DE102014109982A1

DE102014109982A1 - Thermische Sicherung und Leiterplatte mit thermischer Sicherung

Info

Publication number: DE102014109982A1
Application number: DE102014109982.6A
Authority: DE
Inventors: Bernd Halbrock; Martin Blanc
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: KR20160009517A; US9812277B2; US20160020054A1; KR102481793B1; DE102014109982B4

Abstract

Beschrieben wird eine thermische Sicherung mit einem Bügel (3), der ein erstes Ende mit einer ersten Lötfläche zum Verlöten mit einer ersten Kontaktfläche (2) einer Leiterplatte (1) und ein zweites Ende mit einer zweiten Lötfläche zum Verlöten mit einer zweiten Kontaktfläche (2) der Leiterplatte (1) aufweist, einem zwischen dem ersten und dem zweiten Ende an dem Bügel (3) befestigten Spannelement (5), das dafür eingerichtet ist, nach dem Verlöten der beiden Lötflächen und der Kontaktflächen (2) einer Leiterplatte (1) mit einer Vorspannung gegen den Bügel (3) und die Leiterplatte (1) zu drücken, wobei ein Abschnitt des Bügels (3) zwischen seinen beiden Enden einen mit den beiden Lötflächen in Reihe geschalteten Messwiderstand (7) aufweist. Zudem wird eine Leiterplatte (1) mit einer solchen thermischen Sicherung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Sicherung, die bei Überschreiten einer kritischen Schwellentemperatur einen Stromkreis dauerhaft unterbricht. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine thermische Sicherung, bei welcher die kritische Schwellentemperatur durch die Schmelztemperatur einer Lotverbindung vorgegeben ist.
Thermische Sicherungen werden zusammen mit anderen Schaltungselementen auf Leiterplatten angeordnet. Der Platz auf Leiterplatten ist knapp. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen wie mit einer verbesserten thermischen Sicherung Platz auf einer Leiterplatte eingespart werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine thermische Sicherung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Leiterplatte mit einer thermischen Sicherung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung kombiniert eine thermische Sicherung mit einem Messwiderstand, beispielweise zur Temperatur- oder Strommessung. Indem ein Messwiderstand in die thermische Sicherung integriert wird, kann der bisher auf einer Leiterplatte für den Messwiderstand benötigte Platz für andere Schaltungselemente genutzt oder die Leiterplatte verkleinert werden. Die Kombination einer thermischen Sicherung mit einem Messwiderstand ist problemlos möglich, obwohl von herkömmlichen thermischen Sicherungen routinemäßig eine möglichst geringer elektrischer Widerstand verlangt wird, damit die Eigenwärmung möglichst gering ist, und Messwiderstände notwendiger Weise einen merklichen elektrischen Widerstand haben müssen.
Eine erfindungsgemäße Sicherung weist einen Bügel auf, der bestimmungsgemäß mit seinen beiden Enden auf Kontaktflächen einer Leiterplatte gelötet wird. An dem Bügel ist ein Spannelement angebracht. Wenn der Bügel auf eine Leiterplatte gelötet ist, befindet sich das Spannelement zwischen der Leiterplatte und dem Bügel. Das Spannelement drückt dann mit einer Vorspannung sowohl gegen den Bügel als auch gegen die Leiterplatte. Bei Überhitzung wird die Lotverbindung zwischen dem Bügel und der Leiterplatte weich, so dass das Spannelement den Bügel dann zumindest an einem seiner beiden Enden von der Leiterplatte abhebt und so den Stromkreis unterbricht.
Der Bügel hat zwischen seinen beiden Enden einen Abschnitt, der den Messwiderstand aufweist. Beispielsweise kann der Messwiderstand durch Löten oder Schweißen elektrisch leitend mit zwei Endabschnitten des Bügels verbunden sein. Falls der Messwiderstand verlötet ist, kann der Stromkreis bei Überhitzung nicht nur unterbrochen werden, indem das Spannelement wenigstens eine der beiden Lötflächen des Bügels von der Leiterplatte abhebt, sondern auch indem Druck des Spannelements die Lötverbindung zwischen dem Messwiderstand und wenigstens einem Endabschnitt des Bügels trennt. Der Messwiderstand kann beispielsweise ein Strommesswiderstand oder ein Temperaturmesswiderstand sein.
