DE102014211206B3 - Vorrichtung mit einer Leiterplatte und einer darauf angeordneten elektronischen Schaltung, die einen Elektrolytkondensator aufweist, dessen Betriebstemperatur mittels der elektronischen Schaltung regelbar ist - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Leiterplatte und einer darauf angeordneten elektronischen Schaltung, die einen Elektrolytkondensator aufweist, wobei der Elektrolytkondensator bei niedrigen Temperaturen durch Eigenwärme aufgrund des Betriebs in einer verstimmten Schaltung auf Betriebstemperatur gebracht wird.

Description

  • In vielen elektronischen Schaltungen kommen Elektrolytkondensatoren zur Anwendung. Deren elektrischer Innenwiderstand ist ein wichtiges Auslegungskriterium für die elektronischen Schaltungen. Aufgrund des Prinzips von Elektrolytkondensatoren ist dieser Innenwiderstand aber stark temperaturabhängig. Insbesondere nimmt er zu tieferen Temperaturen hin zu. Als typische Wertänderung kann man von einer Verzehnfachung des Innenwiderstandes bei –40°C im Vergleich zum Innenwiderstand bei Raumtemperatur ausgehen.
  • Die allgemeinen elektrischen Kennwerte von Kondensatoren werden in der technischen Anwendung im internationalen Bereich harmonisiert durch die Rahmenspezifikation IEC 60384-1, die in Deutschland als DIN EN 60384-1 im Februar 2002 erschienen ist (Wikipedia). Sie werden durch ein idealisiertes Serien-Ersatzschaltbild beschrieben, wie es in 1 dargestellt ist. Hierin sind:
    • • C, die Kapazität des Elektrolytkondensators,
    • • RLeak, der Parallelwiderstand zum idealen Kondensator, der den Reststrom (Leckstrom) des Elektrolytkondensators repräsentiert,
    • • RESR, der äquivalente Serienwiderstand, er fasst die ohmschen Verluste des Bauelementes zusammen. Dieser Wirkwiderstand wird allgemein nur „ESR” (Equivalent Series Resistance) genannt
    • • LESL, die äquivalente Serieninduktivität, sie fasst die Induktivität des Bauelementes zusammen, sie wird allgemein nur „ESL” (Equivalent Series Inductivity L) genannt (Wikipedia).
  • Der Scheinwiderstand Z eines Elektrolytkondensators nimmt damit ebenfalls mit sinkender Temperatur zu. Das in 2 gezeigte Diagramm zeigt das typische Verhalten.
  • Um dieses Problem zu vermindern ist ein erster Lösungsansatz, größere Kondensatoren einzusetzen. Größere Bauformen haben im Vergleich zu kleineren einen geringeren Innenwiderstand.
  • Alternativ werden oft zwei kleinere Kondensatoren parallel geschaltet. Elektrisch bedeutet das eine Parallelschaltung des Innenwiderstands und damit eine entsprechende Reduzierung.
  • Beide Lösungen erfordern jedoch mehr Bauraum und sind auch teurer.
  • Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Elektrolytkondensatoren mit speziellen Elektrolyten mit einem besseren Temperaturverhalten, die in aller Regel aber ebenfalls deutlich teurer gegenüber Elektrolytkondensatoren mit herkömmlichen Elektrolyten sind.
  • Die US 2012/0281335 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einer Leiterplatte und einer darauf angeordneten elektronischen Schaltung, die einen Elektrolytkondensator aufweist, wobei auf oder neben dem Kondensator ein Heizelement angeordnet ist, und wobei die Vorrichtung einen Temperatursensor aufweist, der die Temperatur des Heizelements überwacht.
  • DE 691 05 020 T2 offenbart alternativ zur Beheizung durch ein Heizelement die Erwärmung eines Kondensators durch eine Leistungsendstufe oder einen Widerstand, die neben dem Kondensator auf einem Träger platziert sind.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Lösung anzugeben.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit einer Leiterplatte und einer darauf angeordneten elektronischen Schaltung, die einen Elektrolytkondensator aufweist, wobei die elektronische Schaltung eine Teilschaltung aufweist, die über einen ansteuerbaren Schalter mit dem Elektrolytkondensator verbindbar ist, und wobei die Vorrichtung eine erste Steuerschaltung aufweist, die den ansteuerbaren Schalter bei Temperaturen unterhalb einer vorbestimmten Betriebstemperatur des Elektrolytkondensators schließt und oberhalb dieser Betriebstemperatur wieder öffnet. Die Steuerschaltung weist hierzu eine Temperaturerfassungseinrichtung auf, die die Temperatur des Elektrolytkondensators erfassen oder ermitteln kann.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausbildung der Teilschaltung bildet diese mit dem Elektrolytkondensator einen Resonanzkreis, der bei Temperaturen unterhalb der vorbestimmten Betriebstemperatur des Elektrolytkondensators verstimmt ist.
  • In einer zweiten vorteilhaften Ausbildung der Teilschaltung ist diese ein Schaltungselement, das die elektronische Schaltung mit dem Elektrolytkondensator verstimmt.
  • Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der Elektrolytkondensator bei Inbetriebnahme der elektronischen Schaltung bei niedrigen Temperaturen belastet. Dadurch entsteht durch den elektrischen Innenwiderstand im Kondensator Verlustleistung. Diese Energie führt zu einer Erwärmung des Kondensators. Ist dieser Anlaufbetrieb des Kondensators ausreichend lange, kann die Kondensatortemperatur ausreichend weit ansteigen, so dass der elektrische Innenwiderstand bzw. der Scheinwiderstand auf einen für die eigentliche Funktion der Schaltung notwendigen Wert sinkt.
  • Die Erwärmung des Elektrolytkondensators wird durch Öffnen des Schalters oder Abschalten der Heizung beendet, wenn die Betriebstemperatur erreicht ist.
  • Die 3 zeigt mit Zeitdiagrammen in schematischer Weise den Verlauf des Innenwiderstandes des Kondensators, der Verlustleistung der elektronischen Schaltung und deren Betriebstemperatur (BE-Temperatur) während eines Aufheizbetriebs und eines nachfolgenden Normalbetriebs.

Claims (3)

  1. Vorrichtung mit einer Leiterplatte und einer darauf angeordneten elektronischen Schaltung, die einen Elektrolytkondensator aufweist, wobei die elektronische Schaltung eine Teilschaltung aufweist, die über einen ansteuerbaren Schalter mit dem Elektrolytkondensator verbindbar ist, und wobei die Vorrichtung eine erste Steuerschaltung aufweist, die den ansteuerbaren Schalter bei Temperaturen unterhalb einer vorbestimmten Betriebstemperatur des Elektrolytkondensators schließt und oberhalb dieser Betriebstemperatur wieder öffnet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teilschaltung mit dem Elektrolytkondensator einen Resonanzkreis bildet, der bei Temperaturen unterhalb der vorbestimmten Betriebstemperatur des Elektrolytkondensators verstimmt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teilschaltung ein Schaltungselement ist, das die elektronische Schaltung mit dem Elektrolytkondensator verstimmt.
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