt, wobei die Deckschicht 3 eine ebene Oberfläche ausbildet. Anschlusselemente 4 erstrecken sich gemäß der 1 zumindest abschnittsweise aus dem Mehrschichtsubstrat 1 in Richtung der Umgebung U. Diese Anschlusselemente 4 dienen dazu das Mehrschichtsubstrat 1 und insbesondere die elektronischen Bauteile des Mehrschichtsubstrates 1 mit entsprechenden Baugruppen bzw. Bauteilkomponenten der in der 3 gezeigten Schutzschaltervorrichtung zu verbinden.
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In der 2 ist schematisch eine Ansicht eines Schnittes des Mehrschichtsubstrates 1 entlang der in der 1 gezeigten Schnittgeraden A-A dargestellt. Das Mehrschichtsubstrat 1 weist hierbei eine Trägerschicht 2 und eine oberhalb der Trägerschicht angeordnete Deckschicht 3 auf, wobei die Trägerschicht 2 und die Deckschicht 3 in einer Verbindungszone 5 aneinander angeordnet sind. Zumindest abschnittsweise zwischen der Trägerschicht 2 und der Deckschicht 3 sind die elektronischen Bauteile 6 angeordnet und folglich von einem aus der Trägerschicht 2 und der Deckschicht 3 gebildeten Gehäuse vollständig ummantelt. Das von der Trägerschicht 2 und der Deckschicht 3 gebildete Gehäuse kapselt die elektronischen Bauteile 6 vorteilhaft hermetisch von der Außenumgebung ab. Zwischen zwei elektronischen Bauteilen 6 ist mit dem Bezugszeichen 7 eine Leiterbahn aufgezeigt, welche insbesondere eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Bauteilen 6 ermöglicht.
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In der 3 ist des Weiteren schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzschaltervorrichtung 10 gezeigt, welche ein Mehrschichtsubstrat 1 aufweist. Vorteilhaft ist die gezeigte Schutzschaltervorrichtung 10 ein Kompaktleistungsschalter (MCCB – Molded Case Circuit Breaker).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrschichtsubstrat
- 2
- Trägerschicht
- 2a
- Oberfläche der Trägerschicht
- 3
- Deckschicht
- 4
- Anschlusselement
- 5
- Verbindungszone
- 6
- elektronisches Bauteil
- 7
- Leiterbahn
- U
- Umgebung