Strommesswiderstände haben über weite Temperaturbereiche einen näherungsweise konstanten elektrischen Widerstand. Als Material für Strommesswiderstände sind beispielsweise Legierungen mit 50 bis 57 Gew.-% Cu und 43 bis 45 Gew.-% Ni, die beispielsweise unter der Marke Konstantan erhältlich sind, sowie Legierungen mit 82 bis 84 Gew.-% Cu, 12 bis 15 Gew.-% Mn und 2 bis 4 Gew.-% Ni, die beispielsweise unter der Marke Manganin erhältlich sind, geeignet.
Temperaturmesswiderstände zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur. Geeignet sind beispielsweise Messwiderstände aus Platin oder Nickel. Der Temperaturmesswiderstand kann einen mit steigender Temperatur ansteigenden Widerstand aufweisen, also ein PTC Widerstand sein, oder einen mit steigender Temperatur abnehmenden Widerstand aufweisen, also ein NTC Widerstand sein.
Der Messwiderstand kann auf einem elektrisch isolierenden Träger, beispielsweise einem Keramikplättchen angeordnet sein. Der Widerstand kann beispielsweise als Draht oder Leiterbahn auf dem Träger angeordnet sein. An dem Keramikplättchen können zwei Endabschnitte des Bügels befestigt sein, beispielsweise durch Löten.
Die Endabschnitte des Bügels können aus Blech, beispielsweise Kupferblech, Messingblech oder Stahlblech hergestellt sein.
Zum Verlöten wird bevorzugt ein Weichlot verwendet. Unter einem Weichlotmaterial ist gemäß dem üblichen technischen Sprachgebrauch Lotmaterial zu verstehen, dessen Schmelzpunkt weniger als 450°C beträgt. Bevorzugt wird Lotmaterial mit einem deutlich tieferen Schmelzpunkt, beispielsweise weniger als 250°C, insbesondere weniger als 200°C, verwendet. Geeignet sind beispielsweise Zinnlegierungen, insbesondere Zinn-Bleilegierungen, z. B. L-Sn60PbAg, und/oder Indiumlegierungen. Durch die Auswahl des Lotmaterials lässt sich die kritische Temperatur einstellen, bei welcher die Sicherung den Stromkreis unterbricht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Bügel in einem Gehäuse angeordnet ist, das an seiner Unterseite eine Öffnung für das Spannelement aufweist. Das Spannelement kann dann durch diese Öffnung hindurch Druck auf die Leiterplatte ausüben. Die Öffnung kann großflächig sein, beispielsweise indem die gesamte Unterseite des Gehäuses offen ist, oder nur so groß sein, wie es nötig ist, damit das Spannelement durch die Öffnung hindurch auf die Leiterplatte drücken kann. Ein Gehäuse kann verhindern, dass die thermische Sicherung durch einen Luftstrom gekühlt und so ein Auslösen verzögert wird. Zudem kann ein Gehäuse den Messwiderstand vor Beschädigung schützen.
Bevorzugt weist das Gehäuse nach innen ragende Vorsprünge auf, auf denen sich das Spannelement mit einem Ende abstützt, bevor die Sicherung in einem Stromkreis eingebaut wird. Auf diese Weise lässt sich vermeiden, dass das Spannelement schon während des Verlötens des Bügels mit der Leiterplatte gegen die Leiterplatte drückt. Nach dem Verlöten können die nach innen ragenden Vorsprünge dann von dem Spannelement wegbewegt werden, beispielsweise indem das Gehäuse zeitweilig oder dauerhaft verformt wird. Das Ende des Spannelements rutscht dann von den inneren Vorsprüngen ab, so dass das Spannelement durch die Öffnung des Gehäuses hindurch gegen die Leiterplatte drückt. Eine andere Möglichkeit das Ende des Spannelements von den nach innen ragenden Vorsprüngen zu entfernen, besteht darin, dass durch erhöhten Druck auf das Spannelement dieses von den nach innen ragenden Vorsprüngen abrutscht.
Beispielsweise kann das Gehäuse aus einem Gehäuseoberteil und einem Gehäuseunterteil zusammengefügt sein, wobei das Gehäuseoberteil nach dem Verlöten der thermischen Sicherung mit einer Leiterplatte relativ zu dem Gehäuseunterteil bewegt wird. Durch diese Relativbewegung kann das Gehäuseunterteil verformt werden, so dass die nach innen ragenden Vorsprünge von dem Spannelement wegbewegt werden und dieses dann auf die Leiterplatte drückt.
Die nach innen ragenden Vorsprünge können beispielsweise als Leiste oder Nasen ausgebildet sein.
Die thermische Sicherung kann auch als Stromwächter ausgelegt sein. Der durch den Bügel fließende Strom bewirkt nämlich eine ohmsche Erwärmung des Bügels. Überschreitet der Strom einen kritischen Schwellenwert, führt dies zu einer so starken Erwärmung, dass die Lotverbindungen aufweichen und das Spannelement den Stromkreis unterbricht.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Leiterplatte mit einer thermischen Sicherung;
2 eine schematische Schnittansicht der thermischen Sicherung mit arretiertem Spannelement; und
3 eine schematische Schnittansicht der thermischen Sicherung nach Lösen der Arretierung des Spannelements.
In 1 ist eine Leiterplatte 1 dargestellt, die metallisierte Kontaktflächen 2 aufweist, von denen Leiterbahnen ausgehen. Ein Bügel 3 hat an seinen beiden Enden Lötflächen, die über eine Lotschicht 4 elektrisch leitend mit den beiden Kontaktflächen 2 verbunden sind. Ein mittlerer Abschnitt des Bügels 3 weist einen Messwiderstand 7 zur Strom oder Temperaturmessung auf. Der Messwiderstand 7 ist mit den beiden Endabschnitten 6 des Bügels 3 elektrisch in Reihe geschaltet, beispielsweise mit den Endabschnitten 6 verschweißt oder verlötet.
Zwischen dem Bügel 3 und der Leiterplatte 1 ist ein Spannelement 5, beispielsweise eine Wendelfeder, angeordnet. Das Spannelement 5 drückt mit einer Vorspannung sowohl gegen die Leiterplatte 1 als auch gegen den Bügel 3. Bei Überhitzung wird die Lotschicht 4 weich, so dass das Spannelement 5 ein Ende des Bügels 3 von der Leiterplatte 1 abheben und so einen Stromfluss unterbrechen kann. Der Bügel 3 und das Spannelement 5 bilden somit eine thermische Sicherung, die bei Überschreiten einer kritischen Schwellentemperatur einen Stromkreis unterbricht.
Der Bügel 3 ist von einem Gehäuse umgeben, das aus einem Gehäuseoberteil 9 und einem Gehäuseunterteil 8 zusammengefügt ist. Das Gehäuseunterteil 8 hat an seiner Unterseite eine Öffnung, durch die hindurch das Spannelement 5 gegen die Leiterplatte 1 drückt.
In den 2 und 3 ist schematisch ein Querschnitt durch das Gehäuse dargestellt. 2 zeigt dabei die aus Bügel 3 und Spannelement 5 gebildete thermische Sicherung mit Gehäuseoberteil 9 und Gehäuseunterteil 8 im Herstellungszustand, vor dem Verlöten mit einer Leiterplatte 1. In diesem Zustand ist das Spannelement 5 durch das Gehäuse arretiert. Das Spannelement 5 stützt sich nämlich mit einem Ende an nach innen gerichteten Vorsprüngen 10 des unteren Gehäuseteils 8 ab und drückt mit seinem anderen Ende gegen den Bügel 3. In diesem Zustand lässt sich der Bügel 3 mit einer Leiterplatte 1 verlöten, ohne dass das Spannelement 5 gegen die Leiterplatte 1 drückt.
Nach dem Verlöten drückt man das obere Gehäuseteil 9 gegen das untere Gehäuseteil 8 in die in 3 gezeigte Konfiguration. Dadurch verformt sich das untere Gehäuseteil 8 so, dass sich der Abstand zwischen gegenüberliegenden nach innen gerichteten Vorsprüngen 10 vergrößert und dann das zuvor auf den Vorsprüngen 10 lastende Ende des Spannelement 5 durch eine Öffnung des Gehäuseunterteils 8 austritt und nun gegen eine Leiterplatte 1 drücken kann. Eine Verformung des unteren Gehäuseteils 8 zum Lösen einer Arretierung des Spannelements 5 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das obere Gehäuseteil 9 gegen eine Schrägfläche des unteren Gehäuseteils 8 drückt. Indem das obere Gehäuseteil 9 auf einer solchen Schrägfläche nach unten gleitet, werden die gegenüberliegen Wände des Gehäuseunterteils 8 auseinander gezogen. Dadurch vergrößert sich der Abstand gegenüberliegender Vorsprünge 10, so dass das untere Ende des Spannelements 5 von den Vorsprüngen 10 abrutschen und aus dem Gehäuse austreten kann.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte
2: Kontaktfläche der Leiterplatte 1
3: Bügel
4: Lot
5: Spannelement
6: Endabschnitt des Bügels 3
7: Messwiderstand
8: Unteres Gehäuseteil
9: Oberes Gehäuseteil
10: Vorsprung

Claims

Thermische Sicherung mit einem Bügel (3), der ein erstes Ende mit einer ersten Lötfläche zum Verlöten mit einer ersten Kontaktfläche (2) einer Leiterplatte (1) und ein zweites Ende mit einer zweiten Lötfläche zum Verlöten mit einer zweiten Kontaktfläche (2) der Leiterplatte (1) aufweist, einem zwischen dem ersten und dem zweiten Ende an dem Bügel (3) befestigten Spannelement (5), das dafür eingerichtet ist, nach dem Verlöten der beiden Lötflächen und der Kontaktflächen (2) einer Leiterplatte (1) mit einer Vorspannung gegen den Bügel (3) und die Leiterplatte (1) zu drücken, wobei ein Abschnitt des Bügels (3) zwischen seinen beiden Enden einen mit den beiden Lötflächen in Reihe geschalteten Messwiderstand (7) aufweist.
Thermische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (7) ein Temperaturmesswiderstand oder ein Strommesswiderstand ist.
Thermische Sicherung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (7) auf einem elektrisch isolierenden Träger angeordnet ist, der Teil des Bügels (3) ist.
Thermische Sicherung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (7) mit zwei Endabschnitten (6) des Bügels (3), welche die Lötflächen aufweisen, verlötet oder verschweißt ist.
Thermische Sicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endabschnitte (6) des Bügels (3) aus Blech sind.
Thermische Sicherung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bügel (3) in einem Gehäuse angeordnet ist, das an seiner Unterseite eine Öffnung für das Spannelement (5) aufweist.
Thermische Sicherung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Gehäuseoberteil (9) und ein Gehäuseunterteil (8) aufweist, wobei das Gehäuseunterteil (8) nach innen ragende Vorsprünge (10) aufweist, auf denen sich das Spannelement (5) abstützt, bevor die thermische Sicherung in einem Stromkreis eingebaut ist.
Thermische Sicherung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseoberteil (9) so mit dem Gehäuseunterteil (8) verbunden ist, dass Druck auf das Gehäuseoberteil (9) die nach innen ragen Vorsprünge (10) voneinander wegbewegt, so dass sich das Spannelement (5) nicht mehr auf den nach innen ragenden Vorsprüngen (10) des Gehäuseunterteils (8) abstützt.
Sicherung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (5) eine Wendelfeder ist.
Leiterplatte mit einer thermischen Sicherung, wobei die Leiterplatte (1) eine erste Kontaktfläche (2) und eine zweite Kontaktfläche (2) aufweist und die thermischen Sicherung die beiden Kontaktflächen (2) elektrisch leitend verbindet, die thermische Sicherung einen Bügel (3) aufweist, der an einem ersten Ende mit der ersten Kontaktfläche (2) und an einem zweiten Ende mit der zweiten Kontaktfläche (2) verlötet ist, ein Spannelement (5) zwischen dem Bügel (3) und der Leiterplatte (1) angeordnet ist, das mit einer Vorspannung gegen die Leiterplatte (1) und den Bügel (3) drückt, und der Bügel (3) einen mit den beiden Kontaktflächen (2) in Reihe geschalteten Messwiderstand (7) aufweist.